ВАКУУМНЫЕ ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ

ТУ РБОМОЛ Е КУЛ Я РН Ы Е ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ

Турбомолекулярные вакуумные насосы (ТМН), относящиеся к кинетическим вакуумным насосам (вакуумным турбонасосам), широко используют для откачивания газов в области давлений всасывания вплоть до Ю-8 ... Ю-10 Па из различных объектов, используемых в электротехнической, электронной, атомной, авиационной, химической и других отраслях промышленности.

Насосы обладают следующими достоинствами: не «загрязняют» откачиваемый объем парами углеводородов или другими рабочими телами в сравнении с другими высоковакуумными насосами, на­пример диффузионными, с распылением титана; имеют быстроту действия, мало изменяющуюся при откачивании газов и паров с различной молекулярной массой; просты в обслуживании, на­дежны и в работе; стойки к прорыву атмосферного воздуха.

Турбомолекулярные насосы применяют в установках напыле­ния металлов, масс-спектрометрии, ускорителях. элементарных частиц, установках для имитации космических условий и др.

Конструктивная схема двухпоточного насоса, предложенного Беккером, представлена на рис. 152, а. В корпусе 2 с установлен­ными в нем неподвижными статорными дисками 4 вращается ротор 1, представляющий собой вал с расположенными на нем рабочими колесами 3, которые выполнены в виде дисков с выфре - зерованными косыми радиальными пазами или в виде лопаточ­ных колес; их лопатки установлены под определенным углом к тор­цовой поверхности втулки. Когда рабочие колеса выполнены в виде дисков с прорезями, в статорных колесах такой же формы прорези выполняют зеркально по отношению к прорезям ротор­ных колес. Если рабочие колеса имеют лопатки, то и статорные колеса выполняют с лопатками, обычно с тем же углом установки, но зеркально отраженными по отношению к углу установки лопа­ток рабочего колеса. Для удобства монтажа статорные колеса разрезают по диаметру.

Ротор насоса устанавливают на подшипниках качения. Всасы­вающий патрубок выполнен в средней части корпуса. Нагнета­тельные полости, расположенные по торцам корпуса насоса, объединены общим патрубком, к которому подсоединен форва - куумный насос.

Наибольшее распространение получили однопоточные насосы (см. рис. 152, б), отличающиеся, как правило, меньшим сопро-

Тивлением на всасывании. Насос приводится в движение от элек­тродвигателя, ротор которого обычно расположен на валу насоса. В насосе допускаются сравнительно большие осевые и радиальные зазоры (до 1,0 ... 2,5 мм) в зависимости от размеров рабочих колес.

Масс-спектрометрические измерения парциальных давлений в откачиваемом объеме и экспериментальные данные турбомоле - кулярных насосов при стендовых испытаниях и в реальных усло­виях их работы на откачных постах свидетельствуют об их высо­ких эксплуатационных характеристиках и, в частности, об обеспе­чении ими безмасляного откачивания. При эксплуатации этого насоса ТМН, особенно при его остановке и последующем пуске, необходимо для обеспечения чистоты вакуума соблюдать некото­рые меры предосторожности, заключающиеся в предотвращении проникновения паров углеводородов через остановленный насос в откачиваемый объем. Проникновение паров масла из форвакуум - ного насоса часто удается предотвратить напуском во всасываю­щую полость насоса осушенного воздуха. При пуске, через не­сколько минут после включения, когда вращающийся ротор на­соса преграждает возможное проникновение паров углеводородов во всасывающую полость насоса, открывается клапан, устано­вленный на трубопроводе, соединяющем форвакуумный насос с ТМН. После достижения номинальной частоты вращения ротора ТМН всасывающая полость насоса соединяется с откачиваемой полостью.

Впервые процесс перехода молекул газа через межлопаточные каналы рабочего колеса с лопатками, установленными под опре­деленным углом к его торцовой поверхности, был рассмотрен Крюгером и Шапиро [20]. После столкновения с лопаткой колеса в точке А (рис. 153) молекулы газа рассеиваются в соответствии с диффузным законом. По принятой Крюгером и Шапиро теорети-

Ческой модели, молекулы, попавшие в плоскость угла аг, возвра­щаются на сторону /—/; попавшие в плоскость угла уг, переходят на сторону II—II, а попавшие в плоскость угла plf или остаются на стороне I—/, или переходят на сторону II—II. После соуда­рения молекул с лопаткой колеса в точке В (со стороны II—II) Происходит их рассеяние по углам а2, "у2, |32. Сопоставление соот­ветствующих углов а^ Yxi Pi и Тг> Рг» характеризующих воз­можность перехода молекул на противоположные стороны, пока­зывает, что вероятность перехода молекул газа из области I—I в область II—II больше вероятности перехода молекул из об­ласти II—II в область 1—I.

