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高速小型复合分子泵牵引级抽气特性与结构优化研究

张磊  
【摘要】:近20年来由于半导体、医药、航天等产业的飞速发展,对分子泵这种无油高真空获得设备的需求日益增加。复合分子泵具有抽速大、高压缩比等优势,成为国内外争相研制的真空获得设备。目前,应用于高端质谱仪、检漏仪上的高速小型复合分子泵依然以进口为主,因此研制出高性能的国产小型复合分子泵十分必要。本文依托科技部重大仪器专项提供的F-63型复合分子泵展开牵引级性能与结构优化研究。建立了单级、多级涡轮叶片的抽气性能计算模型,单槽、多槽筒式牵引级、盘式过渡级的抽气性能计算模型,将复合分子泵抽气性能计算程序化,提升了计算效率。采用复合分子泵抽气性能计算软件,通过大量计算,得出牵引级压缩比与螺旋升角、螺旋槽深、转子-定子间隙、螺旋槽宽、转子转速等因素的关系,为牵引筒的优化设计提供了解决方案。提出阻挡结构以减少间隙返流、牵引筒分段式结构以减少间隙返流并提高抽气效率、带有锥度的牵引筒以保证动态间隙相等,等一系列结构优化方案,并讨论了优化方案对抽气性能参数压缩比的影响。针对现有复合分子泵涡轮级与牵引级衔接处抽气效率低的问题,提出涡轮级与牵引级之间设置过渡结构。分别研究了盘式过渡结构、短齿过渡结构、大螺旋槽过渡结构三种过渡结构方案的作用原理,并分别讨论了三种过渡结构对分子泵抽气性能的影响。通过对三种过渡结构抽气效果的对比,认为盘式过渡结构更加适合F-63型复合分子泵原型机的结构改进,且能大幅提高抽气性能。为考察设置过渡结构对整个转子系统模态特性的影响,对带有过渡结构的转子系统进行了模态分析,得出了其前6阶固有频率以及主振型。分析其临界转速,发现转子的工作转速介于3、4阶临界转速之间,不存在共振危险。本文提出了对F-63型复合分子泵原型机结构的改进方案,按照国家标准进行测试,新型泵抽速、压缩比等性能均比原F-63型泵有了明显改善,提升了新型泵的抽气性能。


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