双螺杆真空泵新型光滑转子型线的设计方法与工作特性研究

针对传统摆线-渐开线螺杆转子中心角过大、双摆线转子啮合性能差等问题，研究人员提出基于"曲线-平面-实体"法的两种新型光滑截面型线，通过数值模拟和实验验证发现椭圆弧转子泄漏量更小（极限压力达0.9 Pa），显著提升了几何性能和密封特性，为螺杆真空泵能效优化提供新思路。

　　

在石油化工、半导体等高端制造领域，双螺杆真空泵（Twin-screw vacuum pump）因其无油干燥、耐腐蚀等优势成为核心装备。然而其核心部件——螺杆转子的设计长期面临两大痛点：传统摆线-渐开线（Cycloid-involute）型线存在中心角过大导致密封性差，而双摆线（Double-cycloid）转子又因啮合点不连续产生泄漏三角区。更棘手的是，现有转子生成方法精度不足，加剧了摩擦磨损和性能衰减。

为解决这些瓶颈问题，中国的研究团队创新性地提出两种光滑截面型线设计。通过建立转子啮合数学模型，开发出"曲线-平面-实体"（Curve-plane-solid）三维生成方法，构建出椭圆弧转子和新型双摆线转子。研究采用计算流体力学（CFD）模拟对比泄漏特性，并通过实验台架验证性能。结果显示：椭圆弧转子泄漏量比传统型线降低23%，极限真空度突破0.9 Pa；其面积利用系数η提升至0.68，同时将接触线长度缩短15%，显著改善了密封性能。

关键技术包括：1）基于啮合原理的型线参数化建模；2）多目标优化的转子几何性能分析（含面积利用系数η、内部容积比等）；3）设定1 mm间隙的流体域网格划分；4）两级变螺距转子结构（2节变螺距段+6节等螺距段）设计。

【Problems Existing in the Current Screw Rotors】
通过对比分析发现，现有转子在顶圆/根圆连接处存在啮合尖点，导致接触线不连续。新型椭圆弧型线采用曲率连续过渡，消除了应力集中点。

【Rotor structure】
设计的复合螺距转子中，变螺距段实现气体预压缩（P_max→P_min），等螺距段维持稳定抽气，内部容积比提升40%。

【Area utilization ratio】
椭圆弧转子的有效工作面积A_C达到泵腔总面积A₀的68%，较双摆线转子提高12%，直接提升几何抽速。

【Establishment of Screw Rotor Model and Fluid Model】
CFD模拟显示椭圆弧转子在0.1 MPa入口压力下，泄漏通道涡流强度降低31%，验证了其流体密封优势。

【Conclusion】
该研究不仅解决了转子型线的光滑过渡难题，更通过"曲线-平面-固体"方法实现微米级加工精度。实验数据表明，新转子使泵效提升18%，使用寿命预计延长3倍。这项突破为高洁净半导体装备、锂电干法工艺等场景提供了更可靠的真空解决方案，相关成果已应用于国产真空泵的升级迭代中。

（注：所有数据及结论均源自原文，作者包括Ruijie Hou、Baifa An等，Jun Wang为通讯作者，研究受国家自然科学基金（52176029）等资助）