Привет студент

Курсовая работа

Испытание высоковакуумного агрегата в составе форвакуумного масляного насоса 2НВР 5Д и турбомолекулярного насоса НВТ 950 – А027

 

Содержание

Введение…………………………………………………………….………… …5

Глава 1. Понятие вакуума………………………………………….…………….6

Глава 2. Приборы для измерения вакуума……………………….………….…10

2.1. Вакуумметры ВИТ-2 и ВИТ-2-П……………………….……………….10

2.1.1. Назначение……………………………………….…………...….....11

2.1.2. Технические характеристики…………………………………...…11

2.1.3. Устройство и принцип работы………………………….……....…13

2.1.4. Принцип действия термопарного вакуумметра……….…………14

2.1.5. Принцип действия ионизационного вакуумметра…...……....…..14

2.2. Образцовые манометры………………………………….…...…....……15

2.2.1. Предназначение………………………………….…..……………..15

2.2.2. Технические характеристики……………….………….…….……15

Глава 3. Вакуумные насосы………………………….……………………....…18

3.1. Насос 2НВР-5ДМ………………………….……...…………………….18

3.1.1. Описание………………..…………………………………..………18

3.1.2. Технические характеристики…………………………….....….….19

3.2. Турбомолекулярные насосы. ……………………………....…………..20

3.2.1. Конструкции турбомолекулярных насосов. ……………….....….20

3.2.2. Принцип действия турбомолекулярного насоса………..………..23

3.2.3. Турбомолекулярный насос НВТ 950 – 027А……………..….…..32

Глава 4. Экспериментальная часть……………………………………..... ……33

Выводы……………………………………………………………… ..… ….…..36

Список используемой литературы…………………………………..…………37

 

 

 

 

 

Введение

Турбомолекулярные вакуумные насосы (ТМН) традиционно относятся к группе высоковакуумных средств откачки, среди которых они по праву занимают одну из лидирующих позиций благодаря целому ряду преимуществ: относительно высокие значения быстроты откачки в широком диапазоне давлений по различным газам, практически не являются источниками загрязнения откачиваемого объема органическими соединениями, относительно малые габаритные размеры.

Целью курсовой работы является испытание высоковакуумного агрегата в составе форвакуумного масляного насоса 2НВР 5Д и турбомолекулярного насоса НВТ 950 – А027. Для достижения этой цели необходимо:

1. Собрать с помощью имеющегося оборудования вакуумный агрегат.
2. Проверить систему на герметичность.
3. Получить необходимые измерения и построить графики зависимости.

В ходе выполнения работы был собран вакуумный агрегат и получен высокий вакуум, который составил  Па.

 

 

 

Глава 1. Понятие вакуума

Под вакуумом понимают состояние газа (или пара), при котором его давление значительно ниже атмосферного. В качестве атмосферного давления обычно принимают Па, поэтому вакууму соответствуют давления ниже этого значения.

Вакуумная техника — прикладная наука, изучающая проблемы получения н поддержания вакуума, проведения вакуумных измерений, а также вопросы разработки, конструирования и применения вакуумных систем и их функциональных элементов. Разреженные газы по своим свойствам практически не отличаются от идеальных. В технике вакуум создают с помощью вакуумных насосов различных принципов действия.
Интенсивность протекания физико-химических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновений молекул газа со стенками ограничивающего его сосуда и числом взаимных столкновений молекул, характеризующимся отношением средней длины λ свободного пути молекул к характерному (определяющему) линейному размеру I сосуда; это отношение, называемое числом Кнудсена, положено в основу условного разделения областей вакуума на следующие диапазоны; низкий, средний, высокий и сверхвысокий. Степень вакуума в откачиваемых сосудах определяется равновесным давлением, устанавливающимся под действием противоположных процессов — откачки газа насосом и поступления газа в рабочий объем вследствие натекания через неплотности, а также технологического газовыделения. Низкий вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул газа значительно меньше характерного линейного размера сосуда, существенного для рассматриваемого процесса. Низкому вакууму обычно соответствует область давлений от 10^5 до 10Па. Средний вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул соизмерима с

характерным линейным размером. Среднему вакууму обычно соответствует область давлений от 100 до 0,1 Па. Высокий вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул значительно превышает характерный линейный размер. Высокому вакууму обычно соответствует область давлений от 0,1 до 10-6 Па.
Сверхвысокий вакуум характеризуется давлением газа, при котором не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свободной от адсорбированного газа, за время, существенное для рабочего процесса. Сверхвысокому вакууму обычно соответствует область давлений менее 10-6 Па.

Рис 1. Схема простой вакуумной системы.

1- откачиваемый объем, 2,3- манометры, 4- насос, 5- трубопровод

На рисунке 1 приведена схема простой вакуумной системы, согласно которой откачиваемый объем 1 соединен с насосом 4 посредством трубопровода 5; при этом давления и  на концах трубопровода 5 измеряются с помощью манометров 2 и 3. Течение газа обусловлено разностью давлений .

