Диссертация (Разработка математической модели процесса откачки газа и метода расчета откачных параметров молекулярно–вязкостного вакуумного насоса в молекулярно–вязкостном режиме течения газа), страница 4

Прииспользовании газовых и магнитных опор ресурс работы насоса практически неограничен. При использовании подшипников качения ресурс насоса ограниченресурсом самого подшипника. Ресурс криосорбционных и электрофизическихнасосовограниченвременемнасыщениярабочихэлементовнасосаоткачиваемым газом и необходимостью регенерации насосов. Время выхода нарежим механических насосов не велико, менее 15 минут. В то же времякриосорбционные вакуумные насосы такой же быстроты действия выходят нарежим дольше: насосы фирм SHI Cryogenics, Austin Scientific и др. не менее 150мин, ООО НТК «Криогенная техника» 75 мин.

Не менее 40 мин требуетсядиффузионному насосу для выхода на рабочий режим.МВВН может работать во всех режимах течения газа. Режим течения газазависит от давления, рода газа и геометрических размеров каналов насоса. Восновноммолекулярно-вязкостныйрежимтечениягазасоответствуетдавлению на всасывании МВВН от 1 до 103 Па в зависимости от геометрииканала.

Для большинства низковакуумных насосов (ротационно–пластинчатые,спиральные, кулачково–зубчатые, мембранные, винтовые) данный диапазондавлений соответствует предельному остаточному давлению. Поэтому можносказать, что МВВН в сравнении с рядом низковакуумных насосов будет иметьпреимущество в большем диапазоне рабочих давлений, большей быстротедействия, массогабаритных характеристиках, отсутствии паров углеводородов,загрязняющих откачиваемый объем, в отличие от маслозаполненных насосов.Из рассмотренных выше достоинств и недостатков высоковакуумныхнасосов можно утверждать, что МВВН и комбинированный ТМН с22молекулярно–вязкостной проточной частью являются конкурентно способныминасосами. С их помощью можно добиться требуемой чистоты вакуума вшироком диапазоне быстрот действия и давления газа, минимизироватьгабариты и стоимость установки.1.2.

Принцип действия молекулярно-вязкостного вакуумного насосаМолекулярно – вязкостный вакуумный насос (Рисунок 1.1.) [10 – 32]состоит из корпуса 1, в котором вращается вал 2.Рисунок 1.1. Молекулярно-вязкостный вакуумный насос1 – корпус; 2 – вал; 3 – проточная часть насоса; 4 – всасывающий патрубок;5 – нагнетательный патрубокНа вал устанавливается ротор проточной части насоса, а в корпусустанавливается статор проточной части насоса (Рисунок 1.2.).

Газ поступает внасос через всасывающий патрубок 4 и разделяется на два потока, проходитчерез проточные части насоса 3 к форвакуумным патрубкам 5. Газ, поступая в23форвакуумную зону насоса, откачивается дополнительным форвакуумнымнасосом или выходит в атмосферу при работе МВВН без форвакуумногонасоса.Проточнаячастьмолекулярно-вязкостноговакуумногонасосаобразована винтовыми каналами на смежных поверхностях рабочих элементов,т.е. на роторе и статоре (Рисунок 1.3.).абРисунок 1.2. Проточная часть молекулярно-вязкостного вакуумного насоса сразличными профилями каналова – трапеция; б – эллипсПринцип действия молекулярно–вязкостной проточной части вакуумногонасоса [29 – 30] заключается в том, что молекулы газа, попадая в каналы ротораи статора, получают дополнительное количество движения относительноканалов в направлении откачки.

Дополнительное количество движениямолекулы газа получают от вращающегося ротора при перемещении газа поканалам статора. За счет торможения молекул газа при столкновении состатором, они получают дополнительное количество движения относительноканалов ротора. Приращение динамического давления в каналах роторапреобразуется в статическое давление в неподвижных каналах на статоре.Следовательно, происходит увеличение создаваемого давления по всей длинеканала.24Рисунок 1.3.

Расположение каналов проточной части МВВН1 – ротор; 2 – статорПерепад давлений воздействует на частицы газа в направлении, близким кнаправлению нормали к каналу, а импульс количества движения передаетсямолекулам газа в направлении, перпендикулярным к оси z, т.е. практически вовзаимно перпендикулярных направлениях. Воздействие каналов на молекулыгаза приводит к движению молекул газа по спирали.Молекулы газа, переходя из ротора в статор, движутся по траектории,повторяющей профиль канала, и возвращаются в новый канал ротора,смещенный относительного предыдущего в зависимости от частоты вращенияротора. Движение газа со стороны всасывания на сторону нагнетания впределах проточной части происходит по траектории схожей с винтовойлинией.

