一种大抽速全金属密封涡旋真空泵系统

本发明涉及泵和压缩机，具体涉及一种大抽速全金属密封涡旋真空泵系统。

背景技术：

1、涡旋真空泵是一类利用相互啮合的静涡旋构件和动涡旋构件形成多个容积周期性变化的封闭工作腔，并使气体由外周吸气区域逐级向中心排气区域迁移和压缩的容积式真空获得设备。涡旋真空泵具有气流连续、压力脉动较小以及工作腔内无需油润滑等特点，可用于清洁气体的抽送。在聚变氘氚燃料循环、放射性介质处理以及有毒或腐蚀性工艺气体输运等特殊场景应用中，真空泵除需具备较大的抽气能力外，还需长期维持工艺介质与外部环境之间的可靠隔离。氚及其他氢同位素具有分子尺度小、易经微小间隙渗漏的特点；其中，氚还具有放射性并可能与有机材料发生同位素交换或引起材料性能劣化。有毒或腐蚀性气体同样会对密封材料、转子材料以及连接界面提出较高的耐介质要求。因此，面向上述工况的涡旋真空泵需要同时满足高通量抽送、介质兼容、泄漏包容、泄漏监测以及长周期运行等要求。

2、现有涡旋真空泵通常在动、静涡旋构件的齿顶设置有机聚合物顶封，以补偿轴向装配间隙并降低级间回流。此类顶封在一般工业气体工况下能够改善压缩性能，但在涉氚、辐照、腐蚀或较高温升条件下可能发生溶胀、老化、磨损、颗粒脱落或放气，其使用寿命和介质兼容性难以满足高危工艺气体长期密闭抽送的要求。若取消有机材料顶封，则需要通过转子刚度、装配精度和运动约束共同维持稳定合适的轴向间隙与径向间隙，否则容易发生级间回流增大或者动、静涡旋构件机械干涉。另一方面，常规中小型涡旋泵多采用单一主轴配合防自转机构约束动涡旋构件。对于大直径、高质量且承受较大交变气体载荷的动涡旋转子，单点或少点支承容易导致载荷集中，传统十字滑环等防自转机构还可能产生往复摩擦、冲击和磨损，难以兼顾大抽速工况所需的支承刚度、运动同步性及长周期抗疲劳能力。此外，现有泵体的轴端动密封以及法兰、端盖等可拆卸静连接界面通常仅设置单道密封，且普通应用中仅设置有机密封圈。当密封界面发生微量泄漏时，上述特殊泄漏介质可能直接进入外部环境造成污染或对操作人员构成危害；并且此类密封设置仅依赖定期离线检漏，这难以及时识别密封性能的渐进退化和实时预警监测。对于存在偏心平动位移的动、静构件连接部位，若将监测管路直接连接于运动构件，还会使监测管路承受反复交变位移并增加疲劳失效风险。另一个突出的问题是，大抽速设计使得涡旋转子尺寸较大，这导致其在气体压缩过程中会产生很高的压缩热，同时较高的气载还会使得偏心轴系及其轴承组件在承受交变载荷时还会产生较高的摩擦热。若散热不足，转子的热变形可能改变无顶封工作间隙并增大机械干涉风险。若冷却或润滑回路穿越工艺气体包容边界，则管路接头、油封或老化部位又可能形成新的介质泄漏或润滑液侵入泵腔的通道。

3、因此，有必要提供一种大抽速全金属密封涡旋真空泵系统，在取消有机材料顶封的条件下稳定实现动涡旋转子的无自转平动公转，同时对动连接部位和可拆卸静连接界面形成可主动抽吸、可在线监测的二级包容，并在不破坏工艺气体包容边界的前提下完成转子冷却和轴承润滑。

