涡轮分子泵抽气性能计算的误差分析

采用数据回归方法,建立了不同叶片倾角、节弦比条件下单级涡轮叶片正反向传输几率与速度比的数学关系式,通过计算机编程可直接获得单级涡轮叶片的正反向传输几率,进而求出涡轮叶片的抽气性能,提高了计算效率。分别采用涡轮叶片几何中值参数计算方法、沿涡轮叶片齿长逐段积分方法,对单级涡轮叶片和涡轮分子泵的抽气性能进行了计算,并与实验结果进行了对比。发现:采用涡轮叶片几何中值参数计算涡轮叶片抽气性能存在误差,对涡轮分子泵抽气性能的计算值偏高,其计算误差远大于分段积分法的计算误差,后者更适用于对分子泵抽气性能的设计计算。

现代涡轮分子泵的进展

本文叙述了涡轮分子泵近期迅速发展的原因,涡轮分子泵采用的轴承型式的演变过程,宽域型复合分子泵的开发与磁悬浮轴承在涡轮分子泵上的应用。

磁悬浮分子泵的振动抑制

2000L磁悬浮分子泵研制中,遇到复杂振动问题:转子弯曲模态共振;陀螺效应造成动力学失稳;叶轮叶片导致转子颤振;成因复杂的机电耦合模态振动。它们同时出现,严重影响转子稳定性,给振动抑制带来困难,需进行精细的控制器设计。控制器中,对不同振动采用不同方法抑制:陀螺效应依靠交叉反馈控制;弯曲共振、分子泵叶轮叶片颤振及机电耦合模态振动,依靠各种不同的控制器传递函数相位整形方法。试验验证了方法的有效性,分子泵平稳升速到24000 r/min,样机达到了设计真空性能指标。

基于有限元方法的涡轮分子泵转子系统模态分析

以FB-一1500型涡轮分子泵为分析原型，依据分子泵转子系统形状、尺寸、材料、支承形式以及质量分布，建立了分子泵转子系统几何模型．采用有限元方法对转子系统进行模态分析，获得了转子系统的临界转速和振型．模态分析结果表明：泵运行在5～6阶固有频率之间，但未完全满足柔性转子安全设计要求，仍然存在安全隐患．提出改进转轴惯性矩、轴承支撑位置来提高转子系统的固有频率，以确保分子泵的安全运行．获得的转子系统模态，对涡轮分子泵启动加速和停车减速过程控制策略制定、减弱或回避共振带来的安全隐患、提高分子泵使用寿命具有参考价值．

涡轮分子泵参数化设计软件

对几种参数化设计方法进行了比较,根据涡轮分子泵的结构特点,开发了简便实用的涡轮分子泵参数化设计软件。该软件具有智能设计、自主设计、三维造型、动态模拟等功能,对产品开发、泵性能优化等具有实际意义。

小型涡轮分子泵静叶片设计与成型技术

针对某小型涡轮分子泵的涡轮级,采用数值仿真方法分析了静叶片的结构参数与抽速和压缩比的关系,计算了叶片成型过程中应力分布,研究了叶片扭转成型工艺。经过样品试制,达到了设计指标要求,验证了本文提出的静叶片设计与成型技术是正确、可行的。

小型涡轮分子泵动叶片设计与制造技术研究

本文从结构设计角度分析了叶片轴向高度h、节距a、叶片角α、叶片数z、叶片厚度δ等结构参数对压缩比的影响,并基于分析结论提出了薄叶片分子泵叶轮的设计思想;采用有限元计算分析涡轮分子泵运行时叶片的应力状态,获知叶片工作时产生的应力几乎与叶片厚度无关,从而为薄叶片的设计提供在强度理论方面的支持;最后,通过工艺优化,试制出薄叶片的小型涡轮分子泵,该试制件在测试中转速达到了60000 rpm,使用效果良好。

