液力传动在罗茨真空泵上的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江真空设备集团有限公司 作者:黄智敏

  论述了液力传动的基本概念,对罗茨真空泵中常用的直联传动、皮带传动和磁力传动进行了分析,着重指出将液力传动应用到罗茨泵上以后,将使罗茨泵更能显示出其独特优异的性能。介绍了适合在罗茨泵中应用的静压泄液式( 带阻流板)限矩型液力偶合器的限矩原理和基本结构,并突出了应对罗茨泵严格的限矩要求所采取的措施。

  罗茨真空泵有一个非常重要的性能指标———最大容许压差,它是关系到泵能否正常运转的关键性指标,超过最大容许压差,罗茨泵不容许长时间运行,因此通常罗茨泵启动前必须要用前级泵将真空系统预抽到一定的真空度,而当罗茨泵在工作中压差超过最大容许压差时,又必须关闭罗茨泵,否则会损坏泵和电机。将液力传动应用到罗茨泵上,上述问题迎刃而解,而且对罗茨泵的启动过程、运行、抽气性能和过载保护等带来很大的好处。

1、液力传动与罗茨泵特性

  1.1、液力传动的基本概念

  流体力学中,单位质量流体所具有的能量可由下式来表示

液力传动在罗茨真空泵上的应用

  式中,v 为流体的速度,m/s;v2 /2g 称为流体的动力能;p 为流体的压力,Pa;p /ρg 称为流体的压力能;ρ为流体的密度,kg /m3 ;g 为重力加速度,m/s2 ;z 为压力测点相对于某一基准水平面的几何高度,m,又称位置能。

  在流体元件传递能量的过程中,相对位置高度变化很小,位置能( z) 的变化可以忽略不计,因此在流体元件中运动流体的能量变化主要表现为动力能和压力能两种形式。液压传动主要依靠工作液体的压力能的变化来传递能量。液力传动主要依靠工作液动力能的变化来传递能量,它的液体元件称为液力元件,包括各种型式的液力偶合器和液力变矩器。液力偶合器按其结构和性能又分为普通型、限矩型和调速型等三种类型,本文所讨论的就是限矩型液力偶合器。

  1.2、罗茨泵的传动

  常用的中真空罗茨泵基本上都是电机直联的,又分不带溢流阀和带溢流阀二种类型。不带溢流阀的罗茨泵不能在大气压下启动,它必须由前级泵预抽到一定真空度时才能启动,因此它有一个非常重要的性能指标———最大容许压差,罗茨泵可以在此压差下正常工作一段时间。带溢流阀的罗茨泵也不可以单独工作,但可以在前级泵启动完成后立即启动罗茨泵,也就是可以在接近大气压的状态下启动。它也有一个非常重要的性能指标———溢流阀压差,它在接近大气压的状态下启动或在工作中负荷超载时,溢流阀将会起跳,前级泵无法抽走的部分气体将从溢流阀返回到罗茨泵进口,所以它是以损失罗茨泵的抽速为代价的,当然反复抽取这部分返流气体需要损耗相当的功率。需要指出的是,溢流阀的流导要足够大,以使罗茨泵在0 ~105 Pa 的整个压力范围内消耗功率限制在规定的电机功率范围内。

  罗茨泵也有V 带传动的,但仅用于大型泵中。也有为了增加泵的抽速档次范围而用V 带传动降速的,这在国外一些厂商有使用。需要注意的是,过多的降速会对罗茨泵的性能,例如极限压力、抽气效率带来一定的影响。在V 带传动中,由于降速和额外增加了V 带拉力,轴的强度必须重新校核,轴承也须重新计算和选择。

  磁力传动罗茨泵主要解决了泵出轴的密封问题,它的漏率可降到< 1 × 10 -3 Pa·L /s,较普通径向密封的泵降低二个数量级。它的优异之处是工艺气体对大气无交叉污染,对环境无油污染。磁力传动罗茨泵也分不带溢流阀和带溢流阀二种类型。它的工作状况与普通直联罗茨泵的二种类型相似,但由于在高压差下发热厉害,容易导致磁铁在高温下退磁,因此限制了它在高压差下的运行;此外,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为磁铁在长时间工作后的自然消磁现象也是一个需要研究和解决的问题。

