Влияние размеров окна нагнетания на параметры рабочего процесса кулачково-зубчатого вакуумного насоса

УДК 621.521

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

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ОКНА НАГНЕТАНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КУЛАЧКОВО-ЗУБЧАТОГО ВАКУУМНОГО НАСОСА

Ключевые слова: : вакуум, быстрота действия, индикаторная диаграмма, кулачково-зубчатый насос, всасывание,

нагнетание.

С помощью математического моделирования проведен анализ влияния протяженности окна нагнетания на быстроту действия и индикаторные диаграммы кулачково-зубчатого насоса. Приведены рекомендации по выбору размеров окна при проектировании многоступенчатых кулачково-зубчатых машин.

Keywords: vacuum, pumping speed, indicator diagram, claw pump, inflow, injection.

Dependence of outlet window of claw vacuum pump length on pumping speed and indicator diagrams has been analyzed with the help of mathematical modeling. The recommendations for the choice of outlet window size in multistage claw machines are given.

В условиях ужесточения требований к чистоте вакуума в современных технологических процессах актуальной является задача разработки средств безмасляной откачки, наиболее перспективными из которых являются бесконтактные насосы. К данному типу машин относится рассматриваемый в данной работе кулачково-зубчатый насос (КЗВН), также называемый насосом типа «Claw». Конструкция этого насоса позволяет использовать его, как в качестве средства основной откачки технологических объемов, так и в качестве форвакуумного насоса для «сухих» высоковакуумных машин.

Конструктивно КЗВН (рис. 1) представляет собой бесконтактный, безмасляный, двухроторный, механический, вращательный насос объемного принципа действия, в котором перемещение газа осуществляется за счет периодического изменения объема замкнутой полости, образующейся между зубьями роторов, расточкой корпуса и торцевыми крышками. Благодаря специальному профилю, ротора при вращении не касаются друг друга и корпуса. За счет этого насос не требует применения вакуумного масла в рабочей полости, масло используется только для смазки и охлаждения подшипников и синхронизирующих шестерен, которые располагаются в отдельных картерах, отделенных манжетными уплотнениями.

Рис. 1 - Варианты конструкции КЗВН при

различных расположениях окна нагнетания: 1, 2 -входной и выходной тракты, 3 - окно всасывания, 4 - окно нагнетания, 5 - вал, 6 - роторы

С целью исследования рабочего процесса КЗВН в работах [1, 2] разработан и изготовлен одноступенчатый насос и получены экспериментальные значения быстроты действия и индикаторные диаграммы при различных частотах вращения роторов и давлениях на входе. Используя дифференциальные уравнения, основанные на энергетическом балансе термодинамической системы переменной массы, создана математическая модель процесса откачки насоса, адекватность которой подтверждена сравнением с экспериментальными данными [3, 4]. Данная модель может использоваться для анализа влияния конструктивных (профиль и размеры роторов, величина зазоров и др.) и эксплуатационных факторов (частоты вращения роторов, входное давление) на откачные характеристики насоса.

Откачные параметры КЗВН во многом зависят от геометрии роторов и местоположения, геометрии и протяженности окон всасывания и нагнетания.

В работе [3] представлена методика построения геометрии роторов и окон всасывания и нагнетания. Положение внешней и внутренней кромок окон ограничено. Диаметр наружной кромки окон не может быть больше диаметра начальной окружности, а диаметр внутренней кромки нельзя сделать меньше диаметра вала (рис.1).

Углы открытия и закрытия окна всасывания определяются из условия максимально возможной продолжительности процесса всасывания. Расположение кромки окна нагнетания со стороны закрытия продиктовано стремлением к минимизации перевального объема VПЕР, который образуется в положении роторов, показанном на рис. 1. Этот объем переносится в следующий цикл всасывания.

Угол открытия окна нагнетания определяет внутреннюю степень сжатия, которая в свою очередь влияет на предельное остаточное давление и быстроту действия. Этот угол, задающий момент соединения полости сжатия с окном нагнетания, является одним из параметров оптимизации.

С использованием математической модели рабочего процесса КЗВН проведены расчеты быстроты действия и индикаторных диаграмм КЗВН при различных длинах окна нагнетания. Основные размеры исследуемого насоса соответствуют

экспериментальному образцу, разработанному в работе [2]. Длина окна нагнетания варьировалась за счет изменения угла открытия (угол закрытия фиксировался). Угол измерялся между кромками окружностей, очерчивающих кромки окна. Расчеты проведены для следующих углов 37; 83; 140; 198; 254. Зависимости площади окна нагнетания от угла поворота ротора, соответствующие перечисленным углам, нанесены на рис. 2.

