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摘要：针对我国目前螺杆真空泵产品同质化特征明显、与多样性的用户需求不相适应的现状，本文从螺杆真空泵设计的角度出发，分别就螺杆泵的整体结构布局、螺杆转子的螺旋展开方式、冷却系统与温度控制、密封形式等几方面，尝试开展设计思路和方案对比分析，进而提出兼顾产品标准化大批量生产和针对用户特殊需求个性化小批量定制的设计原则，并给出具体实施策略。期望有助于我国螺杆泵产品开发制造水平的提升。 关键词： 螺杆泵 设计方法 变螺距 温度控制 密封 无油螺杆真空泵以其抽速范围宽、结构简单紧凑、抽气腔元件无摩擦、寿命长、能耗低、无油污染等特点[1]，而深受各种真空应用领域的欢迎，近年来在我国得到快速发展和广泛应用。由于所涉及的应用领域众多，工艺种类繁杂，对螺杆真空泵及其系统的实际使用要求也各不相同。同时，从与之相对应的供给侧来看，国内许多传统真空获得设备生产厂家，以及一些具有相关生产能力的原真空行业外单位，都纷纷大力开发、生产各种型号的螺杆真空泵产品，成为国内真空行业近年来的发展亮点[2]。 然而，在生产单位数量众多和应用需求千差万别的供需环境下，与之不相适应的是，国内厂家生产的螺杆泵产品，同质化特征比较明显。多数生产单位仍处于只生产标准型号的通用产品供用户选用的阶段，尚未能结合实际应用的特殊需要，提供有针对性的螺杆泵产品；同时许多厂家都是以性能相近的产品主推市场，缺乏各自的特点。从而形成同质化竞争的局面，甚至已经开始出现以低价倾销占领市场的苗头。而且，由于通用化的产品难以很好满足不同用户的个性化需求，导致用户产生国产螺杆泵质量不佳的印象。 针对上述问题，本文从螺杆真空泵设计的角度出发，结合一些常见问题，尝试提出一点点粗浅的思考，以求抛砖引玉，为促进我国螺杆真空泵设计理念的进步，设计水平的提升，以便更好地适用国内不同应用产业的实际需求，做出一份贡献。文中会涉及到一些厂家的公开资料，但为避嫌广告效应，将不提及具体的公司品牌和产品型号。
螺杆泵的整体结构布局 从螺杆泵的整体外观形态和两个螺杆转子的布局上，可以分为卧式泵和立式泵。两个转子轴竖直安放的为立式泵，两个转轴水平安放的为卧式泵。目前的螺杆泵产品多采用平卧式布局。 立式泵最明显的优点是气体流动方向与重力方向一致，有利于气流携带的杂质成分的排出，主要是可以避免卧式泵中常常在泵壁底面发生沉积、粘附的现象；立式泵也多采用悬臂式结构，因此具有悬臂式泵的特点，容后详述。立式泵的缺点包括：泵体重心高，距离地面固定位置远，因此振动可能偏大；进排气口位置高，对现场安装的适应性有影响；与卧式泵相比，立式泵油润滑系统更为复杂，排气端轴和外伸轴的密封难度变大。 从螺杆转子轴的支撑方式上，主要有两端支撑式转子和悬臂式转子两种结构。两端支撑式转子的卧式螺杆泵更为常见，技术成熟，具有轴承受力合理、振动小等动力学优点；不足之处是在吸气口附近有前端轴承，尽管有前端密封隔离，仍然存在着前端轴承润滑油（脂）通过进气管道返流污染被抽空间的危险。 与之相反，悬臂式转子结构在吸气端没有支撑轴承和密封件，因此彻底避免了这一污染风险。