  最合理、最有效的方法是采用液力传动型罗茨泵,它用限矩型液力偶合器取代普通的联轴器,因此液力偶合器又被称之为液力联轴节。液力传动型罗茨泵在工作中,充分显示出了液力传动的优异特性。此时的罗茨泵虽然也不可以单独工作,但它可以与前级泵同时启动。在罗茨泵电机配套功率范围内,电机将带着泵轮以近似空载的状态启动并迅速加速、进入正常运转状态,因此大大降低了启动电流、减少启动时间,有一定的节能作用。当泵轮的转矩达到罗茨泵的启动转矩时,罗茨泵本体将缓慢启动并加速,随着罗茨泵压差的下降,转速逐渐上升并进入正常运转。上述泵在启动过程中,电机一直工作在正常运转状态范围内。液力传动型罗茨泵可以在0 ~ 105 Pa 的整个压力范围内连续运转和工作。

  1.3、液力传动型罗茨泵的特点

  采用限矩型液力偶合器的液力传动型罗茨泵具有如下优点:

  (1) 由于电机与泵之间通过液力传动,可吸收振动,减少冲击,启动平稳。避免了普通联轴器可能产生的噪声和振动。

  (2) 液力偶合器改善了电机的启动性能,使电机空载启动,启动后迅速进入正常运转。泵启动阶段电流小,仅为电机额定电流的2. 2 ~ 2. 5 倍。而电机与罗茨泵直联,不使用液力传动时,启动电流可达电机额定电流的6.5 倍。

  (3) 有自动无级变速的特性。电机空载启动并迅速进入正常运转,在此同时罗茨泵也开始启动,并随着罗茨泵压差的降低,转速逐渐上升并进入正常运转。在运转中,随着负荷的改变,罗茨泵会自动变速。

  (4) 提高了罗茨泵在低真空下的抽速,在同等条件下,可减少抽气时间50%。结构简单,安装方便,无需旁通预抽管路、管路阀和压力传感器。

  (5) 罗茨泵可以与前级泵同时在大气压下启动,并在0 ~ 105 Pa 的整个压力范围内连续运转,避免电机过载。即使遇到意外泄漏,也具有一定的自我保护作用。

  (6) 即使罗茨泵发生故障卡住( 涡轮停止转动) ,电机仍会带动泵轮旋转,电机不会超载、也不会因发热而烧毁。

  1.4、适合罗茨泵使用的液力偶合器

  罗茨泵对液力偶合器有几个特殊要求: 首先,相对其它机械而言,罗茨泵是属于超载不频繁而又不允许长时间超载,结构强度相对其它机械而言比较低,电机配套功率也相对不大的机械,因此限矩要求比较严格;罗茨泵我们也不希望它长期工作在超负荷的低效工作区,例如泵的启动状态时间就比较短,所以短时间的效率损失可以少考虑一些。

  根据上述要求,并结合罗茨泵瞬间超载的状况在正常情况下一般不会发生,故适宜采用静压泄液式( 带阻流板) 限矩型液力偶合器。它的结构比较简单,制造成本低,牵引启动性能好。如图1 所示,它由主动轴1、泵轮2、涡轮3、阻流板4、从动轴5 和侧辅腔6 组成。侧辅腔内的液体大致以泵轮和涡轮的平均转速旋转,并以所产生的离心力来达到与工作腔中的液体压力相平衡。在额定工况下,因涡轮转速接近泵轮转速,侧辅腔内液体的旋转速度高,离心力大,平衡后的液面半径为rn。当负载增加,涡轮转速降低时,侧辅腔内液体的旋转速度也降低,离心力减小,静压头减小,工作腔中的液体有一部分流入侧辅腔,使侧辅腔的液面半径减小为ri;此时由于工作腔中的液体减少,致使液力偶合器能容减少,传递力矩下降,起到了限矩作用;本装置中,为使结构简单,采用开放式侧辅腔。在此同时,由于涡轮转速降低,液体在工作腔中趋向于大循环流动,而设置在涡轮出口处的阻流板4 却强迫液体向上作小循环流动( 如图2 所示) ,阻碍了偶合器在低转速比时由小循环向大循环的转化,降低了偶合器部分充液时的不稳定性,也由于液流受到阻碍而产生涡流,造成能量损失,从而阻止力矩升高,也起到了一定的限矩作用。阻流板直径与泵( 涡) 轮直径之比通常在0. 53左右,罗茨泵由于限矩要求严格,超载工况也不是很频繁,综合考虑之下,这二者之比可以取0.65 ~0.70。在侧辅腔和阻流板的双重作用下,液力偶合器的超载系数可以降低到2 或2 以下。

