Влияние зазоров на откачные характеристики безмасляного кулачково-зубчатого вакуумного насоса

УДК 621.521

А. А. Райков, С. И. Саликеев, А. В. Бурмистров

ВЛИЯНИЕ ЗАЗОРОВ НА ОТКАЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕЗМАСЛЯНОГО КУЛАЧКОВО-ЗУБЧАТОГО ВАКУУМНОГО НАСОСА

Ключевые слова: вакуум, зазоры, обратные перетекания, быстрота действия.

Представлена схематизация обратных перетеканий через щелевые каналы роторного механизма. С помощью математического моделирования проведен анализ влияния каждого из трех типов зазоров на быстроту действия и индикаторные диаграммы давления. Показано, что двукратное увеличение межроторного зазора при давлениях, близких к остаточному, может снижать быстроту действия в несколько раз.

Keywords: vacuum, clearance, backflow, pumping speed

Schematization of backward leakages through slot channels of rotor mechanism is presented. Analysis of three types of clearances influence on pumping speed and indicator diagrams of pressure was carried out with the help of mathematical modeling. It is shown that double increase of inter-rotor clearance at pressures near the ultimate pressure may reduce the pumping speed several times.

В химическом и нефтехимическом машиностроении широкое использование находят вакуумсоздающие системы. Как правило, они состоят из пароэжекторных и водокольцевых вакуумных насосов. Поскольку водяной пар - рабочее тело пароэжекторных насосов - с каждым годом становится все более дорогим энергоносителем, существует тенденция замены этого типа насосов на альтернативные в диапазоне входных давлений 10-5000 Па. В этом контексте, значительный интерес представляют бесконтактные вакуумные насосы и, в частности, кулачково-зубчатый вакуумный насос (КЗВН).

Существенным недостатком бесконтактных машин является низкая степень повышения давления (не выше 25 в одной ступени) за счет перетеканий откачиваемой среды через щелевые каналы роторного механизма. Анализу влияния величины зазоров на откачные параметры КЗВН и посвящена настоящая работа.

В роторном механизме КЗВН (рис. 1) имеются два радиальных зазора 5РК (между зубом ротора и цилиндрической расточкой корпуса), межроторный зазор 5РР и два торцевых зазора 5 Т1 (между торцом ротора и торцевой крышкой со стороны окна всасывания) и 5 Т2 (между торцом ротора и торцевой крышкой со стороны нагнетания).

Для определения влияния каждого из перечисленных зазоров на быстроту действия КЗВН была разработана математическая модель процесса откачки. Рабочий процесс кулачково-зубчатого вакуумного насоса происходит при переменной массе газа. Рабочая полость периодически заполняется и высвобождается через окна всасывания и нагнетания, происходит непрерывное перетекание газа через щелевые каналы между роторами, роторами и корпусом из полости с большим давлением в полость с меньшим. Цикл откачки одной порции газа осуществляется за два оборота роторов. При этом в насосе одновременно присутствует две порции газа. Искомой характеристикой при моделировании является зависимость быстроты действия КЗВН от давления на входе.

При математическом моделировании использовались дифференциальные уравнения, основанные на энергетическом балансе термодинамической системы газового тела переменной массы, предложенные в работах [1, 2]. Описание математической модели приведено в работе [3].

Рис. 1 - Схема роторного механизма кулачково-зубчатого вакуумного насоса: 1,2 -входной и выходной тракты, 3 - вал, 4 - ротор

В математической модели рассматривались следующие типы каналов (рис. 2):

- межроторный канал 8;

- радиальные каналы 6, 7;

- каналы между острой кромкой ротора и внутренней поверхностью зуба 9;

- каналы, образованные роторами и торцевыми крышками насоса;

- торцевые каналы напротив окон всасывания и нагнетания 4, 5.

Рис. 2 - Схема расположения каналов в роторном механизме КЗВН: 1, 2 - ротора; 2, 3 -окна всасывания и нагнетания; 4,5 - торцевые каналы между рабочей полостью и окнами всасывания и нагнетания, 6, 7 - каналы между зубом ротора и расточкой корпуса насоса, 8 - межроторный канал, 9 - канал между острой кромкой ротора и внутренней поверхностью зуба, 10 - канал между торцом зуба левого ротора и крышкой, при закрытии окна нагнетания

Перетекания через щелевые каналы рассчитывались по уравнениям для вязкостного режима течения [4, 5]. Также в математической модели учитывается влияние тепловых деформаций деталей насоса.

