Создание высокотехнологичного производства безмасляных спиральных вакуумных насосов в России

УДК 621.521

Е. Н. Капустин, А. Е. Капустин, А. В. Бурмистров, С. И. Саликеев

СОЗДАНИЕ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА БЕЗМАСЛЯНЫХ СПИРАЛЬНЫХ

ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ В РОССИИ

Ключевые слова: спиральный вакуумный насос, безмасляный вакуум, типоразмерный ряд, профиль спирали, быстрота действия, удельная мощность, средства испытаний, зарубежный аналог, удельные параметры.

Обсуждаются преимущества спиральных вакуумных насосов по созданию безмасляного вакуума и усло-вия,необходимые для успешной реализации проекта по созданию производства таких насосов в России. Рассмотрены конструктивные особенности трех насосов типоразмерного ряда. Показано, что проектные параметры разрабатываемых насосов находятся на уровне лучших мировых аналогов.

Key words: scroll vacuum pump, oil-free vacuum, dimension-type line, scroll profile, pumping speed, specific power, test facilities, foreign

analogue, specific parameters.

Advantages of scroll vacuum pumps for obtaining of oil-free vacuum and conditions for successful realization of the project concerning the launching of production of such vacuum pumps in Russia are discussed. Design philosophy of three pumps of the dimension-type line is considered. It is shown that project parameters of the designed pumps are at the level of the best foreign analogues.

Развитие высокотехнологичных приложений вакуумной техники, таких как нанотехнология, микроэлектроника, медицина, фармацевтика, термоядерная энергетика, пищевое и упаковочное производства формирует новые требования к вакуумному откачному оборудованию. Практически любое направление нанотехнологий невозможно без «чистого» вакуума. Все технологии, связанные с изготовлением и использованием фотоэлементной аппаратуры для солнечной энергетики, плоскопанельных дисплеев, элементов электронных схем субмикронных и нанометровых размеров для производства материалов, компонентов и изделий микросистемной техники также реализуются только в условиях безмасляного вакуума.

Обеспечить незагрязненный парами рабочей жидкости насоса вакуум можно только с помощью безмасляных средств откачки. Поэтому в настоящее время очень востребованы насосы в конструкциях которых полностью исключено применение масла или оно отсутствует в его рабочем объеме.

Одним из признанных лидеров среди безмасляных механических насосов является насос вакуумный спиральный (НВСп). НВСп - самый новый тип вакуумных машин, появившийся на рынке вакуумного оборудования только на рубеже XX столетия и обладающий по сравнению с другими типами насосов целым рядом значительных преимуществ. С каждым годом на мировом рынке доля НВСп среди безмасляных средств откачки неуклонно растет, что говорит о достоинствах спирального механизма.

Спиральные вакуумные насосы в России не производились и не производятся, а потребность в «сухих» средствах средневакуумной откачки почти полностью покрывается импортным откачным оборудованием. С учетом курса России на импортозамеще-ние ОАО «Вакууммаш» совместно с Казанским национальным исследовательским технологическим университетом с 2013 года при финансовой поддержке, выделяемой на реализацию комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства согласно постановления Правительства

Российской Федерации от 9 апреля 2010 года № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства» реализуют проект «Создание высокотехнологичного производства безмасляных спиральных вакуумных насосов для индустрии наносистем и наноматериа-лов».

Реализация данного проекта позволит использовать высокоэффективные отечественные безмасляные машины при создании новых откачных систем во всех высокотехнологичных отраслях промышленного производства и науки, отказаться или резко сократить импорт откачного оборудования и создаст предпосылки для освоения выпуска других видов безмасляных вакуумных насосов и агрегатов.

Освоение выпуска линейки отечественных безмасляных машин позволит также провести эффективную модернизацию существующего технологического оборудования и повысить качество продукции путем замены устаревших «масляных» систем на отечественные машины «сухого» сжатия. Меньшая по сравнению с импортными аналогами цена НВСп позволит снизить затраты потребителей вакуумной техники. Кроме того, освоение выпуска НВСп существенно повысит престиж России на рынке высокотехнологичного вакуумного оборудования и смежных отраслей.

Для успешного продвижения на рынке НВСп должен отвечать, по крайней мере, двум основным условиям: иметь технические характеристики, конкурентоспособные с другими ведущими производителями безмасляных насосов и иметь конкурентоспособную цену, что возможно при снижении затрат на изготовление основных элементов НВСп -спиралей, вкупе с использованием материалов и комплектующих отечественного производства. Наряду с патентной чистотой насосов это позволяет надеяться на успех и при выходе на международный рынок вакуумной техники.