液力传动在罗茨真空泵上的应用

图1 静压泄液式( 带阻流板) 限矩型液力偶合器

  1.5、轴的密封

  罗茨泵是一种无油泵,在与工艺气体接触的真空腔中,并没有油润滑和油密封的要求。但转子是由轴承支持并彼此之间用齿轮精确啮合的,这些轴承和齿轮则是需要润滑的,它就可能成为无油清洁系统的污染源。反之,当抽取与油容易发生反应的气体时,它也有可能对润滑油脂造成危害。为了防止偶合器腔和齿轮箱腔中的油转移到真空腔里,必须对泵的相关部位作有效的密封。

液力传动在罗茨真空泵上的应用

图2 阻流板的作用

  液力传动罗茨泵的轴封系统由以下各部分组成,高速旋转的甩油环通过离心力甩出所有附着在上面的油,使它流回油箱。螺旋形的迷宫式密封封住任何进入的油并使其返回油箱。采用聚四氟乙烯(PTFE) 材料制成的干式轴封可有效防止工艺气体与润滑油之间的相互侵扰,而不需要润滑。优质细毛毡衬套可防止工艺气体中的粉尘微粒从真空腔进入轴封系统,从而防止轴封的异常磨损。通过以上各部分组成的轴封系统可以有效使工艺气体与油和大气之间无交叉污染。

  1.6、液力传动型与直联型罗茨泵的性能比较

  不带溢流阀罗茨泵在低真空阶段,必须用前级泵抽至一定真空度才能启动罗茨泵,通常还须配置前级管路和控制阀,这个阶段的抽速仅仅是前级泵的抽速。

  带溢流阀罗茨泵在低真空阶段,在前级泵启动后就可以立即启动罗茨泵,但前级泵承受不了罗茨泵吸入的大量气体,多数气体从溢流阀返回至罗茨泵入口,随着压差的降低,返流量逐渐减少,直至溢流阀关闭。在上述阶段由于罗茨泵入口是真空,而前级泵口开始的一段时间都处在接近大气状态下,随着压差的下降,压力才逐步下降,因此相比之下溢流通道的阻力小,多量气体从溢流阀返回至罗茨泵入口,而且它的返流量超过预期,这也就是为什么在这个阶段的抽速要小于液力传动型罗茨泵的原因。

  液力传动型罗茨泵可以与前级泵同时启动,罗茨泵可以根据前级泵的承受力自动调节转速,因此罗茨泵与前级泵都处在非常协调的正常工作状态下,没有不正常的返流,它的抽气性能得到充分发挥,而处于最佳状态。

  液力传动型罗茨泵的抽气性能( 曲线1) 与带溢流阀( 曲线2) 、不带溢流阀直联型罗茨泵性能( 曲线3) 的比较,如图3 所示。在低真空预抽阶段,液力传动型罗茨泵的抽速-入口压力曲线明显优于后面二种直联的罗茨泵;它的电机功率完全得到了充分的利用,又保证了电机不会超载。

液力传动在罗茨真空泵上的应用

图3 不同类型罗茨泵抽速-入口压力曲线对比

  1.7、液力传动用油

  液力传动用油除了作为液力元件的工作液体外,还用来作为液力元件的冷却剂。它的基本要求是:油的运动粘度一般在100℃时以( 5 ~8) × 10-6m2 /s 为好。液力传动中要求粘度指数越大越好,一般要求粘度指数在90 ~100。液力传动传递动力的能力与工作液的密度成正比。工作液的密度越大,能传递的功率就越大。液力传动型罗茨泵中油温通常控制在65℃ 左右,因此一般润滑油的闪点都能满足要求。倾点是指油样在标准规定的试验条件下冷却时,能够继续流动的最低温度。这一点对液力传动型罗茨泵非常重要,因为它是靠油来传递能量的。

