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双螺杆真空泵内压缩转子结构研究现状
标签: 双螺杆真空泵
2022-08-05  阅读

来源:iVacuum真空聚焦  作者:刘明昆,李丹童等

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  【康沃真空网】干式真空是一种能在大气压到10-2Pa的压强范围内工作,抽气流道中不使用任何油类和液体,并且能连续直排大气的真空泵[1-3]。双螺杆真空泵是干式真空泵的一种,出现于20世纪90年代,是一种变容式气体输送泵,具有清洁无油、可直排大气、机械振动与噪音小、对介质的粘度不敏感、适应性强、可靠性高等优点[4],被广泛应用于半导体、镀膜、化工等行业,具有良好的市场前景。

  齿间容积内的热力学过程分为四个不同的过程,包括吸气过程、传输(压缩)过程、反冲过程和排气过程[5]。传统的螺杆真空泵在输送阶段是等容的,直到排气即将结束时才对工作气体进行压缩;当齿间容积内的气体压力低于外界压力时,一旦齿间容积与排气口连通,反冲过程就会发生,会带来额外的能耗、温升、噪声等问题。

  而内压缩式螺杆真空泵在气体输送阶段已开始对工作气体进行压缩。内压缩式螺杆真空泵虽然容易造成气体在泵腔内的物理化学变化,以至于产生液化或固化[2],但同时也具有能够有效地抑制排气口气体反冲与喘振现象、提高压缩比、降低泵腔内部工作温度、减少驱动功率节约能耗等突出优点,是螺杆真空泵转子的研究方向之一。本文系统总结了内压缩式螺杆转子数学模型的设计、温度场与热变形研究、热力学性能分析、动平衡计算等方面的研究进展。

  1、内压缩转子的两种不同结构 

  螺杆转子是螺杆真空泵的核心部件,为了实现工作气体的内压缩,需要使得齿间容积从进气侧到排气侧不断减小。端面型线与螺旋线是螺杆转子的两大设计要素,故而转子内压缩的实现方式主要有两种:一是减小螺旋线的螺距以减小齿间容积的长度,即为变螺距;二是改变截面型线的参数,如改变齿顶圆与齿根圆半径(同时保证中心距不变)以减小齿间容积的高度,或者改变齿顶圆齿曲线的圆心角以挤压齿间容积的体积,这样的转子可称为变截面螺杆转子。两种内压缩的实现方式也可以结合使用。

  变螺距转子的研究较变截面转子为先,也更加成熟。本文将分别介绍变螺距与变截面的研究现状。

  2、变螺距螺杆转子 

  变螺距转子带来了转子长度较小、功耗低、排出气体温度较低、容积效率[6-7]等优点。但另一方面,如果选用不能完全啮合、留有三角形区域的型线,则部分变螺距的螺杆真空泵需要7~8个导程才可以达到理想的极限真空度,相比导程数一般是4.5~6个的等螺距螺杆真空泵更加笨重[8]。

  2.1 数学模型

  早期有过由几级不同齿顶圆直径尺寸、或不同螺距的等螺距螺杆在轴向方向串联的设计,但有损失泵腔容积使用的弊端[9-13]。

  变螺距转子出现过两种数学模型。第一类采用三段式结构,吸气端和排气端设计为等螺距,吸气端螺距较大而排气端螺距较小,两段之间为螺距逐渐减小的第三段[11,14-15],图1所示为三段式变螺距螺杆转子的螺旋线示意图。此外也有一段式和二段式的变螺距转子,均可看做由三段式结构简化而来。三段式变螺距应用非常普遍,国内大多数变螺距转子的研究都以这种结构为基础。

双螺杆真空泵内压缩转子结构研究现状

图1 三段式转子螺旋线示意图

  第二类数学模型则将转子各级的螺距看做变量,并使用进化算法进行优化,得到转子各级的螺距分布(如图2所示)[16-17]。这种模型使用启发式优化算法进行优化,开辟了完全不同的设计思路,不过普及程度很有限。

