ВАКУУМНЫЕ ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Пластинчато-роторные вакуумные насосы (ПРВН) отличаются простотой конструкции и обслуживания, быстроходностью, воз­можностью непосредственного соединения с двигателем, хорошей уравновешенностью. Недостаток этих насосов состоит в относи­тельно высоких внутренних перетеканиях газа и механических потерях.

Насосы используют для откачивания воздуха и неагрессивных газов в металлургии, химии и нефтехимии, строительной технике, сельском хозяйстве, а также на транспорте или в установках для транспортирования сыпучих материалов, сушки бетонных покрытий, в доильных установках, а также в вакуумных системах общего назначения. Газ до поступления в насос должен быть очищен от механических примесей и капельной влаги во избежание загрязнения смазочного материала и ускорения изнашивания сопряженных деталей.

Насосы разделяют на насосы, работающие со смазочным мате­риалом и без него. При работе насосов без смазочного материала резко повышается их пожаро - и взрывобезопасность и улучшается санитарное состояние окружающей среды. Однако повышение давления газа в рабочей полости при отсутствии смазочного материала ниже повышения давления при подаче масла вслед­ствие возрастания внутренних перетеканий газа. Масло, пода­ваемое в рабочую полость насоса, уменьшает потери на трение, уплотняет рабочие зазоры и охлаждает сжимаемый газ.

Для касосов, работающих со смазочным материалом в рабо­чей полости, пластины изготовляют из стали 85, текстолита ПТ-7, асботекстолита А, стеклотекстолита СТ-1, СТЭФ-1, а для насосов, работающих без смазочного материала, — из неметаллических самосмазывающихся материалов, например графита УГ-20к, АГ-1500-Б-83, антифрикционной фторопластовой композиции ФКН-7 и др.

Насосы изготовляют в стационарном и в транспортном (пере­носном) исполнении. Быстрота действия отечественных насосов находится в пределах 0,0003 ... 0,833 м3/с. Корпус насоса имеет водяное или воздушное охлаждение. Воздушное охлаждение разделяют на принудительное (от вентилятора) и конвективное. Как правило, стационарные насосы большой быстроты действия имеют водяное охлаждение.

В зависимости от быстроты действия, типа смазочного мате­риала и режима охлаждения техническую характеристику насоса задают во всем диапазоне создаваемого им давления всасывания (от предельного до атмосферного) или только на номинальном режиме.

Одноступенчатый насос со смазыванием трущихся поверх­ностей создает предельное остаточное давление около 2 кПа, а двухступенчатый — примерно 0,5 кПа.

На рис. 21 приведена конструктивная схема насоса с пере­пускным устройством и двумя разгрузочными кольцами. В не­подвижном корпусе 1 вращается ротор 2, в пазы которого сво­бодно вставлены пластины 3. При вращении ротора пластины под действием центробежных сил прижимаются ко внутренней поверхности колец.

Всасывание, сжатие и нагнетание газа осуществляется при изменении объемов ячеек, образованных эксцентрично располо­женным ротором, пластинами, корпусом и торцовыми крышками. Между ротором, кольцами и корпусом, а также между ротором и торцовыми крышками предусмотрены минимально возможные зазоры. В торцовых крышках 4 и 7 корпуса расположены вер­тикальные отверстия Б, соединенные с горизонтальным кана­лом Д. В нижней части корпуса и торцовых крышках выполняют ряд отверстий В и Е. По специальному перепускному каналу Ж газ из ячейки наименьшего объема и пространства торцовых зазоров отводится в ячейку начала сжатия, отсоединенную от всасывающего окна. При этом происходит выравнивание давлений в рабочих ячейках: давление газа в ячейке наименьшего объема падает до давления выравнивания, а в ячейке начала сжатия давление возрастает с давления всасывания до давления вы-

А-А

Равнивания. Это приводит, с одной стороны, к увеличению коэф­фициента откачки и снижению предельного остаточного давления, с другой стороны, — к увеличению удельной потребляемой на сжатие газа мощности.

Перепуск газа наиболее эффективен при больших перепадах давлений в ячейках. Поэтому его применяют обычно при давле­ниях всасывания менее 30 кПа у насоса с большим числом пла­стин (до 20).

Насосы со стальными пластинами, как правило, выполняют с разгрузочными кольцами. Выход пластин из пазов вращающе­гося ротора ограничен разгрузочными кольцами 5 и 6, вставлен­ными свободно в корпус. Внутренний диаметр разгрузочных колец меньше диаметра расточки корпуса. Поэтому между рабо­чей кромкой пластин и образующей цилиндра имеется гаранти­рованный радиальный зазор (Д~0,08 мм). Кольца свободно вращаются, увлекаемые силой трения движущихся пластин, вследствие чего путь скольжения пластин по кольцам меньше, чем по корпусу. При этом снижается мощность, затрачиваемая на преодоление трения пластин по корпусу, и уменьшается из­нос трущихся деталей, но возрастают внутренние перетекания газа через радиальный зазор. Во время работы насоса пластины не должны соприкасаться с поверхностью цилиндра.

