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(guò)程中應(yīng)力分布，研究了葉片扭轉(zhuǎn)成型工藝。經(jīng)過(guò)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(guò)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。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)發(fā)布的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(xiě)為下式：

h ≈(2πR/z)·sin α （2）

　　由式(2)可見(jiàn)，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(jiàn)，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(guò)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

2、靜葉片結(jié)構(gòu)與應(yīng)力分析

　　葉輪的材料為鋁合金，彈性模量取70 GPa，泊松比為0.33。葉輪的扭轉(zhuǎn)角為30°，計(jì)算了葉輪扭轉(zhuǎn)成型的應(yīng)力情況。葉輪為薄壁件，剛性很弱，計(jì)算中考慮了大變形等非線性效應(yīng)。優(yōu)化前的計(jì)算結(jié)果如圖3 所示，葉輪的扭轉(zhuǎn)變形應(yīng)力集中較為明顯，最大應(yīng)力為108 MPa。

　　由于最大應(yīng)力超限，需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)以降低應(yīng)力。為此在葉片上設(shè)置了扭轉(zhuǎn)梁，計(jì)算結(jié)果如圖4 所示，優(yōu)化后的最大應(yīng)力為51 MPa，最大應(yīng)力減小了一半，可見(jiàn)該優(yōu)化方法能有效改善葉輪的結(jié)構(gòu)和加工性能。

3、靜葉片成型工藝研究

　　靜葉輪材料為鋁合金，具有較高的強(qiáng)度和耐蝕性，切削性能良好。靜葉輪加工難點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

　　(1)屬于典型的薄壁型弱剛性零件，厚度僅為1mm，精度要求高;

　　(2) 零件環(huán)槽區(qū)域厚度僅0.3 mm，在區(qū)域內(nèi)均勻分布十余個(gè)葉片，葉片輪廓復(fù)雜精細(xì);

　　(3)因葉片兩端與靜葉輪框架連接處寬度僅1 mm，在扭轉(zhuǎn)成型時(shí)需保證每片葉片兩端與框架不能發(fā)生斷裂;

　　(4)工件為半環(huán)形結(jié)構(gòu)，在加工過(guò)程中易發(fā)生變形。

　　鑒于靜葉輪徑向剛性較弱，在加工過(guò)程中應(yīng)盡量避免工件徑向直接裝夾，因此設(shè)計(jì)了一些較為合理的微變形裝夾與工裝系統(tǒng)，采用環(huán)槽平面吸具進(jìn)行連續(xù)翻面加工，從而保證工件的厚度尺寸精度。在彎折葉片加工過(guò)程中，通過(guò)設(shè)計(jì)一種角度樣板，將樣板上端尖角與葉片切縫對(duì)齊，施加合適的力直至有環(huán)槽的端面與平臺(tái)靠平，最終完成葉片扭轉(zhuǎn)成型加工�；�于以上思路，確定了靜葉輪的工藝路線并完成首批靜葉輪加工，產(chǎn)品合格率達(dá)100%，實(shí)物如圖5 所示。

4、結(jié)論

　　靜葉片的設(shè)計(jì)與成型是渦輪分子泵的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文采用數(shù)值計(jì)算和工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法，進(jìn)行了有益探索，取得了明顯效果，滿足了設(shè)計(jì)要求，為研制新型渦輪分子泵打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 王曉冬,等.渦輪分子泵組合葉列幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究[J].真空，1999：23-26.

　　[2] 葛明.立式渦輪分子泵的設(shè)計(jì)計(jì)算[C].中國(guó)真空學(xué)會(huì)進(jìn)步獎(jiǎng)(1994-2000)得獎(jiǎng)人員論文集，192-206.