CN116517828B - 一种变相位角多级罗茨真空泵及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变相位角多级罗茨真空泵及其工作方法。所述变相位角多级罗茨真空泵包括：泵壳、右转子1、左转子2，所述右转子1、左转子2分别绕各自的旋转轴沿相反方向旋转；所述右转子1、左转子2包括多级，其中右转子1的第一级转子7的重心与其一叶顶的连线和经过其转子重心的垂线重合的位置为其初始相位，第二级转子8初始相位相对于第一级转子7初始相位，顺着转子的旋转方向旋转角度β，第三级转子9初始相位旋转角度为2×β，依此类推。本发明采用被动流动控制技术，可在不增加结构复杂性的情况下，有效降低多级罗茨真空泵抽速波动的范围，提高泵的抽速，改善泵的运行稳定性。

Description

一种变相位角多级罗茨真空泵及其工作方法

技术领域

本发明属于真空泵技术领域，具体涉及一种变相位角多级罗茨真空泵及其工作方法。

背景技术

罗茨真空泵因其抽速高、成本低、结构紧凑、易维护等特点，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。随着真空获得设备领域技术的发展，可以提供更高清洁度、真空度的多级罗茨真空泵逐渐走进大众视野。多级泵是由各级罗茨泵串联而成，由两根相互平行安放、尺寸相同的转轴支撑，各级泵腔结构设计上厚度逐渐减小，相邻的两极转子被泵腔内壁和泵腔间的气流通道隔开。它主要依靠泵腔内两个相互啮合，旋转方向相反的罗茨转子不断旋转完成对待抽气体的抽除工作，得益于泵腔与泵腔彼此串联的特性，使其在抽气过程中，气体被逐级充分压缩，进而在气体直排大气时避免了泵被卡住及减少压缩气体消耗的功，达到节能的目标。现有技术CN112796997A公开了这样一种多级真空泵，每一级都包括相互啮合的罗茨转子部件，泵腔的深度从前往后依次递减，在每个端盖内还开设有气流通道，气流通道的进口与前侧的泵腔连通，出口与后侧的泵腔连通。

罗茨真空泵在抽气过程中抽速波动较大，不利于泵的稳定运行。基于此，学者们针对提高泵的性能方面进行了大量的研究，在文献Hsieh C F, Deng Y C. A design methodfor improving the flow characteristics of a multistage Roots pumps[J].Vacuum, 2015, 121: 217-222中，Hsieh C F通过对三级两叶罗茨泵转子变相位角模型进行数值计算，发现变相位角可以增加泵的排气量，改善泵的性能。但是上述研究仅针对结构较为简单的两叶罗茨泵进行分析，而对稳定性较高的三叶罗茨泵是否具备泵性能的改善作用仍未可知。

因此，如何改善多级罗茨真空泵的性能，克服多级罗茨真空泵在抽气过程中抽速波动较大，稳定性较差的问题，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，本发明提供了一种变相位角多级罗茨真空泵及其工作方法，本发明针对五级三叶罗茨真空模型泵的气动特性，克服了多级罗茨真空泵在抽气过程中抽速波动较大，稳定性较差的问题。本发明采用被动流动控制技术，可在不增加结构复杂性的情况下，有效降低多级罗茨真空泵抽速波动的范围，提高泵的抽速，改善泵的运行稳定性。具体采用如下技术方案：

一种变相位角多级罗茨真空泵，包括：泵壳、右转子、左转子；

所述泵壳包括上壳体、下壳体，所述右转子、左转子分别绕各自的旋转轴沿相反方向旋转；

所述右转子、左转子的旋转轴的轴线互相平行设置；

所述右转子、左转子垂直于旋转轴线的剖面呈Y字三叶形轮廓；

所述右转子、左转子在沿其旋转轴线方向上形成多级，多级转子在所述旋转轴的轴线方向上间隔排列，所述泵壳包括与多级转子对应的多级工作腔，所述多级工作腔在所述旋转轴的轴线方向上间隔排列；

