Экспериментальное исследование откачных параметров и разработка метода расчета двухроторного вакуумного насоса в условиях низкого вакуума

Развитие современных высокоэффективных безмаслянных вакуумных технологий включает в себя, в частности, потребность в применении хорошо зарекомендовавших себя технических средств вакуумирования в нерасчетных режимах. Характерным примером является потребность в применении относительно «сухих», высокопроизводительных двухроторных вакуумных насосов ДВН в не штатных для них режимах откачки в области низкого вакуума.

Предприятия Казани, Мелитополя, Сум и других городов СНГ, выпускающие ДВН, помещают в паспортах на насосы только одну характеристику Sbx=?(Pbx) для области среднего вакуума и не приводят каких-либо дополнительных данных, относящихся к низкому вакууму.

С другой стороны, ряд фирм, в том числе и перечисленные, выпускают газодувки, аналогичные по конструкции насосам типа ДВН. Газодувки работают автономно (без ФВН) в вентиляторном, нагнетательном или эксгаустерном режимах. В первом случае давление на входе и выходеатмостферное, во втором — на входе атмосферное, в третьем — на выходе атмосферное. В соответствии с паспортными данными характеристики газодувок намного ниже, чем ДВН соответствующих размеров. Например, максимальное отношение давлений в 20−30 раз меньше, рабочее отношение— в 5−10 раз, производительность в 1,5 раза и ниже. Тем не менее они прочно занимают свою нишу в насосно-компрессорной технике вообще и среди двухроторных машин в частности.

В настояще время ведутся разработки многоступенчатых агрегатов на базе ступени «Рут», работающей в низком вакууме [1,2]. Характеристики в этой области сильно зависят от конкретного давления и потока газа и должны изменяться, как было упомянуто выше, в 20 — 30 раз по отношению далений и в несколько раз по производительности.

Таким образом, неосвоенной в настоящее время является область применения ДВН между средним вакуумом и атмосферным давлением.

Очевидно, что потребителя не может удовлетворять расплывчатое представление об откачных характеристиках ДВН в области низкого вакуума, ввиду отсутствия практических данных.

Требуется надежное расчетное предсказание изменения откачных параметров ДВН при различных давлениях.

В результате предварительного информационного поиска не обнаружено, рекомендаций на этот счет доведенных до метода расчета и подкрепленных фактическими данными.

В связи со сказанным мы считаем рациональным направить усилия на решение следующих задач:

1. Выбора наиболее приемлимой модели процесса откачки;

2. Получение экспериментальных данных по откачным характеристикам насоса и его элементов в области среднего и низкого вакуума;

3. Установление общих закономерностей изменения откачных характеристик насоса при варьировании основных параметров (частоты, быстроты форвакуумного насоса, размеров элементов проточного тракта насоса, величины давления);

4. Аналитическое представление установленных закономерностей на основе выбранной модели;

5. Разработка метода расчета откачных характеристик ДВН в низком вакууме.

Диссертация состоит из трех глав.

Первая глава посвящена анализу существующих методов расчета ДВН. Выбору прототипа создаваемого метода, инструмента исследования характеристик ДВН в низком вакууме.

Во второй главе представлены результаты комплексного исследования откачных характеристик ДВН и элементов проточного тракта насоса. Экспериментальные исследования в области низкого вакуума включают в себя получение зависимостей быстроты действия и максимального отношения давлений от давлений в сечении входа и выхода соответственно, проводимости входных патрубков и соотвествующих диафрагм, проводимости всего комплекса щелевых каналов роторного механизма и отдельных их видов при различных углах поворота роторов. Кроме того получены характеристики фовакуумных насосов и проводимость участка трубопровода «выход ДВНвход камеры CV2», которые необходимы при анализе экспериментальных откачных характеристик ДВН.

В третьей главе проведен анализ результатов экспериментального исследования ДВН-50. В результате анализа установлены общие закономерности изменения откачных параметров насоса. Выявленные закономерности описаны аналитическими выражениями на основе принятой модели процесса откачки. Полученные выражения и порядок их применения представлен в предложенном впервые методе расчета откачных хараткеристик ДВН в условиях низкого вакуума.

Работа выполнена на кафедре «Вакуумная техника электрофизических установок» Казанского государственного технологического университета.

Автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Мухамедзянову Г. Х. и научному консультанту кандидату технических наук, доценту Беляеву JI.A. за постоянное внимание и ценные советы при выполнении работы.