Под откачкой понимают процесс уменьшения молекулярной концентрации газа при помощи устройств, удаляющих или поглощающих газ. Время, необходимое для снижения давления в откачиваемом объеме до определенного значения при использовании конкретных устройств откачки, называется временем откачки.

Быстрота откачки , объекта определяется объемом газа при данном давлении, который откачивается в единицу времени через сечение вакуумного трубопровода, соединяющего откачиваемый объект с насосом

Величину  Sоб называют также эффективной быстротой откачки насоса Sэф. Под быстротой действия (или быстротой откачки) Sн вакуумного насоса понимают объем газа, откачиваемый насосом в единицу времени через входной патрубок при фиксированном давлении р1=const

                                                                                                        

Будем считать, что газовый поток является стационарным, т.е. Q=const. Тогда условие сплошности газовой среды можно записать в виде

где индекс i соответствует произвольному сечению вакуумного трубопровода.

Зависимости между тремя основными характеристиками вакуумной системы: быстротой действия Sн вакуумного насоса, эффективной быстротой откачки объекта Sэф и проводимостью U вакуумного труборовода между насосом и откачиваемым объектом:

                                                               

Тогда основное уравнение вакуумной техники, которое отражает отличие эффективной быстроты откачки объекта Sэф от быстроты действия вакуумного насоса Sн при наличии трубопровода проводимостью U, будет иметь следующий вид:

 или 

 

 

 

Таблица 1.

Характеристики различных степеней вакуума.

Характеристика	Степень вакуума
	низкая	средняя	высокая	сверхвысокая
Давление р, Па	10^5-10^2	10^2-10^(-1)	10^(-1)-10^(-5)	<10^(-5)
Концентрация молекул газа С,м^(-3)	10^25- 10^22	10^22- 10^19	10^19- 10^15	<10^15
Критерий Кнудсена	0,005≥Kn	1.5≥Kn˃0.005	Kn˃1.5	Kn→∞

 

 

 

Глава 2. Приборы для измерения вакуума

2.1 Вакуумметры ВИТ-2 и ВИТ-2-П

Рис. 2. Внешний вид измерительного блока ВИТ-2.

Рис. 3. Внешний вид измерительного блока ВИТ-2-П.

 

 

2.1.1.Назначение

Вакууметры ионизационно-термопарные ВИТ-2 и ВИТ-2-П предназначены для измерения давления сухого воздуха в диапазоне от 20 до  Па (2*  мм рт. ст.) в лабораторных и производственных помещениях при температуре окружающего воздуха от 283 до 308 К, влажности до 80%, атмосферном давлении 100000 Па  4000 Па (750 мм рт. ст.  30 мм рт. ст.).

Основные области применения: электровакуумная и полупроводниковая промышленность, металлургическая промышленность, пищевая промышленность, ядерная физика, металлообрабатывающая промышленность, космические исследования и др.

 

2.1.2 Технические характеристики

Диапазон измеряемых вакуумметром давлений воздуха:

1. С ионизационным манометрическим преобразователем ПМИ-2 от до Па;
2. С термопарными манометрическими преобразователями ПМТ-2 и ПМТ-4М от 20 до Па

Диапазон измеряемых токов – от  до  А. Диапазон измеряемых токов разбит на пять поддиапазонов.

Основная погрешность при измерении давления ионизационной частью вакуумметра в диапазоне от  до  Па не превышает  30% с учетом погрешности ионизационного преобразователя ПМИ-2 .

Термопарная часть вакуумметра является индикаторной. Погрешность при работе с термопарными манометрическими преобразователями ПМТ-2 и ПМТ-4М не нормируется.

Уход нуля усилителя ионизационной части вакуумметра на самом чувствительном поддиапазоне за 1 ч работы при измерениях напряжения питающей сети на  10% от номинального значения 220 В, после предварительного прогрева прибора в течение 30 мин, не превышает 2% от верхнего предела шкалы стрелочного прибора.

Электрический режим ионизационного преобразователя при токе эмиссии 0,5 мА и при номинальном значении напряжения питающей сети 220 В следующий: напряжение анод-корпус 250 В   5 В, напряжение катод-корпус 50 В 1,5 В.

Пределы регулировки тока эмиссии катода ионизационного преобразователя от 0,35 до 0,8 мА.

Изменение тока эмиссии катода ионизационного преобразователя за 1 ч работы после предварительного прогрева в течение 30 мин при измерении напряжения питающей сети на 10% от номинального значения 220 В и давления во всем диапазоне не превышает 5%.

Вакуумметр имеет выход с ионизационной части измерительного блока для подключения внешнего самопишущего прибора.

Ток нагревателя термопарного преобразователя регулируется в пределах от 95 до 150 мА.

Измерение тока нагревателя термопарного преобразователя за 1 ч работы после предварительного прогрева в течение 30 мин при изменении напряжений питающей сети на 10% от номинального значения 220 В не превышает 2%.