Для выравнивания давлений снаружи и внутри разгрузочных колец в них выполнены радиальные отверстия Г малого диаметра. Толщину рза грзочных колец Ьк и их высоту /,. выбирают из конструктивных соображений обычно Ьк = (0,070 ... 0,075) R и 1К = (0,15 ... 0,20) L.

В насосах с неметаллическими пластинами, имеющими зна­чительно меньшую плотность, чем стальные, силы инерции сни­жаются в 3,5 ... 5 раз. Применение разгрузочных колец в этом случае нецелесообразно, так как уменьшение потерь на трение сопровождается увеличением внутренних перетеканий газа.

Рабочая полость ПРВН без перепуска газа (рис. 22) не герме­тична. Рабочий процесс насоса в значительной степени зависит от внутренних перетеканий газа и внешних натеканий воздуха, теплообмена, гидравлических потерь и перевального объема. Внутренние перетекания газа во всасывающую полость так же, как и внешние натекания из атмосферы через сальник и неплот­ности между корпусом и крышками в цилиндр насоса, снижают его быстроту действия. В начальный момент сжатия газа, когда давление в рабочей ячейке низкое, количество газа, перетекающего из других ячеек с более высоким давлением, превышает количе­ство газа, вытекающего из ячейки. Поэтому давление газа в ра­бочей ячейке будет возрастать быстрее, чем в теоретическом случае при отсутствии перетеканий. При дальнейшем процессе сжатия уменьшается приток газа в ячейку, но растет количество вытекающего газа. Следовательно, масса газа в рабочей ячейке в процессе сжатия не остается постоянной.

Всасывание газа сопровождается повышением его темпера­туры, так как он соприкасается с более нагретыми деталями насоса (ротором, пластинами). Температура нагнетаемого газа, определяемая политропическим процессом сжатия, выше, чем температура ротора и пластин. Таким образом, количество под­водимой и отводимой теплоты в процессе сжатия газа непрерывно изменяется. Теплообмен газа с рабочими органами ПРВН вы­зывает повышение потребляемой мощности.

Давление газа в ячейке ПРВН при всасывании и нагнетании не совпадает с давлением газа в патрубках вследствие гидравли­ческих потерь. Это приводит к снижению быстроты действия и повышению мощности на сжатие газа, а перевальный объем снижает эффективность работы насоса.

Этот насос относится к машинам с нерегулируемым отноше­нием давлений, которое в значительной мере определяется расположением кромок всасывающего и нагнетательного окон. Поэтому при изменении расчетного давления всасывания и нагне­тания в момент открытия окон наблюдается несовпадение давлений в ячейке и патрубке. Это приводит к перетеканию газа и возник­новению дополнительного шума при работе.

Индикаторные диаграммы для различных режимов работы насосов различны: расчетный режим работы —давление внутрен­него сжатия рвн равно давлению нагнетания рш, = рн (рис. 23, а); Нерасчетные режимы работы — рвн > рн (рис. 23, б) и рвн < рн (рис. 23, в). Нерасчетный режим рвн > рн наблюдается при пуске насоса, когда давление всасывания мало отличается от давления нагнетания. Изменение режима работы возникает также в про­цессе регулирования быстроты действия. Теоретический процесс сжатия газа в насосе обычно принимают политропическим. Дей­ствительный процесс сжатия газа в насосе (кривая 1 на рис. 23) вследствие наличия перетеканий газа, гидравлических потерь, теплообмена и обратного расширения отличается от теоретиче­ского (кривая 2). В результате малых дроссельных потерь на всасывании процессы всасывания действительного и теоретиче-

Ского насоса практически совпадают. Количество перетекающего газа зависит от разности давлений, режима течения, формы и размеров щели, наличия смазочного материала, коэффициента расхода, физических свойств рабочего тела, подвижности стенок щелей и др.

В начале процесса нагнетания газа площадь проходного сече­ния нагнетательного окна невелика и, следовательно, возникают заметные дроссельные потери на нагнетании. Линия процесса нагнетания действительного насоса расположена несколько выше теоретического. Дроссельные потери на нагнетании увеличиваются при постановке обратного клапана.

В реальном насосе процесс обратного расширения (как и сжа­тия) не является термодинамическим процессом с постоянной массой газа. Во время обратного расширения преобладают интен­сивные процессы перетекания газа через зазоры, причем в этот момент ячейка имеет относительно малый объем. Поэтому у реаль­ного насоса площадь индикаторной диаграммы всегда больше, чем у теоретического вакуумного насоса, в основном за счет внутренних перетеканий газа и гидравлических потерь.