同时，悬臂式转子结构的最大优点是转子泵体可以做成钟罩式结构，从而可以在完全不拆卸螺杆转子的方式下将转子泵体拆卸下来，对泵体内腔和在位的螺杆转子对进行彻底清洗，这种在工作现场原位清洗的用户自维护作业方式，作业难度低且几乎不影响泵的工作性能，非常适合于被抽气体中可凝结粘附成分或固体杂质多、泵内污染严重需要及时清理的场合。此外，悬臂式转子结构的螺杆泵采用端面进气方式，其吸气口开设在螺杆转子对吸气端的端面之外，不占用螺杆转子的啮合段（两端支撑式转子被吸气口占用的那一段转子啮合段对气体压缩无贡献），因此转子的总长度可以短一些。实际上，悬臂式转子结构的主要缺点就是其动力学性能差，靠近转子的前端支撑轴承受力大，其中卧式悬臂泵因重力作用方向垂直于转子轴，受力不合理，转子体容易发生“摆头”等振动问题。所以悬臂式转子通常也有意地比两端支撑式转子设计得短而粗一些。
螺杆转子的螺旋展开方式 从螺杆转子的螺旋展开方式上划分，有等螺距转子和变螺距转子两大类，这里变螺距转子的真实含义是指螺杆转子的排气容积小于其吸气容积，其中变螺距转子又可分为一段式、二段式、三段式和特殊方式等多种形式[3]。 螺杆转子的螺旋展开形式，直接影响着螺杆泵的总功耗。泵的总功耗包括输运和排送气体的有用功耗（做功功耗）、泵腔内的气体摩擦功耗和转子系的机械摩擦功耗，其中有用功耗包括内压缩功耗（压缩功耗）和外压缩功耗（排气功耗）。通过对泵内气体输运过程的热力学分析可知[4-6]，在排气压力一定的情况下，排气功耗正比于转子的排气腔容积。等螺距转子的吸气容积与排气容积相等，因此其内部气体输运过程中没有内压缩过程，不消耗内压缩功而只有排气功耗；变螺距转子的排气容积小于吸气容积，所以其排气功耗就小于相同吸气容积等螺距转子的排气功耗，这就是众所周知的变螺距转子泵比等螺距转子泵更节能的根本原因[7]。不过变螺距转子需要消耗压缩功耗，压缩功耗与螺杆转子的几何压缩比以及被抽气体压力有关[6]，所以在抽气过程的不同时段（不同进气压力下），泵的实际有用功耗变化较大。 螺杆转子的吸气容积与排气容积之比定义为变螺距转子的几何压缩比。在指定的吸气容积下，压缩比越大，排气容积越小，排气功耗也越小，而且在排气压力恒定条件下排气功耗恒定；同时，压缩功耗随几何压缩比和吸气压力增大而增大。对于长期工作在吸气压力较低条件下的螺杆泵，采用大压缩比会具有很明显的节能效果，不过在启动初期进气压力高于临界压力阶段，螺杆泵的压缩功耗会很大以至于超出电机最大许用值，这时通常采用变频降速方式运行，通过减少抽气量来降低压缩功耗，当然同时损失了泵的有效抽速。如果不希望采用变频运行，那么转子就不应该采用过大的几何压缩比。许多定频运行螺杆泵的几何压缩比取值在1.8~2.1 之间，实际就是同时兼顾启动阶段压缩功耗和极限附近排气功耗均不超负荷的折中方案。 螺距转子的螺旋展开方式，不应该单纯地从节能降耗的角度去实现期望的压缩比，更重要的是通过调节螺杆转子储气容积的变化规律，改善被抽气体在泵内输运期间的热力过程，从而适应所服务的真空应用对象的实际要求。等螺距转子尽管排气功耗非常大，但恰恰由于没有内压缩过程，如果在排气口附近再辅助以气镇方式控制其外压缩（排气）过程，那么对于安全输运含有可凝性蒸汽成分的气体、避免在泵内发生相变凝结/沉积就是十分有利的。一段式变螺距转子的特点却是被抽气体在泵内的整个输运历程，一直处于缓慢均匀的压缩过程，气体热力学参数变化平缓。