CN115388005B - 一种降低压力脉动的多级罗茨真空泵的工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种降低压力脉动的多级罗茨真空泵的工作方法。所述多级罗茨真空泵包括：泵壳、第一转子、第二转子，所述泵壳包括上壳体、下壳体,所述第一转子、第二转子为多级转子。所述下壳体内部沿着所述旋转轴线方向开设有气体流道,多级转子中最后两级的所述第一转子、第二转子所在的工作腔下方开设有串联回流孔，所述串联回流孔与所述气体流道连通。本发明减轻由出口处大气压与泵体内高压气体碰撞引发的气流脉动，提高了真空泵运行的稳定性。

Description

一种降低压力脉动的多级罗茨真空泵的工作方法
技术领域
本发明涉及真空泵技术领域，特别涉及一种降低压力脉动的多级罗茨真空泵的工作方法。
背景技术
罗茨真空泵因其抽速高、成本低、结构紧凑、易维护等特点，已广泛应用于石油化工、半导体、能源、轻工食品等国民经济的各个领域。作为一种典型的变容真空泵，它主要通过两个能够彼此啮合的罗茨转子运动，使转子和泵体内腔之间形成周期性变化的工作腔容积，实现气体的吸入、运输、压缩和排出，使泵的进口处形成真空。现有技术CN101238294A公开了这样一种多级真空泵，每一个级都包括相互啮合的罗茨转子部件。现有技术CN103089647A公开了一种多级干式真空泵，包括多级缸体，成对转子容纳在缸体内部容纳空间内并彼此啮合地转动。而罗茨真空泵在转子向相反方向高速旋转时，出口处具有较大的回流冲击和气流脉动，降低其运行稳定性，限制了其应用及发展。
近年来，针对罗茨真空泵转子出口处压力脉动大所带来的运行稳定性差的问题，学者们进行了大量的研究，其中在罗茨鼓风机中提到的预进气压缩法及逆流冷却技术等方法，在基元容积由进气口向排气口移动的过程中通过开在机壳或墙板上的导气孔口，向其内部预先导入高压气体以便在基元容积与排气口连通之前，使其内部压力逐渐与排气口的压力达到平衡或接近平衡。Ohtani和Iwamoto通过实验证明了空气回流可以通过降低出流脉动来提高鼓风机的运行稳定性。在文献Sun S K, Jia X H, Xing L F, et al.Numerical study and experimental validation of a Roots blower with backflowdesign[J]. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 2018,12(1): 282-292中，Sun S K发现回流孔最高可将排气腔内的压力脉动减少80%。但是上述方法必须通过外接气箱实现气体供应，无疑增加了结构的复杂性。国内部分学者提出了对罗茨转子进行了分段式设计或增加箱体质量来达到降低振动的目的，虽然对转子出口处的脉动进行了削弱，但效果不佳，罗茨转子出口处流量脉动和压力脉动大的问题依旧没有解决。更加值得关注的是，上述研究主要针对的是单级罗茨鼓风机，对于真空度需求更高的多级罗茨真空泵的适用性犹未可知，限制了这种处理技术的发展。
本发明针对五级三叶罗茨真空模型泵的气动特性，提出一种降低多级罗茨真空泵压力脉动的串联回流孔技术，主要克服了罗茨转子在逐级压缩过程中，第四级与第五级转子区域压力脉动较高的难题。本发明采用被动流动控制技术，可在不增加结构复杂性的情况下，有效降低多级罗茨真空泵出口压力脉动高的问题，填补了当前技术领域的空白。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种降低多级罗茨真空泵压力脉动的串联回流孔技术。该方法是在五级三叶罗茨真空模型泵的第四级转子、第五级转子通过打孔的方式联通在气流通道的结构。在基元容积由进气口向排气口移动的过程中，通过联通在转子与气流通道的导气孔口，使气体在压差的作用下向转子域内导入高压气体，以便在基元容积与排气口连通之前，使其内部压力逐渐与排气口的压力达到平衡或接近平衡，从而达到减轻由出口处大气压与泵体内高压气体碰撞引发的气流脉动的目的，提高泵运行稳定性，具体采用如下技术方案：
