Проектирование конструкции защитного устройства
Основные требования, предъявляемые к узлам и деталям устройства
Как ранее упоминалось, конструкция устройства (см. рисунок 2.2) содержит стекло 1, корпус (обойму) 2, патрубок для подачи газа 3, внутреннее сопло 4 и наружное сопло 5, имеющее кольцевую проточку 6 и отверстия 7. Внутреннее сопло 4 плотно прилегает к стеклу 1 через уплотнения 11, а к наружному соплу 5 – с зазором 8, который обеспечивается за счет буртика на поверхности сопла 4. Заслонка 9 меняет свое положение за счет вращения рукоятки 10, находящейся за пределами вакуумной камеры. Соединение рукоятки с камерой происходит с помощью вакуумного ввода 12. Для предотвращения выпадения стекла 1, оно зажимается в корпусе 2 с помощью прижимного элемента 13.
Рисунок 2.2 – Конструкция разрабатываемого защитного устройства
смотрового окна
Для работоспособности устройство должно удовлетворять следующим требованиям:
Выдерживать перепады давлений. В вакуумной камере и, соответственно, в устройстве создается пониженное давление, в результате чего на их наружные поверхности воздействует атмосферное давление, пытающееся «сжать» систему. Для препятствия этому необходимо подобрать оптимальные значения толщин стенок устройства и смотрового окна.
Обеспечивать герметичность. Из-за наличия неплотностей может увеличиться давление в системе, что приведет к нарушению технологического процесса. Так как механизм представляет собой устройство газовой защиты, то натекание в камеру по-любому будет происходить, поэтому необходимо обеспечить максимально возможную герметичность системы как с атмосферой, так и между узлами устройства. Для решения данной проблемы устройство необходимо снабдить вакуумным вводом и большим количеством уплотнений.
Иметь оптимальные характеристики сопла. От характеристик зависит вся работоспособность конструкции, так как здесь сопло является альтернативой дополнительной камере, служащей для уменьшения расхода газа и его натекания в вакуумную камеру. При этом оптимальные характеристики будут соперничать с оптимальными габаритами сопла.
Иметь оптимальные габариты. Например, если устройство будет иметь значительную длину, придется предусмотреть дополнительные поддерживающие элементы, которые приведут к неудобству эксплуатации устройства. При всем этом, стоит учитывать, что габариты механизма, в основном, зависят от габаритов сопел.
Обладать удобством монтажа и эксплуатации.
Учитывая эти требования, начнем расчет узлов и деталей защитного устройства.
Расчет геометрических размеров сопла
Произведем расчеты для сопел по методике, изложенной в литературе [18] и задаваясь разными данными. Это позволит из нескольких вариантов выбрать один, имеющий оптимальные характеристики и габариты.
Для всех случаев значения следующих величин примем постоянными: показатель изоэнтропы k = 1,67; удельная газовая постоянная R = 208 Дж/(кг·К); массовый расход газа G = 1,6236·10-6 кг/с; температура газа на входе в соплоT0 = 293 К; давление газа на выходе из сопла p2 = 0,01 Па.
Для первого случая зададимся такими данными: давление газа на входе в сопло p0 = 0,5 Па; относительная длина насадка r = l1/d* = 0,4; угол расширяющейся части сопла α = 30˚; угол сужающейся части сопла β = 60˚.
Также для всех случаев нам понадобится величина газодинамической константы B, которую можно вычислить по формуле (2.1):
(2.1)
Рассчитаем значения основных параметров критического сечения сопла: площадь S*, диаметр d*, давление p*, скорость звука в газе a*, температура T* и плотность газа ρ* по формулам (2.2) ‒ (2.7), соответственно.
(2.2)
(2.3)
(2.4)
(2.5)
(2.6)
(2.7)
В расчете входного сечения эти параметры и другие (длина сужающейся части l1, величина приведенного удельного расхода q1, приведенная скорость λ1, газодинамическая функция τ1, скорость потока V1, число Маха M1) рассчитываются по формулам (2.8) – (2.19):
(2.8)
(2.9)
(2.10)
(2.11)
По таблице в литературе [19] находим для k = 1,67 величины q1’, q1’’ и λ1’, λ1’’ , расположенных вблизи значения q1, и подставляем в формулу (2.12):
(2.12)
(2.13)
(2.14)
(2.15)
(2.16)
(2.17)
(2.18)
(2.19)
Расчет выходного сечения проводится по формулам (2.20) – (2.31):
(2.20)
(2.21)
(2.22)
(2.23)
(2.24)
(2.25)
(2.26)
(2.27)
(2.28)
(2.29)
(2.30)
(2.31)
Результаты расчетов сопла сведем в таблицу 2.2.
Таблица 2.2 – Результаты расчетов сопла с первыми данными
Расчет критического сечения (*) |
Расчет входного сечения (1) |
Расчет выходного сечения (2) |
|||
S*, м2 |
0,0011 |
l1, м |
0,015 |
τ2 |
0,2082 |
d*, м |
0,037 |
d1, м |
0,045 |
λ2 |
1,7764 |
p*, Па |
0,2433 |
S1, м2 |
0,0016 |
q2 |
0,2627 |
a*, м/с |
276,1106 |
q1 |
0,6781 |
S2, м2 |
0,0042 |
T*, К |
219,4757 |
λ1 |
0,4819 |
d2, м |
0,073 |
ρ*, кг/м3 |
5,33·10-6 |
τ1 |
0,9417 |
l2, м |
0,031 |
|
|
T1, К |
275,9286 |
x, м |
0,046 |
|
|
p1, Па |
0,4305 |
T2, К |
60,9881 |
|
|
V1, м/с |
133,0462 |
V2, м/с |
490,4815 |
|
|
a1, м/с |
309,5909 |
a2, м/с |
145,5501 |
|
|
ρ1, кг/м3 |
7,5·10-6 |
ρ2, кг/м3 |
7,883·10-7 |
|
|
M1 |
0,4297 |
M2 |
3,3698 |
Толщины основного сопла и геометрические размеры сопла, прилегающего к основному, для всех случаев будем определять конструктивно.