Расчет параметров процесса откачки КЗВН проводится методом последовательных приближений для каждой из рабочих полостей. Результатом являются индикаторные диаграммы давления и температуры, а также рассчитанные на их основе, зависимости быстроты действия насоса от давления на входе.

Проверка адекватности математической модели проведена путем сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными, полученными в работе [6] при различных частотах вращения роторов и давлениях на входе в насос. В качестве объекта исследования в данных работах использовался одноступенчатый КЗВН. Результаты расчетов индикаторных диаграмм и зависимости быстроты действия от давления на входе в насос дают согласие с экспериментальными данными в пределах 10___20%.

Путем варьирования величин трех видов зазоров: межроторного, радиальных и торцевых получены расчетные откачные характеристики КЗВН.

На рис. 3 представлена зависимость отношения быстроты действия с измененным зазором в ВХ к быстроте действия насоса с номинальным зазором в . Максимальное влияние изменения величины зазора на быстроту действия наблюдается в области остаточного давления. При давлениях, близких к атмосферному, двукратное изменение величины зазора приводит к изменению быстроты действия в пределах 10%. В области остаточных давлений изменение быстроты действия может достигать нескольких раз. Аналогичная картина наблюдается и при варьировании других зазоров в насосе.

Рис. 3 - Удельная откачная характеристика КЗВН при варьировании величины межроторного (а) и торцевого (б) зазоров (номинальные зазоры в насосе 3РР = 0,2 мм,

8РК = 0,2 мм, 8Т1 = 0,3 мм, 8 Т2 = 0,1 мм)

Рассмотрение расчетных индикаторных диаграмм (рис. 4) показывает, что при высоких входных давлениях изменение величины зазоров оказывает наибольшее влияние на процесс нагнетания, а при низких давлениях - на процесс всасывания.

Анализ влияния величин зазоров на откачные характеристики позволяет оценить наиболее значимые направления перетеканий и оптимизировать конструкцию насоса с целью повышения удельных откачных характеристик.

Рис. 4 - Индикаторные диаграммы давления при варьировании радиального зазора 5 РК

и давления на входе в насос

Литература

1. Мамонтов, М. А. Вопросы термодинамики тела переменной массы / М. А Мамонтов. — Тула: Приокское книжн. изд., 1970. — 87 с.

2. Фотин, Б. С. Рабочие процессы поршневых компрессоров. — Автореф. дис... докт. техн. наук. / Б. С Фотин. — Л., 1974. — 34 с.

3. Райков, А.А. Математическое моделирование рабочего процесса кулачково-зубчатого вакуумного насоса. Расчет индикаторной диаграммы / А.А.Райков, С.И.Саликеев, А.В Бурмистров // Материалы IV Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная. техника и технология», Казань, 2009. - С.71-72.

4. Саликеев, С.И. Исследование протечек газа через щелевые каналы в вязкостном режиме / С.И Саликеев, А.В.Бурмистров, М. Д.Бронштейн // Компрессорная техника и пневматика. - 2005. № 7. -С. 19-23.

5. Захаров, А.А. Расчет проводимости профильных каналов спиральных безмасляных вакуумных насосов / А.А.Захаров, И.А.Сунгатуллин, С.И.Саликеев, А.В Бурмистров.// Вестник Казан. технол. ун-та - 2010 - № 7. - С.193-196.

6. Райков, А.А. Экспериментальный стенд для индицирования бесконтактных вакуумных насосов / А.А. Райков, С.И. Саликеев, А.В. Бурмистров // Материалы V Межд. науч.-технич. конф. «Вакуумная техника, материалы и технология». Под редакцией С.Б. Нестерова. М.: Новелла, 2010. -284с.

© А. А. Райков - асп. каф. вакуумной техники электрофизических установок КГТУ, ors@hitv.ru; С. И. Саликеев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, salikeev_s@mail.ru; А. В. Бурмистров - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, burm@kstu.ru.