Аналогичные рассуждения могут быть проведены и для поясне­ния процесса перехода молекул газа, находящихся в хаотиче­ском тепловом движении, через выфрезерованные косые радиаль­ные пазы дискового рабочего колеса.

Откачная характеристика насоса — зависимость быстроты дей­ствия от давления всасывания — определяется, прежде всего, откачными характеристиками рабочих колес, определяемыми двумя основными параметрами: максимальной быстротой откачки при отношении давлений, равном единице, и максимальным отно­шением давлений при быстроте откачки, равной нулю.

Теоретические выражения максимальной быстроты откачки рабочего колеса и создаваемого им максимального отношения давлений в зависимости от геометрических параметров межлопа­точных каналов или пазов определяют, исходя из теоретических моделей перехода молекул газа через колесо с учетом законов взаимодействия их со стенками межлопаточных каналов.

Переход молекул газа через вращающееся рабочее колесо насоса обусловлен различием сопротивлений межлопаточных каналов, образованных двумя соседними лопатками или стен­ками выфрезерованного паза, потокам молекул газа с противо­положных сторон. Количество газа, проходящего на противо­положную сторону колеса, определяется числом молекул, попав-

Тпт

0)

Рис. 154. Откачные характеристики: А — рабочего колеса; б — насоса

Ших во входные сечения межлопаточных каналов или пазов, и ве­роятностью перехода молекул, которая выражается частью об­щего числа молекул_газа, попавших в торцовое сечение межлопа­точных каналов и перешедших на его противоположную сторону. Она зависит от геометрических параметров канала, соотношения окружной скорости колеса и скорости теплового движения моле­кул, а также закона взаимодействия молекул со стенками меж­лопаточных каналов.

В установившемся режиме при равенстве температур газа и неизменности функций распределения молекул по их тепловым скоростям на сторонах пониженного /—I и повышенного II—II Давлений число молекул, переходящих через вращающееся рабо­чее колесо, выражается уравнением

Nu^Kn,

Где Nj, NJj— концентрации молекул газа на стороне соответственно понижен­ного и повышенного давления; — среднеарифметическая скорость теплового движения молекул; К — результирующая вероятность перехода молекул через межлопаточные каналы рабочего колеса; Kj, KJj—вероятность перехода моле­кул со стороны соответственно пониженного и повышенного давления.

Значения К, Ki и Кп для данного радиального сечения меж­лопаточных каналов или пазов являются постоянными и не за­висят от концентрации молекул или давления.

Из этого уравнения следует, что результирующая вероятность перехода молекул через рабочее колесо, пропорциональна бы­строте откачки:

К = К,- КпТ,

Где т = NJ/NJj— отношение концентраций (давлений).

Анализ этого уравнения показывает, что зависимость теку­щего значения К, а следовательно, и быстроты S откачки ра­бочего колеса от отношения давлений линейная.

Максимальное значение К, пропорциональное максимальной быстроте откачки Smax (м3/с), соответствует отношению давлений на рабочем колесе т = 1,0, причем

ЗбМжУт/м,

Где F — суммарная площадь входа в меж­лопаточные каналы рабочего колеса, м2; Т — температура газа, К; М — молеку­лярная масса.

Максимальное отношение да­влений при S = О

Tmax = K-LlK-U-

Таким образом, для опреде­ления откачной характеристики рабочего колеса ТМН (рис. 154, о) необходимо определить два основных параметра — Sraax (/Сгаах) и t^.

Геометрическая структура межлопаточного канала (рис. 155) характеризуется углом а установки лопатки или наклона паза и отношением ширины а канала к его длине Ь.

На рис. 154, б приведена откачная характеристика турбомо­лекулярного вакуумного насоса, т. е. зависимость быстроты дей­ствия насоса S от давления р всасывания. Если не принимать во внимание влияние внутреннего газовыделения, то в широком диапазоне изменения давления всасывания быстрота откачки практически остается постоянной. Лишь все увеличивающееся влияние внутреннего газовыделения при уменьшении давления всасывания приводит к резкому снижению быстроты действия. При наступлении в проточной части насоса или во всем пакете рабочих колес переходного или вязкостного режимов течения, что имеет место при увеличении давления всасывания, также насту­пает резкое уменьшение быстроты действия.