отмечалось, уменьшение размеров этого окна вызывает процесс пережатия, что отрицательно сказывается на откачных характеристиках в области высоких давлений. Например, при давлениях на входе, близких к атмосферному, снижение протяженности окна с 2540 до 370 приводит к уменьшению быстроты действия с 19 до 11,6 л/с.

Вместе с тем, вследствие увеличения геометрической степени сжатия происходит снижение величины предельного остаточного давления. Так, для исследуемого в настоящей работе насоса, вышеназванное снижение протяженности окна улучшает предельный вакуум в 5 раз (с 24000 Па до 4500 Па).

Рис. 2 - Зависимости площади окна нагнетания от угла поворота ротора

На рис. 3 представлены индикаторные диаграммы при различных давлениях на всасывании. На диаграммах хорошо различимы процессы всасывания, перемешивания, сжатия и нагнетания. Как видно из графиков, варьирование протяженности окна нагнетания оказывает наибольшее влияние на процесс сжатия-нагнетания. Более позднее открытие окна приводит к значительному пережатию газа даже при относительно низких давлениях на входе.

Р, Па 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000

1  п=3000 об/ми РВх=5° кПа I

н / \ ,

/ ' /Л

( ->-70 ' /

37 '

33° /

140°

1 *ти А АлО  / . /

198 / .

254°  / / /‘

' /

л/

\/

V

6

8

10 ф, рад

Рис. 3 - Индикаторные диаграммы в полости нагнетания КЗВН при различных длинах окна нагнетания

На рис. 4 представлены расчетные зависимости быстроты действия от давления при различных длинах окна нагнетания. Как уже

8ВХ’Л/С

16

14

12

10

8

6

4

2

0

I

м 'ЗАЛА лй/чпп

п—зиии сю/мин • '

5 ^ !

, ;>• V''

У- т 1

/ / - 37е )

г / ‘ г ) 1

/ / -83е

/ У ' / / .0 1

/\ / / * - 141)

/ / , 1 У л

' / • / ' -1Уо

7 / / ' .. ОД/1°

/ / , / /

Ч / / :

20000 40000 60000 80000

Рвх> Па'

Рис. 4 - Зависимость быстроты действия КЗВН от давления на входе в насос при различных длинах окна нагнетания

Проведенные расчеты позволяют дать ряд рекомендаций по проектированию

многоступенчатых агрегатов на базе КЗВН. Так как быстрота действия многоступенчатых агрегатов зависит от быстроты действия первой ступени, а остаточное давление - от степени повышения давления первой и последующих ступеней, то в многоступенчатых кулачково-зубчатых машинах в первой ступени следует использовать максимальную протяженность окна нагнетания, в то время как в последующих ступенях длину окна необходимо уменьшать. Конкретные размеры окон можно определить для каждой конкретной геометрии и размеров роторного механизма с учетом диапазона рабочих давлений.

Литература

1. Райков, А.А. Разработка опытного образца кулачковозубчатого вакуумного насоса для получения индикаторных диаграмм давления и температуры / А.А. Райков, С.И. Саликеев, А.В. Бурмистров // Вестник Казан. технол. ун-та - 2010 - № 11. - С.229-233.

2. Райков, А.А. Кулачково-зубчатый вакуумный насос. Экспериментальные индикаторные диаграммы / А.А. Райков, С. И. Саликеев, А. В. Бурмистров // Вакуумная техника и технология. -2011. - Т. 21, № 3. - С. 151-157.

3. Райков, А.А. Математическая модель кулачковозубчатого вакуумного насоса. Индикаторные диаграммы / А.А. Райков, С. И. Саликеев, А. В. Бурмистров //

Вакуумная техника и технология . -2011. - Т. 21, № 4. -С. 213-220.

4. Райков, А.А. Экспериментально-теоретическое

исследование индикаторных диаграмм кулачковозубчатого вакуумного насоса / А.А. Райков, С.И. Саликеев, А.В. Бурмистров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. -Т. 14, № 15. - С. 210-214.

5. Райков, А.А. Влияние зазоров на откачные

характеристики безмасляного кулачково-зубчатого

вакуумного насоса / А.А. Райков, С.И. Саликеев, А.В. Бурмистров // Вестник Казан. технол. ун-та 2011 -Т. 14, № 8. - С.77-81.

© А. А. Райков - асп. каф. вакуумной техники КНИТУ, : 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.