目前十分流行的三段式变螺距转子，其均匀大导程的吸气段能够保证泵的抽速平稳无波动；均匀小导程的排气段能够有效限制排气反冲的影响区域，降低排气动力学噪声；而介于二者之间实现导程平滑过渡的变螺距段，螺旋转角从快速压缩的1/4 圆周至缓慢压缩的2圆周不等，也会形成差异很大的气体热力过程。一种最简单的理解，尽快完成被抽气体的内压缩过程使气体温度升高，就能够使高温气体尽早与泵体内壁表面开展高强度换热，从而更有效地降低排气温度。 单纯通过改变转子的螺旋导程来实现大压缩比，会给转子带来一定的加工困难和性能下降。当排气段的螺旋导程变得很小时，螺杆的齿槽变得又深又窄，使机械加工难度变大。随着转子的螺旋导程变小，转子齿型的齿顶宽也变小了，气体通过齿顶面与泵腔内壁间的8字形泄漏通道的级间返流会更容易；同时发现，转子的有效储气容积变小，转子级间返流泄漏通道的结构和面积却没有变化，因此单位储气容积中气体所对应的级间返流泄漏量变得更大了，从而会使泵的极限真空度和抽气效率下降。 为避免上述矛盾，锥形转子设计是极好的解决方案[3]，即螺杆转子的齿顶圆直径以及泵腔内径，由吸气端向排气端线性减小，对应的齿根圆直径以相同比例线性增大，从而保持二转子轴线相互平行即中心距保持不变；处于齿顶圆和齿根圆之间环形空间内的储气容积沿轴向由吸气端向排气端迅速减小，能够在较短轴向距离内实现很大的内压缩比，因此不必将螺旋导程设计得很小；转子级间返流泄漏通道的结构和面积沿轴向也随之减小，而齿顶宽却不再变小。锥形转子的不足之处是二只螺杆转子与泵体内腔的尺寸加工精度和安装配合位置必须精准，不易调节，给加工和装配带来一定难度。 阶梯转子与锥形转子有异曲同工之妙，也同样可以实现大的几何压缩比而无需很小的螺旋导程。最简单的阶梯转子就是两段节圆直径相同而齿顶圆直径不同的等螺距转子直接相连，二者之间可以留出退刀空挡作为变螺距的压缩段。由于泵腔内表面和转子外圆是两段直圆柱面，加工难度比圆锥形面低得多；二只螺杆转子的装配可调节性也更好。阶梯转子的不足之处是其压缩过程的可变性较弱，针对不同实际工艺要求的适应性不强；阶梯转子的气体流动顺畅性不好，在二段转子的过渡处，极易积存气体中携带的粉尘、液滴等固液杂质成分，必须预留清理口；同时，在该过渡处，还应设置中间排气阀通道，以便在启动初期进气压力高于临界压力时排放气体，避免出现过压缩和电机过载。
冷却系统与温度控制 对于如医药、化工等螺杆泵的主要应用领域而言，被抽气体成分常常包含各种化学物料蒸汽而非单一的普通永久气体，螺杆泵在设计、制造与运行过程中，主要关注点应放在气体在泵内的热力过程上而不单纯是抽速和极限真空。螺杆转子的螺旋展开方式，直接控制着被抽气体在泵内的体积和压力；而螺杆泵的冷却方式和能力，则直接影响着被抽气体的温度。因此，螺杆泵冷却系统的设计和温度控制水平十分重要。 对于应用于药化行业的螺杆真空泵，为了具有更宽泛的适应性，螺杆泵冷却系统的设计原则不再是简单的降温，而应是温度的可控性。温度控制对象除了轴承、密封等机械摩擦零部件外，主要是同时作为发热源的被抽气体。对泵内以及排出气体进行温度控制的目的，也不完全局限于通常意义上的降低温度，而是使其适应于工艺要求。例如作为输送泵传送某些可凝性蒸汽时，将泵体内表面和转子体温度控制在排气压力所对应的蒸汽饱和温度之上，就可有效避免蒸汽在泵内发生凝结相变[8,9]，最为常见的就是在干燥系统中大量抽除水蒸气的应用，俗称高温泵。