小型涡轮分子泵静叶片设计与成型技术
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)。
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）
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
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。
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。
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.
