ВАКУУМНЫЕ ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ

РАСЧЕТ ОТКАЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Откачная характеристика турбомолекулярного вакуумного насоса определяется предельным остаточным давлением, рабочей быстротой действия и форвакуумным давлением.

Предельное остаточное давление, создаваемое насосом при молекулярном режиме течения газа на стороне нагнетания, зави­сит от числа ступеней, потоков газовыделения с внутренней по­верхности корпуса и деталей ротора, расположенных в полости всасывания, быстроты действия насоса, а также степени герме­тичности рабочей полости насоса.

Рабочая быстрота действия насоса зависит от геометрии меж­лопаточных каналов или пазов колес и согласованности их харак­теристик.

Конструктивное выполнение турбомолекулярных вакуумных насосов обеспечивает сравнительно высокую герметичность рабо­чей полости, поэтому предельное остаточное давление прежде всего зависит от потоков газовыделения с внутренней поверхности корпуса, участка вала, расположенного в полости всасывания, а также с торцовых поверхностей рабочих колес, обращенных к полости всасывания. В настоящее время корпуса насосов, как правило, изготовляют из хромоникелевой коррозионно-стой­кой стали 12Х18Н10Т, а рабочие колеса — из алюминиевых или титановых сплавов.

Исследование газовыделения хромоникелевых коррозионно- стойких сталей показало, что потоки газовыделения и состав выделяемых газов зависят от качества обработанной поверхности, температуры прогрева ее в высоком вакууме, а также наличия окисных пленок.

Средний удельный поток газовыделения для коррозионно- стойкой стали с тщательно очищенной поверхностью после про­грева в высоком вакууме составляет 3-10~8... 3- Ю-10 Па• м3/(с• м2). Потоки газовыделения с поверхности алюминиевых и титановых сплавов зависят также от химического состава, структуры, тем­пературы и времени обезгаживания поверхности окисных пленок. Средний удельный поток газовыделения с поверхности алюминие­вых и титановых сплавов после прогрева в высоком вакууме состав л яет (2 ... 5) 10"7 Па • м3/(с • м2).

Предельное остаточное давление (Па), создаваемое насосом без учета натекания газа при возможной малой негерметичности,

PnP = 'LFlqt/S, (7.23)

Где Fi — участок поверхности газовыделения, м2; Qt — удельный поток газовы­деления, Па-м®/(с-м2); S — рабочая быстрота действия насоса, м3/с.

Общее отношение давлений для насоса

П

= = (7.24)

Рпр.=,

Где рф — форвакуумное давление; тг — рабочее отношение давлений, создавае­мое T-м колесом.

Быстрота откачки первого рабочего колеса Soi = S± + И± (Tj. — 1),

Где IS — объем газа, откачиваемый первым и всеми последующими рабочими ко­лесами насоса, Sx = SH ф - Qra. всJP — заданная быстрота действия насоса; % — проводимость кольцевого радиального зазора; щ (тх —1) — объем газа, перетекающего через радиальный кольцевой зазор, откачиваемый только первым колесом.

Проводимость кольцевого радиального зазора [7]

(7.25,

T-де R — универсальная га овая постоянная, Дж/(К-моль); Т — абсолютной температура газа, К", М — молекулярная масса; а — длина окружности коле­са, м; B — радиальный зазор, м; I — ширина колеса, м; Г" — коэффициент, зависящий от размеров зазора (рис. 174).

Для азота при 293 К

Щ = 314 а№Г"П.

Для I-то рабочего колеса

Sot = St + Ui (тT — 1).

Здесь

St = + - SHjffli. (7.26)

' Ъ-i ^ Pi v '

ГДе QrB. Пр поток газовыделения с поверхности между (T — 1)-м и I-М коле­сами,

1=п

QrB. Пр t = FjiQjl /= 1

(J — порядковый номер участка поверхности газовыделеиия перед T-м колесом); Pi — давление всасывания T-Ro колеса.

