一种单螺旋转子型线及其热变形研究

　　微型化和集成化是当前干式真空泵发展的重要趋势，高真空干泵正是具有代表性的一种新型干泵。本文对高真空干泵的螺旋级转子进行了研究，对组成螺旋级转子的外螺线、内螺线、母线的型线方程分别进行了方程推导和几何建模，利用有限元分析的方法，对转子受热所产生的温度场，结构场进行了耦合计算，研究了转子热变形结果对型线设计和间隙设置的影响，得到影响高真空干泵性能的参数调节机制，为高真空干泵的设计提供了理论依据和指导。

　　随着新兴工业的兴起和传统工业的技术升级，干式真空泵的应用得到了广泛的拓展。干泵和干泵机组具有维护成本低，清洁无油等优点，对其技术研发和产品投入不断加大。微型化和一体化是干式真空泵发展的重要趋势之一，高真空干泵的出现，便是这种发展趋势的最典型代表。高真空干泵内部结构以牵引分子泵吸气原理为主，在牵引分子级排气侧串接可直排大气的旋涡级转子，其压缩比最高可达10⁹，排气压力达到大气压力。同时，为了增大高真空干泵的抽气量、提升极限真空度，在牵引级的入口侧串接单螺旋转子，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为可以获得更好的整机抽气性能。

　　目前，国内外对螺旋型线的研究较为广泛，包括牵引分子泵、螺杆泵、涡轮增压泵和螺杆式压缩机等方面。常见的螺杆旋转子型线包括多个方面：①牵引分子泵；②干式螺杆真空泵；③螺旋式压缩机；④涡轮增压泵。单螺旋转子在高速转动时，具有较大的抽气速率，可作为高真空泵干泵的重要组成部分，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为可增加搞真空干泵的抽气性能。

　　本文对单螺旋转子的型线和结构进行展开了研究，设计了单螺旋转子的空间型线，推导了转子的母线型线方程；同时，为获得良好的性能，螺旋转子采用外圆面内锥面的组合式结构。依据上述型线方程，生成了螺旋级转子的计算机三维模型，结合有限元方法对螺旋级转子的热变形情况进行分析，为设计提供了科学的依据。

　　1、螺旋转子的型线设计

　　高真空干泵螺旋级转子采用外螺线分布在圆柱面、内螺线分布在圆锥面以及采用非线性母线的组合式设计方法，以获取良好的抽气性能。

　　(1) 外螺线：圆柱螺旋线型线

　　圆柱螺旋线型线是一种常见的结构简单，原理简单的螺旋线型线，其示意图如图1(a) 所示。

图1 外螺线和内螺线

　　2、结论

　　本文基于产量密度模型，对该模型进行了推导和优化，设计了一种非线性螺旋线母线，其外螺线分布在圆柱面上、内螺线分布在圆锥面上，具有大抽速的特点，且沿轴向螺距渐变，利于气体的输送，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为适用于高真空干泵螺旋级。

　　推导了该转子的端面型线方程，完成了三维几何模型的建立，进行了热—结构耦合分析，通过计算结果得知，其中无倒角转子的热变形为0.131 mm，有倒角转子的为0.108 mm，无倒角转子最大应力为701.34 MPa，有倒角为633.02MPa。倒角分别使热变形和最大应力降低了17.6%和9.74%，有效地减少转子热变形与应力集中。本文提出的螺旋级转子型线和热变形计算方法，为转子结构设计与间隙设计提供了有力参考。