Диссертация (Разработка математической модели процесса откачки газа и метода расчета откачных параметров молекулярно–вязкостного вакуумного насоса в молекулярно–вязкостном режиме течения газа)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Э. БАУМАНАНа правах рукописиСвичкарь Елена ВладимировнаРАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ОТКАЧКИГАЗА И МЕТОДА РАСЧЕТА ОТКАЧНЫХ ПАРАМЕТРОВМОЛЕКУЛЯРНО–ВЯЗКОСТНОГО ВАКУУМНОГО НАСОСАВ МОЛЕКУЛЯРНО-ВЯЗКОСТНОМ РЕЖИМЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗАСпециальность 05.04.06 – Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемыДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель –кандидат технических наук,доцент Никулин Н.К.Москва 20162СодержаниеСтр.Введение ……………………………………………………………..........9Глава 1. Современное состояние вопроса и задачи исследования.........171.1. Анализ современных безмасляных вакуумных насосов и оценкапроблемы их работы в молекулярно-вязкостном режиме течения газа...171.2.

Принцип действия безмасляного молекулярно-вязкостноговакуумного насоса …………………………………………………………221.3. Выбор и обоснование метода расчета безмасляного молекулярновязкостного вакуумного насоса…………………………………………..281.4. Расчет параметров течения газа в проточной части молекулярноговакуумного насоса с помощью CFD………………………………………531.5. Постановка цели и задачи исследования…………………………….62Глава 2. Разработка математической модели процесса откачки газа иметода расчета откачных параметров молекулярно-вязкостноговакуумного насоса………………………………………………………….682.1. Расчетная схема течения газа в проточной части молекулярновязкостного вакуумного насоса……………………………………………682.2.

Основные допущения …………………………………………………692.3. Область применения математической модели процесса откачкигаза молекулярно-вязкостным вакуумным насосом…………………….702.4. Определение скорости газа в каналах проточной частимолекулярно-вязкостного вакуумного насоса……………………………742.5. Расчет основных откачных параметров молекулярно-вязкостноговакуумного насоса…………………………………………………………852.6. Метод расчета откачных параметров молекулярно-вязкостноговакуумного насоса……………………………………………………….89Глава 3.

Экспериментальное исследование безмасляногомолекулярно–вязкостного вакуумного насоса……………………………913Стр.3.1. Конструктивная и принципиальная схемы экспериментальногостенда………………………………………………………………………..913.2. Методика использования метрологического обеспеченияэкспериментального стенда ……………………………………………….993.3. Методика экспериментального определения основныхпараметров откачной характеристики молекулярно-вязкостноговакуумного насоса………………………………………………………….1033.4.

Оценка погрешности измерения в экспериментах………………….1053.5. Экспериментальные данные………………………………………….107Вывод к Главе 3…………………………………………………………….114Глава 4. Влияние основных параметров проточной частимолекулярно-вязкостного вакуумного насоса на его откачнуюхарактеристику………………………………………………………….….1154.1. Влияние окружной скорости на периферии ротора на течение газав проточной части молекулярно-вязкостного вакуумного насоса………1154.2. Влияние воздействия поверхности канала на течение газа впроточной части молекулярно-вязкостного вакуумного насоса………..1164.3.

