ВАКУУМНЫЕ ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ

КОНСТРУКЦИИ НАСОСОВ

С момента появления первого турбомолекулярного насоса до настоящего времени создано большое число разнообразных его конструкций различной быстроты действия.

Использование насоса в качестве высоковакуумного средства откачки обусловливает выбор материалов, используемых для из­готовления деталей насоса. Корпус насоса со всасывающим пат­рубком обычно изготавливают из коррозионно-стойкой стали Х18Н10Т, что позволяет осуществлять термическое обезгаживание всасывающей полости, не вызывающее остаточных деформаций корпуса после прогрева. В качестве уплотняющих материалов (для прокладок) в насосах и затворах, соединяющих всасывающий пат­рубок с откачиваемым объемом, обычно используют медь, алю­миний, иногда индий.

Статорные рабочие колеса и неподвижные соединительные элементы в высоковакуумной полости насоса изготовляют из материалов, обладающих небольшим удельным газовыделением. Наибольшее распространение получили сплавы алюминия и кор­розионно-стойкие стали. Рабочие колеса, обычно изготовляемые из сплавов алюминия, часто выполняют из сплавов титана, поз-

Воляющих обеспечить высокую частоту вращения, что важно для увеличения быстроты действия и отношения давлений насоса. Высокие окружные скорости рабочих колес приводят, в свою очередь, к повышению требований к подшипниковым узлам и др.

В конструкциях насосов применяют две принципиальные схе­мы расположения проточной части, различающиеся характером прохождения откачиваемого потока газа в насосе: двух - и одно - поточные.

В двухпоточном насосе ТМН-200 (рис. 175) внутри цилиндри­ческого корпуса 1 со всасывающим 2 и нагнетательным 12 патруб­ками вращается ротор, установленный на двух подшипниках ка­чения 7 и 13, которые смонтированы на упругих металлических опорах 5, позволяющих уменьшить вибрацию. На валу 15 на­прессованы рабочие колеса 4 и консольно расположен ротор 10 Высокочастотного электродвигателя. Статорные обмотки 9 элект­родвигателя встроены в форвакуумную полость насоса. Масло в подшипники подается масляным насосом 11 шнекового типа, приводимым электродвигателем. Вращение от электродвига­теля к масляному насосу передается через вал, уплотняемый манжетами. В корпусе 8 форвакуумной полости и фланцах 6 И 14 выполнены канавки, по которым подводится вода для ох­лаждения электродвигателя и подшипниковых узлов. Кроме того, для предотвращения проникновения масла из подшипниковых узлов в полость электродвигателя и к последним рабочим колесам насоса на вал ротора насажены втулки, образующие с охватыва­ющими их деталями лабиринтные уплотнения.

Проточная часть насоса состоит из чередующихся между собой роторных и статорных рабочих колес 3 дискового типа. Статорные колеса представляют собой зеркальное отражение роторных; для упрощения монтажа насоса статорные колеса разрезаны по диаметру. У первых 25 колес (со стороны всасывания) угол нак­лона пазов 30", а последующих 14 ... 15°. Изменение угла а на клона необходимо для увеличения отношения давлений насоса.

В качестве первого рабочего колеса в насосе использовано статорное колесо, что несколько снижает его быстроту действия. В данном случае первое колесо выполняет функции экранной сетки.

Центральная часть вала ротора и рабочие колеса насоса изготовлены из алюминиевого сплава, корпус насоса и другие детали, расположенные в высоковакуумной части, — из стали Х18Н10Т.

Основные параметры характеристики насоса ТМН-200: бы­строта действия по азоту — 250 дм3/с, предельное остаточное давление — Ю-7 Па.

На рис. 176 дан монтажный чертеж насоса ТМН-500. Двухпо - точный насос 1, отличающийся развитой всасывающей полостью большой проводимости, установлен на основании 7 с помощью четырех амортизаторов 6. Проточная часть насоса состоит из че-

Радующихся между собой роторных и статорных колес дискового типа. Роторные колеса напрессованы на вал, который вращается на двух шарикоподшипниках, имеющих текстолитовые сепараторы. Шарикоподшипники в сборе со сферическими кольцами смонти­рованы на специальных упругих металлических рессорах.

В форвакуумную полость насоса с левой стороны встроен электродвигатель, ротор которого расположен консольно на валу ротора.