Питание вакуумметра осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В 22 В, частотой 50 Гц  0,5 Гц.

Мощность, потребляемая от сети при номинальном напряжении, не превышает 75 В*А.

Вакуумметр допускает непрерывную работу в нормальных условиях в течение 8 ч. Наработка на отказ вакуумметра составляет не менее 2000 ч.

Габаритные размеры вакуумметра не превышают:

1. для измерительного блока ВИТ-2 320х285х230 мм.
2. для измерительного блока ВИТ-2-П 430х238х230 мм.
3. для манометрических преобразователей: ПМИ-2 - d034х230 мм; ПМТ-2  -   d034x265 мм; ПМТ-2-М  -  d033x110 мм.

Масса вакуумметра не превышает 11 кг.

Электрическая изоляция сетевой цепи вакуумметра относительно корпуса выдерживает без пробоя испытательное напряжение переменного тока с эффективным значением 1,5 кВ в нормальных условиях. Сопротивление изоляции указанной цепи вакуумметра относительно корпуса не менее 50 Мом

 

2.1.3. Устройство и принцип работы

Рис. 4. Структурная схема вакуумметра ВИТ-2  (ВИТ-2-П);

I – измерительный блок, II – блок питания С-6, III- стабилизатор тока эмиссии СТ-2,  IV – cиловой трансформатор, V – стрелочный индикатор, VI – усилитель У-3 и электрометрический каскад Э-3, VII – блоки питания С-1, М-5, VIII – блок питания С-2, IX -  к потенциометру самопишущему.

 

 

 

2.1.4. Принцип действия термопарного вакуумметра

Электродвижущая сила, развиваемая термопарным манометрическим преобразователем, определяется температурой его нагревателя. Если в преобразователе, вакуумно-плотно соединенном с обследуемым объемом, ток накала нагревателя поддерживается постоянным, то электродвижущая сила термопарного преобразователя будет определяться давлением окружающего газа, так как температура нагревателя зависит от его теплопроводности. При понижении давления теплопроводность газа уменьшится, температура нагревателя увеличится, увеличится и электродвижущая сила термопарного преобразователя. По известной зависимости термо-э.д.с. от давления определяется давление в обследуемой системе.

 

2.1.5. Принцип действия ионизационного вакуумметра

При изменении давления газа с помощью ионизационного манометрического преобразователя используется явление изменения ионного тока от изменения давления при условии постоянства напряжений питания преобразователя и тока эмиссии катода.

Рис. 5. Принципиальная электрическая схема манометрического ионизационного преобразователя ПМИ-2.

I – коллектор, II – анод, III – катод, IV – накал.

Накаленный (вольфрамовый у преобразователя ПМИ-2) катод эмитирует электроны, которые ускоряются полем положительно заряженного анода и ионизируют газ в преобразователе. Образующиеся положительные ионы уходят на отрицательно заряженный коллектор. При постоянном токе эмиссии электронов и постоянном ускоряющем анодном напряжении число образующихся ионов пропорционально молекулярной концентрации газа в межэлектродном пространстве преобразователя. Ионный ток преобразователя служит мерой давления.

Ионный ток ионизационного преобразователя, являющийся результатом ионизации, очень мал ( А) и непосредственно не может быть измерен. Поэтому в вакууме использован электрометрический усилитель постоянного тока с выходом на стрелочный прибор, градуированный по току.

Ионизационный манометрический преобразователь является триодом, на коллектор которого подается отрицательный по отношению к катоду потенциал, равный 50 В, а на анод – положительный, равный 200 В.

С помощью стабилизатора ток эмиссии катода ионизационного преобразователя поддерживается постоянным и равным 0,5 мА.

 

2.2. Образцовые манометры

2.2.1. Предназначение

Манометры и вакуумметры деформационные образцовые с условными шкалами типов МО и ВО предназначены для проверки рабочих манометров, вакуумметров и мановакуумметров, а также преобразователей давления и разности давлений.

2.2.2. Технические характеристики

Приборы выпускаются по ТУ 25-05-1664-74. Шкала приборов: 250 условных единиц - для класса точности 0,4; 400 условных единиц - для классов точности 0,15 и 0,25. Цена деления - 1 условная единица.

Диаметр корпуса для класса 0,4 - 160 мм ; для класса 0,15 и 0,25 - 250 мм.

Температура окружающего воздуха - от 5 до 40 °С, относительная влажность 80 % при t = 25 °С.

Таблица 2.

Технические характеристики.

