无油真空机组的设计

论文摘要

终端光学组件作为惯性约束聚变中激光传输的末端装置,承担着光束聚焦、频率转换、谐波分离等重要功能,其内部的KDP晶体等光学元件需工作在洁净真空环境。基于此,本文针对提出的洁净度、真空度等指标要求,对终端光学组件的真空获得设备进行了初步的设计和研究。首先,进行了无油真空机组的总体方案设计。通过分析真空室环境的相关指标要求,比较了几种常规真空获得设备的优缺点,提出洁净分子泵机组的概念。为实现无蒸汽油等有机物污染的要求,选用以磁轴承涡轮分子泵为主泵,牵引分子泵为前级泵的真空机组抽气方案,且对其工作流程进行了分析和设计。然后,设计了用于无油真空机组的磁轴承分子泵。介绍了牵引分子泵和涡轮分子泵的抽气原理以及抽气性能的相关计算理论,提出了磁轴承牵引分子泵的概念。通过分析几种不同形式的转子结构,设计了分子泵的多螺旋牵引槽结构和涡轮叶片,以及设计了主动控制式五自由度磁悬浮轴承复合支撑的转子系统结构,完成了F-150A型磁轴承涡轮分子泵和F-160A型磁轴承牵引分子泵的整体结构设计。最后,对磁轴承分子泵的内部流场以及转子结构进行了仿真研究。介绍了有限元分析软件Fluent的仿真流程,包括实体模型的建立、有限元模型的前处理、计算模型的设定等,分析了双腔串联式多螺旋槽牵引分子泵的流场流态,定性、定量地验证了所设计的F-160A型磁轴承牵引分子泵的抽气性能符合要求。此外,运用Patran/Nastran对F-150A型磁轴承涡轮分子泵叶片转子进行结构分析,研究了涡轮叶片转子在高速运转状态下的动力学特征。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 真空获得技术的发展与研究现状分析
• 1.2.1 真空技术的发展与分析
• 1.2.2 洁净真空获得设备的发展与分析
• 1.2.3 分子泵的发展与研究现状分析
• 1.2.4 计算流体力学仿真的发展与分析
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第2章 真空机组总体方案设计
• 2.1 真空机组工作方案分析
• 2.1.1 真空泵的选择与配置
• 2.1.2 真空机组工作流程
• 2.2 真空机组相关元件选择
• 2.2.1 真空阀门选择
• 2.2.2 真空测量仪选择
• 2.3 真空机组的参数计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 分子泵的结构设计
• 3.1 分子泵的工作原理
• 3.1.1 涡轮分子泵的工作原理
• 3.1.2 牵引分子泵的工作原理
• 3.2 涡轮分子泵的结构分析与确定
• 3.3 本章小结
• 第4章 分子泵的流场特性模拟与结构分析
• 4.1 Fluent 与Patran 应用简介
• 4.1.1 Fluent 应用简介
• 4.1.2 MSC.Patran/Nastran 应用简介
• 4.2 牵引分子泵的流场流态分析
• 4.3 涡轮分子泵的转子结构分析
• 4.4 涡轮叶片转子仿真可靠性的验证
• 4.4.1 实验原理及设备简介
• 4.4.2 实验结果及数据分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