W-3往复式真空泵的工作原理

无论是进口旋片式真空泵还是进口往复式真空泵, 气阀都是非常重要的部件, 它对进口真空泵运转的可靠性、经济性有很大的影响。设计好的气阀不但寿命长, 运转可靠, 而且阻力损失小设计不好的气阀, 其流动阻力损失可高达轴功率的15% 以上, 且寿命短, 运转可靠性差。进口真空泵的气阀和容积式压缩机的气阀很相似, 目前压缩机的气阀设计已比较成熟, 可把某些研究成果应用在进口好凯德真空泵的气阀设计上。

1、好凯德真空泵的气阀阀片的运动规律

以进口往复真空泵的进气阀为例, 讨论气阀阀片的运动规律。当活塞运行到一定位置时, 气阀阀片两侧的气体压力差超过气阀弹簧力, 阀片开始启动直到与升程限制器相撞, 此时阀片产生一个轻微反弹, 然后阀片在气流顶推下, 再次改变方向, 回到升程限制器上, 并保持一段时间, 直到活塞接近止点位置时运动速度下降, 气缸内外气体压力差下降, 阀弹簧力超过气流对阀片的顶推力时, 阀片断开始关闭, 直到最后落到阀座上关闭。如果设计时气阀的主要参数选择不合理, 或者运转工况远离了设计工况, 此时会出现阀弹簧力过大或过小现象。前者造成阀片颤振, 后者造成阀片延迟关闭, 这样不仅影响真空泵的经济性, 还会大大降低气阀的寿命。

2、好凯德真空泵的气阀阀片运动规律的数学模型及其解

为了设计出阀片运动规律合理的气阀, 首先建立真空泵气阀阀片运动规律的数学模型。实际的进排气过程是相当复杂的, 为此先作适当的简化。

2.1 进排气过程时间很短, 可视为绝热过程

2.2 气体状态一般小于常压, 压力较小, 可视为理想气体, 比热为定值

2.3 阀室内无压力脉动

2.4 阀片只作单自由度的平动, 且多环时各环运动是同步的

滑阀式真空泵是靠气阀（滑阀）前后滑动，和两个排气阀片交替做工，打开、关闭气道，进行吸气排气，从而得到真空。

往复式真空泵的气阀总成是固定的，打开泵头侧盖就会看到，气阀有四个阀片，（两个进气，两个排气），活塞在做往复运动时，靠进、排气阀片交替运动，控制进气排气，从而得到真空。阀片属易损件阀片损坏影响真空泵效率，真空度低

往复式真空泵的结构和工作原理：

往复式真空泵(又称活塞式真空泵)属于低真空获得设备，用以从内部压力等于或低于一个大气压的容器中抽除气体，被抽气体的温度一般不超过35C。往复泵的极限压力，单级为4×10～10Pa，双级可达1Pa。它的排气量较大，抽速范围15～5500L/S。往复泵多用于真空浸渍、钢水真空处理、真空蒸馏、真空结晶、真空过滤等方面抽除气体。

往复式真空泵对于抽除腐蚀性或含有颗粒状灰尘的气体是不适用的。被抽气体中如果含有灰尘，在泵的进口处必须加装过滤器。

泵运转时，在电动机的驱动下，通过曲柄连杆机构的作用，使气缸内的活塞做往复运动。当汪室在等舸内从存端向右端话动时。由于气缸的左腔体积不断增大，气缸内气体的密度减少，而形成抽气过程，此时容器中的气体经过吸气阀5进入泵体左腔。当活塞达到最右位置时，气缸内就完全充满了气体。接着活塞从右端向左端运动，此时吸气阀5关闭。气缸内的气体随着活塞从右向左运动而逐渐被压缩，当气缸内气体的压强达到或稍大于一个大气压时，排气阀4被打开，将气体排到大气中，完成一个工作循环。当活塞再自左向右运动时，又吸进一部分气体，重复前一循环，如此反复下去，直到被抽容内的气体压力达到要求时为止。

在实际应用中，为了提高抽气效率，泵多半采用双作用气缸，即活塞能在两个方向(往复)上同时进行压缩和抽气，这主要是依靠配气阀门来实现的。国产的w型往复泵即是单级的双作用泵。

结构特点：

往复泵有干式和湿式之分。干式泵只能抽气体，湿式泵可抽气体和液体的混合物。二者在结构方面没有什么原则性的不同，只是湿式泵内的死空间和配气机构的尺寸比干式泵大一些，因此湿式泵的极限压力要比干式泵的高。往复泵有卧式和立式两种型式(国产为W和WL型)。立式泵从结构和性能上较为先进，它是卧式泵的更新换代产品。

②开冷却水，检查往复式真空泵气缸夹套冷却水是否通畅.

