2.3 Двухроторные вакуумные насосы (двн)

В ряде процессов, проводящихся под вакуумом (например, в металлургии или в испытательной практике в области отработки процессов в космических открытых экспериментах, где рабочим телом (технологическим натеканием) является жидкий или газообразный компонент), требуется большая быстрота откачки в области 133…1 Па (~1,0…10^-2 мм рт.ст.)

Эта техническая задача может быть решена применением двухроторных вакуумных насосов. На рис10 показана схема двухроторного вакуумного насоса. Роторы (прямые или винтовые) выполняются с двумя или тремя лопастями (рис.11-1). Четырехлопастные роторы практически не применяются. Роторы вращаются с частотой от 1500 до 4000 об/мин, не касаясь друг друга т.е. силы трения отсутствуют. Производительность ДВН до 10 м³/с (по американским данным – до 25 м³/с), остаточное давление 0,5 Па (3,7510^-3 мм рт.ст.). В качестве форвакуумного насоса используются механические насосы ПРВН, плунжерные насосы (НВЗ), жидкостно-кольцевые насосы (ЖКВН). На рис. 11 показана принципиальная схема действия двухроторного вакуумного насоса.

2.4. Жидкостно-кольцевые вакуумные насосы (жквн)

ЖКВН или насосы с жидкостным поршнем (рис.12) состоят из корпуса 1, в котором эксцентрично расположено рабочее колесо 2 с неподвижно закрепленными лопатками. Находящаяся внутри корпуса жидкость во время вращения под действием центробежных сил прижимается к стенкам корпуса и образует жидкостное кольцо 4. Между жидкостным кольцом и лопатками насоса образуются отдельные ячейки неодинакового размера. В начале их объем увеличивается и газ через отверстие 3 (всасывающее отверстие) поступает в насос. Затем объем ячеек уменьшается и сжатый газ через выхлопное отверстие 5 удаляется из насоса.

Насосы отличаются простотой конструкции надежностью в эксплуатации. Как уже говорилось, протекание процесса сжатия в них сопряжено с интенсивным теплообменом, позволяющим откачивать воспламеняющиеся и взрывоопасные газы. Насосы не загрязняют парами масел откачиваемые объемы. Если в качестве рабочей жидкости используется вода, то аббревиатура меняется: ВВН (водокольцевой вакуумный насос). Недостатками ЖКВН являются высокие затраты мощности на вращение жидкого кольца, высокое предельное остаточное давление, определяемое давлением насыщенных паров рабочей жидкости. ЖКВН (в России) выпускаются производительностью до 5 м³/с при давлении всасывания 40, 30 и 20 кПа.

Насосы могут работать от атмосферного давления, т.е. в компрессорном режиме.

2.5. Турбомолекулярные вакуумные насосы. Основные характеристики

В 1956 г. в ФРГ был изготовлен первый ТВН, состоявший из 19 ступеней, образованных парами роторных и статорных дисковых колес. Общее отношение давлений составило 5×10⁷. Конструктивная схема этого насоса представлена на рис. 13.

Новые конструкции ТВН развивались в направлении увеличения быстроты действия, упрощению технологии изготовления и сборки.

ТВН обладает следующими преимуществами по сравнению с другими высоковакуумными средствами откачки: удаляют газ из откачиваемого объема (а не аккумулируют его на рабочих поверхностях, как криоконденсационные, электрофизические, абсорбционные); не загрязняют откачиваемый объем парами углеводородов (масел), других рабочих тел; обладают большой быстротой действия при откачке газов с малой молекулярной массой (эти газы обычно трудно удаляются из вакуумной системы).

Область применения ТВН – для создания и поддержания остаточного давления в пределах 10^-7...10^-10 Па в установках, откачиваемые объемы которых не допускают загрязнения их парами углеводородов или другими рабочими веществами. ТВН часто применяют в высоковакуумных системах для откачки некондесирующих газов (Н₂, Не, Ne). В этих случаях их используют как форвакуумные насосы, понижающие давление до 10^-3...10^-5 Па, а более низкие остаточные давления достигают с помощью крионасосов (с Не в качестве рабочего тела).

Турбомолекулярные насосы применяют в установках для имитации космических условий (ФКП «НИЦ РКП» имеет такую систему вакуумирования в ИС-618).

Откачная характеристика ТВН определяются предельным остаточным давлением, рабочей быстротой действия и необходимым форвакуумным давлением.

Предельное остаточное давление, создаваемое ТВН при молекулярном режиме течения на стороне входа, зависит от числа ступеней, газовыделения с внутренней поверхности корпуса и деталей, расположенных в полости всасывания, быстроты действия насоса, негерметичности рабочей полости насоса.

Рабочая быстрота действия насоса зависти от геометрии пазов колес (роторных и статорных колес) и согласованности их характеристик.

Форвакуумное давление обеспечивается действием форвакуумного насоса.

Выбор форвакуумного насоса

Форвакуумный насос (ФВН) должен обеспечивать за последним рабочим колесом на стороне нагнетания ТВН молекулярный режим течения газа; при этом во всем диапазоне изменения всасывания для ТВН быстрота действия ФВН не должна быть меньше быстроты действия ТВН, приведенной к условиям нагнетания.

На рис. 14 показана откачная характеристика отечественного ТВН-5000.

Конструкции ТВН

К материалам, идущим на изготовление ТВН, предъявляются требования: небольшое удельное газовыделение, стойкость к коррозии, прочностные свойства, т.к. роторные диски (рабочие колеса) имеют высокие окружные скорости.

В последнее время для значительного увеличения степени сжатия ,что особенно важно при откачке легких газов, наметилась тенденция создания насосов ,корпус которых охлаждается до температуры жидкого азота. Как показывают исследования при сжатии водорода в этом случае степень сжатия может быть увеличена в 10² .... 10³ раз.

Различное решение возникающих задач привело к созданию большого числа различных конструкций ТВН. Но все разработанные конструкции ТВН можно объединить в две основные группы: двухпоточные ТВН с горизонтально расположенным ротором и однопоточные ТВН с вертикальным расположением ротора. На рис. 15 показаны современные конструкции турбомолекулярных вакуумных насосов.

3. В заключение рассмотрим области использования различных типов механических вакуумных насосов, беря в качестве критерия остаточное давление, которое может быть обеспечено действием того или иного насоса. Эта информация представлена на рис. 16.