等螺距螺桿真空泵內(nèi)氣體熱力過程的研究

　　選擇目前已得到大量應(yīng)用的、采用等螺距螺桿轉(zhuǎn)子的無油螺桿真空泵作為研究對(duì)象，針對(duì)其內(nèi)部的氣體輸運(yùn)過程開展熱力學(xué)研究�；�于等螺距螺桿真空泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和抽氣原理，論文將被抽氣體在泵內(nèi)所經(jīng)歷的輸運(yùn)過程，分解為膨脹吸氣、等容輸送、絕熱壓縮和等壓排氣四個(gè)階段，并詳細(xì)討論了各階段的內(nèi)在機(jī)制。依據(jù)氣體熱力學(xué)基本原理，分別對(duì)每一個(gè)階段進(jìn)行了定量分析，推導(dǎo)出每一階段內(nèi)氣體質(zhì)量、體積、溫度、壓力、內(nèi)能、焓、熵等熱力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律公式。以某一指定抽速真空泵為例，計(jì)算給出了泵內(nèi)氣體的各個(gè)熱力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)圖表，并討論了等螺距螺桿泵排氣功耗和排氣溫度隨入口壓力變化的規(guī)律。

　　無油螺桿真空泵是上世紀(jì)90 年代進(jìn)入我國真空泵市場(chǎng)的一種新型干式真空泵，它以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì)而受到業(yè)內(nèi)人們的青睞。目前，這種泵已廣泛應(yīng)用于電子、化工、醫(yī)藥、冶金等眾多領(lǐng)域。也是微電子、IT 產(chǎn)業(yè)、精密加工、空間模擬等高科技行業(yè)的首選真空獲得設(shè)備，在真空泵市場(chǎng)占有越來越大的份額。

　　在螺桿真空泵的開發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用過程中，國內(nèi)外相關(guān)科技人員更多地關(guān)注于螺桿轉(zhuǎn)子型線的開發(fā)、螺桿真空泵結(jié)構(gòu)的完善和泵性能指標(biāo)的提高，而對(duì)于這種真空泵的抽氣機(jī)理方面更深層次的問題目前尚缺乏探索，比如：泵內(nèi)部被抽氣體所經(jīng)歷的熱力過程、泵的結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)對(duì)該熱力過程的影響以及由此所帶來的泵的性能指標(biāo)的改變等。然而，隨著無油螺桿真空泵結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)化的提出，以及螺桿泵應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，上述這些抽氣機(jī)制方面的深入研究已成為急需解決的問題，因而需要得到格外的關(guān)注。

　　本文選擇目前國內(nèi)市場(chǎng)上生產(chǎn)與應(yīng)用量最多、結(jié)構(gòu)最為成熟、可以作為螺桿泵典型代表的等螺距轉(zhuǎn)子無油螺桿真空泵作為研究對(duì)象，將其內(nèi)部抽氣過程分解為吸氣、輸送、壓縮和排氣四個(gè)階段，從熱力學(xué)基本原理和公式出發(fā)，對(duì)螺桿泵內(nèi)部被抽氣體所經(jīng)歷的熱力過程進(jìn)行機(jī)理分析和建模計(jì)算。這一工作有助于從熱力學(xué)機(jī)制層面上認(rèn)識(shí)和詮釋螺桿泵抽氣過程的內(nèi)在本質(zhì)，為螺桿泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析提供基礎(chǔ)性的理論支撐。

　　1、抽氣原理和抽氣過程分解

　　螺桿式真空泵的主要抽氣部件是安裝在8 字形泵體定子中的一對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子，由一對(duì)同步齒輪帶動(dòng)做相反方向的同步旋轉(zhuǎn)。工作過程中，主動(dòng)轉(zhuǎn)子的齒頂部分深入到從動(dòng)轉(zhuǎn)子的齒槽之中，將從動(dòng)轉(zhuǎn)子齒槽的空余部分隔離成為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的、與前后不相通的儲(chǔ)氣空間，同理，從動(dòng)轉(zhuǎn)子的齒頂也將主動(dòng)轉(zhuǎn)子的齒槽隔離成為同樣大小的儲(chǔ)氣空間。每一個(gè)螺旋導(dǎo)程內(nèi)的主、從轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)氣空間，共同構(gòu)成了螺桿真空泵的一級(jí)儲(chǔ)氣容積。當(dāng)兩只螺桿轉(zhuǎn)子做同步逆向旋轉(zhuǎn)時(shí)，各級(jí)齒槽儲(chǔ)氣容積則沿螺桿轉(zhuǎn)子軸向由吸氣端向排氣端移動(dòng)，并將由吸氣口吸入的、存在于齒槽儲(chǔ)氣容積之中的被抽氣體一同傳送，直至由排氣口排出泵外。螺桿泵的具體抽氣過程如圖1 所示。