Модель	Верхний предел измерений, МПа	Класс точности
МО (Манометр) 11201	0,1(1)	0,4
МО (Манометр) 11202	0,16;0,25;0,4;0,6;1;1,6;2,5;4;6(1,6;2;10;16;25;40;60)	0,4
МО (Манометр) 11203	10;16;25;40;60;(100;160;250;400;600)	0,4
ВО (Вакуумметр) 11201	-0,1(-1)	0,4
МО (Манометр) 1227	0,1;0,16;0,4;0,6;1,0;,6;2,5(1;1,6;2,5;4;6;10;16;25)	0,15; 0,25
МО (Манометр) 1226	4;6;10;16;25;40;60(40;60;100;160;250;400;600)	0,15; 0,25
ВО (Вакуумметр)	-0,1(-1)	0,15; 0,25

 

 

Рис.6. Габаритные размеры приборов типов МО и ВО класса точности 0.4 и типов МТИ и ВТИ.

 

 

 

 

Глава 3. Вакуумные насосы

3.1. Насос 2НВР-5ДМ

3.1.1. Описание

2НВР-5ДМ – роторно-пластинчатый вакуумный насос двухступенчатый моноблочный. Насос предназначен для откачивания воздуха, неагрессивных газов, паров, парогазовых смесей, с содержанием кислорода не более 21% по объему при нормальных условиях, из герметичных сосудов, объемом не более 3.5 . Роторно-пластинчатый вакуумный насос 2НВР-5ДМ откачивает среды с предварительной их очисткой от механических загрязнений и капельной влаги.

Рис.7. Пластинчато-роторный вакуумный насос с масляным уплотнением 2НВР-5ДМ.

С целью осуществления привода роторно-пластинчатого вакуумного насоса 2НВР-5ДМ используется общепромышленный трехфазный асинхронный электродвигатель марки АИР 71 А4, мощностью 0.55 КВт, с частотой вращения вала 1450 об/мин. По некоторым данным, до 90% от всего рынка этой области занимают именно насосы НВР – 5ДМ.

Применяется в следующих областях: в медицине при проведении операционных вмешательств, в пищевой промышленности – вакуумные упаковки, для удаления жидкостей с любых поверхностей и т. д.

 

3.1.2. Технические характеристики

Таблица 3.

Технические характеристики пластинчато-роторного вакуумного насоса с масляным уплотнением 2НВР-5ДМ.

Наименование параметра	Значение
1. Быстрота действия в диапазоне давлений на входе от атмосферного до     0,26 кПа (2 мм рт.ст.), м3/ч (л/с)	19,8 (5,5)
2. Предельное остаточное давление, кПа (мм рт.ст.), не более, при применении рабочей жидкости (масла): ВМ-1С, ВМ-5С ТУ 38.101 1187-88 а) парциальное без газобалласта б) полное без газобалласта в) полное с газобалластом	1,0·10-5 (7,5·10-5) 6,7·10-4 (5·10-3) 2,6·10-3 (2·10-2)
ВМ-6 ТУ 38.401-58-3-90 а) парциальное без газобалласта б) полное без газобалласта в) полное с газобалластом	1,3·10-5 (1·10-4) 1,3·10-3 (1·10-2) 6,7·10-3 (5·10-2)
3. Наибольшее рабочее давление, кПа (мм рт.ст.)	0,133 (1)
4. Объем откачиваемого сосуда, м3, не более	3,5
5. Наибольшее давление паров воды на входе насоса, кПа (мм рт.ст.)	2,7 (20)
6. Количество рабочей жидкости, заливаемой в насос, дм3	1,2
7. Питание эл./двигателя от сети трехфазного переменного тока с частотой 50 Гц, напряжением, В	380
8. Мощность эл./двигателя, кВт	0,55
9. Габаритные размеры, мм, не более: а) длина б) ширина в) высота	555 170 280
10. Масса, кг, не более	26
11. Диаметры условного прохода входного/ выходного патрубков, мм	25/25

Рис. 8. Зависимость быстроты действия на входе в насос от входного давления.

3.2. Турбомолекулярные насосы

3.2.1. Конструкции турбомолекулярных насосов

Молекулярные насосы с взаимно перпендикулярным движением рабочих поверхностей и потока откачиваемого газа получили широкое распространение. Конструкция турбомолекулярного насоса, использующая этот принцип, во многом определяется расположением вала ротора: горизонтальным или вертикальным, устройством и формой рабочих органов: цилиндровые, конусные, дисковые с радиальным потоком, дисковые с осевым потоком, барабанные. Для обеспечения работоспособности турбомолекулярного насоса необходимо обеспечить на выходе из его последней ступени молекулярный режим течения газа любым насосом предварительного разрежения (форвакуумным насосом) с выхлопом в атмосферу.

Большое влияние на характеристики насоса оказывает конструкция опорных узлов: на смазываемых подшипниках качения, на магнитных опорах или газовой подушке.

Рис. 9. Схемы турбомолекулярных насосов. а – с горизонтальным валом, б – с вертикальным валом.