③检查真空表是否灵敏或失灵。

④开车前先试车，检查机件是否有故障。

⑤气体在吸入真空泵之前，须经过缓冲罐，以分离其中的灰尘、油或液滴。对腐蚀性气体应

该用酸或碱分别对气体进行过滤、洗涤等处理，并应经常检查酸、碱液是否失效。

⑥在使用过程中，如发现真空度降低，应检查真空系统是否漏气，是否有不应打开的阀门忘记关闭。

⑦如抽取水蒸气，从减压蒸馏、减压蒸发等设备出来的水蒸气，应先将气体通过冷凝器，使

其中部分水蒸气冷凝下来，只让不冷凝的气体进入真空泵内。

⑧停机后，关冷却水阀，放缓冲罐存水。缓冲罐一般放在室内，避免发生冬季存水冻结现象。

1、汽缸、活塞环、曲轴、活塞杆、十字头等的平均磨损率降低百倍以上，气阀寿命提高50倍左右。 2、功率消耗降低近1/3左右，占地面积减少2/3作用，用水量减少1/2左右。 3、因消除了横波劣性振动，故降低了噪声。 4、立式往复真空泵可按半无油形式供货，大大提高了真空清洁度，是食品、只要等行业的理想设备。

不明之处，可以咨询东山真空。

Valve

气镇阀能加速抽出蒸汽而不致于污染油质。如果真空泵只抽出永久性气体时，气体不因电站阀门压力的增加而液化，则无所谓泵油的劣化。但是如果要用这个泵来做真空干燥或抽出潮湿空气，那么气体中不但有永久性气体而且还会有水蒸汽，如果用不带气镇阀的泵来抽出这部分水蒸气时，蒸汽将会因液化而溶解在油里，油的真空性质就会劣化，从而降低了泵的抽气速度和真空度。

输送和压缩气体的设备统称为气体压送机械，其作用与液体输送设备颇为类似，都是把能量传递给流体，使流体流动。

气体压送机械可按其出口气体的压强或压缩比来分类。压送机械出口气体的压强也称为终压。压缩比是指压送机械出口与进口气体的绝对压强的比值。根据终压大致将压送机械分为：

通风机　终压不大于15kPa（1500mm H20）；

鼓风机　终压为0.015～0.3MPa（0.15～3kgf/cm2），压缩比小于4；

压缩机　终压在0.3MPa（3kgf/cm2）以上，压缩比大于4；

真空泵　将低于大气压的气体从容器或设备内抽至大气中。

此外，压送机械按其结构与工作原理又可分为离心式、往复式、旋转式和流体作用式。

一、离心通风机、鼓风机与离心压缩机

离心通风机、鼓风机及离心压缩机的工作原理与离心泵相似，依靠叶轮的旋转运动，使气体获得能量，从而提高了压强。通风机通常为单级的，所产生的表压强低于15kPa（1500mm H2O），对气体起输送作用。鼓风机有单级亦有多级，产生的表压强低于3kgf/cm2，透平机都是多级的，产生的表压强高于3kgf/cm2，对气体都有较显著的压缩作用。

（一）离心通风机

离心通风机按所产生的风压不同，可分为：

低压离心通风机　出口风压低于1kPa（100mm H2O）；

中压离心通风机　出口风压为1～3kPa（100～300mm H2O）；

高压离心通风机　出口风压为3～15kPa（300～1500mm H2O）。

1.离心通风机的结构

图2-21所示为低压离心通风机。离心通风机的结构和单级离心泵相似。它的机壳断面有方形和圆形两种。离心通风机的叶片数较离心泵多，而且不限于后弯叶片，也有前弯叶片。在中、低压离心通风机中，多采用前弯叶片，主要原因是由于要求压力不高。前弯叶片有利于提高风速，从而减少通风机的截面积，因而设备尺寸可较后弯时为小。但是，使用前弯叶片时，风机的效率低，能量损失较大。

图2-21　离心通风机

1-机壳；2-叶轮；3-吸入口；4-排出口

2.离心通风机的性能参数与特性曲线

离心通风机的主要性能参数有风量、风压、轴功率和效率。由于气体通过风机的压强变化较小，在风机内运动的气体可视为不可压缩，所以离心泵基本方程式亦可用来分析离心通风机的性能。