技术实现思路

1、为解决现有涡旋真空泵在氚及其他氢同位素以及有毒或腐蚀性气体的大流量抽送工况下存在的动涡旋转子有机材料顶封的介质兼容性、支承与防自转能力不足和服役寿命受限、动静连接界面单道密封失效后缺少二级包容及在线监测，以及冷却润滑回路可能侵入工艺气体包容边界的问题，本发明提供一种大抽速全金属密封涡旋真空泵系统。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种大抽速全金属密封涡旋真空泵系统，包括泵壳、相互啮合的静涡旋转子和动涡旋转子、基板、中转油盒、驱动机构、吸气口、排气口及集成台架；其特征在于，驱动机构包括至少三个竖向偏心轴系，其中一个为与驱动电机连接的驱动偏心轴系，其余为从动偏心轴系，驱动偏心轴系和从动偏心轴系的下部隔油套固定于基板，上部通过轴承组件连接动涡旋转子，配合使动涡旋转子作无自转平动公转；还包括二级包容金属密封系统，含动密封组件、静密封组件和负压监测管网；动密封组件设于动涡旋转子与基板间，包括内层金属波纹管、外层金属波纹管，两者间形成第一监测腔；静密封组件设于泵腔一级包容边界可拆卸界面，包括依次设置的第一金属密封界面、第二金属密封界面，两者间形成第二监测腔；第一监测腔、第二监测腔均连通负压监测管网，负压监测管网连通负压抽吸装置及泄漏监测装置；泵腔边界及隔离泵腔与驱动机构的一级包容边界均由耐腐蚀耐辐照金属材料构成，静涡旋转子、动涡旋转子间不设有机材料顶封。

4、进一步地，采用至少三个间隔分布的竖向偏心轴系，可在动涡旋转子的不同周向位置形成多点刚性支承，并由一个驱动偏心轴系输入动力、由其余从动偏心轴系共同限定运动姿态。各偏心轴系的偏心运动经动涡旋转子实现同步，使动涡旋转子的周向姿态在公转过程中保持不变，从而同时实现偏心驱动和防自转约束，并分散动涡旋转子的重力、气体载荷和惯性载荷。

5、进一步地，所述动密封组件设置于所述动涡旋转子与所述基板之间，并包括内层金属波纹管和位于所述内层金属波纹管外侧的外层金属波纹管，所述内层金属波纹管与所述外层金属波纹管之间形成封闭的第一监测腔。所述静密封组件设置于直接接触被抽工艺气体的至少一个可拆卸静连接界面，并包括沿由所述泵腔朝向所述一级包容边界外侧的潜在泄漏方向依次设置的第一金属密封界面和第二金属密封界面，所述第一金属密封界面与所述第二金属密封界面之间形成封闭的第二监测腔。所述第一监测腔和所述第二监测腔均与所述负压监测管网连通，所述负压监测管网分别与负压抽吸装置和泄漏监测装置连通。

6、进一步地，内层金属波纹管适应动涡旋转子的偏心平动并构成一级动态隔离，外层金属波纹管在其外侧构成第二道动态隔离，二者之间的第一监测腔用于容纳和导出穿过任一级动态隔离层的泄漏气体。多偏心轴系使动涡旋转子在公转过程中保持基本不变的周向姿态，因而两层金属波纹管主要承受与偏心量相对应的周期性横向变形，而无需随动涡旋转子承受连续扭转。第一金属密封界面构成可拆卸静连接界面的一级静态隔离，第二金属密封界面在其外侧构成第二道静态隔离，二者之间的第二监测腔用于泄漏导流和监测。负压监测管网使各监测腔形成受控的低压监测空间，从而使密封性能退化能够在泄漏介质突破外侧包容边界之前被识别，并可对进入监测腔的介质进行定向抽除。

7、进一步地，与泵送介质接触的泵腔边界、将泵腔与驱动机构隔离的内层金属波纹管、基板内侧面、中转油盒外侧面以及位于第二监测腔内侧的第一金属密封界面共同构成一级包容边界；外层金属波纹管以及位于第二监测腔外侧的第二金属密封界面构成位于所述一级包容边界外侧的二级包容边界。与泵送介质接触的泵腔边界以及构成所述一级包容边界和所述二级包容边界的密封结构均由耐腐蚀和耐辐照的金属材料构成，且所述静涡旋转子和所述动涡旋转子之间不设置有机材料顶封。