Гидрореле 4 предназначено для контроля давления воды в системе охлаждения шарикоподшипников и электродвигателя насоса. При падении давления воды в системе охлаждения ниже 50 кПа гидрореле отключает питание электродвигателя насоса.

Масляный насос 5 шнекового типа, снабженный самостоятель­ным двигателем, подает смазочный материал к подшипникам. Насос снабжен осушителем 2 с системой напуска осушенного воз­духа через клапан 3 во всасывающую полость насоса при его оста­новках для предотвращения проникновения паров масла из фор­вакуумного насоса.

Предельное остаточное давление насоса 6,65-10~7 Па, быстрота действия в диапазоне давлений 1,33-Ю-3 ... 6,65-Ю-8 Па — 500 дм3/с.

Двухпоточные насосы в сравнении с однопоточными легче поддаются балансировке и ремонту, более устойчивы к прорыву

Атмосферного воздуха, менее чувствительны к попаданию твердых частиц, вносимых с откачиваемым газом.

Однопоточные насосы проще в изготовлении, легче встраива­ются в вакуумные установки, обеспечивая возможность монтажа насоса в вакуумной системе в произвольном положении без пере­ходных присоединительных патрубков с практически полным ис­пользованием быстроты действия насоса.

Одними из главных элементов насосов, определяющих его эксплуатационные характеристики, надежность и ресурс, явля­ются высокоскоростные опоры ротора, совершенствование кото­рых в значительной мере стимулировало развитие конструкций ТМН.

Насос «Турбовак» (рис. 177) фирмы «Лейбольд—Хераус» (ФРГ) отличается смазочной системой, расположением электро­двигателя и технологией изготовления ротора. Ротор 2 насоса колоколообразной формы выполнен из одной заготовки и имеет лопатки, полученные продольным фрезерованием.

Вал 3 ротора полый, в нижней его части сделано конусное сверление вершиной вниз. Конец вала погружен в масляную ванну; при вращении масло под действием центробежной силы под­нимается вверх по валу. Над верхним подшипником насоса вы­полнены две канавки, по которым масло в виде капель поступает Э подшипник - Стекая с подшипника, масло попадает на стенки охлаждаемого корпуса 6 с проточками, обеспечивающими по­ступление масла к нижнему подшипнику, под которым располо­жен маслосборник 5. На всасывающем патрубке 1 установлена защитная сетка 7, предохраняющая внутреннюю полость насоса от попадания в нее посторонних частиц. Форвакуумный насос подсоединен к нагнетательному патрубку 4. Насос «Турбовак-450» при наружном диаметре рабочих колес, равном 240 мм, и частоте вращения ротора 400 с-1 обеспечивает быстроту действия по азоту 450 дм8/с в рабочем диапазоне давлений 1,0 ... Ю-8 Па. Отношение давлений по азоту равно 108, по водороду 104.

Главный недостаток опор со смазыванием из масляной ванны — необходимость строгого вертикального расположения насоса с ма­лым отклонением от вертикальной оси.

В 1974 г. фирма «Алькотель» (Франция) выпустила турбомо - лекулярный насос оригинальной гибридной конструкции, сво­бодный от этого недостатка.

Однопоточный насос с быстротой действия 450 дм3/с, обеспе­чивающий предельное давление до 10~8 Па, может быть располо­жен произвольно в пространстве и подсоединен к откачиваемому объему без переходных патрубков под любым углом, вплоть до установки вверх дном. В насосе применены аэростатические га­зовые подшипники.

На рис. 178 показана конструктивная схема насоса. Ротор 1 комбинированного насоса служит одновременно роторами турбо­молекулярного насоса с уменьшенным числом рабочих колес (четыре роторных 2 и три статорных 3) и цилиндрического молеку­лярного насоса 4 Хольвека. Ротор 1 насоса приводится от электро­двигателя, ротор которого расположен на валу 7.

Динамическое уплотнение 9, по существу, также представляет собой молекулярный насос Хольвека с профилированными спи­ральными канавками малых размеров (30 ... 100 мкм) на валу (на длине 50 мм) и с зазором между валом и корпусом 10 мкм. Быстрота действия газодинамического уплотнения около 5 X X Ю-2 дм3/с, отношение давлений по азоту 10е, по гелию 2,5 X X 103 и по водороду 5-Ю2 [18].

Использование газовых подшипников 5 и 8 позволило увели­чить частоту вращения ротора.

