Целесообразность использования клапана в кулачково-зубчатом вакуумном насосе

ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КЛАПАНА В КУЛАЧКОВО-ЗУБЧАТОМ ВАКУУМНОМ НАСОСЕ.

, ,

Казанский национальный исследовательский технологический университет

e-mail: *****@***ru

В настоящее время все большую роль в высокотехнологичных процессах, таких как наноэлектроника, наноинженерия, медицина, пищевая промышленность, металлургия, нефтехимическое производство, атомная энергетика, энергосберегающие технологии начинает играть чистота создаваемого вакуума. Одним из вакуумных насосов, позволяющих обеспечить такую откачку, является кулачково-зубчатый вакуумный насос (КЗВН).

Конструктивно КЗВН представляет собой бесконтактный насос объемного принципа действия, в котором перемещение газа осуществляется за счет периодического изменения объема замкнутой полости, образующейся между зубьями роторов, торцевыми крышками и расточкой корпуса. Всасывание и выхлоп газа осуществляется через окна, расположенные в торцевых крышках. Открытие и закрытие окон осуществляется самими роторами и не зависит от давления в рабочей полости. Это определяет основные недостатки данного насоса: пережатие газа в рабочей полости при входных давлениях, близких к атмосферному, и недожатие в области давлений, близких к остаточному. Недожатие приводит к повышению обратного потока газа из атмосферы в рабочую полость насоса, а также увеличивает потребляемую мощность. Это иллюстрирует рис. 1, на котором изображены расчетные диаграммы индикаторной мощности. При высоких давлениях на входе основные затраты мощности связаны с процессом сжатия (0,5–3 рад), однако при низких входных давлениях наблюдается рост индикаторной мощности при углах 3-4 рад в момент открытия окна нагнетания. В результате при низких входных давлениях, несмотря на снижение массы откачиваемого газа, снижения потребляемой мощности не происходит (рис. 2).

Рис.1. Диаграмма индикаторной мощности (n=3000 об/мин):
сплошная линия – до установки клапана, пунктир – после установки клапана

Одним из конструктивных решений, позволяющих снизить энергетические затраты, является установка клапана на выход из насоса. Он позволяет уменьшить перетекания газа с выхода в рабочую полость, исключить явление недожатия и тем самым, улучшить характеристики в области низких давлений. Однако, установка клапана на выход насоса имеет свои недостатки: увеличивается сопротивление окна нагнетания, что снижает быстроту действия насоса в целом. Также усложняется конструкция насоса и ухудшается его надежность.

В работе [1] для численного анализа рабочего процесса КЗВН была разработана математическая модель в основе которой лежат уравнения энергетического баланса термодинамической системы переменной массы. Адекватность данной модели была подтверждена сравнением с экспериментом [2].Именно с использованием данной математической модели были построены графики на рис.1,2.

Для учета влияния выходного клапана в математическую модель было введено условие отсутсвия потока газа с выхода в рабочую полость. Данное условие не учитывает увеличение газодинамического сопротивления выходного тракта и усилие, требуемое для срабатывания клапана. Тем не менее, оно позволяет оценить целесообразность установки выходного клапана.

Как видно из рис. 2, установка клапана практически не сказывается на мгновенной индикаторной мощности при высоких давлениях, однако при давлениях, близких к остаточному, пиковая мощность снижается на 45%.

Зависимость мощности от входного давления, изображенная на рис. 2 показывает снижение индикаторной мощности на остаточном давлении на 34%. В то же время при давлениях 60-100 кПа установка клапана практически не сказывается на энергозатратах.

Рис.2. Зависимости индикаторной мощности от давления на входе в насос:
сплошная линия – исходная конструкция, пунктир – после установки клапана

Таким образом, проведенные расчеты показывают улучшение энергетических показателей при установки выходного клапана в области низких давлений. Для снижения отрицательных воздействий клапана вследствие увеличения газодинамических сопротивлений в нагнетательном тракте рекомендуется его опциональная установка на насосы, предназначенные для поддержания вакуума при давлениях ниже 40 кПа.

Литература

1.  Райков,  модель кулачково-зубчатого вакуумного насоса. Индикаторные диаграммы / , , // Вакуумная техника и технология. –2011. – Т. 21, № 4. - C. 213-220.

2.  Райков, -теоретическое исследование индикаторных диаграмм кулачково-зубчатого вакуумного насоса / , ,  // Вестник Казанского технологического университета – 2011 – № 15. – C. 210-214.