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图2 进化算法优化后的8级螺杆转子螺距曲线

  2.2 有限元分析

  有限元分析是一种研究螺杆转子性能的常见方法。合肥工业大学的孙瑾亭等[18-19]为了比较三段式、二段式与一段式变螺距螺杆转子的性能优劣,对转子在热载荷作用下的温度场与热变形进行有限元分析,计算得到每一级的当量温度和对流换热系数,确定变螺距转子热边界条件,并依次得到了温度场和热变形分布,并据此得出了变螺距转子的温度分布和热变形均优于等螺距转子、三段式为四种结构中最优等结论。

  2.3 热力学分析

  螺杆真空泵的热力学性能能够反映实际工作中的性能表现,通过比较抽速与入口压力、功率与入口压力曲线等,可以研究间隙、压缩比分布等参数对螺杆真空泵工作性能的影响,应当是变螺距转子研究的重点部分。

  东北大学的张世伟等人[5]采用了一种根据热力学参数的数学表达式来绘制螺杆真空泵的性能曲线的方法,假设传输过程视作绝热压缩过程、工作气体是理想气体、间隙反流忽略不计,比较了三段式变螺距螺杆转子与等螺距转子的热力学性能,认为三段式螺杆真空泵的性能比等螺距螺杆真空泵在节能,降低噪音和散热方面更有利。

  浙江理工大学的巫修海等人[20-21]建立了多级螺杆真空泵工作特性计算模型,提供了螺杆真空泵抽速与入口压力关系、消耗功率与入口压力关系的仿真计算方法,为通道间隙、吸气段工作腔室体积的设计提供了参考。

  合肥工业大学的肖红云等人[22]将泵腔内级间的泄漏通道简化为不同类型的真空管路,根据质量守恒定律建立了双螺杆真空泵气体输运过程的数学模型。发现变螺距螺杆真空泵并不适合长时间工作在高压区,并对装配间隙的设计提出了具有指导意义的结论。

  肖红云还以取得尽可能小的极限压力和压缩功耗作为优化目标,对三段式变螺距数学模型进行了优化计算,为三段式变螺距转子的设计提供了理论指导[14]。

  2.4 动平衡研究

  为了避免出现泄漏三角形,目前的螺杆转子型线多设计为单头。由于单头型线的形心与回转轴线不重合,导致转子在工作过程中会产生惯性力和惯性力矩,带来动不平衡问题,会加速轴承磨损、缩短设备的使用寿命、加剧振动和噪声[23]。因此螺杆转子的动平衡问题是很重要的。

  螺杆转子的动平衡有去重和增重两种方法。去重法在转子两端面挖铸孔,辅以齿顶打孔矫正,以去除不平衡质径积。这种方法不需要在泵内预留配重块的空间,但齿顶打孔将会加剧级间反流,也可能会沉积固体颗粒。此外,变螺距转子由于排气端齿顶宽非常小,只能在吸气端一侧挖铸孔,余下的大量不平衡质径积只能通过齿顶打孔来去除,可能会需要打非常多的去重孔,这样不但加重了动平衡操作的负担,而且对螺杆真空泵的性能也很不利。相比之下,增重法则不需要铸孔和齿顶去重孔,一般是在转子两段增设配重块,不会影响转子的工作性能。

  合肥工业大学的孙瑾亭[19]针对三段式变螺距转子进行了增重动平衡,在距离进气端面10mm处和距离排气端面10mm处设计了如图3所示的扇形增重块,并分析了动平衡前后固有频率的变化,对变螺距转子动平衡有一定的参考价值。

双螺杆真空泵内压缩转子结构研究现状

图3 主动转子增重块示意图

  巫修海等人[24]则以三段式变螺距转子为基础,设计推导了一种自平衡的数学模型,无需对转子进行增重或减重即可达到良好的自身动平衡。这种设计未考虑转子参数对节能、极限真空度等性能的影响,仅从自平衡的角度出发,但所得出的结论对变螺距转子的设计仍有一定的指导意义。

