螺杆真空泵理论与应用

本书是一部系统介绍螺杆真空泵的专著，全书共分7章，系统阐述了螺杆真空泵在设计、制造、应用各个环节所涉及的基本理论和方法，内容包括螺杆真空泵的抽气原理与特点，螺杆真空泵转子型线设计的基础理论和常用基本型线，螺杆转子的螺旋展开方式与动平衡设计方法，螺杆真空泵的结构设计，泵内气体流动与热力学过程分析，以及螺杆真空泵的典型工程应用。 本书理论与实践紧密结合，可作为螺杆真空泵理论研究、设计、生产、销售与维护人员以及螺杆真空泵应用领域工作人员的参考书，也可作为高等学校应用物理、真空技术、流体机械、半导体、新能源等相关专业本科生、研究生的参考资料。

张世伟，东北大学，教授，长期从事真空专业的教学与科研工作。于2001年开始在国内率先开展干式螺杆真空泵的理论与工程设计研究，将该种类型真空泵介绍给国内真空行业；与国内十余家真空获得设备生产企业合作，为其开发设计几十种型号螺杆转子；在此课题方向培养十余名硕士研究生；结合国内螺杆泵技术发展需求所陆续发表的十余篇文章，促进了干式螺杆泵在我国真空工程领域的研发、生产与应用；在国内该领域具有极高声望和影响力。

