一種單螺旋轉子型線及其熱變形研究

干式真空泵 劉坤 東北大學機械工程與自動化學院

  微型化和集成化是當前干式真空泵發展的重要趨勢,高真空干泵正是具有代表性的一種新型干泵。本文對高真空干泵的螺旋級轉子進行了研究,對組成螺旋級轉子的外螺線、內螺線、母線的型線方程分別進行了方程推導和幾何建模,利用有限元分析的方法,對轉子受熱所產生的溫度場,結構場進行了耦合計算,研究了轉子熱變形結果對型線設計和間隙設置的影響,得到影響高真空干泵性能的參數調節機制,為高真空干泵的設計提供了理論依據和指導。

  隨著新興工業的興起和傳統工業的技術升級,干式真空泵的應用得到了廣泛的拓展。干泵和干泵機組具有維護成本低,清潔無油等優點,對其技術研發和產品投入不斷加大。微型化和一體化是干式真空泵發展的重要趨勢之一,高真空干泵的出現,便是這種發展趨勢的最典型代表。高真空干泵內部結構以牽引分子泵吸氣原理為主,在牽引分子級排氣側串接可直排大氣的旋渦級轉子,其壓縮比最高可達109,排氣壓力達到大氣壓力。同時,為了增大高真空干泵的抽氣量、提升極限真空度,在牽引級的入口側串接單螺旋轉子,真空技術網(http://www.qbjic.club/)認為可以獲得更好的整機抽氣性能。

  目前,國內外對螺旋型線的研究較為廣泛,包括牽引分子泵、螺桿泵、渦輪增壓泵和螺桿式壓縮機等方面。常見的螺桿旋轉子型線包括多個方面:①牽引分子泵;②干式螺桿真空泵;③螺旋式壓縮機;④渦輪增壓泵。單螺旋轉子在高速轉動時,具有較大的抽氣速率,可作為高真空泵干泵的重要組成部分,真空技術網(http://www.qbjic.club/)認為可增加搞真空干泵的抽氣性能。

  本文對單螺旋轉子的型線和結構進行展開了研究,設計了單螺旋轉子的空間型線,推導了轉子的母線型線方程;同時,為獲得良好的性能,螺旋轉子采用外圓面內錐面的組合式結構。依據上述型線方程,生成了螺旋級轉子的計算機三維模型,結合有限元方法對螺旋級轉子的熱變形情況進行分析,為設計提供了科學的依據。

  1、螺旋轉子的型線設計

  高真空干泵螺旋級轉子采用外螺線分布在圓柱面、內螺線分布在圓錐面以及采用非線性母線的組合式設計方法,以獲取良好的抽氣性能。

  (1) 外螺線:圓柱螺旋線型線

  圓柱螺旋線型線是一種常見的結構簡單,原理簡單的螺旋線型線,其示意圖如圖1(a) 所示。

外螺線和內螺線

圖1 外螺線和內螺線

  2、結論

  本文基于產量密度模型,對該模型進行了推導和優化,設計了一種非線性螺旋線母線,其外螺線分布在圓柱面上、內螺線分布在圓錐面上,具有大抽速的特點,且沿軸向螺距漸變,利于氣體的輸送,真空技術網(http://www.qbjic.club/)認為適用于高真空干泵螺旋級。

  推導了該轉子的端面型線方程,完成了三維幾何模型的建立,進行了熱—結構耦合分析,通過計算結果得知,其中無倒角轉子的熱變形為0.131 mm,有倒角轉子的為0.108 mm,無倒角轉子最大應力為701.34 MPa,有倒角為633.02MPa。倒角分別使熱變形和最大應力降低了17.6%和9.74%,有效地減少轉子熱變形與應力集中。本文提出的螺旋級轉子型線和熱變形計算方法,為轉子結構設計與間隙設計提供了有力參考。