一种降低压力脉动的多级罗茨真空泵的工作方法,所述多级罗茨真空泵包括：泵壳、第一转子、第二转子，所述泵壳包括上壳体、下壳体；
所述第一转子、第二转子分别绕各自的旋转轴沿相反方向旋转；所述第一转子、第二转子的旋转轴的轴线互相平行设置；
所述第一转子、第二转子包括多级转子，多级转子在所述旋转轴的轴线方向上间隔排列，所述泵壳包括与多级转子对应的多级工作腔，所述多级工作腔在所述旋转轴的轴线方向上间隔排列；
所述第一转子、第二转子垂直于旋转轴线的剖面呈Y字三叶形轮廓，所述第一转子、第二转子旋转时，每级一个转子叶顶和该级相邻转子的叶顶与所述泵壳的内侧壁形成密封；
所述下壳体内部沿着所述旋转轴线方向开设有气体流道；
多级转子中最后两级的所述第一转子、第二转子所在的工作腔下方开设有串联回流孔，所述串联回流孔与所述气体流道连通；
所述方法循环执行如下步骤：
S1.所述第一转子、第二转子在各自的旋转轴的带动下沿相反方向旋转，使得与所述进气口相邻的工作腔体积增大；
S2.气体由所述进气口流入；
S3.所述第一转子、第二转子在各自的旋转轴的带动下继续旋转，使得与所述排气口相邻的工作腔体积缩小；
在气体流道与转子域压差的作用下，使气体通过串联回流孔流入工作腔内，从而降低第四级、第五级转子与气流通道的压力，以及第四级、第五级转子内的压力脉动，并削弱排气口处由高低压流体碰撞所产生的脉动，降低由回流所造成的抽速损失，降低压力脉动振幅较高的第五级转子的压力波动；
S4.气体由所述排气口排出。
进一步，所述第一转子、第二转子、上壳体、下壳体的材质为高镍合金材料；所述上壳体、下壳体彼此之间通过法兰盘和螺栓固定连接。
进一步，每级转子延所述旋转轴线方向的轴向长度逐级递减。
进一步，所述第一转子、第二转子具体为五级转子，第四级、第五级转子所在的工作腔下方开设有串联回流孔。
进一步，所述第五级转子所在的工作腔下方开设的串联回流孔与所述气体流道通过竖直设置的竖直管道直接连通，所述第五级转子所在的工作腔下方开设的串联回流孔通过水平设置的水平管道与所述竖直管道直接连通。
进一步，所述串联回流孔轴向位置开设在在第四级、第五级转子的轴向长度的50%位置处。
进一步，所述第一转子位于左侧，所述第二转子位于右侧；
经过所述第一转子重心的竖直线以所述第一转子的重心为旋转中心，逆时针旋转120°后与所述下壳体相交的位置为所述串联回流孔的径向位置；
经过所述第二转子重心的竖直线以所述第二转子的重心为旋转中心，顺时针旋转120°后与所述下壳体相交的位置为所述串联回流孔的径向位置。
进一步，所述上壳体的上方侧壁开设有进气口，所述下壳体的下方侧壁开设有排气口；
所述进气口设置在第一级转子上方，所述排气口设置在最后一级转子下方。
进一步，所述上壳体内部延所述旋转轴线方向开设有进气通道，所述进气通道与所述进气口和所述多级工作腔均连通；
所述下壳体内部延所述旋转轴线方向开设有排气通道，所述排气通道与所述排气口和所述多级工作腔均连通；
所述排气通道与所述气体流道不直接连通。