这种泵的合理运行方式是，在泵启动初期不开通冷却系统，直至泵温升高超过露点温度后才接通冷却系统，维持泵内温度，并根据对泵温的监测随时调节冷却系统的换热强度。反之，如果被抽气体中含有易于发生裂解、碳化、焦化等化学成分蒸汽时，将泵体内腔和转子体的表面温度控制在引发此类化学反应的温度之下，就可以适当避免因粘附、积碳而产生内表面污染和转子卡滞等问题，此时就应该尽可能强化冷却系统的换热。 螺杆泵的热量来源，除了齿轮、轴承和密封件产生的少量机械摩擦发热之外，主要热量来自于被抽气体的压缩发热和摩擦发热，其中压缩发热包括产生于转子压缩段的内压缩发热和产生于转子排气腔的外压缩发热，后者为主要部分。螺杆泵冷却系统的热量衡算相对比较简单，全部热量的来源可以都归结为电动机的功率消耗和被抽气体带来的内能，因此可以依据实测电机功率曲线和气体温度，确定不同工作时段或不同工艺参数下的总发热量。 螺杆泵所产生热量的去向分配在三方面：泵体对环境的散热、冷却系统散热和排出气体的内能。很明显，冷却系统从被抽气体中吸收热量越多，排气温度就越低。目前的大多数螺杆泵产品，与被抽气体发生换热的表面局限于带有水冷套的泵体8字形内腔表面。这种结构的螺杆泵，抽速越大，其单位质量（或体积）流量被抽气体所能分摊到的换热面积就越小，因此，抽速越大的泵，泵内被抽气体的温度就越难以控制，更需要强化冷却系统。前文所提及的将转子的压缩段设计得尽量靠前，使气体温度尽早升高，就是向前延长了高温气体与泵体内壁表面的换热区域，从而获得更好的换热效果。为单台螺杆泵设立独立自循环的冷却系统，利用风冷换热器对循环导热油散热降温，可以摆脱单纯依赖用户现场冷却水的局面，并具有更好的温度控制能力。对于需要强力冷却降温的工作场合，使用小型制冷系统直接对泵体降温也是可行的。 近年来有趋势开始追求对螺杆转子直接进行内冷却方式的温度控制，即在转子轴甚至转子体内部设置冷却剂通道[10]，将换热介质从转子轴后端注入，与转子轴乃至转子体换热后再从转子轴前端或返回轴后端排出。内冷却转子在技术实现方面有很大难度，但带来的益处也是十分突出的。转子体表面的温度可控，不单单是增加了与气体间的换热面积从而强化了换热效果，最重要的是消除了转子体表面与泵体内腔表面之间的温度差异，使暴露在被抽气体中的所有表面达到了温度的一致性。因为在许多应用场合中，正是由于泵体内腔的冷表面与转子体的热表面之间存在很大的温度偏差，使得针对具体工艺环节的被抽气体，无法实现兼顾两个温度下的温度控制。至于内冷却转子的其它优点，如表面防腐涂层不易脱落，以及由此带来的转子体工作间隙设计理念的改变，在文献[3，10]中已有介绍，不再赘述。
密 封 螺杆转子轴的动密封通常是螺杆泵中最容易损坏或失效的元件，因此决定着泵的维修周期和实际有效寿命。动密封的安装位置包括转子轴进气端的前密封、排气端的后密封以及主动转子伸出轴的外密封。前密封面对的是螺杆泵中真空度最高的进气口，作用主要是防止前端轴承的润滑油（脂）对泵内甚至被抽真空容器的泄漏污染。后密封两侧分别是泵内气体压力最高的排气口和相当于环境大气压力的齿轮油箱，其作用既要防止被抽气体中的有害成分进入油箱侧对轴承、齿轮、润滑油造成破坏，又要避免油箱中的润滑油混入被抽气体（尤其是在被抽气体要求纯净无掺杂的应用场合）；不过与前密封不同的是，后密封通常不会出现齿轮油箱润滑油蒸汽对被抽真空容器的污染。