ВАКУУМНЫЕ ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ МЕЖЛОПАТОЧНОГО КАНАЛА РАБОЧЕГО КОЛЕСА, ТЕМПЕРАТУРЫ И РОДА ОТКАЧИВАЕМОГО ГАЗА НА ОТКАЧНУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ

Основные параметры откачной характеристики рабочего колеса насоса с различными а и а! Ь прежде всего зависят от отно­шения окружной скорости колеса к наиболее вероятной скорости
О А ^А^Т— ^

TOC o "1-3" h z Е

ОА —I ■ S

I

0,1 —— | "I ~"1 'ч —ч 3

Г

О_________________________ 1

0,4 0,6 0,8 1,0 1,г 1,4 а/6 0,4 0,6 0,8 1,0 Г, г 1,4 а/6 А) 6)

Рис, 163. Зависимость Kmsx= f (alb) (а) и Tmax= / (alb) (б) при а = 35°

Теплового движения молекул (рис. 163). Чем больше U/Va, тем больше Ктах (ИЛИ Smax) И Tmax.

Ha рис. 163 представлены зависимости Ктах и тшах от Alb При A = 35° и UlvH — 0,2; 0,4; 0,6; 0,8, определенные по уравне­ниям (7.7) и (7.8). Как видно из рисунка, максимальное значение Ктах соответствует Alb = 1,0 ... 1,4 и увеличивается с возра­станием окружной скорости; значения ттах увеличиваются с воз­растанием U/Va и уменьшением Alb.

На рис. 164 представлены зависимости КтаЛ (а) при Alb = = var и Ктах = F (Alb) при A = var, определенные по уравне­нию (7.3). Оптимальное значение угла (а= 35 ... 40°), которому соответствует наибольшее значение Ктах, обусловлено скоростью движения межлопаточного канала, в результате чего вероят­ность перехода молекул с одной стороны на другую имеет различ­ные значения. Чем меньше а, тем меньше значение вероятности перехода молекул с противоположных сторон, т. е. по абсолютной величине разность К — Кц уменьшается. В то же время при увеличении угла (а > аСпт) взаимодействие молекул газа с по­верхностью межлопаточного канала при переходе на противопо­ложные стороны колеса оказывает выравнивающее действие на значения Кг и Кц и при а = Jt/2 Ki = Кц.

Анализ зависимостей К Max = F (A/B) (рис. 164, б) позволяет также найти оптимальное соотноше­ние между длиной и шириной канала, обеспечивающее наибольшую раз­ность вероятностей перехода молекул с одной стороны рабочего колеса на другую. Чем уже (длиннее) канал (меньше alb), тем меньше вероят­ность перехода молекул через меж - лопаточные^, каналы с противополож­ных сторон, что приводит к умень­шению разности вероятностей. При увеличении alb снижается взаимодействие молекул с поверх­ностью межлопаточного канала при переходе, т. е. возрастает число молекул, перешедших через межлопаточный канал без соударений со стенками, что приводит к уменьшению разности Ki — /Сц.

Зависимость максимального отношения давлений ттах = F (а), определенная по уравнению (7.4), приведена на рис. 165. При увеличении угла а возрастают значения вероятностей перехода с противоположных сторон, что приводит к уменьшению макси­мального отношения ттах давлений.

Для узких каналов (при уменьшении Alb) усиливающееся взаимодействие молекул газа с поверхностью межлопаточного канала приводит к увеличению отношения давлений при умень­шении а. При больших значениях Alb возрастает число молекул, переходящих через межлопаточный канал без соударений.

Из данных, представленных на рис. 163, а и 164, а, следует важный для практики конструирования рабочих колес насосов вывод о практической нецелесообразности закрутки лопаток по радиусу. При увеличении относительной скорости UlvH с 0,2 до 0,8 при а — 35° (см. рис. 163, а) оптимальное значение Alb практи­чески не изменилось. Различным значениям Alb (см. рис. 164, а) Соответствует практически неизменное оптимальное значение угла а = 35 ... 40°.

Результаты теоретического исследования зависимости вероят­ности перехода молекул через рабочее колесо по уравнению (7.7) и максимального отношения давлений по уравнению (7.8) пока­зывают, что результирующая вероятность Ктах перехода молекул достигает максимальных значений при Alb — 1,0... 1,4 и всех значениях угла а установки лопатки или наклона паза. Макси­мальное отношение давлений ттах при этих значениях A/B Изменяется незначительно.

