Диссертация (Разработка математической модели процесса откачки газа и метода расчета откачных параметров молекулярно–вязкостного вакуумного насоса в молекулярно–вязкостном режиме течения газа), страница 2

Так илииначе, большинство существующих насосов способны обеспечить данныетребований, но не абсолютно все. В связи, с чем на данном этапе развитиявакуумной техники мировые производители вакуумных насосов и вакуумныхсистем стремятся совершенствовать существующие и создавать новые системыоткачки, которые будут иметь лучшие характеристики, станут технологичнее,компактнее, дешевле, проще в эксплуатации.Автором диссертации на основе анализа основных принципов работывысоковакуумной безмасляной системы откачки в зависимости от условийэксплуатации и конструкций современных вакуумных насосов, разработанмолекулярно – вязкостный вакуумный насос (МВВН), который являетсясамостоятельным средством откачки.

Молекулярно–вязкостная проточнаячасть насоса может быть использована в качестве альтернативной заменымолекулярных ступеней комбинированного ТМН. МВВН способен обеспечитьоткачку вакуумных установок в диапазоне давлений от 10-5 Па до 105 Па сбыстротой действия от 10-3 м3/с до 1 м3/с, а в составе форвакуумных ступенейкомбинированного турбомолекулярного насоса (ТМН) в диапазоне от 10-8 Падо 105 Па. Применение молекулярно-вязкостных проточных частей насоса в10качестве форвакуумных ступеней комбинированных ТМН позволяет увеличитьбыстроту действия форвакуумной части насоса, расширить диапазон давленийнасоса в целом и значительно упростить технологию изготовления и сборкивакуумного насоса.На данный момент МВВН является новой, современной разработкой и непроизводится ни в одной из стран мира.

Соответственно отсутствуют методырасчета данного типа вакуумного насоса в разных диапазонах давлений.Объектом исследования является молекулярно-вязкостный вакуумный насос.Предметом исследования является исследование течения газа в проточнойчасти МВВН в молекулярно-вязкостном режиме течения газа.Цель работы состоит в теоретическом исследовании течения газа в проточнойчасти молекулярно – вязкостного вакуумного насоса и разработке методарасчета откачных параметров молекулярно – вязкостного вакуумного насоса вмолекулярно – вязкостном режиме течения газа.Задачи исследования:1. Разработать математическую модель процесса откачки газа проточнойчастьюмолекулярно-вязкостноговакуумногонасоса вмолекулярно–вязкостном режиме течения газа.2. Создать метод расчета откачных параметров молекулярно – вязкостноговакуумного насоса в молекулярно-вязкостном режиме течения газа.3.

Провести исследование влияния геометрических и динамических параметровна откачные характеристики молекулярно – вязкостного вакуумного насоса.4. Определить коэффициенты скольжения и обмена количеством движения нарабочих поверхностях каналов молекулярно – вязкостного вакуумного насоса.5. Разработать рекомендации для проектирования молекулярно-вязкостныхвакуумных насосов.11Научная новизна1.Впервые разработана математическая модель процесса откачки газапроточной частью МВВН в молекулярно – вязкостном режиме течения газа.2.Впервые разработан метод расчета откачных параметров МВВН вмолекулярно-вязкостном режиме течения газа.3.Впервыеисследовановлияниягеометрическихидинамическихпараметров на откачные характеристики проточных частей МВВН.4.Впервые получены результаты по обоснованию выбора формы игеометрических размеров каналов проточной части МВВН, позволяющиеобеспечить необходимую откачную характеристику насоса.5.Полученные результаты исследования впервые позволили разработатьконструкции МВВН не имеющие аналогов в мировой практике.

