CN116292281B - 一种具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子及罗茨真空泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子及罗茨真空泵。所述罗茨真空泵包括左转子、右转子，二者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波浪形仿生结构。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，始终有一端的波浪形仿生结构能够降低气流对泵壳内部的冲击和反流，减少泵的振动和泄漏量。本发明减小了叶顶区域流体对泵壳的周期性冲击，可以明显改善转子与转子、转子与真空泵壳体内壁面间隙内的气流激振，且也对抑制泵内由压差所导致的转子与转子、转子与真空泵壳体内壁面间隙泄漏流动有较好的效果，提高整体抽速。

Description

一种具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子及罗茨真空泵

技术领域

本发明涉及真空泵技术领域，尤其涉及一种具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子及罗茨真空泵。

背景技术

真空泵的用途是从真空室中抽除气体分子，降低真空室内的气体压力，使之达到要求的真空度。主要应用在制药和化工、真空镀膜、真空干燥、表面处理、真空冶炼、陶瓷制造、食品包装、挤奶、饮料等行业。

随着科学技术和经济软实力的蓬勃发展和不断创新，真空技术的应用也愈加广泛，半导体、石油化工、医疗设施、食品制药、冶金等国民经济领域，对真空泵的需求也越来越大。真空泵包括罗茨真空泵、螺杆式泵、涡轮式无油泵等。其中，罗茨真空泵因为其具有较大的抽速、启动快、震动小、没有内压缩过程、摩擦损失小等特点，被半导体产业所青睐。

罗茨真空泵的转子两轴线互相平行，转子由叶轮与轴组合而成，叶轮之间、叶轮与机壳及墙板之间具有微小间隙，以避免相互接触。现有技术中，CN110741165A公开了一种双轴泵和泵送方法，其技术方案将转子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。这种方法的问题在于对转子叶顶间隙泄露没有明显的改善作用，针对性不足。

现有常用的罗茨真空泵转子在进行设计时，国内外学者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。

因此，如何克服上述现有技术方案的不足，减小叶顶间隙泄露流道面积和压力差，减小泄露流量和流动激发的壳体振动，成为本技术领域亟待解决的课题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子及罗茨真空泵。本发明具体采用如下技术方案。

一种具有叶顶波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子，包括左转子、右转子；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；

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波浪形仿生结构；

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，所述左转子、右转子的叶顶波浪形仿生结构轮流与转子和罗茨真空泵的壳体内壁面接触。

进一步，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波浪形仿生结构的中心点。

所述左转子、右转子的所述叶顶波浪形仿生结构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。

进一步，所述具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子的上半部分8字叶形轮廓，由八种曲线首尾光滑连接组成，依次为叶顶圆弧段a、过渡椭圆弧段b、过渡椭圆弧段c、过渡椭圆弧段d、工作椭圆弧段e、工作椭圆弧段f、8字形收缩圆弧段g；

其中，叶顶圆弧段a为1段，过渡椭圆弧段b、过渡椭圆弧段c、过渡椭圆弧段d、工作椭圆弧段e、工作椭圆弧段f、8字形收缩圆弧段g在所述叶顶圆弧段a两侧镜像对称。

进一步，所述叶顶圆弧段a的一部分为叶顶仿生波浪形段。所述叶顶仿生波浪形段与所述叶顶圆弧段a在叶顶轮廓线上的弧长比值范围为0.3-0.5。

进一步，所述叶顶仿生波浪形段的线形为正弦线，其以叶顶圆弧段a左侧A点为作为叶顶仿生波浪形段的起始点，B点为作为叶顶仿生波浪形段的终止点。以A点为坐标原点，叶顶仿生波浪形段的正弦方程为：

其中，x、y、分别为叶顶圆弧段a的横坐标值、纵坐标值、半径值；t为对应的极坐标角度，/>；/>为相邻的两个凸点或两个凹点的距离；X为叶顶仿生波浪形段的横坐标；Y为叶顶仿生波浪形段的纵坐标；m为叶顶仿生波浪形段正弦曲线的幅值，m≤0.2 mm。