Откачную характеристику рабочего колеса и ее основные параметры (максимальная быстрота откачки и создаваемое макси­мальное отношение давлений) определяют при неизменном отно­шении окружной скорости к наиболее вероятной скорости тепло­
вого движения молекул газа и выбранной геометрии межлопаточ­ных каналов или пазов.

Выбор угла а наклона паза или установки лопаток и отноше­ния Alb ширины межлопаточного канала к его длине при опре­деленных значениях u/VK определяется требованиями, которые предъявляют к рабочему колесу насоса.

Первые со стороны всасывания рабочие колеса насоса должны создавать максимально возможную быстроту откачки, так как определяют быстроту действия насоса в целом. В то же время последующие рабочие колеса должны обеспечивать повышенное отношение давлений, чтобы общее заданное отношение давлений насоса осуществлялось в возможно меньшем числе рабочих колес.

Из приведенного анализа следует:

1) для обеспечения высокой вероятности перехода молекул через рабочее колесо, а следовательно, повышенной быстроты откачивания при сохранении приемлемых значений максималь­ного отношения давлений необходимо выбирать угол а наклона паза или установки лопатки в пределах 35 ... 40° при Alb = = 1,0... 1,4;

2) для достижения повышенных значений ттах при обеспече­нии достаточно высоких значений КтАх необходимо выбирать угол а в пределах 10 ... 20° при значениях Alb = 0,6 ... 0,8;

3) для увеличения быстроты откачки рабочего колеса и от­ношения давлений необходимо повышать его частоту вращения;

4) для улучшения откачной характеристики рабочего колеса практически нецелесообразно осуществлять закрутку лопаток по радиусу.

Полученные на основании теоретического анализа рекоменда­ции по выбору геометрии межлопаточных каналов важны при формировании пакета рабочих колес насоса. Применение в пакете рабочих колес с малыми значениями а и Alb оправдано при малом потоке выделения газов с внутренней поверхности деталей ротора и корпуса насоса. При большом потоке выделения газов с боль­шой молекулярной массой для всего пакета рабочих колес может оказаться целесообразным применение колес с открытыми меж­лопаточными каналами.

На рис. 166 приведены зависимости результирующей вероят­ности Ктах перехода молекул через рабочее колесо и максималь­ного отношения ттах давлений от отношения окружной скорости колеса к наиболее вероятной скорости теплового движения моле­кул, определенные соответственно по уравнениям (7.7) и (7.8). При увеличении UlvH значение тшах увеличивается по экспонен­циальному закону, а изменение результирующей вероятности перехода молекул через рабочее колесо близко к линейному закону (в интервале отношения скоростей от 0 до 0,8 отклонение от него не превышает 9 %).

Вследствие этого с достаточной степенью точности можно пред­ставить зависимость результирующей вероятности 7(тах перехода
молекул газа через рабочее колесо от относительной окружной скорости «/ун для определенных значений углов а наклона паза или установки лопаток и значений Alb в виде

Ктах = Au/VH, Где А — коэффициент, зависящий от а и alb.

Таким образом, при откачивании рабочим колесом газов с различной молекулярной массой при исР/ун 0,8 значение максимальной быстроты откачки, определяемое уравнением (7.7), практически не изменяется.

Рабочая быстрота действия S насоса при отношении давлений хф 1,0 с уменьшением молекулярной массы откачиваемого газа немного увеличивается.

При работе на газах с различной молекулярной массой ра­бочая быстрота действия насоса может меняться в зависимости от скорости теплового движения молекул откачиваемого газа, влияющей на сопротивление участка от входного сечения всасы­вающего патрубка до первого рабочего колеса со стороны всасы­вания. На быстроту действия насоса влияет также проводимость кольцевого зазора, через который перетекает откачиваемый газ, поток газа возрастает при уменьшении молекулярной масеы газа.

Снижение отношения давлений, создаваемых насосом, тем значительней, чем меньше молекулярная масса откачиваемого газа. Так, отношение давлений большинства конструкций насоса по водороду составляет 103... 104, по азоту 108 ... 1СР, а по тяже­лым газам (М = 50 ... 100) — 1012 ... 1015 [18]. Эта особенность насоса обусловливает характер спектра остаточных газов в от­качиваемых вакуумных системах: основные составляющие спект­ра — легкие газы, главным образом водород; массовые числа больше 44 отсутствуют.

Уменьшение температуры откачиваемого газа незначительно влияет на рабочую быстроту действия насоса и существенно уве­личивает создаваемые им отношения давлений,

При охлаждении тракта откачки насоса до температуры жид­кого азота удается увеличить создаваемое отношение давлений, особенно по легким газам, в 102 ... 103, тем самым снизить предель­ное остаточное давление.