Как уже отмечалось, по сравнению с другими «сухими» вакуумными насосами НВСп (рис.1) обладают целым рядом достоинств, среди которых: чрезвычайно высокая степень повышения давления, достигаемая за счет малых перетеканий между полостями всасывания, сжатия и нагнетания; малые потери на всасывании, что является следствием большого раскрытия полости всасывания и соответственно - малой скорости газа; отсутствие мертвого пространства и малый подогрев газа на всасывании за счет отсутствия контакта газа с сильно нагретыми частями насоса; относительно низкое энергопотребление

Рис. 1 - Последовательное положение спиралей в процессе откачки

В рамках реализации данного проекта планируется освоение выпуска типоразмерного ряда спиральных вакуумных насосов состоящего из трех НВСп с производительностью 4, 12 и 35 м3/ч. Данный ряд насосов способен обеспечить потребности всех видов вакуумного технологического оборудования, в которых необходим «чистый» вакуум.

Наряду с технологическими сложностями, связанными с высокоточным изготовлением профильных спиралей, освоение выпуска спиральных вакуумных машин сдерживается из-за отсутствия методики, позволяющей проводить сравнительную оценку формообразующих поверхностей спирали. Ведущие зарубежные производители вакуумной техники, занимающиеся разработкой и производством насосов и компрессоров, не раскрывают расчетные методики, по которым проводится проектирование, выбор и оптимизация рабочих элементов. В России научные исследования спиральных механизмов проводились только в компрессорном режиме [1, 2].

Поэтому на первом этапе реализации проекта разработана математическая модель процесса откачки НВСп [3, 4], разработан алгоритм построения профилей спиралей с различными концевыми участками, расчета объемов рабочих полостей, проведен сравнительный анализ влияния профиля концевого участка на откачные характеристики НВСп и расчет сил, действующих на спиральные элементы [5]. На основе результатов математического моделирования выбраны геометрии спирали для всех разрабатываемых НВСп.

Также были разработаны математические модели и программы расчета теплообмена и температурных полей спиральных элементов, и выполнены расчеты силовых и тепловых деформаций спиралей [6].

Создан стенд и проведено комплексное экспериментальное исследование аналогов разрабатываемых НВСп [7]. И это далеко не полный перечень НИР, выполненных в 2013-2014 годах.

Рис. 2 - Схема спиральных насосов НВСп-4 и НВСп-12

В типоразмерном ряде для НВСп-4 и НВСп-12 используется схема с консольным приводным эксцентриковым валом (рис.2), не выходящим со стороны неподвижной спирали в атмосферу, поскольку в данном случае отпадает необходимость в дополнительных уплотнительных устройствах. Для этих машин используется схема с односторонним подвижным спиральным элементом. Данная схема проще с точки зрения изготовления, по сравнению со схемой с двухсторонней спиралью. В качестве профиля спиралей для всех насосов типоразмерного ряда выбран эвольвентный профиль.

Геометрическая быстрота действия НВСп-35 согласно техническим требованиям составляет 43 м3/ч. Для обеспечения такой быстроты действия при синхронной частоте вращения 1500 об/мин и приемлемом диаметре торцевого диска, высота пера односторонней спирали должна составлять не менее 6070 мм. Это практически невозможно из технологических возможностей и соображений обеспечения надежности. Поэтому в насосе НВСп-35 применена схема с двухсторонним подвижным спиральным элементом. За счет этого в НВСп-35 созданы две параллельно включенные камеры, чем обеспечивается удваивание быстроты действия насоса. В связи с большими габаритами подвижного спирального элемента и соответственно большой массой и высокими нагрузками на спираль и подшипники в НВСп-35 используется двухопорная схема закрепления эксцентрикового вала.

Для насосов НВСп-4 и НВСп-12 выбран концевой участок, образованный одной дугой окружности. Он обеспечивает максимальную продолжительность сжатия при сохранении необходимой для размещения окна выхлопа площади. Особенностью построения такого концевого участка является

расположение конца эвольвенты внешней стенки неподвижной спирали на базовой окружности.

В НВСп -35 используется концевой участок, образованный двумя дугами окружности. Для двухстороннего насоса подвижная спираль отличается наличием концевого участка большого диаметра, используемого для размещения подшипниковых узлов, который одновременно уменьшает количество витков спирали с целью снижения пережатия. Особенностью предложенного концевого участка является совпадение центра дуги окружности на концевом участке подвижной спирали и центра вала. Такая конструкция обеспечивает максимальное использование пространства концевого участка и большую технологичность при максимально возможной продолжительности сжатия.

Все разрабатываемые НВСп имеют газобалластное устройство для предотвращения конденсации паров.

С помощью разработанных математических моделей проведен расчет быстроты действия спроектированных НВСп и определены удельные параметры: коэффициент подачи, удельная масса и удельная мощность. На рис. 3, 4 показаны относительные масса и мощность зарубежных аналогов и разрабатываемых спиральных вакуумных насосов.

4,5 4,0

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0

Д

1—I—I—I—I—Г"

Leybold

О Edwards

Д Busch

iz Anest Iwata

+ Geowell Technology

< Ulvac

\> Varían Yacumn Technologie

ОАО «Вакууммаш»

О

*

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Номинальная быстрота действия, м3/ч

Рис. 3 - Зависимость удельной массы от номинальной быстроты действия НВСп

Рис. 4 - Зависимость удельной мощности от номинальной быстроты действия

Значения представлены в виде зависимостей от номинальной быстроты действия. Из вышеприведенных графиков видно, что проектные параметры разрабатываемых насосов находятся на уровне лучших мировых аналогов.

