漸變式螺桿真空泵設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

2015-11-01 巫修海 浙江理工大學(xué)

  為了開(kāi)發(fā)高效節(jié)能、安全運(yùn)行的螺桿真空泵,在現(xiàn)有各類(lèi)內(nèi)部壓縮螺桿真空泵研究的基礎(chǔ)之上,提出了一種三段式內(nèi)部壓縮體積漸進(jìn)式變化的螺桿轉(zhuǎn)子,并使用Hermite插值理論導(dǎo)出了圓柱變螺距螺旋線的參數(shù)方程。設(shè)計(jì)的變螺距螺桿,第一部分是大導(dǎo)程等螺距區(qū)域,位于吸氣端,其決定了螺桿真空泵的吸氣能力;中間是非線性平滑過(guò)渡部分,其長(zhǎng)度與非線性比率決定了壓縮能力;尾部的排氣端是小導(dǎo)程等螺距區(qū)域,保證了穩(wěn)定的極限壓力。試驗(yàn)證明采用漸變式的螺桿真空泵可以大幅降低驅(qū)動(dòng)功率,工作噪聲低,內(nèi)部工作溫度低,運(yùn)行效果良好。

  螺桿真空泵可以實(shí)現(xiàn)從105到1 Pa 的工作范圍,排氣能力強(qiáng),在干式模式下運(yùn)行,綠色環(huán)保,廣泛應(yīng)用于電子、光伏和醫(yī)藥化工等行業(yè)。最早螺桿真空泵的引導(dǎo)線為常數(shù),介質(zhì)(主要是氣體) 在泵體內(nèi)部等體積傳輸,在排氣口壓縮,屬于外部壓縮,能耗和噪聲都較高。從能效觀點(diǎn)出發(fā),工作氣體是可以壓縮的,泵的內(nèi)部壓縮是可以開(kāi)發(fā)的,目前,經(jīng)過(guò)真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)的市場(chǎng)調(diào)研,認(rèn)為主要是通過(guò)控制螺桿真空泵內(nèi)部壓縮體積來(lái)壓縮空氣,從而控制壓縮功率,來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和降低噪聲的目的。

  早期,由于制造技術(shù)的限制,內(nèi)壓縮螺桿真空泵由幾級(jí)不同齒頂圓直徑尺寸或不同螺旋角的等螺距螺桿在軸向方向串聯(lián)而成,這種設(shè)計(jì)對(duì)空間有損傷。引導(dǎo)線(即螺旋線) 全程漸進(jìn)變化也是最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)之一,螺桿的螺距從最大到最小連續(xù)變化,引導(dǎo)線的螺距變化規(guī)律為線性,通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),螺距的變化引起導(dǎo)程角改變,可以降低消耗的功率,但是降低能耗能力有限。B. ULRICH描述了一種動(dòng)態(tài)平衡良好的變螺距雙螺桿轉(zhuǎn)子,端面型線保持不變,螺距從最小到最大,再到最小,最后保持不變,但同時(shí)一定程度上減低了初始階段的抽氣效率。M. H.NORTH描述了一種共軛錐形螺桿,螺距保持不變,由軸向錐形變化引起內(nèi)部壓縮體積的變化,但其構(gòu)造復(fù)雜。

  國(guó)內(nèi)學(xué)者張世偉提出了一種等齒頂寬的螺桿真空泵單頭變螺距轉(zhuǎn)子型線,轉(zhuǎn)子齒形面的齒頂寬可以保持不變,能夠增大吸氣端的吸氣容積,降低排氣端的氣體返流泄漏,但是,與之相配對(duì)使用的另一只螺桿轉(zhuǎn)子并不是完全的等齒頂寬,只是近似等齒頂寬,并且這種設(shè)計(jì)端面型線構(gòu)成固定,型線構(gòu)成發(fā)生變化后,計(jì)算極為復(fù)雜。D. Pfaller研究了“冷”機(jī)狀態(tài)、端面型線不變的情況下,通過(guò)優(yōu)化變螺距曲線,提升了排氣能力,降低了能耗,證明變螺距是可以?xún)?yōu)化的。綜上,各種內(nèi)部壓縮的螺桿真空泵,采取的手段都是減少工作腔室的體積,修改傳輸階段的工作型腔幾何尺寸,包括沿軸線的引導(dǎo)線(螺旋角) 、轉(zhuǎn)子齒頂和齒根尺寸。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展,各種高效節(jié)能的螺桿真空泵制造已經(jīng)成為可能。

