針對某小型渦輪分子泵的渦輪級，采用數值仿真方法分析了靜葉片的結構參數與抽速和壓比的關系，計算了葉片成型過程中應力分布，研究了葉片扭轉成型工藝。經過樣品試制，達到了設計指標要求，驗證了本文提出的靜葉片設計與成型技術是正確、可行的。

　　渦輪分子泵是利用高速旋轉的動葉片和靜止葉片間的相向運動，將氣體分子從高真空區“驅趕”至低真空區，然后由前級泵排入大氣，從而達到抽真空的目的。經過多年的技術進步和應用改進，渦輪分子泵以其抽氣性能高、污染小、耗能低等優勢，在真空應用領域已經得到了廣泛應用。目前，渦輪分子泵已經成為質譜分析、真空檢漏、高能束焊接、半導體制造、高能加速等高端儀器和設備的關鍵功能部件，用于獲得潔凈的高真空環境。真空技術網(http://smsksx.com/)發布的本文在研制某新型分子泵時，對靜葉片的設計和成型技術進行了探索，取得了良好效果。

1、靜葉片優化設計

　　渦輪分子泵的抽氣特性主要體現為泵的抽速和壓縮比，它們不僅與每級葉片的抽氣特性相關，也依賴于多級葉片的組合方式。泵的壓縮比與葉輪級數成指數關系，因此增加葉輪級數是提高壓縮比的最有效途徑。出于小型化的考慮，希望每級葉輪高度h 盡量小，這樣在有限的空間內可放置盡量多級的葉輪，從而提高壓縮比。根據幾何關系可知，葉輪高度h 主要由葉片弦長b 和葉片角α 確定(由于葉片厚度比葉片弦長少一個數量級，暫忽略不計)，即如式(1)。

　　靜葉片多采用扭制葉片，扭制葉片的葉片弦長近似等于葉頂圓弧長，也就等于葉頂圓周長與葉片數z 的商。因此葉輪的軸向尺寸可寫為下式：

h ≈(2πR/z)·sin α （2）

　　由式(2)可見，增加葉片數或減小葉片角可有效的降低葉輪高度h，并且葉片角的減小可增大單級葉輪的壓縮比，從而使整體壓縮比得到提高。葉片角與壓縮比關系如下圖所示。計算壓縮比采用的轉速為60000 RPM，葉輪線速度按文獻^[2]方法計算，為181m/s，因此速度比c=0.44。然而，直接增加葉片數z 或減小葉片角α 會導致葉輪的有效吸氣面積降低，從而影響到抽速。有效吸氣面積計算公式為^[2]：

F = π(R²-r²)-z(R-r))δ/sinα （3）

　　由式(3)可見，有效吸氣面積隨葉片數z 的增加或葉片角α 的減小而減小，但隨葉片厚度δ的減小而增加。因此，若通過增加葉片數或減小葉片角使葉輪高度變小，同時又不希望犧牲有效吸氣面積，則需要采用較薄的葉片。

　　氣體在各級葉輪的驅趕下，由上游向下游運動，壓力不斷提高。由于壓力與氣體密度有關，在質量流量相同的前提下，上游體積流量大于下游的體積流量，因此上游的體積流量對泵整體抽速影響更大。針對上下游葉輪的不同要求，本設計采用了葉片角為20°與30°的兩種靜葉輪，其中30°靜葉輪作為上游葉輪，20°靜葉輪作為下游葉輪，葉片厚度均為0.3mm，已獲得較大的有效吸氣面積，從而獲得大抽速。為保證較大的有效吸氣面積，30°靜葉輪的葉片數較少，為32片。為減小20°靜葉輪的軸向高度，采用了較多的葉片數，為36 片。20°靜葉輪的葉片角小且葉片數大，其有效吸氣面積比30°靜葉輪小許多，但其作為下游葉輪，對抽速影響較小。

　　表1 不同結構參數葉輪比較

2、靜葉片結構與應力分析

　　葉輪的材料為鋁合金，彈性模量取70 GPa，泊松比為0.33。葉輪的扭轉角為30°，計算了葉輪扭轉成型的應力情況。葉輪為薄壁件，剛性很弱，計算中考慮了大變形等非線性效應。優化前的計算結果如圖3 所示，葉輪的扭轉變形應力集中較為明顯，最大應力為108 MPa。

　　由于最大應力超限，需要優化結構以降低應力。為此在葉片上設置了扭轉梁，計算結果如圖4 所示，優化后的最大應力為51 MPa，最大應力減小了一半，可見該優化方法能有效改善葉輪的結構和加工性能。

3、靜葉片成型工藝研究

　　靜葉輪材料為鋁合金，具有較高的強度和耐蝕性，切削性能良好。靜葉輪加工難點主要有以下幾點：

　　(1)屬于典型的薄壁型弱剛性零件，厚度僅為1mm，精度要求高;

　　(2) 零件環槽區域厚度僅0.3 mm，在區域內均勻分布十余個葉片，葉片輪廓復雜精細;

　　(3)因葉片兩端與靜葉輪框架連接處寬度僅1 mm，在扭轉成型時需保證每片葉片兩端與框架不能發生斷裂;

　　(4)工件為半環形結構，在加工過程中易發生變形。

　　鑒于靜葉輪徑向剛性較弱，在加工過程中應盡量避免工件徑向直接裝夾，因此設計了一些較為合理的微變形裝夾與工裝系統，采用環槽平面吸具進行連續翻面加工，從而保證工件的厚度尺寸精度。在彎折葉片加工過程中，通過設計一種角度樣板，將樣板上端尖角與葉片切縫對齊，施加合適的力直至有環槽的端面與平臺靠平，最終完成葉片扭轉成型加工。基于以上思路，確定了靜葉輪的工藝路線并完成首批靜葉輪加工，產品合格率達100%，實物如圖5 所示。

4、結論

　　靜葉片的設計與成型是渦輪分子泵的關鍵技術之一，本文采用數值計算和工藝試驗相結合的方法，進行了有益探索，取得了明顯效果，滿足了設計要求，為研制新型渦輪分子泵打下了堅實的技術基礎。

參考文獻

　　[1] 王曉冬,等.渦輪分子泵組合葉列幾何參數優化設計方法的研究[J].真空，1999：23-26.

　　[2] 葛明.立式渦輪分子泵的設計計算[C].中國真空學會進步獎(1994-2000)得獎人員論文集，192-206.