小型渦輪分子泵靜葉片設(shè)計(jì)與成型技術(shù)
針對(duì)某小型渦輪分子泵的渦輪級(jí)，采用數(shù)值仿真方法分析了靜葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)與抽速和壓比的關(guān)系，計(jì)算了葉片成型過程中應(yīng)力分布，研究了葉片扭轉(zhuǎn)成型工藝。
經(jīng)過樣品試制，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，驗(yàn)證了本文提出的靜葉片設(shè)計(jì)與成型技術(shù)是正確、可行的。
渦輪分子泵是利用高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉片和靜止葉片間的相向運(yùn)動(dòng)，將氣體分子從高真空區(qū)“驅(qū)趕”至低真空區(qū)，然后由前級(jí)泵排入大氣，從而達(dá)到抽真空的目的。經(jīng)過多年的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用改進(jìn)，渦輪分子泵以其抽氣性能高、污染小、耗能低等優(yōu)勢(shì)，在真空應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。目前，渦輪分子泵已經(jīng)成為質(zhì)譜分析、真空檢漏、高能束焊接、半導(dǎo)體制造、高能加速等高端儀器和設(shè)備的關(guān)鍵功能部件，用于獲得潔凈的高真空環(huán)境。本文在研制某新型分子泵時(shí)，對(duì)靜葉片的設(shè)計(jì)和成型技術(shù)進(jìn)行了探索，取得了良好效果。
1、靜葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)
渦輪分子泵的抽氣特性主要體現(xiàn)為泵的抽速和壓縮比，它們不僅與每級(jí)葉片的抽氣特性相關(guān)，也依賴于多級(jí)葉片的組合方式。泵的壓縮比與葉輪級(jí)數(shù)成指數(shù)關(guān)系，因此增加葉輪級(jí)數(shù)是提高壓縮比的最有效途徑。出于小型化的考慮，希望每級(jí)葉輪高度h 盡量小，這樣在有限的空間內(nèi)可放置盡量多級(jí)的葉輪，從而提高壓縮比。根據(jù)幾何關(guān)系可知，葉輪高度h 主要由葉片弦長(zhǎng)b 和葉片角α 確定(由于葉片厚度比葉片弦長(zhǎng)少一個(gè)數(shù)量級(jí)，暫忽略不計(jì))，即如式(1)。
靜葉片多采用扭制葉片，扭制葉片的葉片弦長(zhǎng)近似等于葉頂圓弧長(zhǎng)，也就等于葉頂圓周長(zhǎng)與葉片數(shù)z 的商。因此葉輪的軸向尺寸可寫為下式：
h ≈(2πR/z)·sin α （2）
由式(2)可見，增加葉片數(shù)或減小葉片角可有效的降低葉輪高度h，并且葉片角的減小可增大單級(jí)葉輪的壓縮比，從而使整體壓縮比得到提高。葉片角與壓縮比關(guān)系如下圖所示。計(jì)算壓縮比采用的轉(zhuǎn)速為60000 RPM，葉輪線速度按文獻(xiàn)[2]方法計(jì)算，為181m/s，因此速度比c=0.44。然而，直接增加葉片數(shù)z 或減小葉片角α 會(huì)導(dǎo)致葉輪的有效吸氣面積降低，從而影響到抽速。有效吸氣面積計(jì)算公式為[2]：
F = π(R2-r2)-z(R-r))δ/sinα （3）
由式(3)可見，有效吸氣面積隨葉片數(shù)z 的增加或葉片角α 的減小而減小，但隨葉片厚度δ的減小而增加。因此，若通過增加葉片數(shù)或減小葉片角使葉輪高度變小，同時(shí)又不希望犧牲有效吸氣面積，則需要采用較薄的葉片。
氣體在各級(jí)葉輪的驅(qū)趕下，由上游向下游運(yùn)動(dòng)，壓力不斷提高。由于壓力與氣體密度有關(guān)，在質(zhì)量流量相同的前提下，上游體積流量大于下游的體積流量，因此上游的體積流量對(duì)泵整體抽速影響更大。針對(duì)上下游葉輪的不同要求，本設(shè)計(jì)采用了葉片角為20°與30°的兩種靜葉輪，其中30°靜葉輪作為上游葉輪，20°靜葉輪作為下游葉輪，葉片厚度均為0.3mm，已獲得較大的有效吸氣面積，從而獲得大抽速。為保證較大的有效吸氣面積，30°靜葉輪的葉片數(shù)較少，為32片。為減小20°靜葉輪的軸向高度，采用了較多的葉片數(shù)，為36 片。20°靜葉輪的葉片角小且葉片數(shù)大，其有效吸氣面積比30°靜葉輪小許多，但其作為下游葉輪，對(duì)抽速影響較小。
表1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)葉輪比較
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