Схемы насосов с горизонтальным и вертикальным расположением вала ротора показаны на рис. 9. В корпусе 2 установлены неподвижные статорные колеса 4, между которыми вращаются колеса 3, закрепленные на роторе. Роторные колеса выполняются в виде дисков с прорезями. В статорных колесах имеются зеркально расположенные прорези такой же формы. Для удобства монтажа статорные колеса разрезаются по диаметру.

При горизонтальном положении ротора движение газа в насосе после входа во всасывающий патрубок разветвляется на два потока, которые соединяются в выхлопном патрубке.

Скорость откачки определяется наружным диаметром роторных ступеней, длиной лопаток, их количеством, углом наклона лопаток первых ступеней, скоростью вращения. При высоком давлении на входе в турбомолекулярном насосе, его быстрота действия зависит и от скорости откачки форвакуумного насоса. Когда давление газа на входе в турбомолекулярном насосе возрастает, то увеличивается его трение в ступенях проточной части турбомолекулярного насоса и мощность, потребляемая электродвигателем, особенно при снижении скорости вращения ротора от трения газа. Это вызывает увеличение нагрева проточной части турбомолекулярного насоса, подшипниковых узлов вращения, снижение скорости откачки и может привести к аварии. Поэтому, при повышении температуры узлов вращения ротора выше определённой величины происходит отключение питания электродвигателя турбомолекулярного насоса с помощью температурного датчика, установленного вблизи одного из узлов вращения ротора. Так происходит ограничение времени откачки максимального потока газа на входе в таких насосах.

В связи с малыми коэффициентами компрессии каждой ступени в турбомолекулярном насосе можно увеличить рабочие зазоры. При диаметре рабочих колес 200 мм осевой (между колесами) в радиальный (между корпусом и роторным колесом или ротором и статорным колесом) зазоры могут составлять 1 - 1.2 мм, что позволяет значительно повысить надежность их работы. Увеличение зазоров, снижая коэффициент компрессии насоса, слабо влияет на его быстроту действия.

Быстрота откачки турбомолекулярных насосов слабо зависит от рода газа. Предельное давление насосов 10^-7-10^-8 Па. С увеличением молекулярной массы коэффициент компрессии растет за счет уменьшения перетечек через зазоры и увеличения отношения линейной скорости ротора к тепловой скорости молекул v_p/v_ap. Наибольшее выпускное давление таких насосов для воздуха 1 - 10 Па.

К достоинствам турбомолекулярного насоса относятся:

1. высокая площадь входного сечения;
2. достаточно широкий диапазон рабочих давлений 10^-6-10 Па;
3. быстрый запуск насоса в течение 5-10 мин;
4. практически безмасляный спектр остаточных газов при напуске во время запуска и остановки насоса сухого азота.

Недостатком насоса является наличие высокоскоростного ротора со смазываемыми быстро изнашивающимися подшипниками или сложными системами подвеса.

Применяются две основные системы подвески: магнитный подвес и керамические подшипники. Необслуживаемые керамические подшипники используются вместо обычных стальных подшипников. Шарики подшипника, выполненные из нитрида кремния, легче, тверже и обладают более высокой однородностью по сравнению со стальными аналогами. При их использовании увеличивается ресурс и снижается уровень вибраций.

Повышение надежности достигается использованием разных материалов в паре шарик-канавка, предотвращающих образование поверхностных раковин. Использование магнитного подвеса еще более повышает надежность всей системы. Часто в насосах применяется гибридная схема подвеса. На входе насоса со стороны высокого вакуума используются магнитные опоры, а на выходе керамические подшипники с масляной или консистентной смазкой.

 

3.2.2. Принцип действия турбомолекулярного насоса

В простейшем варианте (рис. 10, а) молекулярный насос состоит из металлического цилиндра (ротора), вращающегося с большой скоростью внутри герметически закрытого корпуса (статора). По своей конструкции этот насос напоминает ротационный, но отличается от него тем, что в нем нет физической границы между объемами низкого и высокого вакуума.

 

Рис. 10. Принцип действия и устройство молекулярного насоса Геде. А - ротор, В - статор, С - перегородка.

Для молекул газа, попадающих во впускное отверстие насоса со скоростями теплового движения, довольно высока вероятность столкновения с вращающейся поверхностью ротора, в результате чего они остаются на ней некоторое время (равное времени пребывания). После отрыва от поверхности молекулы приобретают высокую скорость, направленную по касательной к вращающемуся ротору. 

Таким образом, за счет импульсов, полученных при таких столкновениях, молекулы будут двигаться вслед за цилиндром в полости насоса. Для эффективной работы насоса необходимо, чтобы приобретаемая молекулой дополнительная скорость значительно превосходила скорость ее теплового движения, а длина свободного пробега молекулы была больше размеров впускного отверстия насоса, чтобы практически полностью исключить межмолекулярные столкновения. Геде показал, что в условиях свободно-молекулярного течения отношение давлений на выходе и на входе насоса (степень сжатия) определяется выражением:

   

где w — угловая скорость вращения ротора, которая должна быть порядка 10000 об/мин, и А — константа, определяемая геометрией рабочего зазора насоса и природой газа.