圖1 螺桿泵的抽氣過程示意圖

　　對(duì)于采用等螺距螺桿轉(zhuǎn)子的螺桿真空泵，本文提出，螺桿轉(zhuǎn)子每一級(jí)儲(chǔ)氣容積的一次完整的抽氣過程，可以詳細(xì)分解為吸氣、輸送、壓縮和排氣四個(gè)階段，具體描述如下:

　　(1) 吸氣階段。兩只螺桿轉(zhuǎn)子最前端的儲(chǔ)氣容積與螺桿泵進(jìn)氣口直接相連通，在螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)、吸氣齒槽向后移動(dòng)的過程中，就相當(dāng)于該儲(chǔ)氣容積不斷地膨脹擴(kuò)大，泵外的被抽氣體在壓力差作用下進(jìn)入該儲(chǔ)氣容積，使該儲(chǔ)氣容積內(nèi)的氣體總量隨時(shí)間成線性增加，直至該儲(chǔ)氣容積與進(jìn)氣口完全隔離開，這一級(jí)儲(chǔ)氣容積的吸氣過程結(jié)束，而下一級(jí)儲(chǔ)氣容積的吸氣過程隨之開始，每一級(jí)儲(chǔ)氣容積的吸氣過程用時(shí)等于螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間。

　　(2) 輸運(yùn)階段。接下來，隨著螺桿轉(zhuǎn)子的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，被隔離的儲(chǔ)氣容積連同其內(nèi)部被吸入的氣體繼續(xù)向后移動(dòng)，進(jìn)行著由泵吸氣口到泵排氣口的氣體輸送過程。對(duì)于采用等螺距螺桿轉(zhuǎn)子的螺桿泵，吸氣齒槽的容積始終保持不變，因此，在此過程中，這部分被隔離的氣體也沒有受到壓縮。每一級(jí)儲(chǔ)氣容積的輸運(yùn)階段從前端與泵吸氣口隔離開始，至后端與泵排氣口接通前為止，所占用的時(shí)間是最長(zhǎng)的，其螺桿旋轉(zhuǎn)周數(shù)等于由吸氣口結(jié)束點(diǎn)到排氣端面的螺桿螺旋導(dǎo)程數(shù)減去1( 不一定是整數(shù)) 。

　　在輸運(yùn)階段，每一級(jí)儲(chǔ)氣容積中都存在著高速旋轉(zhuǎn)的螺桿轉(zhuǎn)子與固定不動(dòng)的泵體定子，對(duì)被抽氣體造成劇烈的攪動(dòng)與摩擦，以及被抽氣體與具有較高溫度的轉(zhuǎn)子之間的熱交換，會(huì)使被輸送氣體的溫度有上升的趨勢(shì)； 但同時(shí)泵體水冷壁的冷卻作用又會(huì)使被抽氣體有降溫的趨勢(shì)。綜合考慮二種因素的影響，在本文的研究中忽略輸運(yùn)過程中的氣體換熱。由于干式螺桿真空泵內(nèi)沒有泵油作為密封介質(zhì)，二螺桿轉(zhuǎn)子間及螺桿轉(zhuǎn)子與定子間的間隙會(huì)成為相鄰二級(jí)儲(chǔ)氣容積間的氣體泄漏通道，導(dǎo)致每一級(jí)儲(chǔ)氣容積內(nèi)的氣體都會(huì)向相鄰的靠近進(jìn)氣口端一側(cè)的儲(chǔ)氣容積內(nèi)泄漏，鑒于在工作壓力較高的情況下，漏入和漏出一個(gè)儲(chǔ)氣容積的氣體量差，即一個(gè)儲(chǔ)氣容積內(nèi)的凈氣體增加量相對(duì)較小，因此在本文中忽略輸送過程中儲(chǔ)氣容積內(nèi)的氣體質(zhì)量變化。

　　(3) 壓縮階段。壓縮階段是儲(chǔ)氣空間內(nèi)氣體壓力由吸氣壓力快速提升至排氣壓力的過程。對(duì)于少數(shù)排氣口開設(shè)位置偏低的等螺距螺桿泵，儲(chǔ)氣空間在到達(dá)排氣端面后與排氣口相通前會(huì)有一定程度的減小，從而對(duì)其內(nèi)的氣體有預(yù)壓縮作用而使其壓力略有提升； 對(duì)于大多數(shù)等螺距轉(zhuǎn)子螺桿泵，儲(chǔ)氣空間在到達(dá)排氣端面后直接與排氣口連通，排氣口外排氣管道內(nèi)的氣體立即反沖回最后一級(jí)儲(chǔ)氣空間，使儲(chǔ)氣空間內(nèi)的氣體壓力由吸氣壓力迅速升高至泵的排氣壓力。與吸氣、輸運(yùn)和排氣過程所需時(shí)間相比，氣體反沖壓縮的過程幾乎是在瞬間完成的，因此在建模計(jì)算時(shí)，暫不考慮該過程所需的時(shí)間。