  3、变截面螺杆转子 

  内压缩转子的另一种实现方式是改变截面型线。转子变截面的研究相对较晚,多数研究建立在变螺距转子的基础之上,于是现有的变截面转子往往也结合了变螺距的特征。

  较早的变截面转子是North等人[25]设计的一种锥形转子,这种转子具有开创性意义,同时具有变化的螺距和截面型线:截面型线的齿顶圆半径从吸气端到排气端逐渐减小,而齿根圆半径逐渐增大,使得转子呈现为圆锥形,如图4(a)所示。然而专利中并未给出转子的具体数学模型,仅有螺距变化的定性描述,也未涉及端面型线。

  东北大学的赵晶亮[26]采用了上述锥形变螺距转子的结构,提出了具体的端面型线方程和螺旋线方程,并推导了级间压缩比等参数的数学公式,有一定的理论意义。

  刘宏杰[15]等人在锥形转子的基础上提出了一种新的结构,它是三段式的,包括吸气段、压缩段和排气段,其中吸气段与排气端均为等截面且等螺距,而中间压缩段则为变螺距且变截面的锥形部分,如图4(b)所示。这种结构是三段式变螺距与锥形转子的组合,是一种可选的结构,但创新性有限。

双螺杆真空泵内压缩转子结构研究现状

双螺杆真空泵内压缩转子结构研究现状

图4 各种变截面转子的结构示意图

  除了上述改变齿顶圆半径与齿根圆半径的锥形转子以外,还有一类结构是在变螺距转子的基础上,通过改变齿顶圆齿曲线的圆心角以调整齿顶宽的变截面变螺距转子。分段式变螺距转子的齿顶宽往往是在吸气端较大而在排气端较小,吸气端较大的齿顶宽挤占了齿间容积的体积,影响了螺杆真空泵的吸气能力;而在排气端较小的齿顶宽则很不利于转子的级间密封。针对这一问题,张世伟、王君等人[27-30]的解决思路是引入变截面特征来改良变螺距转子——通过调整齿顶圆齿曲线的圆心角,扭转了齿顶宽随螺距的减小而不断减小的趋势,开创了变齿顶宽的变截面变螺距转子,如图4(c)所示,并给出了详尽的数学模型。

  崔锋[31]综合了上述锥形转子、变齿顶宽转子的结构,同时采用了中心对称的双头型线,使转子可以自平衡,如图11(d)所示。这种结构是锥形转子与变齿顶宽转子的组合,创新性有限;另一方面,由于采用了双头型线,使得吸气端与排气端之间相互连通,破坏了螺杆真空泵的密封效果。

  以上介绍了锥形转子和变齿顶宽转子这两种原创结构,以及相关的衍生结构,然而变截面变螺距转子形成方式复杂,需要采用特殊方法才能在CAD软件上完成三维建模。目前变有两种方法,一种是批量导入截面型线并放样得到转子,另一种可借助逆向工程完成建模[32]。

  李丹童等人[33]采用了上述锥形转子结构,但保持螺距不变,研究了螺距、初始齿顶半径、锥角、转子级数等对工作特性的影响,得出了详尽的研究结论,对锥形转子的设计具有很大的理论价值。

  4、结语与展望 

  本文将螺杆真空泵内压缩转子分为了变螺距和变截面两类,分别介绍了相关的研究进展。内压缩式螺杆转子还存在一些问题留待解决,本文试做如下概括,供相关学者参考:

  ①上述有关转子性能的研究,多是在指定了某种型线之后开展的,然而截面型线对转子性能大有影响,所以这些研究方法有一定的局限性。其他截面型线对内压缩转子性能的影响还有待研究。

  ②变螺距转子的研究已经较为丰富,它与变截面的结合,应当是内压缩式转子结构未来的研究方向之一。变螺距变截面转子的设计参数众多,对转子性能影响的研究还有很多空白。

  ③内压缩式转子的理论研究也不能脱离加工制造的实际。虽然变螺距、变截面的内压缩式转子相比外压缩式的传统转子有更优的性能,然而复杂的结构也给加工带来了困难。内压缩式转子的加工技术也是需要考虑的问题。