Для того чтобы константа А была большой, необходимо увеличивать площадь части поверхности ротора, взаимодействующей с входящим потоком газа, но зазор между ротором и статором при этом должен быть малым. Кроме того, для обеспечения условий свободно-молекулярного течения предварительный вакуум должен быть не хуже 100 Па. В одной из разработанных конструкций (рис. 10, б) поверхность была увеличена за счет пазов в роторе, в которые входят перегородки, находящиеся на статоре (рис. 10, б). Диаметр ротора при этом составлял 5 см, а зазор между ним и статором — 0,1 мм. Несколько таких откачивающих секций, включенных последовательно, создавали общую степень сжатия по азоту 10⁵.

Быстрота откачки такого насоса относительно низкая и составляет около 10^-3 м³с^-1. Были предложены различные конструкции насосов этого типа, в частности насос Голвека , в кото ром использован гладкий ротор, а статор снабжен винтовыми желобками правой и левой нарезки. Ширина желобков постоянна, высота же уменьшается от средней части ротора насоса (вход) к его торцам (выход). При вращении статора молекулы откачиваемого газа перемещаются вокруг и вдоль оси насоса. Аналогичная идея использована в конструкции дискового насоса Зигбана, в котором гладкий диск вращается вплотную к поверхности статора, снабженного несколькими спиральными желобками, по которым откачивается газ.

Однако вследствие требований высокой скорости вращения и очень малых зазоров между вращающимися и неподвижными элементами насоса, а также относительно невысокой быстроты откачки, такие конструкции не выпускались в промышленных масштабах.

 Ситуация изменилась в связи с идеей турбомолекулярного насоса, впервые описанной Баккером в 1958 г. Этот насос по своей конструкции напоминает многоступенчатый компрессор или паровую турбину (рис. 11, а). Его статор и ротор снабжены лопатками, установленными под определенными углами. Этот насос удовлетворительно функционирует при миллиметровых зазорах между лопатками статора и ротора, что позволяет назначать нежесткие допуски на его изготовление и сборку. Хотя молекулы газа движутся по окружности, в соответствии с направлением движения лопаток, откачка, в отличие от молекулярного насоса, происходит вдоль оси. 

Принцип действия турбомолекулярного насоса проиллюстрирован на рис. 11, б.

Рис. 11. Схемы работы турбомолекулярного насоса. а – расположение лопаток, б – принцип действия насоса.

Рассматривая усредненный поток молекул газа, движущихся в направлении вращающихся лопаток, можно видеть, что их средние относительные скорости будут составлять с направлением вращения довольно острый угол и они будут ударяться о кромку лопатки, как показано на рисунке. В предположении диффузного механизма рассеяния отраженных частиц молекулы, отраженные в пределах угла 1, будут возвращаться в область 1, тогда как все молекулы, отраженные в пределах угла 3, будут попадать в область 2. Молекулы, отразившиеся в пределах угла 2, могут оказаться как по ту, так и по другую сторону лопаток.

В аналогичных ситуациях оказываются и молекулы, сталкивающиеся с лопаткой со стороны 2. Вероятность того, что молекулы перейдут с одной стороны лопатки ротора на другую, зависит от соотношения углов, и, как видно из рисунка, вероятность переноса молекул в область 2 намного выше вероятности обратного процесса.

Механизм переноса молекул был исследован с помощью метода Монте-Карло. Оказалось, что зависящая от скорости вращения лопатки и угла ее установки вероятность переноса молекулы из области 1 в область 2 примерно в 10—40 раз больше, чем в обратном направлении.

Однако суммарный поток газа вдоль оси ротора зависит не только от рассмотренных вероятностей, но также от перепада давлений на лопатках. Конструкция, рассчитанная на максимальную быстроту откачки, обычно характеризуется низкой степенью сжатия, и наоборот. Таким образом, приходится идти на компромисс между степенью сжатия и быстротой откачки.

Поскольку молекула, отраженная лопаткой, приобретает тангенциальную составляющую скорости в направлении движения ротора, она будет ударяться о лопатку статора под углом отражения. Но поскольку лопатки статора расположены под противоположным углом по отношению к лопаткам ротора, поток молекул газа будет ускоряться вдоль оси насоса. В реальных конструкциях используются несколько пар ротор — статор; каждая пара образует одну откачивающую ступень.

В современных насосах этого типа довольно часто несколько откачивающих ступеней на входе конструируют из расчета достижения максимальной быстроты откачки, тогда как остальные, расположенные на выходе насоса, конструируют из расчета достижения высоких степеней сжатия. Конструкция турбомолекулярного насоса, описанного Беккером и выпускаемого фирмой Arthur Pfeiffer GmbH, имеет две откачивающие секции, расположенные симметрично относительно входа (рис. 12).