涡轮分子泵多级组合叶列模拟算法的比较研究

针对小型涡轮分子泵对涡轮叶片的精准设计提出的更高要求,从入射方向分布和入射位置分布的角度,对比分析了传统单级叶列算法和多级动静组合叶列算法之间的差异,发现传统单叶列算法存在一定的原理性误差。以1~4级组合叶列为例,采用不同模拟算法分别对传输概率、最大何氏系数和最大压缩比进行比较研究,与多级动静组合叶列算法相比,采用传统单级叶列算法对涡轮叶列的抽气性能的计算值偏大10%左右。提出的基于动静叶列多级组合算法,是对传统算法的继承和发展,为涡轮分子泵的精准设计提供了一种新的理论计算方法。

分子泵转子多学科设计优化技术

转子是分子泵的关键部件,其结构参数的设计需要从抽气性能、转子动力学和强度等方面综合考虑,经过多次迭代才能满足要求,设计过程很复杂。本文采用多学科设计优化理念,基于优化总控软件平台,开发了应用接口软件,集成UG NX、ANSYS、MATLAB等软件,实现抽气性能计算、参数化几何建模、转子动态特性分析、应力与应变计算等功能模块的数据共享和优化迭代,对转子的结构参数进行自动优化,得到了优化的转子结构参数,为高质量、高效率开发系列化分子泵产品提供了技术支撑。

基于扫掠驱动面的动叶轮叶片铣削工艺

针对动叶轮叶片五轴侧铣过程中的根部过切问题,提出了基于设计扫掠驱动面的数控编程方法,并在此基础上形成了叶片铣削工艺方案,经过仿真计算和加工验证,该方法可行有效,对涡轮分子泵关键零部件的研制起到了良好的促进作用。

小型涡轮分子泵静叶片冲压成型技术

在静叶片原成型工艺的基础上,通过设计静叶片冲裁折弯成型模具,一次完成静叶片的折弯成型,大大提高了加工效率。最后,通过试验验证了该方法能很好地完成静叶片折弯成型,证明了该方法的有效性和可行性。

大型清洁超高真空获得初探

文章介绍了3200m^3大型真空容器的清洁高真空系统的方案配置和使用情况。说明低温泵和涡轮分子泵的结合使用,可以获得清洁的超高真空环境。

涡轮分子泵入口结构改进的计算研究

针对涡轮分子泵的入口管道束流效应和涡轮端盖反射效应对传输几率的不利影响、以及大口径涡轮分子泵与小型仪器相连接的难题,本文提出分子泵入口结构的改进方案:将涡轮转子的平板端盖改成锥形反射屏结构,把过渡连接件做成圆弧过渡段结构。文中根据实际结构参数,建立了不同结构类型的计算模型,采用试验粒子蒙特卡洛方法,基于自由分子流态基本假设,利用Molflow+软件,计算了各个结构模型的传输几率。计算结果表明:当倾角α的取值范围在60°～70°、圆锥底角β的取值范围在25°～45°之间时,理论上可将涡轮分子泵的抽气速率提升5%左右。

涡轮分子泵入口接管束流效应的蒙特卡洛计算

在入口管路束流效应和涡轮端盖反射作用的双重因素影响下,以纯分子流态经泵前入口管道流向涡轮分子泵环形一级动叶列抽气面处的气体分子,其入射密度是不均匀分布的。本文基于自由分子流态基本假设,建立入口直圆管道计算模型,采用试验粒子蒙特卡洛方法,利用Molflow+软件,模拟被抽气体分子经泵入口到涡轮叶列抽气面的飞行过程及行为;数值计算得到气体分子到达涡轮转子一级动叶列入射平面的密度分布和气体通过入口管道的传输几率,并分别经回归分析拟合给出二者的计算公式,可为涡轮分子泵抽气性能的后续研究提供更精确的理论数据;算例证明,以此分布计算分子泵一级动叶列的正向传输几率,比采用均匀分布假设的积分中值法的计算结果偏小。

