小型涡轮分子泵静叶片设计与成型技术

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 作者:陶继忠

  针对某小型涡轮分子泵的涡轮级,采用数值仿真方法分析了静叶片的结构参数与抽速和压比的关系,计算了叶片成型过程中应力分布,研究了叶片扭转成型工艺。经过样品试制,达到了设计指标要求,验证了本文提出的静叶片设计与成型技术是正确、可行的。

  涡轮分子泵是利用高速旋转的动叶片和静止叶片间的相向运动,将气体分子从高真空区“驱赶”至低真空区,然后由前级泵排入大气,从而达到抽真空的目的。经过多年的技术进步和应用改进,涡轮分子泵以其抽气性能高、污染小、耗能低等优势,在真空应用领域已经得到了广泛应用。目前,涡轮分子泵已经成为质谱分析真空检漏、高能束焊接、半导体制造、高能加速等高端仪器和设备的关键功能部件,用于获得洁净的高真空环境。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)发布的本文在研制某新型分子泵时,对静叶片的设计和成型技术进行了探索,取得了良好效果。

1、静叶片优化设计

  涡轮分子泵的抽气特性主要体现为泵的抽速和压缩比,它们不仅与每级叶片的抽气特性相关,也依赖于多级叶片的组合方式。泵的压缩比与叶轮级数成指数关系,因此增加叶轮级数是提高压缩比的最有效途径。出于小型化的考虑,希望每级叶轮高度h 尽量小,这样在有限的空间内可放置尽量多级的叶轮,从而提高压缩比。根据几何关系可知,叶轮高度h 主要由叶片弦长b 和叶片角α 确定(由于叶片厚度比叶片弦长少一个数量级,暂忽略不计),即如式(1)。

小型涡轮分子泵静叶片设计与成型技术

  静叶片多采用扭制叶片,扭制叶片的叶片弦长近似等于叶顶圆弧长,也就等于叶顶圆周长与叶片数z 的商。因此叶轮的轴向尺寸可写为下式:

h ≈(2πR/z)·sin α (2)

  由式(2)可见,增加叶片数或减小叶片角可有效的降低叶轮高度h,并且叶片角的减小可增大单级叶轮的压缩比,从而使整体压缩比得到提高。叶片角与压缩比关系如下图所示。计算压缩比采用的转速为60000 RPM,叶轮线速度按文献[2]方法计算,为181m/s,因此速度比c=0.44。然而,直接增加叶片数z 或减小叶片角α 会导致叶轮的有效吸气面积降低,从而影响到抽速。有效吸气面积计算公式为[2]

F = π(R2-r2)-z(R-r))δ/sinα (3)

小型涡轮分子泵静叶片设计与成型技术

  由式(3)可见,有效吸气面积随叶片数z 的增加或叶片角α 的减小而减小,但随叶片厚度δ的减小而增加。因此,若通过增加叶片数或减小叶片角使叶轮高度变小,同时又不希望牺牲有效吸气面积,则需要采用较薄的叶片。

  气体在各级叶轮的驱赶下,由上游向下游运动,压力不断提高。由于压力与气体密度有关,在质量流量相同的前提下,上游体积流量大于下游的体积流量,因此上游的体积流量对泵整体抽速影响更大。针对上下游叶轮的不同要求,本设计采用了叶片角为20°与30°的两种静叶轮,其中30°静叶轮作为上游叶轮,20°静叶轮作为下游叶轮,叶片厚度均为0.3mm,已获得较大的有效吸气面积,从而获得大抽速。为保证较大的有效吸气面积,30°静叶轮的叶片数较少,为32片。为减小20°静叶轮的轴向高度,采用了较多的叶片数,为36 片。20°静叶轮的叶片角小且叶片数大,其有效吸气面积比30°静叶轮小许多,但其作为下游叶轮,对抽速影响较小。

  表1 不同结构参数叶轮比较

小型涡轮分子泵静叶片设计与成型技术

2、静叶片结构与应力分析

  叶轮的材料为铝合金,弹性模量取70 GPa,泊松比为0.33。叶轮的扭转角为30°,计算了叶轮扭转成型的应力情况。叶轮为薄壁件,刚性很弱,计算中考虑了大变形等非线性效应。优化前的计算结果如图3 所示,叶轮的扭转变形应力集中较为明显,最大应力为108 MPa。

小型涡轮分子泵静叶片设计与成型技术

  由于最大应力超限,需要优化结构以降低应力。为此在叶片上设置了扭转梁,计算结果如图4 所示,优化后的最大应力为51 MPa,最大应力减小了一半,可见该优化方法能有效改善叶轮的结构和加工性能。

3、静叶片成型工艺研究

  静叶轮材料为铝合金,具有较高的强度和耐蚀性,切削性能良好。静叶轮加工难点主要有以下几点:

  (1)属于典型的薄壁型弱刚性零件,厚度仅为1mm,精度要求高;

  (2) 零件环槽区域厚度仅0.3 mm,在区域内均匀分布十余个叶片,叶片轮廓复杂精细;

  (3)因叶片两端与静叶轮框架连接处宽度仅1 mm,在扭转成型时需保证每片叶片两端与框架不能发生断裂;

  (4)工件为半环形结构,在加工过程中易发生变形。

  鉴于静叶轮径向刚性较弱,在加工过程中应尽量避免工件径向直接装夹,因此设计了一些较为合理的微变形装夹与工装系统,采用环槽平面吸具进行连续翻面加工,从而保证工件的厚度尺寸精度。在弯折叶片加工过程中,通过设计一种角度样板,将样板上端尖角与叶片切缝对齐,施加合适的力直至有环槽的端面与平台靠平,最终完成叶片扭转成型加工。基于以上思路,确定了静叶轮的工艺路线并完成首批静叶轮加工,产品合格率达100%,实物如图5 所示。

小型涡轮分子泵静叶片设计与成型技术

4、结论

  静叶片的设计与成型是涡轮分子泵的关键技术之一,本文采用数值计算和工艺试验相结合的方法,进行了有益探索,取得了明显效果,满足了设计要求,为研制新型涡轮分子泵打下了坚实的技术基础。

参考文献

  [1] 王晓冬,等.涡轮分子泵组合叶列几何参数优化设计方法的研究[J].真空,1999:23-26.

  [2] 葛明.立式涡轮分子泵的设计计算[C].中国真空学会进步奖(1994-2000)得奖人员论文集,192-206.

  小型涡轮分子泵静叶片设计与成型技术为真空技术网首发,转载请以链接形式标明本文首发网址。

  http://www.chvacuum.com/pumps/jixie/turbo-molecular-pump/104399.html

  与 分子泵 涡轮分子泵 相关的文章请阅读:

  分子泵http://www.chvacuum.com/pumps/jixie/turbo-molecular-pump/