爪式真空泵的新型全光滑转子型线与其工作特性研究

摘要

爪式转子的型线直接决定着爪式真空泵的工作性能。针对现有爪式真空泵的转子型线存在尖点或不光滑连接点的缺陷，进而会降低其啮合性能和力学性能，本文根据平面曲线的啮合原理，提出了一种新型全光滑且能够实现正确啮合的爪式转子，其转子型线由6段圆弧和3段摆线的等距曲线组成。分析了全光滑爪式转子各段型线之间的啮合关系，研究了独立几何参数的变化对其工作性能的影响。采用三维非结构化网格，实现了对所提出的全光滑爪式真空泵工作过程的数值模拟，得到了工作腔内部流场的分布规律、以及在啮合间隙处和端面间隙处质量流量与速度矢量的变化规律；研究了全光滑爪式转子与现有的四种爪式转子在工作性能和力学性能方面的差异性，揭示了不同爪型转子真空泵的优劣性。 所提出的新型全光滑爪式转子的独立几何参数变化对工作性能的影响：爪顶圆弧角越大，相对余隙容积和内容积比越小；爪顶圆弧半径越大，相对余隙容积先减小后增大，内容积比越小；顶爪尖圆弧半径越大，相对余隙容积越大，内容积比越小；底爪尖圆弧半径越大，相对余隙容积越小，内容积比先增大后减小；全光滑爪式转子与现有的四种爪式转子在采用相同几何参数的前提下，直爪转子具有最小的相对余隙容积和最小的内容积比，圆弧曲爪转子具有最大的相对余隙容积，而全光滑爪式转子具有很小的相对余隙容积和最大的内容积比，综合两种性能参数可证实全光滑爪式转子具有更好的工作性能。爪式真空泵工作腔内部的泄漏主要发生在两个转子的啮合间隙处和排气口所在的端面间隙处，以及转子的受力变形主要受温度的影响，且在混合过程中的受力和变形达到最大值。全光滑爪式转子与现有的四种爪式转子在施加相同载荷的前提下，直爪转子的力学性能最差，全光滑转子的力学性能最好。

目录

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主要符号表

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1 爪式转子型线的设计

1.2.2 工作过程数值模拟

1.2.3 工作过程热力特性

1.2.4 工作过程动力特性

1.2.5 其他方面

1.3课题的研究目标、研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4课题的创新性

1.5研究方法及技术路线

第二章 现有爪式转子的几何型线理论

2.1爪式真空泵的工作原理

2.2现有爪式转子的型线构建原理和存在的问题

2.2.1 曲爪型爪式转子

2.2.2 圆弧曲爪型爪式转子

2.2.3 直爪型爪式转子

2.2.4 圆弧直爪型爪式转子

2.3小结

第三章 新型全光滑爪式转子的几何型线研究

3.1全光滑转子型线的构建

3.1.1 长幅外摆线的等距曲线的构建原理

3.1.2 转子型线的生成过程

3.1.3 转子型线之间的啮合关系

3.1.4 转子型线的几何参数

3.2几何参数变化对全光滑转子结构和性能的影响

3.2.1 爪顶圆弧角的变化

3.2.3 顶爪尖圆弧半径的变化

3.3工作过程的分析

3.4与现有爪式转子性能的对比

3.5本章小结

第四章 全光滑爪式真空泵工作过程的数值模拟

4.1网格的划分

4.1.1 几何模型的建立

4.1.2 流体区域网格的划分

4.2网格无关性的验证

4.3求解模型的基本设置

4.3.1 流体力学的理论方程

4.3.2 边界条件的设置

4.3.3 动网格设置

4.3.4 运算条件的设置

4.4数值模拟流场的变化

4.4.1 压力场的分布规律

4.4.2 温度场的分布规律

4.4.3 速度矢量的分布规律

4.5与现有爪式转子数值模拟结果对比

4.5.1 流线对比

4.5.2 压力对比

4.6数值模拟工作性能分析

4.6.1 容积效率的计算

4.6.2 啮合间隙处质量流量与速度矢量的变化

4.6.3 端面间隙处质量流量与速度矢量的变化

4.7本章小结

第五章 全光滑爪式真空泵有限元分析

5.1有限元分析的理论方程

5.2全光滑转子受力和变形分析

5.2.1 转子固体模型网格划分

5.2.2 耦合面载荷数据的加载

5.2.3 转子受力特性分析

5.2.4 转子变形特性分析

5.3爪式转子力学性能对比

5.3.1 受力特性对比

5.3.2 变形特性对比

5.4本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