严格密封型螺杆真空泵转子型线研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江理工大学浙江省机电产品可靠性技术研究重点实验室 作者:巫修海

  结合现有干式螺杆真空泵螺杆转子型线的特点,提出了一种严格密封的单头螺杆转子端面新型线,其端面型线依次由齿顶圆、齿顶圆弧过渡曲线、渐开线、齿根圆过渡曲线、齿根圆、长幅外摆线顺序相接组成;采用该型线螺杆转子的主要特征是: 两段圆弧、两段过渡曲线和渐开线相切过渡,严格密封且没有滞留区,不会形成泄露三角,从而提高泵的抽速和极限真空度。文中通过啮合理论给出了端面型线推导过程和曲线参数方程,可供设计人员参考借鉴;从实际应用角度出发,采用螺旋面等距面法设计啮合间隙均匀的成对螺杆,从而得到带啮合间隙的端面型线。

  干式螺杆真空泵是螺杆压缩机演变过来,属于非接触型干式泵,核心元件是一对有一定间隙、相互啮合的螺杆转子,泵腔内没有金属与金属间的接触,抽气腔元件无摩擦,结构简单紧凑,易损件少,真空度高,使用寿命长,能耗低,无油污染,使用场地小等优点,因此在抽除可凝性气体、带有粉尘及微小颗粒物的气体时不易堵塞且清洗方便,广泛应用于医药化工、微电子、半导体、精密加工、冶金、太阳能光伏、LED 等行业。

  螺杆转子端面型线包含的曲线必须满足曲线啮合的基本定律,还要有良好的密封性,要求泄漏三角形面积尽量小,接触线尽量短;其次,要求有较大的面积利用系数,这样不仅机器的尺寸可以小一些,而且单位容量的泄漏损失也要少一些,可使效率相对提高;另外,还要求啮合区域尽量避免滞留区,型线流线化以减少气体流动损失,也要便于加工;还要提高抽气效率和降低工作温度。

  单头、爪形的螺杆转子型线是目前国内外厂商最为常用的一种型线,采用单头其综合性能优秀,加工相对于多头螺杆要简单得多,爪形式的设计解决了转子的齿面干涉问题,故为广泛采用。这种螺杆采用基圆半径相等、端面曲线相同而螺杆旋向相反的型线,齿根圆弧与齿顶圆弧过渡一般采用阿基米德线、渐开线或摆线及其共轭曲线。

1、问题的提出

  目前市场上螺杆真空泵常用的有三种型线:

  (1) 由阿基米德曲线及对应的包络曲线、大小两段圆弧、长幅外摆线五段线组成,如图1 所示,存在奇异点a1,形成三角区域a2d1 f,该区域形成气体的滞留区和泄漏区,影响抽气效率。

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图1 带阿基米德曲线的螺杆转子端面型线

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图2 带有渐开线的螺杆转子端面型线

  (2) 渐开线也是螺杆端面型线常选用的基本型线,如图2 所示,但若渐开线与根部圆弧直接相连,会形成一定的泄露区e2d2 f,故渐开线和根部圆弧采用摆线e2d2过渡,该过渡区域解决了泄露的问题,尖点与线啮合,在过渡区域也会形成一定的滞留区,影响排气效率内部工作温度。

  (3) 带有三段长幅外摆线螺杆端面型线由大小两段圆弧、三段长幅外摆线五段线组成,如图3 所示,但文献已经描述过型线b1 c1 d1段形成较小的泄露三角,影响排气效率。

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图3 带3 段长幅外摆线的螺杆转子端面型线

2、设计实例与验证

  最后,给出五种螺杆的设计实例,干式螺杆真空泵螺杆转子,结构参数如下: 齿根圆半径为ρ3 = 37mm,齿顶圆半径为ρ3 = 83 mm;中心距2rp = ρ1 + ρ3= 120 mm;螺杆转子每节导程P = 68 mm,转子工作区总长度L = 306 mm,其螺旋圈数为4.5 圈,为了便于比较,前三种螺杆齿顶圆弧弧度统一接近π/2,渐开线型的圆角过渡半径为30 mm,基圆半径为15mm。五种螺杆主要参数比较,如表2。

表2 五种螺杆主要参数比较

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  由表2 可知,带阿基米德和渐开线的螺杆面积利用率最高;三段摆线和圆角摆线过渡型的螺杆,面积利用率固定;圆角过渡两种螺杆无泄漏、无滞留区。综合比较圆角过渡的渐开线型线比较理想,面积利用率高,且无泄漏、无滞留区,渐开线啮合区域啮合线短,密封效果好。

  图14 是采用本设计方案制造的成对螺杆,在实际的使用过程中,螺杆真空泵工作的初始阶段,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为螺杆真空泵要比三段摆线型的螺杆真空泵吸气能力要强很多,内部工作温度也要低得多。

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图14 成对螺杆

  如图15(a) 所示,螺杆真空泵在极限真空状态下运行,打开吹气阀,放入空气,对极限真空度几乎没有影响,进一步验证了设计的型线密封好,几乎无气体返流。图15(b) 是测试极限压力和压力曲线试验,测试条件、冷却水流量相同,在吹气阀位置安装PT100 的温度传感器,在测试圆角过渡的渐开线型、圆角摆线型和三段摆线型螺杆真空泵时,三种泵的测试温度分别是90,100, 120℃。用精密噪声频谱分析仪测试噪声和频谱分析,采用同样类型的消声器,采用圆角过渡型型线的等螺距螺杆真空泵噪声可以达到70 dB 以下,三段摆线型75 dB 以下。图15(c) 是圆角过渡型和三段摆线型的压力曲线,在同样的设计间隙中,圆角过渡型的螺杆真空泵压力曲线整体向左上角偏移,极限压力、最大抽气速度都要提高,冷机启动的抽气效率要高很多。可以看出良好的密封,可以减少气体返流量,进而影响着真空泵的排气效率、内部工作温度、极限压力、工作噪声等。

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图15 性能测试试验

5、结论

  (1) 建立了螺杆转子共轭端面型线的设计理论,可针对任意型线双螺杆转子型线进行设计,并且可以针对现有型线不足展开分析与改进。

  (2) 建立了螺杆螺旋面理论齿面的等距面方程,在设计阶段实现了基于啮合间隙的螺杆齿形设计,从而建立带间隙的螺杆端面型线方程。

  (3) 在型线的奇异点增加圆弧过渡,既可以避免泄漏区的形成,也能避免滞留区域的形成,同时采用渐开线,螺杆齿面可以获取较短的接触线,提高密封效果。其外,螺杆真空泵实际运行时,内部工作温度低、噪声较低。上述效果在实际中应用中获得验证。

  本文研究结果为干式螺杆真空泵螺杆转子的型线设计、型线选取以及结构参数的合理选择提供理论依据与实践参考。

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