Молекулярно –вязкостные проточные части насосов различных форм защищены патентами РФна полезную модель RU 164000 U1 «Молекулярно – вязкостная проточнаячасть» и RU 166526 U1 «Молекулярно – вязкостная проточная частьвакуумного насоса». Конструктивные схемы МВВН защищены заявками напатенты РФ на полезную модель № 2016149254, № 2016149256 от 15.12.2016 изаявками на патенты РФ на изобретение № 2016149250, № 2016149252 от15.12.2016.Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что:1.Разработана математическая модель процесса откачки газа и метод расчетаоткачныхпараметровпроточнойчастиМВВН,которыепозволяютпроектировать МВВН и комбинированные ТМН с молекулярно–вязкостнойпроточной частью в качестве форвакуумной ступени, что было внедрено припроведении исследования процессов и расчете параметров течения газа вэлементах вакуумных систем.2.Проведено исследование влияния геометрическихи динамическихпараметров проточных частей МВВН на их откачные характеристики.Полученные данные внедрены при определении параметров течения газа в12элементах вакуумных систем с подвижными элементами при создании условийнизкого и среднего вакуума.3.Проведенный анализ влияния основных размеров и формы каналовмолекулярно – вязкостной проточной части позволил повысить эффективностьработы насосов в молекулярно-вязкостном режиме течения газа, увеличивбыстроту действия проточной части и диапазон рабочих давлений.4.Разработаныпрактическиерекомендациидляпроектированиямолекулярно-вязкостных вакуумных насосов.5.Результаты работы использованы при выполнении НИР «Теория, расчетгазодинамических процессов и оптимизация характеристик вакуумных,компрессорных машин и пневматических систем» в рамках гранта ПрезидентаРоссийской Федерации за 2012–2013гг.

(шифр НШ–6131.2012.8), НИР«Разработка теории рабочих процессов и методов расчета оптимальныххарактеристик вакуумных, компрессорных машин и пневматических систем вшироком диапазоне рабочих параметров» в рамках гранта ПрезидентаРоссийской Федерации за 2015 гг. (шифр НШ–5202.2014.8), НИР «Разработкатеории рабочих процессов и создание новых видов вакуумного откачногооборудованиядляисследованиякосмическойтехникииобеспечениянанотехнологических процессов» по государственному заданию высшимучебным заведениям на 2013г. (№ 7.803.2011) .6.Результаты работы внедрены в практику проектирования и исследованиярабочих процессов в ООО «ТАКО Лайн», ООО «ЛБМ – ВАКУУМ» и учебныйпроцесс МГТУ им. Н.Э.Баумана, что подтверждено актами о внедрении.Апробация результатов работыОсновные положения работы докладывались на следующих конференцияхи семинарах:1.Научно–технический семинар «Вакуумная техника и технология», Санкт–Петербург, 2007 г.;132.IВсероссийскаястуденческаянаучно–практическаяконференция«Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты», Москва, МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2008 г.;3.Четвертая Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов«Будущее машиностроения России», Москва, МГТУ им.

Н.Э.Баумана, 2011 г.;4.VIМеждународнаянаучно–техническаяконференция«Вакуумнаятехника, материалы и технология», Москва, ВакуумТехЭкспо, 2011 г.;5.VIIIНаучно–техническаяконференциясучастиемзарубежныхспециалистов «Вакуумная наука и техника», г. Судак, 2011 г.;6.IV Всероссийская научная конференция молодых ученых, аспирантов истудентов «Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты», Москва,МГТУ им. Н.Э.

Баумана, 2012 г.;7.Пятая Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов«Будущее машиностроения России», Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2012 г.;8.VIIIМеждународнаянаучно–техническаяконференция«Вакуумнаятехника, материалы и технология», Москва, ВакуумТехЭкспо, 2013г.;9.XXIIIнаучно–техническаяконференциясучастиемзарубежныхспециалистов «Вакуумная наука и техника», г. Судак, 2016 г.ПорезультатамработыразработаныпроточныечастиМВВНстрапецеидальными и эллиптическими каналами, получены патенты РФ наполезную модель данных проточных частей.Публикации.Основные научные результаты диссертации отражены в 15 [13 – 30, 32]научных статьях, в том числе в 5 статьях из Перечня ведущих рецензируемыхнаучных журналов и изданий [16, 21, 24, 26, 32], а также 2 тезисах докладов [14,18], 2 патентах РФ на изобретение [157, 159] и 4 патентах РФ на полезнуюмодель [29, 30, 158, 160].14Положения, выносимые на защитуМатематическая модель процесса откачки и метод расчета откачныхпараметров МВВН в молекулярно-вязкостном режиме течения газа.