8、本发明所称“全金属密封”，是指与泵送介质接触或者构成一级包容边界和二级包容边界的密封结构采用金属材料形成，不要求位于工艺气体包容边界外且仅用于阻挡润滑冷却液的油密封件也由金属材料制成。该界定既保证工艺介质所接触的密封边界不依赖有机密封材料，又允许在与泵腔隔离的润滑区域内设置适于油液密封的常规密封件。

9、进一步地，所述偏心轴系的数量为三个，包括一套驱动偏心轴系和两套从动偏心轴系，三个所述偏心轴系的轴线在垂直于所述中心轴线的平面内呈等边三角形布置；三个所述偏心轴系具有相同的标称偏心量和一致的偏心相位。所述驱动电机悬挂固定于定位所述基板的所述泵壳下方，并通过联轴器与所述驱动偏心轴系连接。等边三角形布置能够形成几何稳定的三点支承，并使动涡旋转子所受载荷向三个偏心轴系分配。

10、进一步地，每一所述偏心轴系均包括偏心轴、上轴承组件、下轴承组件、位于所述偏心轴上的上配重块和下配重块，以及设置于所述偏心轴下端的油密封单元；所述上轴承组件和所述下轴承组件分别包括背对背配对设置的角接触球轴承。所述油密封单元包括隔油套筒、与所述隔油套筒密封配合的油封座以及设置于所述油封座内的双唇骨架油封。背对背配对的角接触球轴承能够同时承受径向载荷、双向轴向载荷及倾覆力矩，上配重块和下配重块用于补偿偏心运动产生的不平衡惯性力，油密封单元用于阻止润滑冷却液向驱动电机或外部环境迁移。

11、进一步地，所述动涡旋转子在背离所述静涡旋转子的非工作侧设置有多条放射状加强筋，各所述放射状加强筋自所述动涡旋转子的中心区域向外周区域延伸。所述放射状加强筋提高动涡旋转子盘体的抗弯刚度，有利于减小轴向气体载荷和切向气动力作用下的盘体挠曲，从而维持无顶封转子之间的工作间隙。

12、进一步地，所述静涡旋转子和所述动涡旋转子均由耐腐蚀和耐辐照的高强度合金整体精加工形成。整体精加工结构减少涡旋齿与盘体之间的连接界面，并有利于控制涡旋型线精度、端面平面度以及轴向和径向装配间隙。

13、进一步地，所述动密封组件还包括与所述基板固定连接的下法兰和与所述动涡旋转子固定连接的上连接部。所述内层金属波纹管和所述外层金属波纹管的下端均与所述下法兰焊接，上端均与所述上连接部焊接；所述下法兰通过弹簧蓄能型全金属密封组件与所述基板可拆卸密封连接，所述上连接部与所述动涡旋转子周向连续焊接，所述第一监测腔的抽吸接口设置于所述下法兰。将抽吸接口设置于静止的下法兰，可避免负压监测支管随动涡旋转子反复运动；采用周向连续焊接，可消除上部运动连接处的可拆卸间隙及其潜在泄漏通道。

14、进一步地，所述静密封组件为弹簧蓄能型全金属密封组件，并包括环形金属密封主体和设置于所述环形金属密封主体内的环形蓄能弹簧。所述环形金属密封主体具有间隔设置的内金属密封部和外金属密封部，所述内金属密封部和所述外金属密封部在所述环形蓄能弹簧的预紧作用下分别形成所述第一金属密封界面和所述第二金属密封界面，二者之间限定出封闭的环形第二监测腔。环形蓄能弹簧能够在装配预紧和温度变化条件下维持两个金属密封部的接触压力。