第1章 绪论 001 1.1 真空泵分类 001 1.2 干式真空泵概述 003 1.2.1 传统干式真空泵 004 1.2.2 涡旋式真空泵 005 1.2.3 爪式真空泵 007 1.2.4 多级罗茨真空泵 010 1.3 螺杆真空泵原理与特点 012 1.3.1 原理 012 1.3.2 特点 013 1.3.3 基本计算 014 1.4 螺杆真空泵的应用领域与发展现状 016 参考文献 018 第2章 螺杆真空泵转子型线的基础理论 019 2.1 转子型线基础概念 019 2.1.1 转子型线的三种表征方法 019 2.1.2 螺杆真空泵转子型线的特征与构成 020 2.2 转子共轭啮合原理 021 2.2.1 坐标系建立与坐标变换 021 2.2.2 共轭曲线求解方法 023 2.3 求解共轭曲线示例——双摆线 024 2.4 求解共轭曲线示例——阿基米德螺线 026 2.5 端面型线与轴面型线转换 028 2.6 理论型线与实际型线 031 参考文献 033 第3章 常用螺杆真空泵转子基本型线 034 3.1 梯形齿螺杆转子 034 3.1.1 梯形齿转子端面型线概述 034 3.1.2 梯形齿转子端面型线直角坐标系方程 035 3.1.3 梯形齿转子端面型线极坐标系方程 036 3.1.4 梯形齿转子轴面型线柱坐标系方程 037 3.1.5 梯形齿转子端面型线的抽气面积计算 038 3.2 对称矩形齿螺杆转子 039 3.2.1 对称矩形齿转子端面型线概述 039 3.2.2 对称矩形齿转子端面型线直角坐标系方程 040 3.2.3 对称矩形齿转子端面型线极坐标系方程 042 3.2.4 对称矩形齿转子轴面型线柱坐标系方程 042 3.2.5 对称矩形齿转子端面型线的抽气面积计算 043 3.3 非对称矩形齿螺杆转子 043 3.4 等齿顶宽变螺距螺杆转子 045 3.4.1 普通变螺距螺杆转子存在的问题 045 3.4.2 等齿顶宽转子端面型线 045 3.5 锥形螺杆转子 047 3.5.1 锥形转子概述 047 3.5.2 锥形转子端面型线 049 3.5.3 锥形转子抽气容积的计算 049 3.6 双头转子型线 051 3.7 转子型线的局部修正 054 参考文献 057 第4章 螺杆真空泵转子的螺旋展开与动平衡 059 4.1 螺杆转子螺旋展开方式概述 059 4.2 等螺距螺杆转子 060 4.3 一段渐变式变螺距螺杆转子 062 4.4 二段突变式变螺距螺杆转子 064 4.5 二段渐变式变螺距螺杆转子 065 4.6 三段式变螺距螺杆转子 067 4.7 变截面螺杆转子 068 4.7.1 锥形转子 069 4.7.2 阶梯转子 069 4.8 螺杆转子动平衡概述 070 4.9 转子动平衡的基本计算 072 4.10 等螺距螺杆转子的铸造法动平衡 075 4.11 螺杆转子的机加法动平衡 079 4.12 螺杆转子的自适应动平衡与体外动平衡 082 4.13 螺杆转子动平衡的计算机辅助设计方法 085 4.14 螺杆转子动平衡的检测与修正 088 参考文献 090 第5章 螺杆真空泵的结构设计 091 5.1 螺杆泵的结构布局与转子支撑方式 091 5.1.1 卧式泵 091 5.1.2 立式泵 094 5.1.3 悬臂泵 096 5.2 螺杆泵的驱动与传动方式 098 5.2.1 外置电机 098 5.2.2 内置电机 100 5.2.3 双电机 102 5.3 螺杆泵的动密封与润滑系统 104 5.3.1 动密封 104 5.3.2 润滑系统 106 5.4 螺杆泵的冷却系统 109 5.5 螺杆泵的气路结构 112 5.5.1 进气口与排气口 112 5.5.2 中间泄压阀与泄压流道 114 5.5.3 充气系统 115 5.5.4 螺杆泵的腐蚀防护 118 参考文献 120 第6章 螺杆真空泵内气体流动与热力学过程分析 121 6.1 泵内气体输运过程的分解 121 6.1.1 吸气过程 121 6.1.2 输运与压缩过程 122 6.1.3 反冲过程 123 6.1.4 排气过程 124 6.2 等螺距螺杆泵内气体输运过程的热力学计算 125 6.2.1 假设条件与基本参数 125 6.2.2 吸气阶段(t∈［0,τ0 ］) 125 6.2.3 输运阶段(t∈［τ0 ,(N +1)τ0 ］) 126 6.2.4 反冲阶段(t = (N +1)τ0 ) 127 6.2.5 排气阶段(t∈［(N +1)τ0 ,(N +2)τ0 ］) 128 6.2.6 排气功率与排气温度 129 6.3 泵内气体热力学参数的变化规律 130 6.3.1 被抽气体容积变化规律 131 6.3.2 被抽气体压力变化规律 132 6.3.3 被抽气体温度变化规律 132 6.3.4 被抽气体质量和总熵的变化规律 133 6.3.5 螺杆泵转子轴功率的变化规律 134 6.3.6 被抽气体的示功图和示热图 135 6.3.7 螺杆泵的功率计算 136 6.4 泵内气体级间返流泄漏的计算 138 6.4.1 螺杆泵内气体级间泄漏通道的构成 138 6.4.2 齿顶面狭缝间隙泄漏通道的计算 139 6.4.3 齿侧孔口间隙三个泄漏通道的计算 143 6.4.4 级间返流泄漏量计算小结 145 6.4.5 螺杆转子间隙设计小结 146 6.5 泵内气体的压力分布与流动模拟 147 6.5.1 螺杆泵内的气体分级输运计算模型 147 6.5.2 计算模型的控制方程组 149 6.5.3 螺杆泵的极限真空度与抽速计算 151 6.5.4 螺杆泵内的沿程气体压力分布 152 6.5.5 螺杆泵内气体流动的CFD 模拟 154 6.6 螺杆真空泵设计原则的思考 156 6.6.1 干式真空泵面临的挑战 156 6.6.2 无油螺杆真空泵转子设计新理念的提出 157 6.6.3 转子设计新理念带来的变化 158 6.6.4 结论与发展分析 159 参考文献 160 第7章 螺杆真空泵的典型工程应用 161 7.1 螺杆真空泵在医药化工领域的应用 161 7.1.1 螺杆泵在制药与化工行业中的应用 161 7.1.2 螺杆泵替代液环泵的优点 163 7.1.3 螺杆泵替代水环泵的其他应用 164 7.2 螺杆真空泵在钢铁冶金领域的应用 165 7.3 螺杆真空泵在空间环境模拟领域的应用 168 7.3.1 大型常规空间环境模拟器真空系统 168 7.3.2 航天火箭发动机试车平台真空系统 170 7.3.3 火星尘舱环境模拟器中的真空系统 172 7.4 螺杆真空泵在油气回收技术中的应用 174 7.5 螺杆真空泵在半导体加工领域的应用 176 7.5.1 螺杆泵在硅单晶炉中的应用 177 7.5.2 螺杆泵在碳化硅长晶炉中的应用 178 7.6 螺杆真空泵在新能源领域的应用 179 7.6.1 螺杆泵在太阳能电池制造中的应用 180 7.6.2 螺杆泵在锂离子电池制造中的应用 181 7.7 罗茨-螺杆真空泵机组在启动阶段的抽气特性 182 7.7.1 旁通管路式罗茨-螺杆机组的抽气特性 183 7.7.2 直通式罗茨-螺杆机组的抽气特性 185 7.7.3 变频式罗茨-螺杆机组的抽气特性 186 7.7.4 计算示例与三种启动方式的比较 188 7.8 螺杆真空泵的选择、使用与维护 190 参考文献 194 附录 符号表 196