本发明的技术方案获得了下列有益效果：通过上述方法在多级罗茨真空泵第四级、第五级转子与气流通道进行开孔处理后，在气流通道与转子域压差的作用下，使流体通过回流孔流入基元容积内，可以明显降低在基元容积接通出口时，第四级、第五级转子与气流通道的压力，削弱了出口处由高低压流体碰撞所产生的脉动。同时，通过串联的作用，更有效的降低了由回流所造成的抽速损失，并改善了压力脉动振幅较高的第五级转子的压力波动。
附图说明
图1为本发明多级罗茨真空泵的示意图。
图2为图1中的A-A面剖视图。
图3为图1中的B-B面剖视图。
图4为图1中的C-C面剖视图。
图5为本发明串联回流孔速度矢量分布图。
图6为本发明多级罗茨真空泵第四、五级转子压力脉动测点分布图。
图7为有、无串联回流孔第四级及第五级转子气道压力分布对比图。
图8为有、无串联回流孔压力脉动对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。
除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、
“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见附图1，为本发明具体实施例的一种降低压力脉动的多级罗茨真空泵,所述多级罗茨真空泵包括：泵壳、第一转子1、第二转子2。参见附图2，所述泵壳包括上壳体3、下壳体4。
所述第一转子1、第二转子2分别绕各自的旋转轴沿相反方向旋转；所述第一转子1、第二转子2的旋转轴的轴线互相平行设置。
所述第一转子1、第二转子2包括多级转子，多级转子在所述旋转轴的轴线方向上间隔排列，所述泵壳包括与多级转子对应的多级工作腔，所述多级工作腔在所述旋转轴的轴线方向上间隔排列。
所述第一转子1、第二转子2、上壳体3、下壳体4的材质为高镍合金材料，所述上壳体3、下壳体4彼此之间通过法兰盘和螺栓固定连接。每级转子延所述旋转轴线方向的轴向长度逐级递减。
参见附图2所示，所述第一转子1、第二转子2垂直于旋转轴线的剖面呈Y字三叶形轮廓，所述第一转子1、第二转子2旋转时，每级一个转子叶顶和该级相邻转子的叶顶与所述泵壳的内侧壁形成密封。
本具体实施例以五级三叶罗茨真空模型泵为例，该泵的基本参数如下列表1所示。
参数 量值
转子外圆半径/mm 56
两转子中心距离/mm 78
转速/r/min 5000
转子与泵壳的间隙/mm 0.24
转子与转子之间的间隙/mm 0.12
表1 五级罗茨真空泵基本参数
参见附图2至附图4所示，所述下壳体4内部沿着所述旋转轴线方向开设有气体流道6。多级转子中最后两级，即第四级、第五级转子所在的工作腔下方开设有串联回流孔5所述串联回流孔5与所述气体流道6连通。
所述第五级转子所在的工作腔下方开设的串联回流孔5与所述气体流道6通过竖直设置的竖直管道直接连通，所第五级转子所在的工作腔下方开设的串联回流孔5通过水平设置的水平管道与所述竖直管道直接连通。
参见附图4所示，所述串联回流孔5轴向位置开设在在第四级、第五级转子的轴向长度的50%位置处。
参见附图2所示，所述串联回流孔5径向位置采用如下方法确定：所述第一转子1位于左侧，所述第二转子2位于左侧，经过所述第一转子1重心的竖直线以所述第一转子1的重心为旋转中心，逆时针旋转120°后与所述下壳体（4）相交的位置为所述串联回流孔5的径向位置。经过所述第二转子2重心的竖直线以所述第二转子2的重心为旋转中心，顺时针旋转120°后与所述下壳体4相交的位置为所述串联回流孔5的径向位置。第一转子1与第二转子2左右两侧均需打孔（如附图2）。具体打孔方式可以为：以确定好的打孔位置为中心向下方垂直打圆孔，孔的直径为3mm，第五级转子的孔深刚好连通工作腔与气体流道6（如附图3），第四级转子的孔深为第五级转子深度的50%，并沿轴向水平打孔至第五级转子与气体流道6的通孔（如附图4）。