所述右转子、左转子旋转时，每级的一个转子叶顶和该级相邻另一转子的叶顶与所述泵壳的内侧壁形成密封；

所述多级转子在旋转方向的初始相位依次错开一个预设角度。

进一步，所述静止域气体与转子域进口的连接通道位于两转子重心连线中点的正上方，所述转子域出口与静止域气体的连接通道位于两转子重心连线中点的正下方。

进一步，所述右转子、左转子在沿其旋转轴线方向上形成五级，包括第一级转子、第二级转子、第三级转子、第四级转子、第五级转子,上述第一级转子、第二级转子、第三级转子、第四级转子、第五级转子沿所述旋转轴线方向的轴向长度逐级递减。

进一步，所述变相位角多级罗茨真空泵的进口位于第一级转子的上方，泵的出口位于第五级转子的下方。

进一步，所述右转子的第一级转子的重心与第一级转子一叶顶的连线和经过第一级转子重心的垂线重合的位置为第一级转子的初始相位；

第二级转子的重心与第二级转子一叶顶的连线和经过第二级转子重心的垂线相差角度为β的位置为第二级转子的初始相位；

第三级转子的重心与第三级转子一叶顶的连线和经过第三级转子重心的垂线相差角度为2β的位置为第三级转子的初始相位；

第四级转子的重心与第四级转子一叶顶的连线和经过第四级转子重心的垂线相差角度为3β的位置为第四级转子的初始相位；

第五级转子的重心与第五级转子一叶顶的连线和经过第五级转子重心的垂线相差角度为4β的位置为第五级转子的初始相位。

进一步，所述β优选为30度。

进一步，所述右转子、左转子、上壳体、下壳体的材质为高镍合金材料。

进一步，所述上壳体、下壳体彼此之间通过法兰盘和螺栓固定连接。

本发明还涉及一种变相位角多级罗茨真空泵的工作方法，用于如上所述的变相位角多级罗茨真空泵，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

S1.所述右转子、左转子在各自的旋转轴的带动下沿相反方向旋转，使得与所述进口相邻的工作腔体积增大;

S2.气体由所述进口流入;

S3.所述右转子、左转子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;

S4.气体由所述排气口排出。

进一步，所述的一种变相位角多级罗茨真空泵的工作方法，其特征在于，气流在经过第一级转子的吸入、运输、压缩过程后，通过相连的气流通道到达第二级转子的进口，再依次到达第三级转子、第四级转子、第五级转子；通过第二级转子、第三级转子、第四级转子、第五级转子的相位角变化，改变转子吸入与排出位置交界面的压力。

本发明通过转子变相位角的设计，改变了转子吸入与排出位置交界面的压力，使静止域气流通道的进出口压差降低，压差波峰与波谷的相位发生变化，影响了气流通道内的气体流态，从而有效降低多级罗茨真空泵抽速波动的范围，提高泵的抽速，改善泵的运行稳定性。

附图说明

图1为本发明一种变相位角多级罗茨真空泵的剖面图。

图2为本发明图1中A-A方向的剖面图。

图3为本发明图1中B-B方向的剖面图。

图4为本发明一种变相位角多级罗茨真空泵的转子结构示意图。

图5为本发明变相位角转子型线分布图。

图6为本发明转子变相位角后的三维结构图。

图7为本发明不同相位角度变化对泵整体抽速的影响示意图。

图8为本发明不同相位角度变化对泵抽速波动系数的影响示意图。

图9为本发明不同相位角度变化对泵抽速增量的影响示意图。

图10为本发明相邻各级转子出口和进口的压差分布图。

具体实施方式

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，本发明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，为本发明具体实施例的一种变相位角多级罗茨真空泵，包括：泵壳、右转子1、左转子2。参见附图2，所述泵壳包括上壳体3、下壳体4，所述右转子1、左转子2分别绕各自的旋转轴沿相反方向旋转；所述右转子1、左转子2的旋转轴的轴线互相平行设置。