Рабочее отношение давлений, создаваемое t-м колесом, с уче­том перетекающего газа и газовыделения,

X-i — Тщахд I о (Tmaxni 1)> (7.27)

^шах I

Где ттах д£—максимальное отношение давлений, создаваемое T-м колесом, с уче­том перетеканий газа через радиальный зазор,

Tmax I = ^гпах *Ттах T (Ттах I 1) ^ 2gj

<Smax l~~ui (Ттах I — 1)

Определение откачной характеристики насоса основано на согласованности последовательно работающих роторных и статор - ных колес, характеризуемой уравнением потока Q = Sp = const.

Результаты теоретического исследования влияния геометрии межлопаточных каналов рабочих колес, а также основных пара­метров на откачную характеристику турбомолекулярного ваку­умного насоса показали, что предельное остаточное давление, создаваемое насосом, определяется потоком газовыделения с внутренней поверхности корпуса насоса и деталей ротора, рас­положенных в полости всасывания (при пренебрежении натека - нием газа из окружающей среды и возможно малой негерметич­ности насоса), рабочей быстротой действия и числом ступеней. Применение в насосе рабочих колее с малыми углами а наклона паза или лопатки в последних ступенях уменьшает предельное остаточное давление только при малом газовыделении по сравне­нию с быстротой действия. При сравнительно больших потоках газовыделения с Целью улучшения откачной характеристики на­соса для рабочих колес следует выбирать открытую структуру меж­лопаточных каналов с углом а — 35 ... 40°, так как достижение минимального давления в этом случае возможно только за счет

Увеличения рабочей быстроты дей­ствия насоса.

Критерием для выбора опти­мального варианта проточной ча­сти насоса при заданных усло­виях служит минимальный услов­ный объем пакета рабочих колес ]/у = nDlzlA. При увеличении на­ружного диаметра D2 число z ко­лес, необходимое для обеспечения заданного отношения давлений, уменьшается вследствие относи­тельного снижения влияния на быстроту действия и создавае­мое отношение давлений газовы­деления с внутренних поверх­ностей насоса и перетеканий через радиальные зазоры. При нарушении молекулярного режима течения газа в проточной части (при смещении рабочей зоны характеристики насоса по условиям эксплуатации в область повышенных давлений) число колес дол­жно быть увеличено. Проточную часть насоса рекомендуется вы­полнять двух - или трехсекционной, причем в первой секции следует применять рабочие колеса с открытой структурой меж­лопаточных каналов (а = 35 ... 40°, а/Ь«1,3 ... 1,0), а в по­следней — колесо с а = 20 ... 10° и alb л* 0,9 ... 0,6.

Форвакуумный насос должен обеспечивать молекулярный ре­жим течения газа за последним рабочим колесом на нагнетании ТМН. При этом во всем диапазоне изменения давления всасыва­ния ТМН быстрота действия форвакуумного насоса не должна быть меньше быстроты действия ТМН, приведенной к условиям наг­нетания.

Как следует из теоретических и экспериментальных характери­стик ТМН, при повышении давления всасывания примерно до р = 0,1 ... 1,0 Па в рабочих колесах насоса возникает молеку - лярно-вязкостный или вязкостный режим течения газа, вслед­ствие чего резко уменьшаются быстрота действия насоса и созда­ваемое им отношение давлений.

В настоящее время в качестве форвакуумных насосов обычно используют плунжерные масляные насосы, которые при быстроте действия S = 0 создают давление в пределах 1 ... Ю-1 Па.

Результаты экспериментального исследования влияния фор­вакуумного давления на предельное остаточное давление, созда­ваемое ТМН, показали, что предельное давление всасывания, до которого быстрота действия не зависит от р, составляет Ю-1... 1,0 Па. Учитывая, что отношение давлений, создаваемое ТМН при работе на этих режимах, равно примерно Ю2, следует счи­тать, что промежуточное давление, т. е. давление нагнетания ТМН и давление всасывания форвакуумного насоса, не должно
превышать 65 ... 130 Па. При этом значении промежуточного давления быстрота действия форвакуумного насоса и быстрота действия ТМН, увеличенная на поток газовыделения в нагнета­тельной линии, должны быть одинаковыми.