1、問(wèn)題的提出

  市場(chǎng)上常見(jiàn)的外壓縮等螺距螺桿真空泵引導(dǎo)線的導(dǎo)程數(shù)一般是4.5 ~6 個(gè),可以達(dá)到1 Pa 及以下的極限真空,而上述大部分內(nèi)壓縮的螺桿真空泵一般是7 ~8 個(gè)導(dǎo)程,才可以達(dá)到理想的極限真空度,究其原因還是考慮到了制造技術(shù)和制造成本,選用非嚴(yán)格密封的三段擺線式的型線或類(lèi)似的型線。內(nèi)部壓縮的螺桿真空泵,初始工作階段,入氣口壓力較高時(shí),開(kāi)始?jí)嚎s部位的壓力和溫度很高,壓縮的熱量對(duì)螺桿的徑向變形影響最大,這時(shí)候運(yùn)行安全是必須考慮的,一般采取三種措施:

  第一,在開(kāi)始?jí)嚎s的部位接泄壓閥,但排放的介質(zhì),需要有回收裝置。

  第二,降低泵電機(jī)運(yùn)行速度,采用變頻控制,這一定程度上降低了初始階段的排氣效率。

  第三,改善壓縮部位的設(shè)計(jì)。

  鑒于上述問(wèn)題,本文通過(guò)改善壓縮部位的設(shè)計(jì),優(yōu)化變螺距的設(shè)計(jì),結(jié)合等螺距制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì),采用密封效果良好的端面型線,設(shè)計(jì)的變螺距螺桿導(dǎo)程控制在6 個(gè)以下,這樣在保證螺桿真空泵各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上,即能降低制造成本,又能保證螺桿真空泵的運(yùn)行安全。

2、漸變式變螺距螺桿數(shù)學(xué)模型

  為了達(dá)到良好的壓縮性能,螺桿采用三段式設(shè)計(jì),第一部分(T1) 是吸氣端,采用大螺距設(shè)計(jì)來(lái)提高吸氣能力;第三部分(T3) 是排氣端,采用小螺距設(shè);第二部分(T2) 為中間過(guò)渡區(qū)域,采用漸變過(guò)渡方式,螺距在較大范圍內(nèi)逐漸變化小。三個(gè)部分連接曲面的設(shè)計(jì)要求過(guò)渡平滑。為了進(jìn)一步降低制造要求,第一、三部分可以采用等螺距設(shè)計(jì),這種整體漸變式螺桿設(shè)計(jì)對(duì)于減小能量需求、降低噪聲、降低內(nèi)部工作溫度、縮小結(jié)構(gòu)空間以及降低制造費(fèi)用提供了較好的選擇。

  2.1、圓柱變螺距螺旋線

  端面型線固定螺桿的軸向引導(dǎo)線是圓柱螺旋線,圓柱螺旋線Γ 可以表示

漸變式螺桿真空泵設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

  式中,t 為螺旋線變量,表示螺旋線的纏繞角度; R 為圓柱螺旋線半徑;Pi(t) 表示圓柱螺旋線軸向參數(shù)方程,對(duì)應(yīng)的Pi' (t) 是螺距變化參數(shù)方程。圖1(a) 是一般圓柱螺旋展開(kāi)圖,圖1(b) 是對(duì)應(yīng)的螺距變化曲線。

漸變式螺桿真空泵設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

圖1 一般圓柱螺旋展開(kāi)圖、螺距變化曲線圓柱螺旋線

3、結(jié)論

  (1) 建立了三段漸變式螺桿轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)理論,可以根據(jù)干泵的使用場(chǎng)合選取一定的壓縮比,再根據(jù)固定的壓縮比設(shè)計(jì)變螺距螺桿。

  (2) 通過(guò)試驗(yàn)比較了不同壓縮比下的能效功率曲線,螺桿內(nèi)部體積壓縮比越大,在小于10000 Pa的入口壓力下,能效利用率越高,超過(guò)這個(gè)數(shù)值,由于過(guò)壓縮,消耗的功率急速提升; 在適度的壓縮比下,大于10000 Pa 后,功率先提升,再下降。

  (3) 通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),壓縮比相同時(shí),功率曲線近似。壓縮區(qū)域的引導(dǎo)線纏繞角度適當(dāng)?shù)募哟,壓縮效果會(huì)改善,螺桿真空泵運(yùn)行的安全性相應(yīng)也得到提高。

  (4) 其外,螺桿內(nèi)部體積壓縮比越大,排出的氣體體積量越小,噪聲越小,相應(yīng)的尺寸結(jié)構(gòu)也更小。螺桿真空泵實(shí)際運(yùn)行時(shí),內(nèi)部工作溫度低、噪聲較低,上述效果在實(shí)際中應(yīng)用中獲得驗(yàn)證。

  本文研究結(jié)果為低噪聲、高效節(jié)能型干式螺桿真空泵變螺距螺桿轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、壓縮比選取提供了理論依據(jù)與實(shí)踐參考。當(dāng)然,螺桿真空泵內(nèi)部工作狀態(tài)非常復(fù)雜,在未來(lái)的工作中希望在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究螺桿真空泵泄漏計(jì)算模型、能效理論,特別是影響壓縮性能的變導(dǎo)程軸向長(zhǎng)度參數(shù)m 的優(yōu)化計(jì)算還需有待完善。