所述上壳体3的上方侧壁开设有进气口，所述下壳体4的下方侧壁开设有排气口，所述进气口设置在第一级转子上方，所述排气口设置在最后一级转子下方。
所述上壳体3内部延所述旋转轴线方向开设有进气通道，所述进气通道与所述进气口和所述多级工作腔均连通。所述下壳体4内部延所述旋转轴线方向开设有排气通道，所述排气通道与所述排气口和所述多级工作腔均连通，所述排气通道与所述气体流道6不直接连通。
本发明另一具体实施例涉及一种如上一实施例所述降低压力脉动的多级罗茨真空泵的工作方法,所述方法循环执行如下步骤：
S1.所述第一转子1、第二转子2在各自的旋转轴的带动下沿相反方向旋转，使得与所述进气口相邻的工作腔体积增大。
S2.气体由所述进气口流入。
S3.所述第一转子1、第二转子2在各自的旋转轴的带动下继续旋转，使得与所述排气口相邻的工作腔体积缩小。
在气体流道6与转子域压差的作用下，使气体通过串联回流孔5流入工作腔内，从而降低第四级、第五级转子与气流通道6的压力，以及第四级、第五级转子内的压力脉动，并削弱排气口处由高低压流体碰撞所产生的脉动，降低由回流所造成的抽速损失，降低压力脉动振幅较高的第五级转子的压力波动。
S4.气体由所述排气口排出。
因为传统的方法很难完成多级罗茨真空泵的压力及流场分布，几何内的压力幅值变化更是难以测量，基于此，本发明通过CFD和动网格技术的发展考察串联回流孔对于多级罗茨真空泵的影响。在气流通道与转子域压差的作用下，使流体通过回流孔流入气流通道6基元容积内（如附图5），明显降低了在气流通道6基元容积接通出口时，第四级、第五级转子与气流通道6的压力（如附图7），第四级、第五级转子内的压力脉动（压力脉动测点如附图6）降低，削弱了出口处由高低压流体碰撞所产生的脉动（如附图8中4-7与5-7测点频域图）。同时，通过串联的作用，更有效的降低了由回流所造成的抽速损失，并改善了压力脉动振幅较高的第五级转子的压力波动（如附图8），改善效果较为明显测点5-4，压力脉动系数由原来的0.0899降低至0.0059，降幅约为93.43%，不仅有效抑制了叶倍频的压力幅值，对于除叶倍频的以外的其它低频扰动也具备明显的抑制效果。
在五级三叶罗茨真空模型泵上开展串联回流孔装置的非定常数值模拟研究，其实施过程如下：（1）生成气体流道及转子域的网格；（2）对生成的数值计算网格进行全三维数值计算，配置进出口压力、额定转速和流体介质类型等。瞬态计算的时间步长为2×10-5s，经动网格预览发现该时间步长进行计算域动网格的更新可以确保旋转过程中不会出现负网格。此外，因罗茨泵的内壁和转子表面都是由曲面构成，流体在泵内会发生旋转流动，为了能很好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动，特选择合适的湍流模型。压力和速度的耦合方式采用PISO算法，该算法经常用于求解非稳态可压流动问题，可以显著地减小达到收敛所需要的迭代步数，同时该算法对于高度倾斜的网格具有较好的适应性。（3）研究结果表明，串联回流孔对多级罗茨真空泵临近出口处的转子域压力脉动有明显的改善效果，不仅可以显著降低叶倍频的高幅值振动，而且对于其它低频扰动也具备明显的抑制效果，即增加串联回流孔设备的罗茨真空泵具备更优的运行稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种降低压力脉动的多级罗茨真空泵的工作方法,其特征在于，所述多级罗茨真空泵包括：泵壳、第一转子（1）、第二转子（2），所述泵壳包括上壳体（3）、下壳体（4）；