15、进一步地，所述负压监测管网包括分别与所述第一监测腔和各所述第二监测腔连通的支管、与各所述支管连通的汇流管、设置于各所述支管上的隔离阀以及与所述汇流管选择性连通的氦质谱检漏仪。所述泄漏监测装置包括压力传感器、气体成分检测器和报警控制器；所述报警控制器被配置为在所述负压监测管网的压力变化率、目标工艺气体浓度或氦质谱检漏信号中的至少一项达到相应预设阈值时输出泄漏报警信号。各支管能够借助隔离阀逐一隔离，从而对具体密封位置进行定位检漏。

16、进一步地，设置有所述静密封组件的可拆卸静连接界面包括排气口的法兰与所述静涡旋转子之间的连接界面、中转油盒的底部连接界面、中转油盒的顶部连接界面，以及所述动密封组件的下法兰与所述基板之间的连接界面。上述界面均处于工艺气体潜在泄漏路径上，设置双金属密封界面及中间监测腔能够将各界面纳入统一的二级包容和监测体系。

17、进一步地，所述真空泵系统还包括泵热管理与轴承润滑系统。所述泵热管理与轴承润滑系统包括循环油泵、热交换器、位于所述静涡旋转子背侧的静盘油腔、位于所述动涡旋转子背侧的动盘油池、连接所述静盘油腔与所述动盘油池的注油管、位于所述泵壳底部的集油槽以及将所述集油槽与所述循环油泵连通的回油管。所述循环油泵的出口经所述热交换器和所述中转油盒与所述静盘油腔连通，以将经所述热交换器降温的润滑冷却液由下向上输送至所述静盘油腔；所述润滑冷却液由所述静盘油腔溢流并经所述注油管输送至所述动盘油池。

18、进一步地，所述静涡旋转子位于所述动涡旋转子的下方；所述静盘油腔采用砂型铸造；所述动盘油池为形成于所述动涡旋转子背侧的环形油池，并被配置为利用所述动涡旋转子的平动公转使其中的润滑冷却液产生非定常晃动。静盘油腔利用浸没换热冷却静涡旋转子，动盘油池内的非定常晃动削弱液体侧热边界层并增强动涡旋转子与润滑冷却液之间的对流换热。

19、进一步地，所述动涡旋转子上设置有分别朝向各所述偏心轴系的导油沟。所述动盘油池中的润滑冷却液达到预定溢流液位后经各所述导油沟分配至相应的偏心轴系，并在重力作用下由上至下依次流经所述上轴承组件和所述下轴承组件；所述油密封单元的油封座设置有与所述集油槽连通的回油导槽。由此，冷却转子的润滑冷却液继续用于轴承润滑和散热，并在重力作用下完成回收。

20、进一步地，所述泵热管理与轴承润滑系统的循环管路、热交换器、循环油泵及其管路接头均设置于所述二级包容边界的外侧，所述润滑冷却液与所述泵腔相互隔离。该布置避免冷却润滑管路及其接头成为工艺气体包容边界的一部分。

21、进一步地，所述基板可拆卸地固定于所述泵壳，并构成所述静涡旋转子、所述动涡旋转子和各所述偏心轴系的共同装配基准；所述泵壳和所述基板支承于集成台架。所述静涡旋转子与所述中转油盒和所述排气口预装形成静子总成，所述动涡旋转子与各所述偏心轴系的上轴承组件预装形成动子总成，所述静子总成固定于所述基板，所述动子总成由各所述偏心轴系支承和定位。以基板作为共同装配基准，有利于控制动、静涡旋转子的平行度、多偏心轴系的垂直度及各定位端面的共面度。

22、进一步地，所述排气口设置于所述静涡旋转子的中心区域并与排气管连通，所述排气管上设置有单向排气阀。单向排气阀允许压缩气体排出并抑制停机或压力反转时排气侧气体向泵腔回流。

23、进一步地，所述静涡旋转子和所述动涡旋转子由耐腐蚀和耐辐照的轻质高强度合金整体精加工制成；所述内层金属波纹管和所述外层金属波纹管由奥氏体不锈钢或镍基合金制成；所述驱动偏心轴系和从动偏心轴系的偏心轴由高强度高温镍基合金制成；所述基板、所述泵壳和所述中转油盒分别由奥氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢或镍基合金中的至少一种制成。不同金属材料根据承载、成形、焊接、耐腐蚀及耐辐照要求进行匹配。