（1）风量风量是单位时间内从风机出口排出的气体体积，并以风机进口处气体的状态计，以Q表示，单位为m3/h。

（2）风压风压是单位体积的气体流过风机时所获得的能量，以ht表示，单位为J/m3＝N/m2。由于ht的单位与压强的单位相同，故称为风压。既然是压强的单位，通常又用mmH2O来表示。

离心通风机的风压取决于风机的结构、叶轮尺寸、转速与进入风机的气体密度。

目前还不能用理论方法去精确计算离心通风机的风压，而是由实验测定。一般通过测量风机进、出口处气体的流速与压强的数据，按柏努利方程式来计算风压。

离心通风机对气体所提供的有效能量，常以1m3气体作为基准。设风机进口为截面1-1′，出口为截面2-2′，根据以单位体积流体为基准的柏努利方程式可得离心通风机的风压为：

非金属矿产加工机械设备

式中ρ及（z2-z1）值都比较小，（z2-z1）ρg可忽略；风机进、出口间管段很短，ρ∑hf1-2也可忽略；又当风机进口处与大气直接相连时，且截面1-1′位于风机进口外侧，则v1也可忽略，因此上式可简化为：

非金属矿产加工机械设备

上式中（p2-p1）称为静风压，以hpt表示。 称为动风压。离心通风和出口处气体的流速较大，故动风压不能忽略，根据上述的实验装置情况，离心通风机的风压为静风压与动风压之和，又称为全风压。通风机性能参数表上所列的风压是指全风压。

（3）轴功率与效率　离心通风机的轴功率为：

非金属矿产加工机械设备

式中　N——轴功率（kW）；

Q——风量（m3/s）；

ht——风压（Nm/m3）；

η——效率，因按全风压定出，故又称为全压效率。

风机的轴功率与被输送气体密度有关，风机性能参数表上所列出的轴功率均为实验条件下，即空气的密度为1.2kg/m3时的数值，若所输送的气体密度与此不同，可按下式进行换算，即：

非金属矿产加工机械设备

式中　N′——气体密度为ρ′时的轴功率（kW）；

N——气体密度为1.2kg/m3时的轴功率（kW）。

离心通风机的特性曲线，如图2-22所示。表示某种型号通风机在一定转速下，风量Q与风压ht、静风压hpt、轴功率、效率η四者的关系。

图2-22　离心通风机特性曲线示意图

3.离心通风机的选择

离心通风机的选择和离心泵的情况相类似，其选择步骤为：

（1）根据柏努利方程式，计算输送系统所需的风压ht。

（2）根据所输送气体的性质（如清洁空气、易燃、易爆或腐蚀气体以及含尘气体等）与风压范围，确定风机类型。若输送的是清洁空气，或与空气性质相近的气体，可选用一般类型的离心通风机，常用的有4-72型、8-18型和9-27型。前一类型属于低压通风机，后两类属于高压通风机。

（3）根据实际风量Q（以风机进口状态计）与实验条件下的风压ht，从风机样本或产品目录中的特性曲线或性能表选择合适的机号，选择原则与离心泵相同，不再详述。

每一类型的离心通风机又有各种不同直径的叶轮，因此离心通风机的型号是在类型之后又加机号，如4-72No.12。4-72表示类型，No.12表示机号，其中12表示叶轮直径为12cm。

（4）若所输送气体的密度大于1.2kg/m时，需按式（2-19）计算轴功率。

表2-4为国产部分风机的性能和用途。

（二）离心鼓风机和离心压缩机

离心鼓风机又称透平鼓风机，工作原理与离心通风机相同，可单级也可多级，多级的结构类似于多级离心泵。图2-23所示为一台五级离心鼓风机的示意图。气体由吸气口进入后，经过第一级的叶轮和导轮，然后转入第二级叶轮入口，再依次通过以后所有的叶轮和导轮，最后由排出口排出。

离心鼓风机的送气量大，但所产生的风压仍不高，出口表压强一般不超过0.3MPa（3kgf/cm3）。由于在离心鼓风机中，气体的压缩比不高，所以无需冷却装置，各级叶轮的直径也大体上相等。

离心压缩机常称透平压缩机，主要结构、工作原理都与离心鼓风机相似，只是离心压缩机的叶轮级数多，可在10级以上，转速较高，故能产生更高的压强。由于气体的压缩比较高，体积变化就比较大，温度升高也较显著。因此，离心压缩机常分成几段，叶轮直径与宽度逐段缩小，段与段之间设置中间冷却器，以免气体温度过高。

离心压缩机流量大，供气均匀，体积小，机体内易损部件少，可连续运转且安全可靠，维修方便，机体内无润滑油污染气体。所以，近年来除要求压强很高的情况以外，离心压缩机的应用日趋广泛。