Насос представляет собой первый полностью безмасляный турбомолекулярный насос. В рабочем режиме насос может рабо­тать непосредственно с выпуском в атмосферу. Однако для его стар­та необходимо предварительное форвакуумное откачивание до давления 102 Па, которое осуществляется форвакуумным насосом с масляным уплотнением. Это в известной мере снижает достоин­ства гибридного насоса как полностью безмасляной системы от­качивания. Приводом насоса служит электродвигатель или газо­вая турбина, питающаяся от пневмосети. Сжатый воздух для пи­тания аэростатических подшипников требует высокой степени очистки,

Отрицательная особенность конструкции насоса заключена в необходимости очень малых зазоров и связанных с этим жестких требований к изгото­влению и эксплуатации. В свя­зи с этим насос не получил широкого распространения.

Фирмой «Лейбольд—Хера - ус» (ФРГ) разработан первый промышленный образец насоса «Турбовак-550М» (рис. 179) с электромагнитными опорами ро­тора. Ротор насоса подвешен на электромагнитных активных опорах — одной осевой и двух радиальных. Внутри полого ро­тора 5 расположен опорный стержень 3. Между двумя ра­диальными магнитными подшип­никами 6 размещен электродви­гатель 7. В верхней части ро­тора расположен осевой магнит­ный подшипник 4. В нижней 1 И верхней 2 частях стержня установлены шарикоподшипни­ки с трением без смазочного

Материала, на которые ротор садится при остановке насоса и аварийном отключении питания.

При работе насоса, т. е. при вращении ротора, между наруж­ными кольцами шарикоподшипников и ротором устанавливается зазор примерно 0,1 мм и шарикоподшипники не работают. При остановке насоса зазор выбирается и ротор тормозится на шари­коподшипниках.

Применение магнитных подшипников снижает уровень виб­раций.

К недостаткам насоса следует отнести достаточно сложную систему управления с громоздким электронным блоком, недоста­точную жесткость магнитных опор, исключающую произвольное размещение насоса в пространстве (допустимое отклонение от вертикали не более 15°), сложность балансировки.

В середине 80-х годов фирмой «Лейбольд—Хераус» изготовлены конструкции ТМН с консистентной смазкой подшипников ротора «Турбовак-1000» и «Турбовак-50» [19]. Особенностью этих насосов является модульность конструкции, базирующаяся на использова­нии шпиндельного принципа опор. Ротор насоса «Турбовак-1000» (рис. 180) выточен из цельной заготовки и насажен на верхний конец вала шпинделя, представляющего собой собранный под-

Шипниковый узел; на нижнем конце вала шпинделя размещен ротор двигателя - Шпиндельное устройство обеспечивает высоко­точную установку подшипников во втулке шпинделя. Точный предварительный натяг подшипников, кроме того, гарантирует низкий уровень вибрации и малый износ подшипников при работе насоса в любом рабочем положении. Собранные ротор, шпиндель и ротор двигателя представляют собой единый вращающийся мо­дуль, который при необходимости извлекают из насоса. Модуль­ная конструкция обеспечивает оптимальную балансировку ро­тора, которая может быть осуществлена вне насоса.

Фирмой «Осака Шинку Кики К°» (Япония) создан насос типа TG550 с шарикоподшипниковыми опорами ротора, на валу ко­торого последовательно установлены турбинные и молекулярные колеса. Насос работает при выпускном давлении 400 ... 500 Па с большой быстротой действия в области повышенных давлений. В области сверхвысокого вакуума его быстрота действия состав­ляет 500 дм3/с, а при давлении всасывания 10 Па — 130 дм3/с.

Основными направлениями развития конструкций ТМН сле­дует считать:

Создание и совершенствование насосов с шарикоподшипнико­выми опорами ротора;

Использование системы консистентной смазки шарикопод­шипников, обеспечивающей их повышенную надежность и дол­говечность, а также возможность работы ТМН при произвольной ориентации в пространстве;

Переход к модульной конструкции шпиндельного типа враща­ющегося узла ТМН (вал с подшипниковыми опорами, ротор на­соса, ротор двигателя — единый съемный узел, обеспечивающий простоту и надежность эксплуатации);

Расширение области рабочего давления ТМН в сторону увели­чения давления всасывания путем создания комбинированной проточной части, состоящей из последовательно установленных на одном валу эффективных колес турбонасоса, молекулярных и вихревых рабочих колес.

Технические характеристики ТМН, выпускаемые отечественной промышленностью, приведены в табл. 7.2.