  对液力传动用油,倾点的要求随不同地区、不同季节而异。液力传动用油要求有良好的抗泡沫性和抗氧化安定性。泡沫过多会使液力元件传递的功率急剧下降,效率降低,冷却效果下降以及加速油品老化。抗氧化安定性不好,工作油容易氧化变质,粘度增加,同时产生大量的酸类、胶质、沥青和沉淀物,使腐蚀加剧并引起通道堵塞。

  根据上述要求,可以采用YLA-N46( 8# ) 液力传动油。若真空泵油的各项性能指标都符合上述要求,也可作液力传动油使用,如Edwards 公司在液力传动型罗茨泵中就使用了Edwards Speedivac 15 和16 真空泵油。我国的真空泵油在抗泡沫性方面如作进一步改进,也可以作液力传动油使用。

  1.8、过载系数和泵轮力矩系数的考虑

  罗茨泵所配置的限矩型液力偶合器在考虑腔型和结构时,要优先考虑过载系数是否满足要求,对于泵轮力矩系数则希望在满足过载系数要求的前提下,来探求高的泵轮力矩系数。

  影响过载系数的因素除了设置侧辅腔泄液分流和阻流板阻流之外,常常用改进叶轮结构的方法来降低过载系数。如泵轮叶片内缘削角,涡轮内设置长短相间叶片,目的都是增大无叶片区,在启动和低转速比工况时,降低传递力矩;涡轮上钻泄流孔,以使过载时液体由泄流孔喷出,降低工作腔的充液率,从而降低过载系数。

  为了提高泵轮力矩系数,可以通过减小涡轮出口半径,以提高偶合器的能头,也就提高了泵轮力矩系数。适当增加叶片数也可提高泵轮力矩系数,但叶片数太多,工作腔的有效容积减小,叶片与液流的磨擦损失增大,导致传递功率容量降低;叶片数太少,则叶片间的二次流动加剧,涡流损失增加,也降低了传递功率容量,因此叶片数有一个最佳值。叶轮采用长短相间叶片,以减少液体循环流动的排挤,从而降低液力损失。加大叶轮的腔深,增加了工作腔的容积,对提高泵轮力矩系数也是一种很有效的方法。

2、传动性能的验证

  由于在偶合器中液体的流动状态非常复杂,理论计算不可避免地总是与实际情况有所区别;目前,液力元件的设计理论也还不够完善,不能期望根据理论计算的方法来求得足够准确的传动特性,因而必须通过反复试验来验证和修正。对液力传动型罗茨泵的液力元件而言,在参考有关资料和理论计算后,型腔数据和结构都已确定,液力元件的性能也已基本定性,对罗茨泵而言,最关键的是对传递转矩的能力和限矩性能的验证。此时最切实可行的方法是,首先根据所传递的转矩初步确定充油量,然后根据限矩要求,通过试验对阻流板、涡轮上的泄流孔进行必要的修正,并最终确定充油量,以满足罗茨泵对传动特性的要求。液力传动油的温度对测试结果影响较大,试验时应尽量控制在65 ± 5℃,为了防止在低效区时油温超过上述范围,需要对油进行冷却。结构内通常设有冷却盘管,可以通过冷却水量的调节来控制油温。

3、结论

  液力传动型罗茨泵具有非常优异的工作特性,它使罗茨泵和前级泵处于非常协调的工作状态下,它使罗茨泵电机可以在几乎是空载的状态下启动,它使罗茨泵潜在的优异的抽气能力得到了充分发挥,它使罗茨泵和电机的过载保护得到可靠的保证,因此可以说,液力传动使罗茨泵的工作处于最佳状态下。

  国内至今还未有液力传动在罗茨泵上应用的研究文献和成果发表,国外也仅有EDWARDS 公司有类似产品生产,因此还需进一步研究和改进,使液力传动在罗茨真空泵上的应用取得更完美的效果。

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