24、有益效果：

25、1、至少三个竖向偏心轴系围绕动涡旋转子的中心轴线间隔设置，并以相互配合的偏心量和偏心相位共同支承、驱动和约束动涡旋转子；由此在多个周向位置形成刚性运动约束并分散重力、气体载荷和离心惯性载荷；进而使大尺寸动涡旋转子能够作姿态稳定的无自转平动公转，降低单轴支承和独立防自转机构的载荷集中、摩擦及疲劳风险。

26、2、动、静涡旋转子采用整体精加工的金属结构，动涡旋转子非工作侧设置放射状加强筋，且两转子之间不设置有机材料顶封；整体精加工和加强筋共同提高型线精度及盘体抗弯刚度，以稳定维持轴向间隙和径向间隙；进而避免工艺气体接触聚合物顶封，降低有机材料因辐照、腐蚀、磨损或放气造成的污染和密封性能衰减。

27、3、动涡旋转子与基板之间设置同轴套设的内层金属波纹管和外层金属波纹管，二者之间形成第一监测腔，并由多偏心轴系维持动涡旋转子的周向姿态；两层波纹管在适应偏心位移的同时形成彼此独立的动态隔离层，且无自转运动避免波纹管随动涡旋转子承受连续周向扭转；因而在内层金属波纹管发生泄漏时，外层金属波纹管仍可对泄漏介质进行包容，第一监测腔则为泄漏介质的导出和检测提供确定空间。

28、4、一级包容边界的可拆卸静连接界面设置两道金属密封界面，并在两道金属密封界面之间形成第二监测腔；第一金属密封界面承担一级密封，第二金属密封界面承担外侧包容；从而避免单道静密封失效后工艺介质直接进入外部环境，并能够根据第二监测腔内的状态变化评估密封组件的服役性能。

29、5、第一监测腔和第二监测腔均接入带有隔离阀、负压抽吸装置和泄漏监测装置的负压监测管网；负压抽吸使进入监测腔的气体被定向收集，压力、气体成分或检漏信号则表征相应密封界面的泄漏状态；由此实现潜在泄漏的主动捕获、在线报警和分区定位，并使密封退化能够在外侧包容边界被突破之前得到识别。

30、6、动密封组件的上连接部与动涡旋转子周向连续焊接，而第一监测腔的抽吸接口集中设置于静止的下法兰；连续焊接彻底消除运动端由传统可拆卸连接所形成的微观间隙，静止抽吸接口使监测支管不随动涡旋转子作高频偏心运动；进而减少运动端泄漏路径以及监测管路的交变弯曲疲劳风险。

31、7、泵热管理与轴承润滑系统先通过强制循环使降温后的润滑冷却液进入静盘油腔，再利用溢流、动盘晃动和重力依次完成动涡旋转子冷却、轴承润滑及油液回收；静盘浸没换热和动盘非定常晃动增强转子散热，重力流动减少各轴承处对独立供油泵送部件的依赖；从而抑制转子热变形并提高多偏心轴系在连续运行条件下的润滑和散热稳定性。

32、8、冷却润滑管路、热交换器、循环油泵及其管路接头设置于二级包容边界外侧，润滑冷却液与泵腔相互隔离；冷却润滑回路不构成工艺气体泄漏边界；因而避免油路接头老化或破损导致润滑冷却液进入泵腔或者工艺介质沿油路逸出的风险。

33、9、基板同时作为静涡旋转子、动涡旋转子和多偏心轴系的共同装配基准，并配合静子总成和动子总成的模块化预装；共同基准能够减少多次基准转换造成的累积误差；从而有利于控制多轴垂直度、定位端面共面度以及动、静涡旋转子平行度，提高无顶封微间隙装配的一致性。