抑制径向泄漏的罗茨真空泵转子、真空泵的制作方法

1.本实用新型涉及真空泵技术领域，特别涉及一种抑制径向泄漏的罗茨真空泵转子、真空泵。


背景技术：

2.罗茨真空泵因结构简单，安装方式灵活多变，不需要内部润滑，容积效率高等特性，已广泛应用于石油化工、半导体、能源、轻工食品等国民经济的各个领域。
3.现有技术cn110741165a公开了一种罗茨真空泵，包括：两个协作的转子，其被构造成绕平行的旋转轴线沿相反方向旋转；定子，其包括定子孔，所述转子被安装在该定子孔中以进行旋转。定子孔包括在两条旋转轴线之间的中心部分以及在两条轴线外部的外部部分，所述转子被构造成具有与定子孔协作的尺寸，使得当在外部部分的至少一部分中旋转时，每个转子的远离另一转子的外边缘与定子孔密封。在罗茨真空泵内，转子和转子、转子和泵壳以及转子和前后盖板之间存在间隙，在泵的运行过程中，罗茨转子经过多次旋转，出口区域的压力开始积累，形成高压区，这导致泄漏气体通过间隙回流到低压区，泄漏的气体处于高温状态，加热流入的气体，导致进口气体体积增加，体积效率降低，从而降低泵的质量流量。泄漏流是影响真空泵运行效率的重要因素，因此如何提高真空泵的密封性能，对罗茨真空泵的发展具有重要意义。现有常用圆弧型罗茨转子存在面积利用系数小，流量小的问题，基于此，国内外学者也提出多种转子型线设计方法去减小转子在旋转过程中的间隙泄漏，例如较为典型的圆弧-渐开线-圆弧式转子型线。但目前受限于加工精度及转子运行过程中的热变形所导致转子与泵壳发生接触。仍无法进一步提高罗茨真空泵的抽速。
4.如何克服上述现有技术方案的不足，如何提供一种抑制径向泄漏的罗茨真空泵，在原本圆弧-渐开线-圆弧式转子型线的基础上进行改型设计，进一步提高真空泵的抽速，同时降低对于加工精度方面的要求，成为本技术领域亟待解决的课题。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种抑制径向泄漏的罗茨真空泵转子、真空泵，具体采用如下技术方案：
6.一种抑制径向泄漏的罗茨真空泵转子，所述罗茨真空泵转子包括：左转子、右转子；
7.所述左转子、右转子分别绕各自的旋转轴沿相反方向旋转；所述左转子、右转子的旋转轴的轴线互相平行设置；
8.所述左转子、右转子垂直于旋转轴线的剖面呈8字叶形轮廓，所述8字叶形的相对两个顶点位置设置有叶顶台阶，当其中一个转子竖直设置时，另一个转子为水平设置，并且在转子旋转时，每个转子的远离另一转子的所述叶顶台阶与罗茨真空泵的内侧壁形成密封。
9.进一步，所述左转子、右转子的材质为高镍合金材料。
10.进一步，在所述左转子、右转子的所述剖面上确定左转子、右转子的重心点，以经过该重心点的所述剖面的中心线与所述左转子、右转子的8字叶形相对两个顶点的圆弧型线的交点作为所述叶顶台阶的中心点；
11.将所述中心线以所述重心点为轴，向所述叶顶台阶的中心点的两侧分别旋转3
°
，所述中心线旋转后与所述左转子、右转子的8字叶形的圆弧型线的交点，分别作为所述左转子、右转子的所述叶顶台阶的端点；
12.所述左转子、右转子的所述叶顶台阶的顶端型线与其所在位置的所述左转子、右转子的8字叶形顶端圆弧型线彼此平行。
13.进一步，所述叶顶台阶的高度为0.6mm。
14.进一步，所述叶顶台阶与所述内侧壁无接触，所述叶顶台阶与所述内侧壁之间的间距为0.1-0.3mm。
15.一种采用如上所述抑制径向泄漏的罗茨真空泵转子的罗茨真空泵，所述罗茨真空泵还包括泵壳；
16.所述泵壳的上方侧壁开设有进气口，下方侧壁开设有排气口；
17.所述左转子、右转子旋转时，每个转子的远离另一转子的所述叶顶台阶与所述泵壳的内侧壁形成密封。
18.进一步，所述泵壳的材质为高镍合金材料。
19.进一步，所述进气口的开口面积大于或等于所述排气口的开口面积；
20.所述进气口靠近所述泵壳的前侧；
21.所述排气口靠近所述泵壳的后侧。
22.进一步，所述罗茨真空泵为为单级泵或多级泵。
23.本实用新型的技术方案获得了下列有益效果：通过在罗茨转子的型线上进行处理，使用合理的台阶形状设计不仅有利于吸入腔的早期关闭和延迟打开，延长泵腔内的压缩过程，而且可以明显改善转子通道内的气体流动情况，有效抑制泵内由压差所导致的转子与转子、转子与泵壳的间隙泄漏流，提升转子内的流速，增大泵内输送过程中的压差，提高整体抽速。
附图说明
24.图1为本实用新型抑制径向泄漏的罗茨真空泵的示意图。
25.图2为本实用新型抑制径向泄漏的罗茨真空泵的俯视。
26.图3为图2中的b-b面剖视图。
27.图4为图2中的a-a面剖视图。
28.图5为本实用新型叶顶台阶结构示意图。
29.图6为本实用新型叶顶台阶的局部放大图。
30.图7为图4气流通道的压力分布云图。
31.图8为图4气流通道的速度矢量分布图。
32.图9为图5转子与泵壳间隙处速度矢量分布图。
33.图10为图5转子与转子间隙处速度矢量分布图。
34.图11为有、无叶顶台阶瞬时抽速对比图。
具体实施方式
35.下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。
