罗茨泵是如何工作的？

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Isaiah Davies 早在 1848 年就提出了罗茨泵的设计原理，但是直到 20 年后，美国人 Francis 和 Philander Roots 才让这个设计变成真正的产品。这种泵最早是用作内燃机的风机。后来，通过将驱动装置反转，该原理又被用于气量测量。直到 1954 年，这种原理才被应用到真空工程。罗茨泵通过与前级泵（旋片泵或干式泵）构成泵组一起使用，工作范围扩展到了中真空范围。两级罗茨泵则将工作范围扩展到了中高真空范围。罗茨泵的工作原理使整个总成能实现高的抽速（超过 100,000 m³/h），而且通常要比在相同工作范围内运行的蒸汽喷射泵更经济。

罗茨泵的工作原理

罗茨真空泵（参见图 2.17）是一种旋转式真空泵，泵壳内有两个对称形状的转子彼此靠近旋转。两个横截面类似于图 8 所示的形状的转子通过齿轮实现同步。转子与泵壳壁之间以及转子与转子之间存在零点几个毫米的间隙。因此，罗茨泵可以高速运行，而不会发生机械磨损。与旋片泵和干式泵不同，罗茨泵不是油封泵，因此存在干式压缩泵设计固有的内部漏气问题，所以压缩比只能达到 10 – 100 范围。罗茨泵以及其他干式压缩泵的内部漏气主要源于以下事实：由于其工作原理，泵室的某些表面区域会交替成为泵的进气侧和压缩侧。在压缩阶段，这些表面区域（转子和泵壳）承受气体负载（边界层）；而在抽气阶段则会释放气体。运动气体层的厚度取决于两个转子之间以及转子和泵壳壁之间的间隙。由于罗茨泵内部的温度状况相对复杂，无法根据冷机状态进行考虑。它可在 1 mbar 区域内的工作压力下达到最小间隙以及相应的最小回流。因此，在该区域可达到最高压缩比，但是，此压力范围也是防止转子与泵壳之间接触的最关键压力区。

图 2.17 罗茨泵的示意图（剖面图）

进气法兰
转子
泵室
排气法兰
泵壳

查看下面的视频，观看运行中的罗茨泵工作原理动画演示

罗茨泵的特征参数

罗茨泵有效气载 Q_eff 可通过理论气载 Qth 和内部漏气量 QiR（损失的气体量）计算得出，如下所示：

(2.5)

以下适用于理论抽气的气体量：

(2.6)

其中 pa 是进气压力，Sth 是理论抽速。它又是抽取体积 VS 和速度 n 的乘积：

(2.7)

同样，内部漏气量 QiR 的计算公式为：

(2.8)

式中 p_V 是前级真空压力（前级真空侧的压力），S_iR 是（名义）“回流”速度，其中

(2.9)

即速度 n 和内部漏气量 V_iR 的乘积。

罗茨泵的容积效率可根据式 (2.10) 得出

(2.10)

通过式 2.5、2.6、2.7 和 2.8，可以得出 (2.11)

(2.11)

将压缩比 p_v/p_a 指定为 k，则得到

(2.11a)

在零气载下达到最大压缩比（参见 PNEUROP 和 DIN 28 426 的第 2 部分）。该压缩比称为 k0：(2.12)

(2.12)

k₀ 是罗茨泵的特征量，通常表示为前级真空压力 p_V 的函数（参见图 2.18）。
k₀（稍微）与气体类型也有一定的关系。

2.18 以前级真空压力 pv 的函数表示的罗茨泵 RUVAC WA 2001 的最大压缩比 k0

对于罗茨泵的效率，一般可通过以下有效公式计算：(2.13)

(2.13)

通常，罗茨泵会与具有标称抽取速度 S_V 的下游粗真空泵配合使用。连续性方程给出：(2.14)

(2.14)

这可得出 (2.15)

(2.15)

比率 S_th/S_V（罗茨泵的理论抽速/前级泵的抽速）称为抽速比 k_th。从 (2.15) 可得到 (2.16)

(2.16)

式 (2.16) 意味着罗茨泵可达到的压缩比 k 必须始终小于罗茨泵和前级泵之间的抽速比 k_th，因为体积效率会始终 < 1。将式 (2.13) 和 (2.16) 联立，可得到众所周知的效率表达式 (2.17)

(2.17)