进一步，所述叶顶仿生波浪形段的正弦曲线的凸点与罗茨真空泵的内侧壁无接触，所述正弦曲线的凸点与所述内侧壁之间的间距为0.1-0.16mm。

本发明还涉及一种包括如上所述的具有叶顶波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子的罗茨真空泵，所述罗茨真空泵包括：罗茨泵壳体、左转子、右转子；

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；

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字叶形相对的两端顶点位置设置有波浪形仿生结构，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，两个转子叶顶波浪形仿生结构轮流与转子和壳体内壁面接触。

进一步，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，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的前侧，所述排气口靠近所述泵壳的后侧。

进一步，所述泵壳、左转子、右转子的材质为高镍合金材料。

本发明还涉及一种具有叶顶波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子的型线设计方法，包括下列步骤：

S1、确定仿生波浪形的基准线。在基础转子型线上确定基准线，所述基准线包括8字形叶型基准线，8字形半叶型基准线包含叶顶圆弧段a、过渡椭圆弧段b、过渡椭圆弧段c、过渡椭圆弧段d、工作椭圆弧段e、工作椭圆弧段f、8字形收缩圆弧段g构成的光滑连续曲线。

S2、生成转子叶顶仿生波浪形段。叶顶仿生波浪形段占叶顶圆弧段a的37.6%弧长。所述叶顶仿生波浪形段的正弦线以叶顶圆弧段a左侧A点为作为叶顶仿生波浪形段的起始点，B点为作为叶顶仿生波浪形段的终止点，并以A点为坐标原点，确立叶顶仿生波浪形段的正弦方程：

其中，x、y、分别为叶顶圆弧段a的横坐标值、纵坐标值、半径值；t为对应的极坐标角度，/>；/>为相邻的两个凸点或两个凹点的距离；X为叶顶仿生波浪形段的横坐标；Y为叶顶仿生波浪形段的纵坐标；m为叶顶仿生波浪形段正弦曲线的幅值，m≤0.2 mm。

S3、仿生波浪叶片成型。通过波浪形曲线A点沿着曲线X坐标轴连接各坐标点，生成具有正弦波浪形的叶片型线，并使所生成的叶片型线与基础叶片的叶片型线在下游B点保持叶型重合。

本发明的具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子，通过在罗茨真空泵转子型线顶端设置波浪形仿生结构，减小气体沿着罗茨真空泵壳体、左转子、右转子之中任意两者之间的间隙从高压侧流向低压侧的流道面积；并利用叶顶仿生波浪形内部分割的小空腔结构减小了漏气截面两端的压力差；改善转子与转子、转子与真空泵壳体内壁面间隙内的倒流损失和漏气损失，有效抑制泵内由压差所导致的转子与转子、转子与真空泵壳体内壁面间隙泄漏流动，提高整体抽速。始终有一端的波浪形仿生结构能够降低气流对泵壳内部的冲击和反流，减少泵的振动。

附图说明

图1为本发明具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵示意图。

图2为本发明具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子结构示意图。

图3为本发明具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子轮廓示意图。

图4为本发明罗茨真空泵转子的波浪形仿生结构示意图。

图5为本发明罗茨真空泵转子的波浪形仿生结构放大图。

图6为本发明具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵俯视图。

图7为本发明具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵的B-B面剖视图。

实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。

除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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发明的限制。

参见附图1所示，本发明的具体实施例1涉及一种具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子，所述转子包括左转子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。

参见附图 2所示，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波浪形仿生结构6、7，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，参见附图3所示，两个转子的叶顶波浪形仿生结构6、7轮流与转子和罗茨真空泵的壳体内壁面接触。

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波浪形仿生结构6、7的中心点。

所述左转子2、右转子3的所述叶顶波浪形仿生结构6、7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。

参见附图4所示，本发明的具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子的上半部分8字叶形轮廓，由八种曲线首尾光滑连接组成，依次为叶顶圆弧段a、过渡椭圆弧段b、过渡椭圆弧段c、过渡椭圆弧段d、工作椭圆弧段e、工作椭圆弧段f、8字形收缩圆弧段g，其中，叶顶圆弧段a为1段，过渡椭圆弧段b、过渡椭圆弧段c、过渡椭圆弧段d、工作椭圆弧段e、工作椭圆弧段f、8字形收缩圆弧段g在所述叶顶圆弧段a两端镜像对称，从而构成本发明的具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子的上半部分8字叶形轮廓。