表2-4　常用风机性能范围和用途表

二、旋转鼓风机

目前应用最广的旋转鼓风机是罗茨鼓风机。

罗茨鼓风机的工作原理与齿轮泵相似。如图2-24所示。机壳内有两个特殊形状的转子，常为腰形，两转子之间、转子与机壳之间缝隙很小，使转子能自由转动而无过多的泄漏。两转子旋转方向相反，可使气体从机壳一侧吸入，而从另一侧排出。如改变转子的旋转方向时，则吸入口与排出口互换。

图2-23　五级离心鼓风机示意图

罗茨鼓风机的风量和转速成正比，而且几乎不受出口强度变化的影响。罗茨鼓风机转速一定时，风量可保持大体不变，故称定容式鼓风机。这一类型鼓风机的输气量范围是2～500m3/min，出口表压强在80kPa（0.8kgf/cm2）以内，但在表压强为40kPa（0.4kgf/cm2）附近效率较高。

罗茨鼓风机的出口应安装气体稳压罐，并配置安全阀。一般采用回路支路调节流量。出口阀不能完全关闭。操作温度不能超过85℃，否则会引起转子受热膨胀，发生碰撞。

图2-24　罗茨鼓风机

三、往复压缩机

往复压缩机的构造、工作原理与往复泵比较相近。主要部件有气缸、活塞、吸气阀和排气阀。依靠活塞的往复运动而将气体吸入和压出。

图2-25所示为立式单作用双缸压缩机，在机体内装有两个并联的气缸1，称为双缸，两个活塞2连于同一根曲轴5上。吸气阀4和排气阀3都在气缸的上部。气缸与活塞端面之间所组成的封闭容积是压缩机的工作容积。曲柄连杆机构推动活塞不断在气缸中作往复运动，使气缸通过吸气阀和排气阀的控制，循环地进行吸气-压缩-排气-膨胀过程，以达到提高气体压强的目的。气缸壁上装有散热翅片，使热量易于扩散。

图2-25　立式单作用双缸压缩机

1-气缸体；2-活塞；3-排气阀；4-吸气阀；5-曲轴；6-连杆

（一）往复压缩机的工作过程

往复压缩机的构造和工作原理与往复泵虽相接近，但因往复压缩机所处理的是可压缩的气体，在压缩后气体的压强增大，体积缩小，温度升高，因此往复压缩机的工作过程与往复泵就有所不同，图2-26为单作用往复式压缩机的工作过程。当活塞运动至气缸的最左端（图中A点），压出行程结束。但因为机械结构上的原因，虽则活塞已达到行程的最左端，气缸左侧还有一些容积，称余隙容积。由于余隙的存在，吸入行程开始阶段为余隙内压强为p2的高压气体膨胀过程，直至气压降至吸入气压p1（图中B点）吸入活门才开启，压强为p1的气体被吸入缸内。在整个吸气过程中，压强基本保持不变，直至活塞移至最右端（图中C点），吸入行程结束。当活塞改向左移，压缩行程开始，吸入活门关闭，缸内气体被压缩，当缸内气体的压强增大至稍高于p2（图中D点），排出活门开启，气体从缸体排出，直至活塞至最左端，排出过程结束。

由此可见，压缩机的一个工作循环是由膨胀-吸入-压缩-排出等四个阶段组成。在图2-26的p-V坐标上为一封闭曲线，BC为吸入阶段，CD为压缩阶段，DA为排出阶段，而AB则为余隙气体的膨胀阶段。由于气缸余隙内有高压气体存在，因而使吸入气体量减少，增加动力消耗。故余隙不宜过大，一般余隙容积为活塞一次所扫过容积的3%～8%，此百分比又称余隙系数，以符号ε表示。

图2-26　往复压缩机的工作过程

非金属矿产加工机械设备

式中　Va——余隙容积；

Vc-Va——活塞扫过的容积。

当气体经压缩后体积缩小，压强增大，温度显著上升。为了提高压缩机的工作效率，在操作上常使用段间冷却方法，以减少气体温度的上升，同时在气缸构造上设置空冷或水冷装置。

（二）往复压缩机的选用

往复压缩机的选用主要依据生产能力和排气压力（或压缩比）两个指标。生产能力通常用以进口状态下流量m3/min表示。排气压力（或称终压）是以Mpa表示。在实际选用时，首先应考虑所输送气体的特殊性质，选定压缩机的种类和压缩段数。然后根据压缩机按气缸的空间位置划分各类型的优缺点，选定压缩机的类型。压缩机的机种和型号选定以后，即可根据生产的需要，按照前述的生产能力和排气压力两个指标，由产品样本中，选定所需用的压缩机。

