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多級羅茨干泵泵內傳熱與變形的計算和實驗研究
來源：rrduhyb.cn | 發(fā)布時間：2024/3/5
間隙設計是多級羅茨干泵設計的重要參數(shù)之一。在多級羅茨干泵運轉時, 間隙受轉子和泵腔熱變形的影響較大。本文通過分析了多級羅茨干泵內部的傳熱過程, 建立了工作過程的傳熱模型。通過接觸式和非接觸式測溫方法, 對多點溫度進行了測量, 獲得了熱載荷的邊界條件?；贏NSYS 軟件, 對泵體及轉子軸在穩(wěn)定運轉時的溫度場進行了分析, 并采用熱??結構耦合分析對其熱變形進行了計算, 得到轉子軸和泵腔的熱變形量, 并繪制了變形云圖和曲線。通過上述方法得到的熱變形數(shù)據, 為確定間隙提供了參考, 并為進一步計算干泵在運行時的間隙泄漏量提供了計算依據。
近年來, 受半導體制造、液晶注入、太陽能電池生產、電子器件等新興行業(yè)和薄膜制備、化工、制藥等傳統(tǒng)行業(yè)的帶動, 多級羅茨干泵作為核心裝備之一, 其研制和生產越來越受到重視。多級羅茨干泵滿足了IC 裝備制造業(yè)的工作溫度高、長期運轉穩(wěn)定、噪聲低、維護簡單、清潔無油等眾多要求, 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、泵內的熱力學分析、轉子表面涂層、噪聲振動等難點問題, 制約了多級羅茨干泵研制和生產。
國內外對于多級羅茨干泵的研究還停留在靜態(tài)泄漏量的計算和實驗上, 如俄羅斯A. Burmistrov 等利用角系數(shù)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(shù)的模型, 著重在泄漏量計算中考慮了有害空間內的氣體返流。法國學者L. C.Valdes 等推導了通過非恒定矩形截面下過渡流的流導計算, 并結合Knudsen Dong 法則研究了非運轉狀態(tài)下通過氣冷式羅茨干泵間隙的靜態(tài)泄漏理論, 并通過靜態(tài)實驗進行了驗證。國內一些學者則主要針對干泵型線和泄漏展開了理論和實驗研究。
多級羅茨干泵在混合壓縮過程中, 壓縮氣體產生熱量。隨著工作周期的重復, 產生的熱量積聚起來, 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, 轉子和泵腔將會產生一定的熱變形, 會影響間隙通道的尺寸。而間隙是干泵設計最重要的參數(shù)之一, 由于存在氣體逆向返流現(xiàn)象, 間隙的選取會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。
本文重點對泵體內的傳熱過程及轉子、泵腔的溫度升高和受熱變形進行分析, 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重要依據。
5 、結論
本文對多級羅茨干泵泵內傳熱過程進行了分析, 并建立了多級羅茨干泵工作過程中的傳熱模型,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, 通過接觸式和非接觸式測溫方法, 對各級泵體內外壁、氣體和轉子溫度進行了實驗測量, 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(wěn)定運轉時的溫度場進行了分析, 并采用熱- 結構耦合分析對其熱變形進行了計算, 得到轉子軸和泵腔的熱變形量, 為進一步計算干泵在運行時受熱產生的間隙變化提供了計算依據。
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