Для обеспечения производства типоразмерного ряда НВСп в рамках выполнения проекта на ОАО «Вакууммаш» запущены в производство высокоточные автоматизированные обрабатывающие центры

Для изготовления корпусных деталей используется фрезерный обрабатывающий центр фирмы DOOSAN серии NM 5000 с точностью изготовления деталей 5 мкм и возможностью обработки по четырем осям.

Для изготовления деталей в виде тел вращения используются обрабатывающие центры фирмы DOOSAN серии Puma 2100 и Mynx 5400/50 с точностью изготовления 5 мкм и возможностью обработки по трем осям.

Для финишной обработки поверхностей спиралей используется высокоточный обрабатывающий центр фирмы OKK серии VB53 с точностью изготовления 2 мкм.

Первый опытный образец НВСп-12 представлен на рис.5.

Для испытаний спиральных вакуумных насосов на ОАО «Вакууммаш» выполнен большой объём работ по созданию нового центра испытаний с комплексом оборудования для приемочных и периодических испытаний изготовленных изделий. Таким образом, при поддержке Минобрнауки РФ в Казани успешно реализуется проект по созданию современного производства, на котором будут выпускаться высокотехнологичные сухие вакуумные насосы, соответствующие лучшим мировым образцам.

Рис. 5 - Первый опытный образец НВСп-12

Статья подготовлена на кафедре вакуумной техники электрофизических установок ФГБОУ ВПО «КНИТУ» при финансовой поддержке проекта «Создание высокотехнологичного производства безмасляных спиральных вакуумных насосов для индустрии наносистем и наноматериалов» открытого публичного конкурса подбора организации на право получения субсидий на реализацию комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства согласно постановлению Прави-

тельства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства».

Литература

1. Косачевский В.А. Разработка метода расчета и анализ рабочего процесса спиральных компрессоров. Автореф. дис...канд. техн. наук: 05.04.06. - С-Петербургский гос. техн. ун-т. - С-Петербург, 1998. - 188 с.

2. Паранин Ю.А. Совершенствование метода расчета рабочего процесса спирального компрессора сухого сжатия с использованием результатов экспериментальных исследований: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.04.06 - Казань, 2011. - 254 с.: ил.

3. Райков, А.А. Всережимная математическая модель рабочего процесса спирального вакуумного насоса / А.А. Райков, Р.Р. Якупов, С.И. Саликеев, А.В. Бурмист-

ров, М.Д. Бронштейн // Компрессорная техника и пневматика. - 2014, - № 1. - С. 18-25.

4. Саликеев, С.И. Единый подход к расчету откачных характеристик бесконтактных безмасляных вакуумных насосов / С.И. Саликеев, А.В. Бурмистров, А.А. Райков// Компрессорная техника и пневматика. - 2013, - № 4. -С. 37-42.

5. Райков, А.А. Радиальные и осевые газовые силы в безмасляных спиральных вакуумных насосах / А.А. Райков, М.Д. Бронштейн, А.В. Бурмистров, С.И. Сали-кеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2014, Т.17. - № 2. - C. 267-270.

6. Паранин, Ю.А. Численное моделирование тепловых полей рабочих элементов спиральных машин сухого сжатия / Ю.А. Паранин, А.В. Бурмистров, О.Ю. Пара-нина // Вестник Казанского технологического университета. - 2014, Т.17. - № 5 - C. 90-95.

7. Бурмистров А.В. Стенд исследовательских испытаний безмасляных спиральных вакуумных насосов / А.В. Бурмистров, А.А. Райков, С.И. Саликеев, А.В. Гаврилов, В.П. Матвеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2013, Т.16. - № 14 C. 174-177.

© Е. Н. Капустин - к.т.н., генеральный директор ОАО "Вакууммаш", kazan@vacma.ru; А. Е. Капустин - начальник отдела маркетинга ОАО "Вакууммаш", kazan@vacma.ru; А. В. Бурмистров - д.т.н., профессор каф. "Вакуумная техника электрофизических установок", КНИТУ, burm@kstu.ru; С. И. Саликеев - к.т.н., доцент той же кафедры, salikeev_s@mail.ru.

© E. N. Kapustin - candidate of Sciences, CEO "Vacuummash", e-mail: kazan@vacma.ru; A. E. Kapustin - head of Marketing "Vacuummash", e-mail: kazan@vacma.ru; A. V. Burmistrov - Doctor of Sciences, Professor of the Chair "Vacuum equipment", Kazan National Research Technological University, e-mail:burm@kstu.ru; S. I. Salikeev - candidate of Sciences, Associate Professor of the Chair "Vacuum equipment", Kazan National Research Technological University,e-mail: salikeev_s@mail.ru.