多級羅茨干泵泵內傳熱與變形的計算和實(shí)驗研究
間隙設計是多級羅茨干泵設計的重要參數之一。在多級羅茨干泵運轉時(shí), 間隙受轉子和泵腔熱變形的影響較大。本文通過(guò)分析了多級羅茨干泵內部的傳熱過(guò)程, 建立了工作過(guò)程的傳熱模型。通過(guò)接觸式和非接觸式測溫方法, 對多點(diǎn)溫度進(jìn)行了測量, 獲得了熱載荷的邊界條件�；贏(yíng)NSYS 軟件, 對泵體及轉子軸在穩定運轉時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析, 并采用熱結構耦合分析對其熱變形進(jìn)行了計算, 得到轉子軸和泵腔的熱變形量, 并繪制了變形云圖和曲線(xiàn)。通過(guò)上述方法得到的熱變形數據, 為確定間隙提供了參考, 并為進(jìn)一步計算干泵在運行時(shí)的間隙泄漏量提供了計算依據。
近年來(lái), 受半導體制造、液晶注入、太陽(yáng)能電池生產(chǎn)、電子器件等新興行業(yè)和薄膜制備、化工、制藥等傳統行業(yè)的帶動(dòng), 多級羅茨干泵作為核心裝備之一, 其研制和生產(chǎn)越來(lái)越受到重視。多級羅茨干泵滿(mǎn)足了IC 裝備制造業(yè)的工作溫度高、長(cháng)期運轉穩定、噪聲低、維護簡(jiǎn)單、清潔無(wú)油等眾多要求, 是很有發(fā)展前景的一種干式真空泵。但是, 除了加工及裝配要求精度高、加工難度大、一次性投入昂貴等制約因素外, 其設計理論和制造工藝亟待提高, 尤其包括羅茨型線(xiàn)的改善、加工成本的降低、間隙的確定、泄漏量的計算、泵內的熱力學(xué)分析、轉子表面涂層、噪聲振動(dòng)等難點(diǎn)問(wèn)題, 制約了多級羅茨干泵研制和生產(chǎn)。
國內外對于多級羅茨干泵的研究還停留在靜態(tài)泄漏量的計算和實(shí)驗上, 如俄羅斯A. Burmistrov 等利用角系數法建立了分子流態(tài)下羅茨泵復雜形狀的泄漏通道流導系數的模型, 著(zhù)重在泄漏量計算中考慮了有害空間內的氣體返流。法國學(xué)者L. C.Valdes 等推導了通過(guò)非恒定矩形截面下過(guò)渡流的流導計算, 并結合Knudsen Dong 法則研究了非運轉狀態(tài)下通過(guò)氣冷式羅茨干泵間隙的靜態(tài)泄漏理論, 并通過(guò)靜態(tài)實(shí)驗進(jìn)行了驗證。國內一些學(xué)者則主要針對干泵型線(xiàn)和泄漏展開(kāi)了理論和實(shí)驗研究。
多級羅茨干泵在混合壓縮過(guò)程中, 壓縮氣體產(chǎn)生熱量。隨著(zhù)工作周期的重復, 產(chǎn)生的熱量積聚起來(lái), 并逐漸傳遞給轉子和泵體內壁, 造成轉子和泵體內壁的溫度升高。由于溫度的升高, 轉子和泵腔將會(huì )產(chǎn)生一定的熱變形, 會(huì )影響間隙通道的尺寸。而間隙是干泵設計最重要的參數之一, 由于存在氣體逆向返流現象, 間隙的選取會(huì )嚴重影響干泵的極限真空度、壓縮比、容積效率、發(fā)熱卡死等指標。
本文重點(diǎn)對泵體內的傳熱過(guò)程及轉子、泵腔的溫度升高和受熱變形進(jìn)行分析, 一方面為泄漏量的準確計算提供依據, 另一方面, 也是涉及間隙尺寸、考察發(fā)熱后轉子與泵體內壁是否刮碰的一個(gè)重要依據。
5 、結論
本文對多級羅茨干泵泵內傳熱過(guò)程進(jìn)行了分析, 并建立了多級羅茨干泵工作過(guò)程中的傳熱模型,包括泵體外壁與大氣的自然對流換熱模型、泵壁內部的熱傳導模型、泵體內壁與氣體之間的強迫對流換熱模型、泵體內氣體與轉子的強迫對流換熱模型和轉子軸上的熱傳導模型。同時(shí), 通過(guò)接觸式和非接觸式測溫方法, 對各級泵體內外壁、氣體和轉子溫度進(jìn)行了實(shí)驗測量, 并將溫度測量結果作為邊界條件, 使用ANSYS 軟件對多級羅茨干泵泵體及轉子軸在穩定運轉時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析, 并采用熱- 結構耦合分析對其熱變形進(jìn)行了計算, 得到轉子軸和泵腔的熱變形量, 為進(jìn)一步計算干泵在運行時(shí)受熱產(chǎn)生的間隙變化提供了計算依據