Исходя из того, что оба сопла находятся внутри обоймы, они подвержены давлению как с ее стороны от атмосферы, так и от давления инертного газа, поэтому оптимальной величиной для стенки основного сопла будет 5 мм. На прилегающее сопло оказывается меньшее давление, поэтому его толщины будут составлять 3 и 5 мм для сопла и его держателя, соответственно. Зазор между соплами составит 3 мм, чтобы обеспечивать как можно больший обзор за процессами в камере. Диаметр отверстий в основном сопле для прохода газа примем 5 мм в количестве 8 штук.
Таким образом, на основе расчетов для первого случая получены схема и чертеж системы сопел, изображенные на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 – Система сопел, полученная при первых значениях данных
Для второго случая данные будут следующими: давление газа на входе в сопло p0 = 0,25 Па; относительная длина насадка r = l1/d* = 0,4; угол расширяющейся части сопла α = 30˚; угол сужающейся части сопла β = 60˚.
После подсчетов по формулам (2.2) – (2.31) получим результаты, которые сведены в таблицу 2.3.
Таблица 2.3 – Результаты расчетов сопла со вторыми данными
Расчет критического сечения (*) |
Расчет входного сечения (1) |
Расчет выходного сечения (2) |
|||
S*, м2 |
0,0022 |
l1, м |
0,021 |
τ2 |
0,2749 |
d*, м |
0,053 |
d1, м |
0,064 |
λ2 |
1,6999 |
p*, Па |
0,1217 |
S1, м2 |
0,0033 |
q2 |
0,3807 |
a*, м/с |
276,1106 |
q1 |
0,6781 |
S2, м2 |
0,0058 |
T*, К |
219,4757 |
λ1 |
0,4819 |
d2, м |
0,0859 |
ρ*, кг/м3 |
2,67·10-6 |
τ1 |
0,9417 |
l2, м |
0,028 |
|
|
T1, К |
275,9286 |
x, м |
0,049 |
|
|
p1, Па |
0,2153 |
T2, К |
80,5411 |
|
|
V1, м/с |
133,0462 |
V2, м/с |
469,3588 |
|
|
a1, м/с |
309,5909 |
a2, м/с |
167,2625 |
|
|
ρ1, кг/м3 |
3,75·10-6 |
ρ2, кг/м3 |
5,9692·10-7 |
|
|
M1 |
0,4297 |
M2 |
2,8061 |
С учетом ранее принятых значений толщин, схема и чертеж для системы сопел во втором случае представлены на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 – Система сопел, полученная при вторых значениях данных
Для третьего случая данные будут следующими: давление газа на входе в сопло p0 = 0,25 Па; относительная длина насадка r = l1/d* = 0,3; угол расширяющейся части сопла α = 45˚; угол сужающейся части сопла β = 60˚.
После подсчетов по формулам (2.2) – (2.31) получим результаты, которые сведены в таблицу 2.4.
Таблица 2.4 – Результаты расчетов сопла с третьими данными
Расчет критического сечения (*) |
Расчет входного сечения (1) |
Расчет выходного сечения (2) |
|||
S*, м2 |
0,0022 |
l1, м |
0,016 |
τ2 |
0,2749 |
d*, м |
0,053 |
d1, м |
0,066 |
λ2 |
1,6999 |
p*, Па |
0,1217 |
S1, м2 |
0,0034 |
q2 |
0,3807 |
a*, м/с |
276,1106 |
q1 |
0,6415 |
S2, м2 |
0,0058 |
T*, К |
219,4757 |
λ1 |
0,4506 |
d2, м |
0,086 |
ρ*, кг/м3 |
2,67·10-6 |
τ1 |
0,949 |
l2, м |
0,028 |
|
|
T1, К |
278,0715 |
x, м |
0,044 |
|
|
p1, Па |
0,2194 |
T2, К |
80,5411 |
|
|
V1, м/с |
124,4159 |
V2, м/с |
469,3588 |
|
|
a1, м/с |
310,7908 |
a2, м/с |
167,2625 |
|
|
ρ1, кг/м3 |
3,79·10-6 |
ρ2, кг/м3 |
5,9692·10-7 |
|
|
M1 |
0,4 |
M2 |
2,8061 |
С учетом ранее принятых значений толщин, схема и чертеж для системы сопел в третьем случае представлены на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5 – Система сопел, полученная при третьих значениях данных
Проанализировав полученные значения длин и диаметров, можно заявить, что последняя конструкция системы сопел имеет наиболее оптимальные значения размеров: большой диаметр внутреннего сопла, что обеспечивает большое поле зрения, а также небольшая длина всей системы.
Таким образом, окончательно принимаем систему сопел, полученную при третьих значениях данных.