参见附图2，所述静止域气体与转子域进口的连接通道12位于两转子重心连线中点的正上方，所述转子域出口与静止域气体的连接通道13位于两转子重心连线中点的正下方。

参见附图2、附图4所示，所述右转子1、左转子2垂直于旋转轴线的剖面呈Y字三叶形轮廓，所述右转子1、左转子2在沿其旋转轴线方向上形成多级，多级转子在所述旋转轴的轴线方向上间隔排列，所述泵壳包括与多级转子对应的多级工作腔，所述多级工作腔在所述旋转轴的轴线方向上间隔排列。所述右转子1、左转子2旋转时，每级的一个转子叶顶和该级相邻另一转子的叶顶与所述泵壳的内侧壁形成密封。

参见附图3，所述泵的进口5位于第一级转子7的上方，泵的出口6位于第五级转子11的下方。

参见附图3至附图4，本发明具体实施例的所述右转子1、左转子2在沿其旋转轴线方向上形成五级，包括第一级转子7、第二级转子8、第三级转子9、第四级转子10、第五级转子11,上述第一级转子7、第二级转子8、第三级转子9、第四级转子10、第五级转子11延所述旋转轴线方向的轴向长度逐级递减

所述右转子1、左转子2、上壳体3、下壳体4的材质为高镍合金材料，所述上壳体3、下壳体4彼此之间通过法兰盘和螺栓固定连接。

本发明具体实施例的五级三叶罗茨真空模型泵，其基本参数如下列表1所示。

参数	量值
		转子外圆半径/mm	56
两转子中心距离/mm	78
		转速/r/min	5000
转子与泵壳的间隙/mm	0.24
		转子与转子之间的间隙/mm	0.12

表1 五级罗茨真空泵基本参数

参见附图5，所述右转子1上方为气流进口，下方为气流出口，所述右转子1的第一级转子7的重心与第一级转子7一叶顶的连线和经过第一级转子7转子重心的垂线重合的位置为第一级转子7的初始相位，将第二级转子8初始相位相对于第一级转子7的初始相位，顺着转子的旋转方向旋转角度β，即第二级转子8的重心与第二级转子8一叶顶的连线和经过第二级转子8重心的垂线相差角度β的位置为第二级转子8的初始相位，与之类似，第三级转子9初始相位旋转角度为2β，以此类推，第四级转子9初始相位旋转角度为3β，第五级转子9初始相位旋转角度为4β，采用递推式的相位角变化方式。为了后续便于表述，将原模型五级转子角度默认为0°-0°-0°-0°-0°，β取值分别为20°、30°及45°，默认角度的原模型为case1，其余三种β取值分别为case2、case3、case4，详情见下列表2。

方案	第一级至第五级变相位角度
		case1	0°-0°-0°-0°-0°
case2	0°-20°-40°-60°-80°
		case3	0°-30°-60°-90°-120°
case4	0°-45°-90°-135°-180°