所述第一转子（1）、第二转子（2）分别绕各自的旋转轴沿相反方向旋转；所述第一转子（1）、第二转子（2）的旋转轴的轴线互相平行设置；
所述第一转子（1）、第二转子（2）包括多级转子，多级转子在所述旋转轴的轴线方向上间隔排列，每级转子延所述旋转轴的轴线方向的轴向长度逐级递减，所述泵壳包括与多级转子对应的多级工作腔，所述多级工作腔在所述旋转轴的轴线方向上间隔排列；
所述第一转子（1）、第二转子（2）垂直于旋转轴线的剖面呈Y字三叶形轮廓，所述第一转子（1）、第二转子（2）旋转时，每级一个转子的远离该级另一转子的叶顶端与所述泵壳的内侧壁形成密封；
所述下壳体（4）内部沿着所述旋转轴的轴线方向开设有气体流道（6）；
所述第一转子（1）、第二转子（2）具体为五级转子，仅在第四级、第五级转子所在的工作腔下方开设有串联回流孔（5），所述串联回流孔（5）与所述气体流道（6）连通；
所述上壳体（3）的上方侧壁开设有进气口，所述下壳体（4）的下方侧壁开设有排气口；
所述进气口设置在第一级转子上方，所述排气口设置在最后一级转子下方；
所述上壳体（3）内部延所述旋转轴的轴线方向开设有进气通道，所述进气通道与所述进气口和所述多级工作腔均连通；
所述下壳体（4）内部延所述旋转轴的轴线方向开设有排气通道，所述排气通道与所述排气口和所述多级工作腔均连通；
所述排气通道与所述气体流道（6）不直接连通；
所述方法包括循环地执行如下步骤：
S1.所述第一转子（1）、第二转子（2）在各自的旋转轴的带动下沿相反方向旋转，使得与所述进气口相邻的工作腔体积增大；
S2.气体由所述进气口流入；
S3.所述第一转子（1）、第二转子（2）在各自的旋转轴的带动下继续旋转，使得与所述排气口相邻的工作腔体积缩小；
在气体流道（6）与转子域压差的作用下，使气体通过串联回流孔（5）流入工作腔内，从而降低第四级、第五级转子与气流通道（6）的压力，以及第四级、第五级转子内的压力脉动，并削弱排气口处由高低压流体碰撞所产生的脉动，降低由回流所造成的抽速损失，降低压力脉动振幅较高的第五级转子的压力波动；
S4.气体由所述排气口排出。
2.根据权利要求1所述的降低压力脉动的多级罗茨真空泵的工作方法，其特征在于，所述第一转子（1）、第二转子（2）、上壳体（3）、下壳体（4）的材质为高镍合金材料；所述上壳体（3）、下壳体（4）彼此之间通过法兰盘和螺栓固定连接。
3.根据权利要求1所述的降低压力脉动的多级罗茨真空泵的工作方法，其特征在于，所述第五级转子所在的工作腔下方开设的串联回流孔（5）与所述气体流道（6）通过竖直设置的竖直管道直接连通，所述第五级转子所在的工作腔下方开设的串联回流孔（5）通过水平设置的水平管道与所述竖直管道直接连通。
4.根据权利要求1所述的降低压力脉动的多级罗茨真空泵的工作方法，其特征在于，所述串联回流孔（5）轴向位置开设在在第四级、第五级转子的轴向长度的50%位置处。
5.根据权利要求4所述的降低压力脉动的多级罗茨真空泵的工作方法，其特征在于，所述第一转子（1）位于左侧，所述第二转子（2）位于右侧；
经过所述第一转子（1）重心的竖直线以所述第一转子（1）的重心为旋转中心，逆时针旋转120°后与所述下壳体（4）相交的位置为所述串联回流孔（5）的径向位置；
经过所述第二转子（2）重心的竖直线以所述第二转子（2）的重心为旋转中心，顺时针旋转120°后与所述下壳体（4）相交的位置为所述串联回流孔（5）的径向位置。
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