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。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
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