Влияние геометрических параметров каналов в проточной частимолекулярно-вязкостного вакуумного насоса……………………………1204.4. Конструктивные схемы молекулярно-вязкостного вакуумногонасоса………………………………………………………………………..1284.5. Сравнение откачных характеристик молекулярно-вязкостноговакуумного насоса с другими типами вакуумных насосов ……………146Вывод к Главе 4……………………………………………………………..151Основные результаты и выводы…………………………………………..152Список литературы…………………………………………………………1544Условные обозначения и сокращенияAi–коэффициент для определения скорости газа вдоль оси y;b–ширина канала, м;b zC–ширина канала в сечении для текущего значения координаты z;–постоянная Сазерленда, К;С1–коэффициент интегрирования;С2–коэффициент интегрирования;D–диаметр элемента, м;Dр–диаметр ротора, м;Dст–диаметр статора, м;D1–внутренний диаметр ротора, м;D2–наружный диаметр ротора, м;F–площадь элемента, м2;Fк–площадь канала, м2;h–высота канала, м;k–постоянная Больцмана Дж/К;Kn–число Кнудсена;L–длина элемента, м;LК–длина канала проточной части, м;Lр–длина ротора, м;Lст–длина статора, м;М–молекулярная масса газа, г/моль.n–концентрация молекул газа в объеме, 1/м3;N–число каналов;p–давление газа, Па.p1i–действительное давление p1 при i –ом замере, Па;p1i 1–действительное давление p1 при i  1 замере, Па;p2i–действительное давление p2 при i –ом замере, Па;5p2i 1–действительное давление p2 при i  1 замере, Па;рвс–давление всасывания насоса, Па;ро–предельное остаточное давление, Па;рн–давление нагнетания насоса, Па;Q–поток газа, м3 Па/с;qi–удельная величина газовыделения i–го соответствующегоматериала, (м3Па)/(м2с);R–универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К);Re–число Рейнольдса;S–быстрота откачки камеры всеми проточными частями насоса придавлении всасывания pвс, м3/с;Si–быстрота откачки камеры i–ой проточной частью насоса придавлении всасывания pвс, м3/с;Sгв–быстрота действия насоса по откачке газовыделений, м3/с (л/с);Sн–быстрота действия насоса, м3/с;s–шаг винтовой линии, м;T–температура газа, К;U–проводимость, м3/с;Uв–проводимость элемента в вязкостном режиме, м3/с;Uм–проводимость элемента в молекулярном режиме, м3/с;u–окружная скорость на периферии ротора, м/с;ux–проекция окружной скорости газа на ось x, м/с;–средняя арифметическая скорость движения молекул газа, м/с;V–объем проверяемой системы, м3;ν–коэффициент кинематической вязкости, м2/с.v (y)–скорость газа относительно оси y, м/с;v (z)–скорость газа относительно оси z, м/с;v (y,z)–результирующая скорость газа в канале, м/с;vs (y)–скорость скольжения газа относительно оси y, м/с;6vs (z)–скорость скольжения газа относительно оси z, м/с;ω–частота вращения ротора, об/мин;x–текущая декартова координата, м;y–текущая декартова координата, м;z–текущая декартова координата, м;Δt–временной шаг, с;Δ–допустимый натяг;1–систематическая ошибка при замере давления p1 ;2–систематическая ошибка при замере давления p2 ;ΔDр–линейное удлинение диаметра ротора, м;α–угол наклона боковой поверхности канала к его высоте, град; i–коэффициент аккомодации тангенциального импульса количествадвижения;αрот–угол наклона боковой поверхности канала ротора к его высоте,град;αст–угол наклона боковой поверхности канала статора к его высоте,град;β–угол наклона боковой стенки к меньшему основанию, град;γ–угол наклона винтовой линии к торцевой поверхности ротора истатора, град;p–относительная погрешность прибора при измерении давления; p1–относительная погрешность измерения давления с помощьюпреобразователю давления 1; p2–относительная погрешность измерения давления с помощьюпреобразователя давления 1.S–относительная погрешность прибора при измерении быстротыдействия;–относительная погрешность прибора при измерении отношениядавлений;7δ–ширина зазора между ротором и статором, м;δкр–ширина кромки между каналами, м;δдин–ширина зазора между ротором и статором в динамическомсостоянии, м;δPвс–погрешность давлений всасывания, %;δст–ширина зазора между ротором и статором в статическомсостоянии, м;δΔp–погрешность перепада давлений, %;δτ–погрешность определения максимального отношения давлений,%;µ–коэффициент Пуассона;1–коэффициент обмена количеством движения;2–коэффициент скольжения, м;ξ1–эмпирический коэффициент;ξ2–эмпирический коэффициент;ξ3–эмпирический коэффициент;η–вязкость газа, Па·с;θ–коэффициент внешнего трения;–средняя длина свободного пробега молекул газа, м;ρ–плотность газа, кг/м3;σ–эффективный диаметр молекулы газа, м;τ–текущее значение отношение давлений;τi–отношение давлений i–ой проточной части или ступени;τmax–максимальное отношение давлений;–коэффициент скольжения газа, м;ψ–коэффициент отношения высоты канала к его ширине.8Подстрочные индексывс–индекс полости всасывания;к–индекс канала;кр–индекс кромки;н–индекс полости нагнетания (для давления);индекс насоса (для быстроты действия);р–индекс ротора;ст–индекс статора;х–индекс проекции на ось х декартовой системы координат;i–индекс текущего значения;s–индекс скольжения газа.СокращенияМВВН –молекулярно–вязкостный вакуумный насос;МВН–молекулярный вакуумный насос;ТМН–турбомолекулярный вакуумный насос;CFD–Computational fluid dynamics (вычислительная гидродинамика).9ВВЕДЕНИЕАктуальность исследованияПроблемаобеспечениябезмаслянойоткачкивакуумныхсистемопределяется многообразием технологических процессов, проводимых вусловиях вакуума.

Современные технологические процессы в различныхотрасляхпромышленностивыдвигаютрядтребованийквакуумномуоборудованию, обеспечивающему качественное выполнение этих процессов.Среди этих требований безмасляность процесса откачки и защита рабочейкамеры от возможности попадания загрязняющих веществ из средств откачки.При этом вакуумное оборудование должно обеспечивать требуемые откачныепараметры, должно быть простым с точки зрения эксплуатации, экономичным(во время его покупки и дальнейшей эксплуатации), компактным.