36.除非另有指明，本实用新型使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
37.如附图1-3所示，本实用新型的抑制径向泄漏的罗茨真空泵，包括泵壳1、左转子2、右转子3，所述左转子2、右转子3分别绕各自的旋转轴沿相反方向旋转；所述左转子2、右转子3的旋转轴的轴线互相平行设置。
38.所述左转子2、右转子3垂直于旋转轴线的剖面呈8字叶形轮廓，所述8字叶形的相对两个顶点位置设置有叶顶台阶6，当其中一个转子竖直设置时，另一个转子为水平设置，并且在转子旋转时，每个转子的远离另一转子的所述叶顶台阶6与罗茨真空泵的内侧壁形成密封。
39.如附图3所示，所述泵壳1的上方侧壁开设有进气口，下方侧壁开设有排气口。所述进气口的开口面积大于或等于所述排气口的开口面积，所述进气口靠近所述泵壳1的前侧，所述排气口靠近所述泵壳1的后侧。
40.所述泵壳1、左转子2、右转子3的材质为高镍合金材料。
41.本实用新型的叶顶台阶如附图5、附图6所示。每个转子型线顶部分别布置两个叶顶台阶。台阶设计包括确定台阶所在型线位置，以罗茨泵转子如附图1所示位置为基准，左转子2沿垂直方向放置，右转子3沿水平方向放置。
42.在所述左转子2、右转子3的所述剖面上确定左转子2、右转子3的重心点，以经过该重心点的所述剖面的中心线与所述左转子2、右转子3的8字叶形相对两个顶点的圆弧型线的交点作为所述叶顶台阶的中心点9.
43.将所述中心线以所述重心点为轴，向所述叶顶台阶的中心点的两侧分别旋转3
°
，所述中心线旋转后与所述左转子2、右转子3的8字叶形的圆弧型线的交点，分别作为所述左转子2、右转子3的所述叶顶台阶的端点。
44.所述左转子2、右转子3的所述叶顶台阶的顶端型线与其所在位置的所述左转子2、右转子3的8字叶形顶端圆弧型线彼此平行。
45.所述叶顶台阶的高度为0.6mm，所述叶顶台阶与所述内侧壁无接触，所述叶顶台阶与所述内侧壁之间的间距为0.1-0.3mm，确保转子在增加叶顶台阶后，不会与泵壳发生剐蹭。台阶的轴向长度与转子轴向长度相同，即叶顶台阶沿转子叶顶全轴向覆盖。
46.所述左转子2、右转子3旋转时，每个转子的远离另一转子的所述叶顶台阶与所述
泵壳1的内侧壁形成密封。
47.通过左、右转子沿相反方向旋转，实现气体的输运。附图4为附图2中a-a剖面图。如附图4所示，泵内气流通道4为附图4中空白区域。当左、右转子未设置叶顶台阶时，当泵启动运行后，气体由进气口流入，经转子输运由排气口排出。在转子高速运动过程中，转子与转子、转子与泵壳的间隙5，在压差的作用下(如附图7左图)，导致流体顺着间隙从高压侧流向低压侧，如图8左图、图9左图所示，造成泵内气体返流，堵塞气体流动，降低泵的抽速。
48.本实用新型增设叶顶台阶后，不仅有利于吸入腔的早期关闭和延迟打开，延长泵腔内的压缩过程，而且有效抑制了转子与转子(如附图10)、转子与泵壳(如附图9)之间的泄漏流动，改善了泵内流态，提升了转子内的流速(如附图8)，减小了进气体积，增大了体积效率(如附图7)，质量流量显著升高(如附图11)，平均抽速提高了60.49％，从而满足了更高的抽速及极限真空度需求。
49.如上所述抑制径向泄漏的罗茨真空泵的工作方法，循环执行如下步骤：
50.s1.左转子2、右转子3在各自的旋转轴的带动下沿相反方向旋转，使得与所述进气口相邻的工作腔体积增大，所述叶顶台阶避免气体沿着泵壳1、左转子2、右转子3之中任意两者之间的间隙从高压侧流向低压侧；
51.s2.气体由所述进气口流入；
52.s3.所述左转子2、右转子3在各自的旋转轴的带动下继续旋转，使得与所述排气口相邻的工作腔体积缩小，所述叶顶台阶避免气体沿着泵壳1、左转子2、右转子3之中任意两者之间的间隙从高压侧流向低压侧；
53.s4.气体由所述排气口排出。
54.在单级两叶罗茨真空模型泵上开展抑制径向泄漏的罗茨真空泵转子的非定常数值模拟研究，其实施过程如下：(1)生成气体流道及转子域的网格；(2)对生成的数值计算网格进行全三维数值计算，配置进出口压力、额定转速和流体介质类型等。瞬态计算的时间步长为2
×
10-5
s，经动网格预览发现该时间步长进行计算域动网格的更新可以确保旋转过程中不会出现负网格。此外，因罗茨泵的内壁和转子表面都是由曲面构成，流体在泵内会发生旋转流动，为了能很好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动，特选择合适的湍流模型。压力和速度的耦合方式采用piso算法，该算法经常用于求解非稳态可压流动问题，可以显著地减小达到收敛所需要的迭代步数，同时该算法对于高度倾斜的网格具有较好的适应性。(3)研究结果表明：增设叶顶台阶后，不仅有利于吸入腔的早期关闭和延迟打开，延长泵腔内的压缩过程，而且有效抑制了转子与转子、转子与泵壳之间的泄漏流动，改善了泵内流态，提升了转子内的流速，减小了进气体积，增大了体积效率，瞬时质量流量显著升高，平均抽速提高了60.49％，即增设叶顶台阶可以有效抑制罗茨真空泵的径向泄漏，提高泵的抽速。
55.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。