　　正是由于壓縮階段所經(jīng)歷的時(shí)間很短，因此可以看作是一個(gè)絕熱充氣過程。壓縮階段完成后，與排氣孔相通的儲(chǔ)氣空間中的氣體由二部分組成: 一部分是由吸氣端傳輸過來的原始被抽氣體，另一部分是由排氣口反沖回來的反沖氣體。如果螺桿泵的排氣口直接面向開放的大氣環(huán)境，那么反沖氣體成分主要由外部大氣組成，其初始溫度相對(duì)較低； 如果排氣口連接有相對(duì)較長(zhǎng)的排氣管道，那么反沖氣體則主要是積累在排氣管路中的前幾周期所排出的氣體，其初始溫度相對(duì)很高。反沖氣體進(jìn)入螺桿轉(zhuǎn)子與排氣孔相通的儲(chǔ)氣空間的過程，相當(dāng)于是外部氣體對(duì)一個(gè)低壓空間的膨脹充氣過程，外部氣體以恒壓推動(dòng)反沖氣體所做的流動(dòng)功，最終轉(zhuǎn)化為混合氣體的內(nèi)能，使其溫度劇增。壓縮階段結(jié)束時(shí)，儲(chǔ)氣空間中的氣體總質(zhì)量大增，壓力等于排氣壓強(qiáng)，溫度為二部分氣體的混合溫度，其總的能、焓、熵也為二部分氣體之和。

　　(4) 排氣階段。實(shí)際上，從儲(chǔ)氣空間與排氣口連通時(shí)開始，螺桿泵的排氣過程即已同時(shí)開始。隨著螺桿轉(zhuǎn)子的恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，二轉(zhuǎn)子最末一級(jí)嚙合點(diǎn)持續(xù)后移，排氣端面前的儲(chǔ)氣空間容積不斷縮小，使得具有排氣壓力和排氣溫度的氣體逐漸通過排氣口被排出。這個(gè)過程一直持續(xù)到末端嚙合點(diǎn)到達(dá)排氣端面，此時(shí)，儲(chǔ)氣空間的體積變?yōu)榱悖�其�?nèi)的氣體通過排氣口完全排出泵外。每一級(jí)儲(chǔ)氣容積排氣過程的用時(shí)，等于從儲(chǔ)氣空間與排氣口連通至儲(chǔ)氣空間容積為零的時(shí)間段，通常是螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間。在排氣階段中，儲(chǔ)氣空間中氣體的壓力變化不大，可以作為等壓過程處理，即相當(dāng)于一個(gè)采用恒壓活塞將氣體推出泵外的過程。這一階段中，螺桿轉(zhuǎn)子對(duì)氣體(包括原始被抽氣體和反沖氣體) 做功最多，這些功最終轉(zhuǎn)化為排出氣體的動(dòng)能( 體現(xiàn)為速度) 、內(nèi)能( 體現(xiàn)為溫度) 和放熱量而消散于泵的冷卻系統(tǒng)和排氣環(huán)境空間中。

　　4、結(jié)論

　　(1) 采用等螺距螺桿轉(zhuǎn)子的無油螺桿真空泵，其儲(chǔ)氣空間內(nèi)部的氣體輸運(yùn)過程可以分解為膨脹吸氣、等容輸送、反沖絕熱壓縮和等壓排氣四個(gè)階段，本文依據(jù)氣體熱力學(xué)基本原理所建立的計(jì)算模型，可以定量描述每一階段內(nèi)氣體質(zhì)量、體積、溫度、壓力、內(nèi)能、焓、熵等熱力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律；

　　(2) 隨著進(jìn)氣壓力的降低，排氣功耗和排氣溫度呈上升趨勢(shì)； 在進(jìn)氣量很小的情況下，有效排氣功耗趨于其極大值Pmax = pa·V0 /τ0，排氣溫度趨于其極大值T3max = Ta·k；

　　(3) 在每一個(gè)排氣周期內(nèi)，反沖結(jié)束后所排出氣體的總內(nèi)能U3、總焓H3和總熵S3，只與反沖氣體的壓力pa和溫度Ta以及螺桿的儲(chǔ)氣空間容積V0有關(guān)，與進(jìn)氣參數(shù)近似無關(guān)。

　　本文的推導(dǎo)計(jì)算，可以正確估算泵的排氣有效功耗和排氣溫度； 但由于忽略了泵內(nèi)氣體的級(jí)間泄漏和換熱作用，因此在對(duì)泵內(nèi)氣體溫度、流量的計(jì)算上存在誤差。更為準(zhǔn)確的計(jì)算，以及關(guān)于變螺距螺桿泵內(nèi)部氣體熱力過程的研究，有待進(jìn)一步的研究。