Результатытеоретических и экспериментальных исследований течения газа в проточнойчасти МВВН. Рекомендации по выбору геометрических параметров припроектировании проточной части МВВН. Разработанные конструктивныесхемы МВВН.Личный вклад соискателяВсе исследования, представленные в диссертационной работе, проведенылично соискателем в процессе работы над материалами диссертации. Материал,включенный в диссертацию из совместных публикаций, принадлежитнепосредственно соискателю, заимствованный материал обозначен ссылками.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения и 4 глав, заключения, списка литературы,списка основных сокращений и обозначений.

Диссертационная работаизложена на 169 страницах, содержит 70 иллюстрации и 7 таблиц.Библиография включает 160 наименований.Содержание работыВ разделе введения дана общая характеристика работы, обоснованаактуальность темы диссертации, определены цели и объект исследования,указаны научная новизна и практическая значимость работы.В первой главе представлена принципиальная схема МВВН с описаниемпринципа действия насоса игеометрических особенностей его проточныхчастей. Так как МВВН является новым типом вакуумных насосов и непроизводится ни в одной из стран мира, соответственно отсутствуют методырасчета данного типа вакуумного насоса в разных диапазонах давлений. Вдиссертации рассмотрены существующие вакуумные насосы, которые могут15являться аналогами МВВН, сравнение их основных характеристик, достоинствинедостатков.Выявлено,чтооднимизаналогов МВВНявляютсямолекулярные вакуумные насосы.

В связи, с чем произведен анализсуществующихпараметровматематическихмолекулярныхмоделей ивакуумныхметодов расчета откачныхнасосов.Анализрезультатовтеоретических и экспериментальных исследований молекулярных вакуумныхнасосов показал, что простые и удобные для расчетов методы не всегдаотвечают современным требованиям по точности и универсальности ихприменения.Математическиемодели,вдостаточнополнойстепениописывающие процессы в каналах молекулярных вакуумных насосов требуютналичия экспериментальных моделей молекулярных вакуумных насосов.Основные сложности при моделировании рабочих процессов течения газа вканалах проточных частей возникают в молекулярно-вязкостной областитечения газа, не смотря на то, что молекулярные проточные частикомбинированных турбомолекулярных насосов работают именно в этойобласти.

Во всех рассмотренных работах указывается, что при исследованиитечения газа в молекулярных вакуумных насосах основными факторами,определяющимточностьматематическоймодели,являютсяэффектывзаимодействия газа с поверхностями (скольжение газа, аккомодация, внешнеетрение), которые в основном определяются из физического эксперимента.Результаты численного исследования процесса откачки МВВН показали,что использование численных методов для определения основных откачныхпараметров МВВН возможно только для вязкостного режима течения газа. Вмолекулярно-вязкостном режиме течения газа вычислительные комплексы CFDне позволяют учитывать переменный характер скорости скольжения по длинепроточной части в зависимости от изменения давления по длине канала, атакже снижение концентрации молекул газа в проточной части насоса ипреобладаниевзаимодействиямолекулгазасповерхностью.Прииспользовании данного метода определения основных параметров МВВН впределах допустимой точности с экспериментальными откачными параметрами16МВВН для каждого численного эксперимента появляется необходимостьподбора граничных условий.Поитогампроизведенноголитературногообзораиегоанализасформулированы цели диссертации, обоснована её актуальность и значимостьдля развития вакуумной науки и техники, приведены задачи исследования,научная новизна и защищаемые научные положения.Вторая глава посвящена разработке математической модели процессаоткачки газа молекулярно-вязкостным вакуумным насосом на основе новогометода расчета откачных параметров МВВН в молекулярно-вязкостном режиметечения газа.

Разработанные математическая модель процесса откачки и методопределения откачных параметров насоса позволили выявить параметры,влияющие на откачную характеристику насоса, с возможностью дальнейшегоповышения эффективности действия насоса в целом.В третьей главе представлено экспериментальное исследование откачныхпараметров МВВН, приведено описание разработанного экспериментальногостенда,методикипроведенияэкспериментальногоисследования.Порезультатам экспериментального исследования представлены зависимостьизменения максимального отношения давлений от окружной скорости ротора изависимость изменения быстроты действия насоса от отношения давлений впроточной части МВВН с разными геометрическими параметрами.В четвертой главе проведено сравнение полученных экспериментальных итеоретических откачных параметров проточной части МВВН.