正航仪器技术整理罗茨真空泵

(一)概述 

(二)罗茨真空泵是一种旋转式容积真空泵。其结构形式是由罗茨鼓风机演变而来的。它于 1944 年首先出现于德国，是为适应在 10 ～ 1000Pa 压力范围内具有大抽速的真空熔炼系统而作为机械增压泵使用。 根据罗茨真空泵工作压力范围的不同，分为直排大气的低真空罗茨泵；中真空罗茨泵 ( 机械增压泵 ) 和高真空多级罗茨泵。国内用量最多的为中真空罗茨泵 ( 以下简称罗茨泵 ) 。罗茨泵与其它油封式机械泵相比有以下特点： 

(1) 在较宽的压力范围内有较大的抽速； (2) 转子具有良好的几何对称性，故振动小，运转平稳。转子间及转子和壳体间均有间隙，不用润滑，摩擦损失小，可大大降低驱动功率，从而可实现较高转速； (3) 泵腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的污染； (4) 泵腔内无压缩，无排气阀。结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感； (5) 压缩比较低，对氢气抽气效果差； (6) 转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困难。罗茨泵近几年在国内外得到较快的发展。在冶炼、石油化工、电工、电子等行业得到了广泛的应用。 

(二)罗茨泵的工作原理 

罗茨泵的结构如图 15 所示。在泵腔内，有二个“ 8 ”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为 1 的一对齿轮带动做彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙。由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故 中、高真空罗茨泵需要前级泵。因此，罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度 

外，还取决于前级泵的极限真空度。 

罗茨泵的工作原理既具有容积泵的工作原理，又有分子泵的抽气效应。图 16 为罗茨泵的工作原理图。由于转子的连续旋转，被抽气体从泵进气口吸入到下转子与泵壳之间的空间 V0 内，吸气后 V0 空间是全封闭状态。随着转子的转动，封闭的 V0 空间与排气口相通，由于排气侧气体压力较高，引起一部分气体反冲过来，使 V0 空间内的气体压力突然增高。当转子继续转动时， V0 空间内原来封入的气体连同反冲的气体一起被排向泵外。这时，上转子又从泵入口封入 V0 体积的气体。由于泵的连续运转，使两个转子不停地形成封闭空间 V0 又不停地将封闭空间玑内的气体排出泵外，从而实现了抽气的目的。 

转子主轴旋转一周共排出四个 V0 体积的气体。所以，泵的理论抽速为： （5.1）

式中 A0 ──泵腔的有效吸气面积 mm2 

n ──泵轴的转数 r/min 

L ──转子的长度 mm 

(三)罗茨泵──的结构

1. 泵总体结构型式 

罗茨泵的泵体的布置结构决定了泵的总体结构。目前国内外的罗茨泵总体结构大致有三种型式： (1) 立式如图 17(a) 所示，这种结构的进、排气口水平设置，装配和连接管路都比较方便。但泵的重心较高，在高速运转时稳定性差，故这种型式多用于小泵。 (2) 卧式如图 17(b) 所示，泵的进气口在上，排气口在下。有时为了真空系统管道安装连接方便，可将排气口从水平方向接出，即进、排气方向是相互垂直的。此时，排气口可以从左或 右两个方向开口，除接排气管道一端外，另一端堵死或接旁通阀。这种泵结构重心低，高速运转时稳定性好。一般大、中型泵多采用此种结构。 (3) 泵的两个转子轴与水平面垂直安装。这种结构装配间隙容易控制，转子装配方便，泵占地面积小。但泵重心较高且齿轮拆装不便，润滑机构也相对复杂。仅见于国外 产品。 

2. 泵的传动方式 

罗茨泵的两个转子是通过一对高精度齿轮来实现其相对同步运转的。主动轴通过联轴器与电机联接。在传动结构布置上主要 有以下两种：其一是电动机与齿轮放在转子的同一侧如图 18(a) 所示。从动转子由电动机端齿轮直接传过去带动，这样主动转子轴的扭转变形小，则两个转子之间的间隙不会因主动轴的扭转变形大而改变，故使转子之间的间隙在 运转过程中均匀。这种传动方式的最大缺点是： a. 主动轴上有三个轴承，增加了泵的加工和装配难度，齿轮的拆装及调整也不便； b. 整体结构不匀称，泵的重心偏向电动机和齿轮箱一侧。 