外密封的两侧分别是齿轮油箱和泵外环境大气，通常没有明显的压力差，其作用主要是单向地阻止油箱中的润滑油和气体向外部大气侧泄漏。正是由于三处密封的功能作用、密封对象与性能要求各不相同，所以同一台螺杆泵上的三处密封也常常是种类不同的。螺杆泵常用的动密封形式有迷宫密封、气体密封、活塞环密封、唇式密封、机械密封以及它们的组合形式。 由于转子轴动密封的安装位置（特别是后密封）通常是在轴系支撑结构的最里侧，在维修更换时几乎要将螺杆泵的整套转子系拆卸下来，所以在螺杆泵设计制造过程中，除首先保证满足其密封功能之外，也应十分注重动密封件的可靠工作寿命，以求尽可能地延长使用时间，减少维修更换频次。 实际有效寿命最长的动密封应属无机械接触的迷宫式密封，包括简单的直通型或螺旋密封，但由于不能独立地实现零泄漏，所以多用在后密封位置处与其它密封形式组合，作为其前置密封使用。例如，配合保护气体充气密封。只要保护气体的充气压力高于排气压力，保护气体就通过迷宫密封流向泵内排气口，从而阻止被抽气体中的有害成分进入油箱一侧。干气密封与带保护气体的迷宫密封具有相似的密封原理和效果，耗气量更少，但结构更复杂，加工和装配精度也更高。无接触密封虽然有无机械磨损的优点，但由于要持续消耗保护气体，运行保障作业繁琐，所以并不十分受用户欢迎；另外，这一类充气密封不能用于纯粹作为输运泵的螺杆泵中，因为这类泵所排出的被抽气体通常不允许混入其它气体成分。 在接触式密封中，唇形密封即骨架油封较为常用，成对（背靠背或面对面）使用时采用单唇式，单只使用时采用双唇式。确定密封圈的材质时需要考虑被抽气体中是否含有与之相克的化学成分。唇形密封的密封可靠性和磨损量均与其箍紧弹簧的抱紧力成正比关系，因此唇形密封的可靠有效寿命不长，属于易损件。为保护转子轴不受磨损，通常设置具有高硬度外圆表面的密封套筒。 比骨架油封和活塞环密封性能更佳的接触式密封是机械密封，在石油化工行业很受欢迎，对于正确安装合理使用的机械密封，其可靠有效寿命是各种接触式密封中最长的。但机械密封在实际应用中故障率较高，动、静摩擦环不均匀磨损乃至破碎的现象时有发生，究其原因多是因为装配时尺寸精度不准发生摩擦环倾斜或偏心、弹簧压紧力调节不合适（过大或过小）或沿周向分布不均匀、冷却润滑油流量不足散热不够导致发热烧蚀等使用方法不合理造成的，较少是因为机械密封元件材料性能差、尺寸误差大等因素造成的。 主动转子伸出轴的外密封，因为不与泵内真空通道直接连通，所以看似密封性能要求可以不严格。但对于被抽气体中含有有毒有害成分的输送用螺杆真空泵，存在着有毒有害成分首先穿过后密封进入齿轮油箱、然后穿过外密封泄漏到环境大气中的风险，因此不应小觑。近年来，螺杆泵设计有逐渐采用内置电机取缔外密封的趋势，即将驱动电机的转子直接套装在主动转子轴的末端，电动机的定子安置在齿轮油箱之内，这样主动转子轴就不必伸出到齿轮油箱之外，完全没有了泵体与环境大气间的动密封，彻底避免了泵内物质对周围环境的泄漏污染风险。内置电机设计尤其适合于悬臂式转子支撑结构，电动机转子固定在主动转子轴的同步齿轮和尾端轴承之间，还可以直接利用齿轮润滑油为电动机散热。更为先进的设计是在两只转子轴的末端分别安装两台电机，直接控制驱动两只转子做同步反向旋转，取消了同步齿轮从而彻底消除了对齿轮润滑油的需求，可实现真正意义上的无油泵。