Скорость вращения ротора зависит от размеров насоса и обычно составляет около 10 000 об/мин. Такая высокая скорость вращения создает значительные нагрузки в подшипниках, которые в связи с этим следует эффективно смазывать потоком масла и одновременно охлаждать водой. На турбомолекулярных насосах были получены почти такие же скорости откачки, как и у диффузионных насосов таких же размеров. Насосы, изготовляемые фирмой Pfeiffer, обеспечивают быстроту откачки в диапазоне 250— 15 000 м³ч^-1 при степени сжатия 10⁹ по азоту и 10³ по водороду.

Рис. 12. Турбомолекулярный насос фирмы Balzers High Vacuum Lfd. 1 – подшипник, 2 – двигатель, 3 – лабиринтное уплотнение, 4 – вал ротора, 5 – фланец для подсоединения к вакуумной системе, 6 – лопатки ротора, 7 – лопатки статора, 8 – резервуар с маслом, 9 – подача масла в подшипники, 10 – слив масла, 11 – выход (форвакуум), 12 – нагреватель, 13 – водяное охлаждение, 14 – уплотнительная крышка.

Поскольку для достижения свободномолекулярных условий течения турбомолекулярные насосы откачиваются ротационными или сорбционными насосами, возможно достижение в вакуумной системе степени разрежения ниже 10^-8Па. В системе остаются в основном легкие газы, такие, как водород.

Поскольку максимальная степень сжатия соответствует тяжелым молекулам, пары масла из подшипников не попадают в систему, так что турбомолекулярные насосы позволяют получать вакуум, в котором отсутствуют следы углеводородов и нет необходимости использовать отражатели и ловушки, охлаждаемые жидким азотом. Однако необходимо отметить, что когда насос находится в нерабочем состоянии (не вращается), пары масла из подшипников могут попадать в вакуумную систему, поэтому должны быть приняты соответствующие меры предосторожности.

Последние конструкции турбомолекулярных насосов рассчитаны по теории Кругера и Шапиро. В этих насосах усовершенствованы лопатки, что позволило повысить их эффективность по сравнению с базовой конструкцией Беккера. Увеличение скорости вращения ротора до 42 ООО об/мин при помощи электродвигателей постоянного тока с электронным управлением позволило Остерстрему и Шапиро разработать конструкцию, обладающую десятикратной быстротой откачки (при небольшом уменьшении степени сжатия) и в два раза меньшим числом откачивающих секций по сравнению с базовой моделью такого же размера.

Миргелем предложена альтернативная конструкция, в которой ротор вращается вокруг вертикальной оси, а поток газа движется в одном направлении (в отличие от конструкции Беккера, где входящий газ разделяется на два потока, рис. 12). По сравнению с горизонтально расположенным ротором такой насос, выпускаемый фирмой Leybold-Heraues, обладает более компактной конструкцией (рис. 13). 

Рис. 13. Вертикальный турбомолекулярный насос фирмы Leybold – Heraeus.

Одно из преимуществ этого насоса заключается в отсутствии неравномерности нагрузок на подшипники, что могло бы привести к выдавливанию смазывающей жидкости или ее паров из привода и последующему попаданию их в вакуумную установку. Насос имеет следующие характеристики: диаметр 20 см, высота 46 см, скорость вращения статора 24000 об/мин, быстрота откачки 1332 м³*ч^-1.

Позже этой же фирмой была выпущена новая модель насоса с подшипниками на магнитной подвеске с целью исключения любой возможности загрязнения вакуума маслом. Подшипники этого типа имеют очень сложную конструкцию и поэтому весьма дорогие.

Некоторые другие фирмы также применяют вертикальное расположение ротора, особенно в небольших низкоскоростных насосах. Однако эта конструкция в отсутствие верхнего подшипника не предохраняет ротор от ударов и вибраций. Фирма Pfeiffer смогла разрешить эту проблему, использовав на вакуумном конце оси магнитную подвеску на основе постоянного магнита.

Хотя турбомолекулярный насос обеспечивает более высокую скорость откачки по сравнению с молекулярным насосом, последний способен достигать большей степени сжатия. Это соображение было использовано фирмой CIT-Alcatel в комбинированном варианте насоса. Конструкция этого насоса, в котором соединены оба устройства, описана в работе  и схематически представлена на рис.14. На входе насоса расположен четырехступенчатый турбомолекулярный насос диаметром 20 см. За ним на той же самой оси размещен молекулярный насос цилиндрического типа.

Рис. 14. Сблокированные турбомолекулярный и молекулярный насосы.

Высокая степень сжатия позволяет осуществлять откачку до давлений ниже 10^-6 Па с выхлопом откачанного газа непосредственно в атмосферу. Однако для достижения условий свободномолекулярного течения на входе в насос необходимо создать начальный форвакуум 10 Па. В последних конструкциях предусмотрена установка воздушного турбокомпрессора на оси ротора.