所述叶顶圆弧段a的一部分为叶顶仿生波浪形段。所述叶顶仿生波浪形段与所述叶顶圆弧段a在叶顶轮廓线上的比值范围为0.3-0.5。参见附图5所示，所述叶顶仿生波浪形段的线形为正弦线，其以叶顶圆弧段a左侧A点为作为叶顶仿生波浪形段的起始点，B点为作为叶顶仿生波浪形段的终止点。以A点为坐标原点，叶顶仿生波浪形段的正弦方程为：

其中，x、y、分别为叶顶圆弧段a的横坐标值、纵坐标值、半径值；t为对应的极坐标角度，/>；/>为相邻的两个凸点或两个凹点的距离；X为叶顶仿生波浪形段的横坐标；Y为叶顶仿生波浪形段的纵坐标；m为叶顶仿生波浪形段正弦曲线的幅值，m≤0.2 mm。

所述叶顶仿生波浪形段的正弦曲线的凸点与罗茨真空泵的内侧壁无接触，所述正弦曲线的凸点与所述内侧壁之间的间距为0.1-0.16mm。

参见附图1、附图6所示，本发明的具体实施例2涉及一种具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵，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。所述左转子2、右转子3均采用本发明具体实施例1的所述具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子。

参见附图7所示，所述泵壳1的上方侧壁开设有进气口5，下方侧壁开设有排气口4。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。

所述泵壳1、左转子2、右转子3的材质为高镍合金材料。

本发明的具体实施例3涉及一种具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子型线设计方法，所述具有波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子包括具有由多个外形形状不同的圆弧段构成的基础转子型线。

所述方法包括下列步骤：

S1、确定仿生波浪形的基准线。在基础转子型线上确定基准线，所述基准线包括8字形叶型基准线，8字形半叶型基准线包含叶顶圆弧段a、过渡椭圆弧段b、过渡椭圆弧段c、过渡椭圆弧段d、工作椭圆弧段e、工作椭圆弧段f、8字形收缩圆弧段g构成的光滑连续曲线。

S2、生成转子叶顶仿生波浪形段。叶顶仿生波浪形段占叶顶圆弧段a的37.6%弧长。所述叶顶仿生波浪形段的正弦线以叶顶圆弧段a左侧A点为作为叶顶仿生波浪形段的起始点，B点为作为叶顶仿生波浪形段的终止点，并以A点为坐标原点，确立叶顶仿生波浪形段的正弦方程：

其中，x、y、分别为叶顶圆弧段a的横坐标值、纵坐标值、半径值；t为对应的极坐标角度，/>；/>为相邻的两个凸点或两个凹点的距离；X为叶顶仿生波浪形段的横坐标；Y为叶顶仿生波浪形段的纵坐标；m为叶顶仿生波浪形段正弦曲线的幅值，m≤0.2 mm。

S3、仿生波浪叶片成型。通过波浪形曲线A点沿着曲线X坐标轴连接各坐标点，生成具有正弦波浪形的叶片型线，并使所生成的叶片型线与基础叶片的叶片型线在下游B点保持叶型重合。

本发明的技术方案获得了下列有益效果：通过在罗茨转子型线顶端设置波浪形仿生结构，减小气体沿着罗茨泵壳体、左转子、右转子之中任意两者之间的间隙从高压侧流向低压侧的流道面积；并利用叶顶仿生波浪形内部分割的小空腔结构减小了漏气截面两端的压力差；改善转子与转子、转子与真空泵壳体内壁面间隙内的倒流损失和漏气损失，有效抑制泵内由压差所导致的转子与转子、转子与真空泵壳体内壁面间隙泄漏流动，提高整体抽速。始终有一端的波浪形仿生结构能够降低气流对泵壳内部的冲击和反流，减少泵的振动。

如上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有叶顶波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子，其特征在于，所述罗茨真空泵转子包括左转子（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；

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波浪形仿生结构（6、7）；

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，所述左转子（2）、右转子（3）的叶顶波浪形仿生结构（6、7）轮流与转子和罗茨真空泵的壳体内壁面接触；

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波浪形仿生结构（6、7）的中心点；

所述左转子（2）、右转子（3）的所述叶顶波浪形仿生结构（6、7）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；