另一种是电动机和传动齿轮分别装在转子两侧，如图 18(b) 所示。这种形式使泵的整体结构匀称，但主动轴扭转变形较大。为保证转子在运转过程中的间隙均匀，要求轴应有足够的刚度，轴和转子之间的联接要紧固 (目前已有转子与轴焊或铸成一体的结构) 。这种结构拆装都很方便，所以被广泛采用。 

3. 泵的密封结构与润滑方式 

(1) 主动轴外伸部分的动密封 

目前采用较多的是标准型号的机械密封和带加强环的骨架真空橡胶密封。机械密封功耗小，允许线速度大；但结构复杂，成 本较高。骨架密封结构简单，功耗较大，为减少轴与密封圈之间的摩擦，轴的表面硬度和光洁度要高。为了防止轴的磨损，可在轴上加一个硬度较高的且与轴静密封 的轴套。另外，还可以采用独立的密封盒结构，使密封件的拆装和更换更加简捷方便。还有的罗茨泵把电动机密闭在泵体一端的壳体内，从而有效地解决了动密封问 题，提高了泵的真空度，降低了驱动功率。但为防止电机绕组线圈在真空下起弧，电动机的电源电压应降至 50V 以下。该结构用于中、小型泵。 

(2) 端盖壳体与泵腔之间的轴密封 

由于齿轮箱或端盖壳体内均有预抽管道与泵的出口相通，即这部分的压力与前级泵入口压力基本相同，与泵腔之间的压差较小，所以一般可采用迷宫式密封、反螺旋式密封或活塞胀圈密封。 

(3) 泵体端面的静密封 

有的采用有机硅室温硫化橡胶膜密封，密封面不用加工密封槽，但因该硫化橡胶密封膜为一次性使用，且配制较麻烦，给现场维护带来不便，且密封膜的厚度对转子端面间隙有影响，在安装时要掌握好膜的厚薄均匀性。 

还可采用真空橡胶圈密封，密封可靠，即保证了转子轴向间隙，又可方便地在现场拆装。如果对泵体端面的结构设计适当，密封槽的加工可以很方便。 

(4) 泵的润滑方式 

罗茨真空泵的润滑部位主要有三处：轴封处── 一般用油杯润滑；齿轮和轴承处──用 

齿轮或甩油盘溅油来保证润滑。对于大泵也可采用油泵强制供油润滑方式。 

(四) 泵设计中的关键问题 

1. 罗茨泵的关键零件是转子，而转子的关键是它的型线。转子横截面的外轮廓线即为转子的型线。泵工作时，转子的表面之间不接触，但转子之间的间隙要保持一定， 这样转子的型线必须做成共轭曲线。在实际设计中选用转子型线时，除了要能满足上述运动要求外，还应考虑如下条件：

 (1) 泵转子的容积利用系数要尽可能大，即转子占的体积要小 

(2) 转子应有良好的几何对称性，保证运转平稳、互换性好 

(3) 保证转子有足够的强度 

(4) 转子应容易加工，易得到较高的精度 

通常使用的转子型线有圆弧齿形、渐开线齿形和摆线齿型等。近年来由东北大学提出的“圆弧→渐开线→摆线”型转子型线气阻大，改善了泵在低压下的性能，提高了泵的抽气效率，得到较广泛的应用。相信今后还会出现更新更好的罗茨泵转子型线，使罗茨泵的工作性能进一步提高。 

2. 为了控制泵转子问、转子与泵壳间的间隙，要求轴承的轴向、径向位移量控制在一定范围内。在设计时，应正确选择轴承精度，并选择适合泵工作条件的轴承型号。 考虑转子轴向热膨胀影响，转子轴应留有活端 ( 一般为齿轮端 ) ，以允许轴因热膨胀等因素而产生轴向移动。轴活端的转子与侧端面的轴向间隙可以选大一些；而轴固定端的转子与端盖之间的轴向间隙则应选得小一些。 

3. 要求齿轮耐磨性强，传动平稳，齿间的间隙不得过大。齿轮的精度常选用 5 ～ 6 级。为使传动平稳，噪音小，常用斜齿轮。为使齿轮装配和调整转子间的间隙方便，可选用调隙结构齿轮并在齿轮与轴之间采厢涨套联接方式。