Такие турбомолекулярные насосы обеспечивают высокую быстроту откачки, высокий вакуум (до 10^-8 Па) и отсутствие загрязняющих следов масла. Рабочая часть насоса обычно может прогреваться до 100 ⁰C или несколько выше; кроме того, при эксплуатации такого насоса не требуется отражателей или ловушек.

Однако эти насосы все же представляют собой прецизионные устройства, работающие при высоких скоростях вращения ротора, поэтому они весьма дороги и требуют регулярного и квалифицированного технического обслуживания. Особенно это касается проблемы износа подшипников, которые легко подвержены повреждениям от твердых частиц, способных попасть в насос. Если форвакуум создается ротационным насосом, то следует предусмотреть меры, предотвращающие попадание паров масла, хотя эта проблема для турбомолекулярного насоса не так важна, как в случае диффузионного, ввиду высокой степени сжатия для тяжелых молекул.

В последнее время турбомолекулярные насосы находят все более широкое применение, особенно в электронных микроскопах, где требуется довольно высокая производительность при полном отсутствии загрязнения маслом.

 

 

3.2.3. Турбомолекулярный насос НВТ 950 – 027А

Насос предназначен для создания высокого вакуума в различных вакуумных установках, где требуется получение остаточных давлений в диапазоне 1´10 ^–1¸1´10 ^–6  Па при больших газовых нагрузках.

Рис. 15. Турбомолекулярный насос НВТ 950 – 027А.

Таблица 4.

Техническая характеристика.

Наибольшая быстрота действия по воздуху, л/с	950
Предельное остаточное давление, Па (мм рт. ст.)
Давление на форвакууме, Па	6.6
Частота вращения ротора, об/мин	21000
Время выхода на режим, мин	15
Потребляемая мощность, КВт	0.6
Расход охлаждающей воды, л/ч	50
Габаритные размеры, мм	410х410х500
Масса, кг	80
Фланцы: - входной - выходной	Ду 250 ОСТ 11.868.006-76 Ду 63 ОСТ 11.868.006-76
Средний ресурс, час	Не менее 20000
Установленный ресурс, час	Не менее 8000
Блок питания БП-267: - потребляемая мощность, Квт -габаритные размеры, мм	1.5 480х160х300

 

 

Глава 4. Экспериментальная часть

Запуск турбомолекулярного насоса НВТ 950 был осуществлен после капитального ремонта, состоящего в замене высокооборотных подшипников.

Для проверки турбомолекулярного насоса был собран вакуумный агрегат, состоящий из:

1. Форвакуумный масляный насос 2НВР 5Д.
2. Турбомолекулярный насос НВТ 950 – А027.
3. Стрелочный вакуумметр с классом точности 0.4, необходимый для индикации относительно больших давлений.
4. Ионизационно – термопарный вакуумметр ВИТ-2П.
5. Блок питания БП 267.
6. Термопарная лампа ПМТ – 2.

Рис. 16. Собранный вакуумный агрегат.

1. Проверка работы форвакуумного масляного насоса 2НВР 5Д.

После подключения к насосу термопарной лампы ПМТ – 2 были получены  измерения и построен график зависимости.

Таблица 5

Полученные измерения.

Давление, mV	1	2	3	4	5	6	6.5	7
Время, с	5	7	11	15	23	33	55	94

 

Рис. 17. График работы насоса самого на себя.

В результате проведенного эксперимента, убедились в исправности форвакуумного масляного насоса 2НВР 5Д.

 

2. Соединение форвакуумного ротационного масляного насоса 2НВР 5Д с турбомолекулярным насосом НВТ 950 – А027 осуществлялось с помощью трубопровода диаметром 32 мм и длиной 1 м, что полностью соответствует характеристикам насосов.

 

3. Запуск вакуумного агрегата.

После запуска вакуумного агрегата за 23 минуты был получен высокий вакуум 9.8 mV, что равно  Па. Турбомолекулярный насос перешел в рабочий режим за 10 минут.

 

 

Таблица 6.

Результаты промежуточных измерений.

Давление mV	1	2	3	4	5	6	7	8	9	9.5	9.8
Время, мин	0.34	0.51	1.45	4.18	12.25	13.00	13.45	14.16	14.47	15.30	22.01

 

Рис. 18. График работы вакуумного агрегата с использованием термопарной лампы ПМТ – 2.

 

 

 

 

Выводы

В ходе проведенной работы получены следующие результаты:

1. Собран и испытан вакуумный агрегат, состоящий из форвакуумного масляного насоса 2НВР 5Д, турбомолекулярного насоса НВТ 950 – А027, ионизационно – термопарного вакуумметра ВИТ-2П и блока питания БП 267.
2. Получен высокий вакуум порядка Па.
3. Построен график работы высоковакуумного агрегата.

 На основании полученных результатов можно считать, что поставленные в работе задачи полностью решены, цель работы достигнута.

 

 

 

Список используемой литературы доступен в полной версии работы

Скачать: kursovaya-5.zip