106 Выводы.

1 .Впервые установлены закономерности взаимосвязи откачных характеристик.

ДВН для давлений р>рмол? «веерность» располагаемой характеристики S=f (e), расслоение ассимптотической кривой smax =f (n), экспоненциальное снижение зависимости AUB513=f (P), «веерность» зависимости = f (n).

Up.

2. Исследованы известные зависимости U = f (Pcp) и расчетные уравнения для разных режимов течения и видов каналов применительно к геометрическим соотношениям патрубков ДВН (L/D= 5,5−3,67−2,2−1,4−0,92) и применительно к геометрии щелевых каналов роторного механизма ДВН.

3. Впервые получено уравнение (3.15), позволяющее рассчитать поводимость коротких каналов, геометрия которых соответствует существующим патрубкам ряда ДВН.

4.Проведен анализ сходимости расчетных и экспериментальных данных, в результате которого выбраны уравнения для практического инженерного расчета проводимости патрубков ДВН при перестроениии внутренней характеристики во внешнюю.

5. Приведен пример перестроения внешней характеристики ДВН во внутреннюю и наоборот. Впервые применено «правило трапеции» с учетом изменения степени отношения давления ДВН.

6.Впервые получена характеристка щелей роторного механизма насоса V0max = f (Р) при п=0, представляющая собой зависимость максимальных объемных расходов через роторный механизм ДВН от давления. Разработан порядок расчета этой характеристики.

7. Предложен новый метод расчета характеристики Sv = А (е)ДВН в условиях низкого вакуумаДВН. Впервые в расчет включена всережимная характеристика smax=f (n, P), позволяющая оценить дрейф характеристики Sv = f (e) при изменении рабочих условий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведен обзор существующих методов расчета ДВН. Установлено, что метод, основанный на модели объемно-скоростной откачки, наиболее полно отражает физическую картину откачного процесса в условиях среднего вакуума. Данная модель принята для исследования характеристик ДВН в низком вакууме.

2.Определен порядок исследования откачных характеристик ДВН в низком вакууме, включающий в себя: получение экспериментальных данных по быстроте откачки, максимального отношения давлений и проводимости элементов проточного тракта ДВН с регулировкой частоты вращения роторов при разных давлениях в низком вакууме для агрегатов с различными ФВН с целью выявления качественных закономерностей и количесвенной взаимосвязи откачных параметров ДВН, обработку экспериментальных данных с помощью выявленных закономерностей и принятой моделисогласование расчетных и экспериментальных данных и построение метода расчета.

3.В результате экспериментального исследования впервые получен комплекс данных, охватывающих откачные характеристки насосов (агрегатов) в целом и их составных частей: расходные характеристики SBX=f (PBX), безрасходные характеристики emax=f (PBJ, зависимости UBxn=f (Pcp), UOTB=f (Pcp), а так же зависимости U=f (P) для всего комплекса щелевых каналов роторного механизма ДВН при разных углах поворота, а и различных вариантах заглушения части щелевых каналов.

4. Рассмотрены известные зависимости U=f (P) и расчетные уравнения для разных режимов течения и видов каналов, применительно к геометрическим соотношениям патрубков или соединительных труб ДВН (L/D= 5,5−3,67−2,2−1,4−0,92).

5. Впервые получено уравнение позволяющее рассчитать проводимость коротких каналов, геометрия которых соответствует существующим патрубкам ряда ДВН.

6. Рассмотрены известные зависимости U=f (P) и расчетные уравнения для разных режимов течения и видов каналов применительно к геометрии щелевых зазоров роторного механизма ДВН. Даны рекомендации к их применению.

7. Впервые получена базовая характеристка V0max=f (P) щелей роторного механизма насоса при п=0, представляющая собой зависимость максимальных объемных расходов через роторный механизм ДВН от давления. Разработан порядок ее расчета.

8. Впервые установлены закономерности взаимосвязи откачных характеристик ДВН для давлений р>рмол: S=f (s) — «веерность», ^^(п) — расслоение, диви ипр f (i/Kn) — экспоненциальное снижение, «веерность"-^-±-L = f (n).

9. Разработан метод расчета характеристики Sv = f (s) ДВН в условиях низкого вакуума ДВН. Впервые в расчет включена всережимная характеристика max~f (n)' позволяющая оценить дрейф характеристики Sv=f (e) при изменении рабочих условий.