С учетом того, что канал расположен под углом к торцевой частиротора, боковая поверхность канала действует как направляющая для движениягаза со стороны всасывания на сторону нагнетания.Течение газа в проточной части МВВН определяется взаимодействием газас поверхностью. Для того чтобы улучшить откачную характеристику насосанеобходимо выявить влияние основных параметров на течение газа впроточной части насоса. К таким параметрам можно отнести: геометрию25канала; окружную скорость периферии канала ротора; зазор между ротором истатором; число каналов; угол наклона образующей канала к образующейцилиндра; шероховатость поверхности; температуру газа и др.Одним из основных параметров определяющих откачную характеристикупроточной части является профиль канала (Рисунок 1.4.).

В качестве формыканаларассмотрены:прямоугольный,трапецеидальный,треугольный,многогранный, полукруглый, эллипсоидный профили.Рисунок 1.4. Профиль каналов молекулярно–вязкостной проточной частиа – прямоугольный; б – трапецеидальный; в – треугольный;г – многогранный; д – эллипсоидный; е – полукруглый26Процесс откачки молекулярно–вязкостной проточной частью насосаоснован на принципе относительного движения.

Предполагается одинаковоевлияние относительной скорости движения ротора и статора при симметричномрасположении каналов на перемещение газа в соответствующих каналах.Каналы на роторе при их движении вдоль каналов на статоре играют рольлопаток перемещающих газ. Каналы на статоре при движении относительноканалов на роторе играют роль лопаток перемещающих газ вдоль каналов нароторе. Для обеспечения течения газа в проточной части, профили на статоре ироторедолжныбытьодинаковойформы.Расположениеканаловнаповерхности ротора и статора выполнено с одинаковым углом, но с разнымнаправлением относительно торца проточной части (Рисунок 1.5.).

Какпоказывают теоретические и экспериментальные исследования, наилучшимобразом работают симметричные каналы с одинаковым углом наклона боковойстенки к основанию канала, одинаковой формой каналов в одной проточнойчасти, т.к. именно в этом случае возникает симметричность потока.Рисунок 1.5. Схема расположения каналов на поверхностях ротора и статора1 – каналы на поверхности ротора, 2 – каналы на поверхности статораПомимо формы профиля канала необходимо учитывать его высоту h,ширину b, угол наклона боковой стенки канала к его высоте α, длину L и число27каналов N.

Варьируя этими параметрами можно улучшить откачнуюхарактеристику насоса или при заданных откачных параметрах насосасократить его массогабаритные характеристики. Для выявления влиянияпрофиля канала, обеспечивающего наилучшие откачные параметры насоса,необходимо рассматривать каналы с одинаковой эффективной площадью.Только в этом случае их можно сравнивать друг с другом.Особенностью молекулярно–вязкостной проточной части является остраякромка δкр, определяемая расстоянием между каналами на периферии ротора Dри статора Dст [29 – 30]. В данном случае загромождение канала образуетсяпересечением поверхностей кромок ротора и статора.

В связи с тем, что ширинакромки стремится к минимальному значению, величиной загроможденияканала можно пренебречь. Таким образом, процессом перетекания газа череззазоры можно пренебречь, если рассматривать данный процесс в виде потерьопределенного количества газа переходящего из полости большего давления вполость меньшего давления.При изготовлении проточной части возникают существенные сложности,связанные с технологической особенностью выполнения каналов, так каквозможно появление несимметричного профиля, что отрицательно скажется натечении газа.

Придальнейшихтеоретических расчетахи полученииэкспериментальных данных считается, что профвиль каналов симметричен.Логично предположить, что увеличение скорости вращения ротораприведет к улучшению откачных параметров насоса. Однако увеличениескорости вращения ротора ограничено прочностными свойствами материаларотора и его расширением под действием центробежных сил, что в своюочередь приведет к уменьшению зазора, либо стачиванию кромок проточнойчасти.Немаловажным фактором, влияющим на откачные характеристики,является зазор между ротором и статором.

Его значение в статическомсостоянии колеблется в диапазоне от 5·10-5 м до 3·10-4 м в зависимости отвысоты каналов. Такое увеличение зазора по отношению к зазору в28молекулярной проточной части позволяет облегчить сборку насоса иуменьшить затраты на его изготовление. Насос работает при высоких частотахвращения ротора, из – за чего увеличение диаметра ротора происходит нетолько под действием центробежных сил, а также за счет тепловогорасширения. Эти факторы приводят к уменьшению величины зазора ипоявляется возможность соприкосновения вершин каналов ротора и статора,что в свою очередь может привести к стачиванию проточной части илизаклиниванию роторов.1.3.

Выбор и обоснование метода расчета безмасляного молекулярновязкостного вакуумного насосаПринцип действия МВВН заключается в том что, из вакуумной камерыоткачка газа производится вследствие придания дополнительного импульсаколичества движения молекулам газа движущейся поверхностью в направленииоткачки. Аналогично работает МВН, но он отличается от МВВН и поконструкции, и по принципу действия.

Тем не менее, создавая математическуюмодель процесса откачки газа МВВН, можно опираться на существующиематематические модели течения газа в проточных частях МВН.МВН по расположению оси вала подразделяют на горизонтальные ивертикальные, которые в свою очередь, отличают конфигурацией роторанасоса.