Применение в качестве форвакуумных насосов вакуумных насосов, создающих давление ниже 10-1 Па, целесообразно лишь тогда, когда ТМН создает меньшее отношение давлений, чем от­ношение давления всасывания предполагаемого форвакуумного насоса к предельному давлению, определяемому уравнением (7.23), т. е. тогда, когда отношение давлений, создаваемое ТМН, определится числом ступеней, а не потоком газовыделения с внутренней поверхности корпуса насоса и деталей ротора.

Порядок расчета откачной характеристики ТМН следующий.

1. Выполняют газодинамический и прочностной расчеты ра­бочих колес и определяют их объемные характеристики и размеры.

2. Определяют суммарный поток газовыделения с внутренней поверхности корпуса и деталей ротора, расположенных в полости всасывания насоса QrB. вс, а также между рабочими колесами

Q. E. пр I •

3. По уравнению (7.23) проверяют предельное остаточное давление.

4. Выбирают форвакуумный насос, обеспечивающий за по­следним колесом ТМН молекулярный режим течения газа.

5. Определяют число рабочих колес (роторных и статорных), последовательно подсчитывая отношение давлений, создаваемое каждым колесом, начиная с первого, до достижения форвакуум­ного давления, а также определяют отношение давлений по урав­нению (7.24). При этом считают, что полезная быстрота откачки первого рабочего колеса, а следовательно, быстрота действия всего насоса SH = 0, что соответствует минимальному потоку газа. Таким образом, быстрота откачки первого колеса складывается из потока газовыделения на всасывании и потока газа, перете­кающего через радиальный зазор, т. е.

Sol = QrB. вс//?пр (ti — 1).

Отношение давлений, создаваемое первым колесом, определяют по формуле (7.27).

Давление перед i-м рабочим колесом

Pi = Pi-iti-i- (7-29)

6. Задаваясь значениями потока газа в пределах от фт1Пф до 5гаахрф, определяют расчетные точки откачной характеристики насоса во всем диапазоне давления всасывания.

Определяемый потоком газовыделения минимальный поток газа, приходящийся на форвакуумный насос,

I—ti

Qmin ф = QrB. ВС + И Q гв. пр I + Q гв ф>

Где фи,, ф— поток газовыделения В нагнетательной полости ТМН (после послед­него рабочего колеса).

По характеристике форвакуумного насоса с учетом <2Ф = = Qmm Ф уточняют Рф, а затем рпр.

Отношение давлений на последнем рабочем колесе

_ ____________ Ттах д. IT'S max д_________

П Smax н (Sn+l — QrB. ф/Рп+l) (Ттах д. п — 1) '

Где Sn+i = Qmin ф!ртъ Pn+i = Рф-

Для t'-ro колеса

^_________________ Ттах Дг^тахг_____________

1 Smax i (St+i QrB. пр i+i/Pi+l) (Ттах Д1 — 1)

По значению тп определяют быстроту действия последнего колеса

5П = (5п+1 ------ Qru. ф/Рп+l) Т-п-

Давление перед последним колесом рп = рф/тп.

Далее в той же последовательности определяют т;, Pt Для всех колес до первого. Таким образом, определяют истинное значение рпр.

Часто требуется определять откачную характеристику по рабочему давлению всасывания Pv, соответствующему заданной быстроте действия SH. В этом случае при определении числа ступе­ней быстроту откачки первого рабочего колеса определяют с уче­том заданной быстроты действия насоса, т. е. по формуле

Sat = Sn + QVb. вс/Pv + "i Fa - !)•