表2 多级罗茨真空泵变相位角设计方案

参见附图5，其右侧为case2、case3、case4三种方案变相位角转子型线分布图，转子变相位角后的三维结构参见附图6。

本发明通过数值模拟方法分别计算了三种相位角度变化方案，并对比了不同相位角度变化对泵整体抽速的影响。参见附图7，相比于原模型case1，三种变相位角方案case2、case3、case4的抽速波动范围均有明显降低，为了量化不同方案对抽速波动范围及大小的影响，本发明引入抽速波动系数W及抽速增量U。参见附图8,抽速波动系数，其中Qmax表示瞬时抽速的最大值，Qmin表示瞬时抽速的最小值，Qave表示一个周期内的抽速平均值，参见附图7，其中，原模型case1的抽速波动系数为0.73348，case2的抽速波动系数为0.57701，case3的抽速波动系数为0.51219，case4的抽速波动系数为0.57273。由此可知，三种变相位角设计方案相比于原型的抽速波动均有明显降低，其中case3的变相位角设计抽速波动系数仅为0.51219，相比于原模型降低30.17%。抽速增量/>，其中i=2、3、4，分别表示case2、case3、case4，Qin表示泵的进口抽速，该指标主要用于评价不同变相位角方案相比于原型的抽速变化量。参见附图9，其中，case2的抽速增量为4.70071%，case3的抽速增量为4.87625%，case4的抽速增量为4.22726%，三种方案相比于原模型抽速均有提升，其中case3的抽速升高4.87625%，是三种变相位角设计中抽速提升的最优方案。

参见附图10，本发明的转子变相位角后，相对于原模型，三种变相位角方案的第一级转子出口至第二级转子的进口压差有所降低，且压差曲线的波峰波谷相位发生小范围位移，而在第二级转子出口至第三级转子进口的压差降低十分明显，后级流道内的压差也均呈现降低的趋势，且在气流通道内波峰与波谷的相位变化为更加明显，说明本发明的变相位角设计主要影响了气流通道进出口的压差分布。

本发明另一具体实施例涉及一种如上所述一种变相位角多级罗茨真空泵的工作方法,所述方法循环执行如下步骤：

S1.所述右转子1、左转子2在各自的旋转轴的带动下沿相反方向旋转，使得与所述进口相邻的工作腔体积增大。

S2.气体由所述进口5流入。

S3.所述右转子1、左转子2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。

气流在经过第一级转子7的吸入、运输、压缩过程后，由腔体内的出口排出，随后通过相连的气流通道到达第二级转子8的进口，因第二、三、四、五级转子发生相位角的变化，改变了转子吸入与排出位置交界面的压力，使静止的气流通道的进出口压差降低，压差波峰与波谷的相位发生变化，影响了气流通道内的气体流态。

S4.气体由所述排气口排出。

因为传统的方法很难完成多级罗茨真空泵的压力及流场分布，几何内转子进出口的压力变化更是难以测量，基于此，本发明通过计算流体力学和动网格技术的发展考察变相位角设计对多级罗茨真空泵性能的影响。与原模型相比，转子变相位角后，改变了转子吸入与排出位置交界面的压力，使静止域气流通道的进出口压差降低，压差波峰与波谷的相位发生变化，影响了气流通道内的气体流态，从而降低了进口抽速的波动范围。其中变相位角为30°时，相比于原始模型抽速波动系数降低30.17%，且抽速升高4.88%，是三种变相位角设计中的最优方案。

本发明设定右转子重心与叶顶的连线和经过转子重心垂线重合的位置为第一级转子的初始相位，将第二级转子顺着转子的旋转方向旋转角度β，第三级转子旋转角度为2β，采用递推式的相位角变化方式，β取值分别为20°、30°及45°，并通过数值模拟方法分别计算得出三种相位角度变化的结果，对比了不同相位角度变化对泵整体抽速的影响。变相位角设计方法改变了静止域气流通道内压差波峰波谷的相位，进而影响静止域内的气体流动，有效降低进口抽速的波动范围，提高了泵的抽速。

结果表明，本发明的转子变相位角设计方法对多级罗茨真空泵性能具备明显的改善效果，通过改变气流通道内压差波峰波谷的相位变化，进而影响静止域内的气体流动，有效降低进口抽速的波动范围，提高了泵的抽速，即转子变相位角设计方法可以显著提升罗茨真空泵的运行稳定性。

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 (7)