螺杆真空泵设计原则的思考 如本文开篇所述，鉴于不同真空应用设备具体工艺要求的差异性，特别是医药、化工行业中所要求抽除气体成分的复杂性，均会对真空泵提出各不相同的具体性能要求。依靠机械结构固定、运行方式单一的标准型号真空泵产品，很难同时满足这些各自不同甚至相互矛盾的实际需求。理想化的解决方法是面向每一类工艺要求相近的用户，专门开发研制一款有针对性的定制型号产品，真正提供“专属化解决方案”式的服务。但开发成本、研制周期和产量规模都决定了这是不切实际的；螺杆泵的设计、试制、定型、生产，都是以批量化和普适性为基本出发点的。因此，如何在批量化生产中应对差异化的市场需求，已经成为螺杆真空泵生产单位当前所面临的技术难题[3]。 由前文分析可知，不同真空应用领域、不同真空设备和不同工艺环节对螺杆泵的差异性技术要求，主要体现在对被抽气体在泵内输运历程的热力过程要求不同。期望满足不同用户的实际工艺要求，其本质就是如何满足用户对真空泵的热力学属性的不同需求。而在对被抽气体的热力学过程控制方面，螺杆真空泵具有天然的结构优势。如前文所述，变化螺杆转子的螺旋展开方式，能够控制被抽气体在泵内的体积和压力变化过程；而螺杆泵的冷却方式和温度控制能力，则直接影响着被抽气体的温度。仅仅依靠此二者的结合，即可以在相当程度上实现对被抽气体热力过程的控制。 因此，本文从螺杆真空泵设计的角度出发，提出兼顾产品标准化大批量生产和针对用户特殊需求个性化小批量定制的设计原则。其基本设计理念是：在螺杆转子、密封元件和冷却系统等关键部位，实行模块化设计，在主体结构和定型尺寸相同的接口条件下，实现不同性能部件的选用与互换，从而获得整体性能不同的螺杆泵产品。具体实施措施包括（但不限于）：在相同的转子外形尺寸下，实现不同的压缩比和压缩方式；在相同的密封件安装空间内，实行不同种类密封的随意选用与替换；设计独立可控的冷却系统，实现泵内工作温度的可控可调。 在标准化批量生产的模式下，实现针对具体用户个性化需求的专属化螺杆泵设计制造，即以大批量低成本的方式制造出多品种小批量的螺杆真空泵，在技术和成本上是完全可行的。仅以普遍认为设计制造难度最大的螺杆转子为例，对于已经具备了高级加工机床和对应编程软件的生产单位，在不改变转子的几何外形（齿顶圆直径，中心距，总长度）尺寸的条件下，单纯改变转子内在几何结构（几何抽速，压缩比，变螺距方式）的设计，所增加的只是技术人员的智力成本，而几乎没有其它制造成本，但却能够非常有效地改变螺杆泵的外在性能参数和内在热力学属性，从而灵活地适应不同用户的特殊需求。
结 论 针对不同真空应用设备的实际需求，制造性能专属化的螺杆泵产品，提供解决方案式的真空系统服务，是我国螺杆泵生产厂家目前需要解决的实际问题和未来发展趋势。为解决批量化统一生产与差异化市场需求的矛盾，本文在认真分析螺杆转子、冷却系统、密封件等关键零部件设计问题的基础上，提出兼顾产品标准化大批量生产和满足特殊需求个性化小批量定制的专属化设计原则，给出模块化设计理念和具体实施策略，追求在螺杆泵设计环节中，有针对性地落实产品的标准化普适性和定制化专属性的统一，从而为提升我国螺杆泵设计、制造和应用水平做出贡献。
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