爪式泵的壓縮比、理論抽速、壓縮功的計算

2020-05-03 真空技術(shù)網(wǎng) 真空技術(shù)網(wǎng)整理

一、爪形轉(zhuǎn)子干式機械真空泵的壓縮比

        由于爪式泵轉(zhuǎn)子與吸、排氣口之間的閥調(diào)節(jié)作用及兩轉(zhuǎn)子之間封閉容積 Vc 內(nèi)氣體的二次膨脹作用,使泵具有較高的壓縮比,每一級所達到的壓縮比是由最大吸氣腔容積 Vs 與封閉容積 Vc 比值的二次冪給出。

爪式泵的工作原理圖

圖26:爪式泵的工作原理圖

    其推導(dǎo)如下:當(dāng)圖 26 內(nèi)的轉(zhuǎn)子從圖 (b) 位置轉(zhuǎn)過圖 (c) 位置時,封閉容積 Vc 內(nèi)的部分氣體 ( 處于排氣壓力 P0 下 ) 將膨脹進入吸氣腔 Vs 。 ( 此前 Vs 內(nèi)氣體壓力為吸氣壓力 Pi) ,使 Vs 與 Vc 內(nèi)的壓力暫時平衡在壓力 P0 假定溫度不變,則膨脹前后的氣體量可列如下方程式:

P0 Vc +Pi Vs - (Vc +Vs )P ( 7 · 1 )

       式中: P -位置 (c) 時的暫態(tài)氣體壓力

       當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)從圖 (c) 轉(zhuǎn)到圖 (d) 位置,形成與圖 (b) 位置時同樣的封閉容積 Vc ,但此時 Vc 內(nèi)的氣體壓力為 P 。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動通過圖 (a) 位置回到圖 (b) 位置后,該容積 Vc 內(nèi)的氣體將再次膨脹成容積 Vs ,所以有

PVc=PiVs (7 · 2 )

     從等式 (7 · 1) 和 (7 · 2) 中消掉 P ,可得壓縮比為

 P0 / Pi - (Vs / Vc)2 (7 · 3)

       另外由于爪式泵的轉(zhuǎn)子之間以及轉(zhuǎn)子與泵體之間的間隙是兩個圓柱之面間的間隙,從加工和裝配的角度來看,可以保證很小的公差,氣體的返流量能夠嚴(yán)格控制,因此爪式泵在高壓力段的壓縮比要優(yōu)于羅茨泵,且可以直排大氣 ( 見圖 27 的泵單級零流量壓縮比曲線 ) 。

零流量壓縮比曲線

圖27:零流量壓縮比曲線

       當(dāng)爪式泵采用多級結(jié)構(gòu)型式時 ( 例:采用四級爪型轉(zhuǎn)子 ) ,在排氣壓力為大氣壓力時,泵的入口極限壓力可達到 lPa 以下。

二、爪形轉(zhuǎn)子干式機械真空泵的理論抽速

      由圖 26 可知,在圖 (d) 位置時,轉(zhuǎn)子將要對 Vs 腔內(nèi)的氣體 ( 壓力已升到 P) 進行壓縮排氣;在圖 (b) 位置時,排氣剛好結(jié)束, Vc 空間內(nèi)封入壓力 P0 的氣體,則轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周排出來的氣體量 Q 為

Q = VsP - P0Vc (7 · 4)

爪式泵的理論抽速計算公式

圖:爪式泵的理論抽速計算公式

       由 (7 · 1) 式得 (7 · 5)

       將 (7 · 5) 式代入 (7 · 4) 式有 (7 · 6)

      設(shè)泵的理論抽氣容積為 V ,則有 Q = PiV ,代入 (7 · 6) 式得

 

      令λ =P0 / Pi ( 壓縮比 ) ,則上式變?yōu)?(7 · 7)

      這樣可得泵的理論抽速 S 為(7 · 8)

     式中: n -轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 r / min

     L -抽氣級轉(zhuǎn)子厚度 m

      As 、 Ac - Vs 、 Vc 對應(yīng)的截面積 m2

    由 (7 · 8) 式可知,只要求出 As 、 Ac ,則泵的理論抽速可得。

三、爪形轉(zhuǎn)子干式機械真空泵的壓縮功

       爪式真空泵與羅茨真空泵相比,所需的壓縮功率小。由圖 28 所示的 P-V 示功圖可知,旋片泵的氣體壓縮過程是內(nèi)壓縮過程,每一循環(huán)分為等壓吸氣、多變壓縮和等壓排氣三個階段,其示功圖如圖 28(a) 所示。

機械真空泵的P-V示功圖

圖28:機械真空泵的P-V示功圖

       羅茨泵的氣體壓縮過程則是在排氣時由外部氣體返沖到泵腔內(nèi),使氣體壓力突然增高,然后混合排出,是外壓縮。其示功圖如 28(b) 所示。爪型泵的氣體壓縮過程復(fù)雜一些,參見圖 26(b) ,吸氣過程結(jié)束時,吸氣腔 Vs 中的壓力為吸入壓力 Pi ,而封閉腔 Vc 內(nèi)的氣體處于排氣壓力 P0 。

       隨著轉(zhuǎn)子按箭頭方向進一步旋轉(zhuǎn),由于兩個爪起閥的作用,使 Vc 中的部分氣體又返回到吸氣腔 Vs 中,于是 Vs 腔內(nèi)的氣體壓力由 Pi 升高至中間壓力 P ,并進一步被轉(zhuǎn)子壓縮至排氣壓力 P0 ,其示功圖如圖 28(c) 所示。顯然,從節(jié)省功耗的觀點出發(fā)爪式泵優(yōu)于羅茨泵。

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