涡轮分子泵叶列抽气性能的计算方法改进

涡轮分子泵广泛应用于清洁高真空的获得。本文采用实验粒子蒙特卡洛算法,使用COMSOL对二维模型进行计算,更新了单级叶列抽气性能参数数据库,并在此基础上提出了计算涡轮叶列传输几率的新方法——面积加权法,同时根据改进算法编写计算程序。面积加权法更加接近于涡轮叶列的工况,使用此方法提高了计算准确度,为涡轮分子泵组合叶列的计算提供了可靠的支撑,为涡轮分子泵设计与性能评估提供了方法与依据。

基于多样性特征和多源信息的分子泵故障诊断

为了实现准确可靠的涡轮分子泵故障诊断,提出了一种基于多样性特征和多源信息的分子泵故障诊断方法。在分子泵实验台上采集到分子泵不同故障下多个测点的振动信号,经过预处理后随机分为训练集和测试集。首先通过改变激活函数形成多个去噪自编码器,之后利用生成的深度自编码器对数据集进行多样性特征提取,最后将提取到的特征用于训练支持向量机(SVM)进行故障分类。实验结果表明该方法可以实现分子泵的准确故障诊断,准确率达到98.9%,而且在训练集不平衡或高背景噪声情况下依旧表现良好。

涡轮分子泵轴系结构关键特性的有限元分析

涡轮分子泵是一种利用高速旋转的叶片把动量传输给被抽气体分子,使气体分子能够连续不断地从入口运动到出口并排出的动量传输式真空泵。作为高速精密机械的一种,涡轮分子泵对其轴系结构的机械特性有着很高要求。现以有限元分析软件SolidWorks Simulation为依托,结合基础理论知识和传统算法,将有限元法引入到了涡轮分子泵轴系结构的设计中,并分析涡轮动叶片在工作状态下由于离心作用、温度升高作用产生的变形以及分析这两种特性对变形量的影响。

涡轮分子增压泵的研究现状与进展

综述了涡轮分子增压泵的研究现状与进展。涡轮分子增压泵是一种动量传输型真空泵 ,它的出口压力范围可达 10 0 0 Pa,通过计算流体动力学方法 (CFD法 )和直接模拟蒙特卡罗法 (DSMC)可以模拟计算抽气通道内气体的流动 ,这两种互补的方法可以研究从粘滞流到分子流的全部抽速曲线 ,从而指导新型涡轮分子增压泵的设计。

强背景磁场下分子泵磁屏蔽体的设计与研究

中国原子能科学研究院目前正在研制一台230 MeV超导回旋加速器,该回旋加速器未来是安装于医院应用于质子治疗,采用了非常紧凑型的超导磁体结构设计。其分子泵所安装位置有非常大的漏磁场,其漏磁场强度达到1000 Gs,是分子泵安全运行阈值(50 Gs)的20倍,导致分子泵不能正常工作。为了解决这个问题,首先进行了分子泵磁屏蔽体的结构设计,以及3D有限元仿真分析计算,然后开展对不同分子泵磁屏蔽体内的磁场进行详细测量,结果表明磁屏蔽体内部的剩磁场均小于50 Gs,且分子泵实际长时间运行过程中监测分子泵运行参数电流、轴承温度、转子温度、加速时间均与无磁场时运行参数一致。

CSNSⅡ离子源及LEBT真空系统

CSNSⅡ加速器的束流打靶功率从100kW升级至500kW,要求直线加速器平均束流功率从目前的5kW提高到25kW,脉冲束流强度从目前的12.5mA提高到大于40mA。为此,需将当前使用的潘宁(Penning)型表面负氢离子源更改为射频(RF)负氢离子源。考虑到切束器的切束比范围在35%~50%,LEBT通过率可达到75%~95%,故RF负氢离子源需要产生至少50mA的负氢离子束。负氢离子源氢气用量也需要由目前的10sccm提高至不低于20sccm,同时要求LEBT第二腔真空度≤5.0×10^(-3)Pa。基于此,本文对离子源及LEBT真空系统进行了改造,提高了LEBT的束流通过率。并且对比了国内外两款磁悬浮分子泵对氢气的抽速,为后期分子泵的选型以及国产化替代提供一定的参考。