一种单螺旋转子型线及其热变形研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学机械工程与自动化学院 作者:刘坤

  微型化和集成化是当前干式真空泵发展的重要趋势,高真空干泵正是具有代表性的一种新型干泵。本文对高真空干泵的螺旋级转子进行了研究,对组成螺旋级转子的外螺线、内螺线、母线的型线方程分别进行了方程推导和几何建模,利用有限元分析的方法,对转子受热所产生的温度场,结构场进行了耦合计算,研究了转子热变形结果对型线设计和间隙设置的影响,得到影响高真空干泵性能的参数调节机制,为高真空干泵的设计提供了理论依据和指导。

  随着新兴工业的兴起和传统工业的技术升级,干式真空泵的应用得到了广泛的拓展。干泵和干泵机组具有维护成本低,清洁无油等优点,对其技术研发和产品投入不断加大。微型化和一体化是干式真空泵发展的重要趋势之一,高真空干泵的出现,便是这种发展趋势的最典型代表。高真空干泵内部结构以牵引分子泵吸气原理为主,在牵引分子级排气侧串接可直排大气的旋涡级转子,其压缩比最高可达109,排气压力达到大气压力。同时,为了增大高真空干泵的抽气量、提升极限真空度,在牵引级的入口侧串接单螺旋转子,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为可以获得更好的整机抽气性能。

  目前,国内外对螺旋型线的研究较为广泛,包括牵引分子泵、螺杆泵、涡轮增压泵和螺杆式压缩机等方面。常见的螺杆旋转子型线包括多个方面:①牵引分子泵;②干式螺杆真空泵;③螺旋式压缩机;④涡轮增压泵。单螺旋转子在高速转动时,具有较大的抽气速率,可作为高真空泵干泵的重要组成部分,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为可增加搞真空干泵的抽气性能。

  本文对单螺旋转子的型线和结构进行展开了研究,设计了单螺旋转子的空间型线,推导了转子的母线型线方程;同时,为获得良好的性能,螺旋转子采用外圆面内锥面的组合式结构。依据上述型线方程,生成了螺旋级转子的计算机三维模型,结合有限元方法对螺旋级转子的热变形情况进行分析,为设计提供了科学的依据。

  1、螺旋转子的型线设计

  高真空干泵螺旋级转子采用外螺线分布在圆柱面、内螺线分布在圆锥面以及采用非线性母线的组合式设计方法,以获取良好的抽气性能。

  (1) 外螺线:圆柱螺旋线型线

  圆柱螺旋线型线是一种常见的结构简单,原理简单的螺旋线型线,其示意图如图1(a) 所示。

外螺线和内螺线

图1 外螺线和内螺线

  2、结论

  本文基于产量密度模型,对该模型进行了推导和优化,设计了一种非线性螺旋线母线,其外螺线分布在圆柱面上、内螺线分布在圆锥面上,具有大抽速的特点,且沿轴向螺距渐变,利于气体的输送,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为适用于高真空干泵螺旋级。

  推导了该转子的端面型线方程,完成了三维几何模型的建立,进行了热—结构耦合分析,通过计算结果得知,其中无倒角转子的热变形为0.131 mm,有倒角转子的为0.108 mm,无倒角转子最大应力为701.34 MPa,有倒角为633.02MPa。倒角分别使热变形和最大应力降低了17.6%和9.74%,有效地减少转子热变形与应力集中。本文提出的螺旋级转子型线和热变形计算方法,为转子结构设计与间隙设计提供了有力参考。

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