所述具有叶顶波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子的上半部分8字叶形轮廓，由八种曲线首尾光滑连接组成，依次为叶顶圆弧段a、过渡椭圆弧段b、过渡椭圆弧段c、过渡椭圆弧段d、工作椭圆弧段e、工作椭圆弧段f、8字形收缩圆弧段g；

其中，叶顶圆弧段a为1段，过渡椭圆弧段b、过渡椭圆弧段c、过渡椭圆弧段d、工作椭圆弧段e、工作椭圆弧段f、8字形收缩圆弧段g在所述叶顶圆弧段a两侧镜像对称；

所述叶顶圆弧段a的一部分为叶顶仿生波浪形段，所述叶顶仿生波浪形段与所述叶顶圆弧段a在叶顶轮廓线上的弧长比值范围为0.3-0.5；

所述叶顶仿生波浪形段的线形为正弦线，其以叶顶圆弧段a左侧A点为作为叶顶仿生波浪形段的起始点，B点为作为叶顶仿生波浪形段的终止点；以A点为坐标原点，叶顶仿生波浪形段的正弦方程为：

；

其中，x、y、分别为叶顶圆弧段a的横坐标值、纵坐标值、半径值；t为对应的极坐标角度，/>；/>为相邻的两个凸点或两个凹点的距离；X为叶顶仿生波浪形段的横坐标；Y为叶顶仿生波浪形段的纵坐标；m为叶顶仿生波浪形段正弦曲线的幅值，m≤0.2 mm。

2.根据权利要求1所述的一种具有叶顶波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子，其特征在于，所述叶顶仿生波浪形段的正弦曲线的凸点与罗茨真空泵的内侧壁无接触，所述正弦曲线的凸点与所述内侧壁之间的间距为0.1-0.16mm。

3.一种包括如权利要求1-2任一项所述的具有叶顶波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子的罗茨真空泵，其特征在于，所述罗茨真空泵包括：罗茨泵壳体（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；

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字叶形相对的两端顶点位置设置有波浪形仿生结构（6、7），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，两个转子叶顶波浪形仿生结构（6、7）轮流与转子和壳体内壁面接触。

4.根据权利要求3所述的一种具有叶顶波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子，其特征在于，所述罗茨泵壳体（1）的上方侧壁开设有进气口（5），下方侧壁开设有排气口（4），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罗茨泵壳体（1）的前侧，所述排气口靠近所述罗茨泵壳体（1）的后侧。

5.根据权利要求3所述的一种具有叶顶波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子，其特征在于，所述罗茨泵壳体（1）、左转子（2）、右转子（3）的材质为高镍合金材料。

6.一种具有叶顶波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子的型线设计方法，所述方法用于如权利要求1-2任一项所述的具有叶顶波浪形仿生结构的罗茨真空泵转子，其特征在于，包括下列步骤：

S1、确定仿生波浪形的基准线;在基础转子型线上确定基准线，所述基准线包括8字形叶型基准线，8字形半叶型基准线包含叶顶圆弧段a、过渡椭圆弧段b、过渡椭圆弧段c、过渡椭圆弧段d、工作椭圆弧段e、工作椭圆弧段f、8字形收缩圆弧段g构成的光滑连续曲线；

S2、生成转子叶顶仿生波浪形段;叶顶仿生波浪形段占叶顶圆弧段a的37.6%弧长；所述叶顶仿生波浪形段的正弦线以叶顶圆弧段a左侧A点为作为叶顶仿生波浪形段的起始点，B点为作为叶顶仿生波浪形段的终止点，并以A点为坐标原点，确立叶顶仿生波浪形段的正弦方程：

；

其中，x、y、分别为叶顶圆弧段a的横坐标值、纵坐标值、半径值；t为对应的极坐标角度，/>；/>为相邻的两个凸点或两个凹点的距离；X为叶顶仿生波浪形段的横坐标；Y为叶顶仿生波浪形段的纵坐标；m为叶顶仿生波浪形段正弦曲线的幅值，m≤0.2 mm；

S3、仿生波浪叶片成型;通过波浪形曲线A点沿着曲线X坐标轴连接各坐标点，生成具有正弦波浪形的叶片型线，并使所生成的叶片型线与基础叶片的叶片型线在下游B点保持叶型重合。