四、真空泵

从真空容器中抽气并加压排向大气的压缩机称为真空泵。真空泵的型式很多，现将常用的几种，简单介绍如下：

（一）往复真空泵

往复真空泵的基本结构和操作原理与往复压缩机相同，只是真空泵在低压下操作，气缸内外压差很小，所用阀门必须更加轻巧，启闭方便。另外，当所需达到的真空度较高时，如95%的真空度，则压缩比约为20。这样高的压缩比，余隙中残余气体对真空泵的抽气速率影响必然很大。为了减少余隙影响，在真空泵气缸两端之间设置一条平衡气道，在活塞排气终了时，使平衡气道短时间连通，余隙中残余气体从一侧流向另一侧，以降低残余气体的压力，减少余隙的影响。

（二）水环真空泵

如图2-27所示。外壳1内偏心地装有叶轮，其上有辐射状的叶片2。泵内约充有一半容积的水，当旋转时，形成水环3。水环具有液封的作用，与叶片之间形成许多大小不同的密封小室，当小室渐增时，气体从入口4吸入；当小室容积渐减时，气体由出口6排出。

水环真空泵可以造成的最高真空度为85kPa（0.85kgf/cm2）左右，也可以作鼓风机用，但所产生的表压强不超过0.1MPa（1kgf/cm2）。当被抽吸的气体不宜与水接触时，泵内可充以其他液体，所以又称液环真空泵。

图2-27　水环式真空泵工作示意图

1-泵体；2-叶轮；3-水环；4-进气孔；5-工作室；6-排气孔；7-排气管；8-进气管；9-放空管；10-水箱；11-放水管道；12-控制阀

此类泵结构简单、紧凑，易于制造与维修，由于旋转部分没有机械摩擦，使用寿命长，操作可靠。适用于抽吸含有液体的气体，尤其在抽吸有腐蚀性或爆炸性气体时更为合适。但效率很低，约为30%～50%，所能造成的真空度受液体温度所限制。

1.开关气路，当阀1和阀4关闭，阀2打开时，机械真空泵Ⅲ对容器I抽真空，气流流经预真空抽气管路；当阀2关闭，阀4打开时，机械泵可单独对扩散泵抽真空；当阀1和阀4同时打开时，扩散泵和机械泵可同时工作，对容器进行抽空，此时气流流经扩散泵。可见，阀门在这种操作中的作用是开关气路，改变气流的流经路线。

2.控制气流大小，调节真空度在图1中，调节阀1的阀盖开启角度，即可调节流经管路的气流量大小；关闭阀2和阀4，通过放气阀3可以给机械泵Ⅲ的入口放成大气；通过放气阀5可以调节容器内的真空度。

3.定量充气，在玻璃阀的柱塞上有个一定体积的小洞，当小洞转向右边和高压气瓶连通时，小洞中就可充满高压气体；当它转向左边和真空容器连通时，就把该体积的高压气体放进容器中去，这样就起到了定量充气的作用。

真空阀门的种类繁多，通常按阀门的职能、结构形式、驱动方式、材料和用途进行分类。

用途

电磁真空带充气阀与电磁真空压差阀是专门用于防止机械真空泵返油的真空阀，安装于机械真空泵的进气口，并与泵同步开启和关闭。一般不能用到其它地方，也就是说不能用于真空系统中作放气之用。选用尼威电磁真空压差阀的优点是耗电量很小，节省能源DN≤50的阀体材质为铝合金，重量轻，体积小，阀板关闭速度快。

挡板阀用在真空管道中角通和三通的地方。驱动方式为手、气、电磁、电动由用户决定。其中GDC-J型电磁高真空挡板阀为金属波纹管密封，其应用范围较广,也可当充气阀用安装位置可任意,可反定一个大气压,并有反馈信号输出。

插板阀用在真空度要求高或管道尺寸要求高的场合。全通导、阀门漏率为10-7Pa.L/S，双向密封。驱动方式手、气、电动由用户决定。气动和电动均带信号反馈装置。

隔膜阀与球阀为直通式，并能用在正压和真空并存的场合。驱动方式手、气、电动由用户决定。

蝶阀为直通形式，手、气、电三种驱动方式由用户决定。手动蝶阀开启角度任意可调智能型的气动和电动蝶阀其开启角度也任意可调。

阀门的使用条件：

1.介质为纯净空气或非腐蚀性气体。

2.介质温度由使用橡胶的极端温度所决定。