Вспомогательное оборудование криогенных установок
Грачев А.Б., Боярский М.Ю., Савинова Н.М.

§4. Конструкционные схемы и
характеристики насосов

В современной вакуумной технике применяются самые различные конструкции насосов в зависимости от требований, предъявляемых к системам. Если специальных требований не предъявляется, то форвакуумные насосы чаще всего выполняются масляно-ротационными, а для получения высокого вакуума применяются диффузионно-масляные насосы.

Ротационно-масляные насосы разделяются на пластинчато-статорные и пластинчато-роторные. Конструктивные схемы их показаны соответственно на рис. 18 и 19. Основными элементами насосов служат корпус 1, ротор 2 и подпружиненная пластина 3. В пластинчато-роторном насосе оси корпуса и вращения ротора не совпадают, а подвижные в радиальном направлении пластины размещены в роторе.

Рис. 18. Конструктивная схема пластинчато-статорного насоса.
1 – корпус, 2 – ротор, 3 – пластина, 4 – пружина.

Рис. 19. Конструктивная схема пластинчато-роторного насоса:
1 – корпус, 2 – ротор, 3 – пластина, 4 – пружина.

В пластинчато-статорном насосе ось вращения ротора совпадает с осью корпуса, однако ротор расположен с эксцентриситетом на оси вращения. Подвижная пластина установлена в корпусе. В результате этого при вращении ротора, как видно из рис. 18 и 19, между корпусом, ротором и пластиной образуется полость переменного объема, которая периодически соединяется либо с впускным, либо с выпускным патрубками. Насос размещается в баке с маслом, которое предотвращает проникновение воздуха через зазоры между ротором и статором, а также ротором и пластиной.

Быстрота откачки насоса – Y зависит от его размеров, скорости вращения ротора и конструктивных факторов. Характерная зависимость Y от давления показана на рис. 21
(кривая 2). Предельный вакуум масляно-ротационных насосов определяется парциальным давлением паров масла, растворимостью воздуха в масле насоса, герметичностью корпуса, качеством уплотнения скользящих поверхностей и величиной вредного пространства. От масла зависит качество уплотнения и смазки трущихся частей, предельный вакуум и потребляемая мощность. Вязкость масла для улучшения уплотнения долга быть достаточно большая; однако необходимо учесть, что увеличение вязкости ведет к росту потребляемой мощности.

Рис. 21. Быстрота откачки вакуумных насосов:
1 – диффузионный, 2 – масляно-ротационный.

Мощность, потребляемую насосом, можно определить из уравнения для адиабатного сжатия идеального газа

(4-4)

где k - коэффициент Пуассона - отношение изобарной и изохорной теплоемкостей,
p_а - атмосферное давление.

Расчет по уравнению (4-4) показывает, что мощность достигает максимума при давлениях 230 ÷ 250 тор.

В настоящее время промышленностью выпускаются масляно-ротационные насосы с быстротой откачки Y от (1 ÷ 5)·10^-4 м³/с, имеющие несколько ступеней откачки с предельным давлением 1,3·10^-1 ÷ 2,6·10^-3 Н/м² (10^-3 ÷ 2·10^-5 мм. рт. ст.)
Характеристики некоторых насосов по данным [7] приведены в таблице 4-2.

Таблица 4-2.

Параметры	Тип насоса
	ВН-461	ВН-3-2	ВН-10	ВН-40	ВН-150-1
p, мм. рт. ст.	10-3	2·10-5	1,5·10-4	2·10-5	2·10-3
Y, 103, м3/c	0,89	3	6	25	150
Число ступеней откачки	2	2	2	2	1
Масса насоса, кг	75	43	120	300	1150
Мощность двигателя, кВт	0,60	0,60	1,00	4,5	14

Диффузионные насосы способны обеспечить понижение давления вплоть до 6,5·10-2 Н/м² (5·10^-7 мм. рт. ст.). Однако максимальное давление на выходе не должно
превышать 10·50 Н/м². В связи с этим для обеспечения их нормальной работы необходимо создать предварительное разрежение посредством форвакуумного насоса.

Конструкция одноступенчатого диффузионного насоса (рис. 20) включает корпус 1, в нижней части которого находится кипятильник-ванна с рабочей жидкостью, и нагреватель 2.

Рис. 20. Конструктивная схема диффузионного насоса.

Кипятильник сообщается с зонтичным соплом 3 посредством паропровода. Корпус насоса снабжен охлаждаемой рубашкой 4. Рабочая жидкость испаряется в кипятильнике и направляется по паропроводу в сопло, откуда вытекает со сверхзвуковой скоростью так, что струя направлена на область относительно высокого давления – форвакуума. Молекулы газа, которые диффундируют в струю из откачиваемого объема, при соударениях с молекулами пара рабочей жидкости такие приобретают скорость в направлении форвакуума. Таким образом, происходит транспорт молекул газа из откачиваемого объема в область относительно высокого давления. На охлаждаемой стенке насоса пары масла конденсируются и масло стекает в кипятильник.

Зависимость быстроты откачки Y диффузионных насосов от входного давления р_вх остается в рабочем диапазоне давлений практически неизменной (рис. 21, кривая 1). Однако при малых давлениях – вблизи предельных, уменьшается вследствие обратной диффузии откачиваемого газа и паров рабочей жидкости из струи и газоотделения деталей. При высоких давлениях увеличивается угол между струей, вытекающей из сопла, и корпусом насоса. В связи с этим уменьшается число молекул, транспортируемых в зону повышенного давления, что также приводит к уменьшению быстроты откачки.

Рабочие жидкости диффузионных насосов должны обладать рядом специфических свойств.

1. Небольшой упругостью пара при температуре окружающей среды – для улучшения предельного вакуума.

2. Большой упругостью пара при температуре нагревателя, что дает увеличение плотности струи.

3. Малой теплотой парообразования.

4. Неизменностью состава при длительной работе и термической стабильностью.

5. Не растворять газы и не взаимодействовать с конструкционным материалом насоса.

В качестве рабочей жидкости применяются минеральные масла марок ВМ-1 и ВМ-2, кремнийорганическое масло ВКЖ-94АБ и полифениловые эфиры ПФЭ. Предельное давление для ПФЭ составляет 10^-8 ÷ 10^-10 тор, для масел ВМ-1 и ВКЖ-94АБ – порядка 10^-6 тор. Недостатком минеральных масел и полиэфиров является невысокая термическая стабильность. В отличие от этого кремнийорганические масла имеют очень высокую термическую стабильность, однако они сравнительно дороги. В качестве рабочей жидкости диффузионных насосов может также применяться ртуть. Однако она образует амальгамы с цветными металлами; кроме того, пары ее ядовиты. Поэтому ртуть применяют только в тех случаях, когда попадание паров масла в откачиваемый объект недопустимо.
Характеристики некоторых диффузионных насосов приведены в таблице 4-3.

Таблица 4-3.

Параметр	Тип насоса
	Н-1С-2	Н-СМ-1	Н-2Т	Н-5Т	Н-8Т
Y, 103, м3/c	100	500	1500	3000	6000
pпр, мм. рт. ст.	1,5·10-7	5·10-7	3·10-6	3·10-6	3·10-6
pпр, мм. рт. ст.	0,4	0,15	0,1	0,1	0,1
Мощность двигателя, кВт	0,5	0,7	1,5	2,0	2,8

Следующая страница: 4.5.1. Обеспечение заданного давления в системе