1.一种变相位角多级罗茨真空泵，其特征在于，所述变相位角多级罗茨真空泵包括：泵壳、右转子（1）、左转子（2）；

所述泵壳包括上壳体（3）、下壳体（4），所述右转子（1）、左转子（2）分别绕各自的旋转轴沿相反方向旋转；

所述右转子（1）、左转子（2）的旋转轴的轴线互相平行设置；

所述右转子（1）、左转子（2）垂直于旋转轴线的剖面呈Y字三叶形轮廓；

所述右转子（1）、左转子（2）在沿其旋转轴线方向上形成五级，包括第一级转子（7）、第二级转子（8）、第三级转子（9）、第四级转子（10）、第五级转子（11）,上述第一级转子（7）、第二级转子（8）、第三级转子（9）、第四级转子（10）、第五级转子（11）延所述旋转轴线方向的轴向长度逐级递减，五级转子在所述旋转轴的轴线方向上间隔排列，所述泵壳包括与五级转子对应的五级工作腔，所述五级工作腔在所述旋转轴的轴线方向上间隔排列；

所述右转子（1）、左转子（2）旋转时，每级的一个转子叶顶和该级相邻另一转子的叶顶与所述泵壳的内侧壁形成密封；

所述五级转子在旋转方向的初始相位依次错开一个预设角度,其中，所述右转子（1）的第一级转子（7）的重心与第一级转子（7）一叶顶的连线和经过第一级转子（7）转子重心的垂线重合的位置为第一级转子（7）的初始相位；

第二级转子（8）的重心与第二级转子（8）一叶顶的连线和经过第二级转子（8）重心的垂线相差角度为β的位置为第二级转子（8）的初始相位；

第三级转子（9）的重心与第三级转子（9）一叶顶的连线和经过第三级转子（9）重心的垂线相差角度为2β的位置为第三级转子（9）的初始相位；

第四级转子（10）的重心与第四级转子（10）一叶顶的连线和经过第四级转子（10）重心的垂线相差角度为3β的位置为第四级转子（10）的初始相位；

第五级转子（11）的重心与第五级转子（11）一叶顶的连线和经过第五级转子（11）重心的垂线相差角度为4β的位置为第五级转子（11）的初始相位；

所述变相位角多级罗茨真空泵的进口（5）位于第一级转子（7）的上方，泵的出口（6）位于第五级转子（11）的下方。

2.根据权利要求1所述的一种变相位角多级罗茨真空泵，其特征在于，静止域气体与转子域进口的连接通道（12）位于两转子重心连线中点的正上方，转子域出口与静止域气体的连接通道（13）位于两转子重心连线中点的正下方。

3.根据权利要求1所述的一种变相位角多级罗茨真空泵，其特征在于，所述β为30度。

4.根据权利要求1所述的一种变相位角多级罗茨真空泵，其特征在于，所述右转子（1）、左转子（2）、上壳体（3）、下壳体（4）的材质为高镍合金材料。

5.根据权利要求1所述的一种变相位角多级罗茨真空泵，其特征在于，所述上壳体（3）、下壳体（4）彼此之间通过法兰盘和螺栓固定连接。

6.一种变相位角多级罗茨真空泵的工作方法，用于如权利要求1-5任意一项所述的变相位角多级罗茨真空泵，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

S1.所述右转子（1）、左转子（2）在各自的旋转轴的带动下沿相反方向旋转，使得与所述进口相邻的工作腔体积增大;

S2.气体由所述进口（5）流入;

S3.所述右转子（1）、左转子（2）在各自的旋转轴的带动下继续旋转，使得与排气口相邻的工作腔体积缩小;

S4.气体由所述泵的出口（6）排出。

7.根据权利要求6所述的一种变相位角多级罗茨真空泵的工作方法，其特征在于，气流在经过第一级转子（7）的吸入、运输、压缩过程后，通过相连的气流通道到达第二级转子（8）的进口，再依次到达第三级转子（9）、第四级转子（10）、第五级转子（11）；通过第二级转子（8）、第三级转子（9）、第四级转子（10）、第五级转子（11）的相位角变化，改变转子吸入与排出位置交界面的压力。