式 2.17 中的特征量仅适用于罗茨泵与前级泵构成的组合，即罗茨泵的最大压缩比 k₀ 以及罗茨泵和前级泵之间的抽速比 kth。

借助以上各式，可以计算罗茨泵和前级泵的给定组合的抽速曲线。为此，必须知道以下条件：

a) 罗茨泵的理论抽速：S_th
b) 以前级真空压力的函数表示的最大压缩比：k0 (p_V)
c) 前级泵 S_V (p_V) 的抽速特征

计算过程可见表 2.3 所示，表中给出了罗茨泵 RUVAC WA 2001/E 250（单级滑阀，无气镇）组合的数据。

表 2.3 右侧两列的值逐点给出了 WA 2001/E250 组合的抽速曲线（参见图 2.19，最靠上的曲线）

S_th 计算如下：

上面概述的方法也可用于由一个旋转泵作为前级泵和几个串联在一起的罗茨泵构成的组合等。首先，按照迭代方法，确定前级泵和第一个罗茨泵的抽气特性，然后将此组合视为第二个罗茨泵的前级泵，以此类推进行计算。当然，我们需要知道该组合中所有泵的理论抽速，以及零气载时以前级压力的函数表示的压缩比 k₀。如前所述，这取决于抽速比最适合的真空过程。如果前级泵和罗茨泵具有相同的抽速，在粗真空范围内可能会非常有利。

罗茨泵的功率要求

罗茨泵中的压缩是通过外部压缩进行，称为等热量压缩。经验表明，以下算式大致成立：

(2.18)

为了确定泵的总功率（称为轴输出），必须考虑机械功率损失 NV（例如轴承密封件）：(2.19)

(2.19)

如经验所示，N_V 中的总功率损耗与 Sth 大致成正比，即：

(2.20)

根据泵的类型及其设计，此常量值的范围在 0.5 ~ 2 Wh / m³ 之间。
因此，总功率为：

对于计算非常有用的相应数值方程为：

(2.21)

其中 p_v 和 p_a 的单位为 mbar；S_th 的单位为 m³/h；常量“const.”介于 18 ~ 72 mbar 之间。

罗茨泵的额定负荷

泵消耗的功率量决定了泵的温度。如果温度上升超过特定水平（由最大许可压力差 p_V – p_a 决定），则存在转子因热膨胀而在泵壳中卡死的危险。最大许可压差 Δp_max 受以下因素影响：前级真空或压缩压力 pV、前级泵的抽速 S_V、罗茨泵转速 n、抽速比 k_th 以及所抽气体的绝热指数 κ。Δpmax 会随 p_V 和 S_V 增加而变大，以及随 n 和 k_th 增加而变小。因此，在连续运行时，前级真空压力与进气压力之间的最大差值 p_V-p_a 必须不超过由泵型决定的一个特定值。此值介于 130 ~ 50 mbar 之间。不过，连续运行的最大许可压差可以短时间超过。比如说，对于一些使用气体冷却的特殊设计，也允许在连续运行中出现较高的压差。

罗茨泵使用的电机类型

使用标准法兰安装电机作为驱动。轴通孔由两个使用油密封的径向轴封进行密封，二者在耐磨衬套上滑动，以保护驱动轴。使用的法兰式电机可以具有任意防护级别、电压或频率。

此版本的整体密封性为 < 10^-4mbar · l · s^-1。

如果要求 < 10^-5 mbar · l · s^-1 的更高密封性，罗茨泵要配备封闭式电机。转子位于泵驱动轴上的真空侧，并通过真空密封的非磁罐装与定子隔离。定子线圈由自带驱动电机的风机进行冷却。因此，不再需要可能发生磨损的轴封。在抽高纯度、有毒或放射性气体和蒸汽时，特别建议使用配备全密封罗茨泵。

保持许可压差

对于标准罗茨泵，必须采取措施以确保不会因为设计限制而超出进气口和排气口之间的最大许可压差。这可通过安装压力开关（可根据进气压力将罗茨泵切入和切出）或在罗茨泵旁路中加装一个压差或溢流阀（图 2.20 和 2.21）来满足要求。其中，在罗茨泵旁路中加装一个溢流阀的解决方法更好也更可靠。可将配重和弹簧加载阀设置到特定泵的最大许可压差，从而确保罗茨泵不会过载，并能在任意压力范围内运行。在实际应用中，这意味着罗茨泵可以与前级泵一起在大气压力下起动。在此过程中，任何压力增加都不会对二者的组合运行产生不利影响，也就是说罗茨泵在这种情况下不会关闭。

图 2.20 罗茨泵（带旁通管路）的剖面图

图 2.21 真空图 - 带一体式旁通管路和前级泵的罗茨泵

预进气冷却

使用具有预进气冷却能力的罗茨泵（图 2.22）时，压缩过程基本与标准罗茨泵相同。由于允许更大的压力差，需要更多的装机功率；在给定速度下，该功率与进气口和出气口之间的压差成直接比例关系，并包含理论压缩做功量以及各种功损。压缩过程通常是在泵室朝排气口方向打开后正常结束。此时，更高压力下的热气体流入泵腔，并压缩输送的气体量。当有预进气冷却时，此压缩过程会提前进行。在转子朝排气口方向打开泵室之前，经过压缩和冷却的气体会通过预进气通道流入泵腔。最后，转子通过排气口将抽气体的介质喷出。在单级压缩的情况下，冷却气体是从大气中吸入，从预进气冷却器排出；对于多级泵系统，冷却气体取自下游气体冷却器，执行预压缩并通过“内部冷却”带走压缩时产生的压缩热。