CC BY
31
ВШзехэшш] выкшшпх ©аведжшй
ДЕМИХОВ Константин Евгеньевич
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой
НИКУЛИН Николай Константинович
кандидат технических наук, доцент кафедры
СВИЧКАРЬ Елена Владимировна
ассистент кафедры
АНТИПОВ Иван Александрович
учебный мастер кафедры
«Вакуумная и компрессорная техника
физических установок» (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
УДК 81.29.14
Измерение температуры проточной части молекулярно-вязкостного вакуумного насоса
К.Е. Демихов, Н.К. Никулин, Е.В. Свичкарь, И.А. Антипов
Приведена метощдика измерения температуры проточной части без-маслянного молекулярно-вязкостного вакуумного насоса в вязкостном и переходном режимах течения.
Ключевые слова: характеристика, вакуум, насос, температура быст-ровращающихся деталей, вязкостный режим течения, переходный режим течения.
The article deals with the temperature calculation of the flow part of the oil-free molecular-viscous vacuum pump under the viscous and transient flow behavior.
Keywords: characteristic, vacuum, pump, fast-rotating parts temperature, viscous flow behavior, transient flow behavior.
Создание безмасляной среды играет ведущую роль в ряде технологических процессов. Для таких процессов как напыление тонких пленок, выращивание кристаллов, получение чистых металлов, отработка космических аппаратов в наземных условиях и подобных, необходимо обеспечивать вакуум в диапазоне давлений 1-105...1-10—7 Па и ниже без загрязнения рабочих пространств следами рабочих тел систем откачки.
Средством откачки, которое удовлетворит таким требованиям, может стать молекулярно-вязкостный вакуумный насос (МВВН) [1], позволяющий обеспечить откачку объектов в диапазоне давлений от 1105 до 110-5 Па, а в составе комбинированного насоса — 1105...110-8 Па и ниже. Работа МВВН наиболее эффективна в диапазоне вязкостного и переходного режимов течения газов.
Конструктивная схема МВВН представляет собой следующее: на смежных поверхностях статора и ротора выполнена винтовая нарезка специального профиля, которая обеспечивает перемещение газа со стороны всасывания на сторону нагнетания. Направление каналов на роторе и статоре противоположно друг относительно друга.
При попадании молекулы в канал, расположенный на роторе, она получает приращение кинетической энергии за счет вращения ротора. Затем молекула, переместившись в канал статора, получает приращение потенциальной энергии. Это обусловлено наличием трения газа в канале статора. Помимо приращения потенциальной энергии часть кинетической энергии тратится на повышение температуры газа, таким образом, данная часть энергии газа теряется, что отрицательно
сказывается на откачных характеристиках насоса [2].
Течение газа в проточной части МВВН определяется взаимодействием газа с поверхностью. Для того чтобы улучшить откачную характеристику МВВН необходимо выявить влияние различных параметров на течение газа в проточной части. Одним из таких параметров является температура газа в проточной части насоса.
До настоящего времени, практически все процессы в переходном режиме течения газа описываются на основании экспериментальных данных [3—5]. Важнейшим параметром, характеризующим энергетические характеристики насосов, служит температура газа и рабочих поверхностей. В рассматриваемом насосе основным рабочим элементом является ротор, вращающийся с большой частотой (десятки тысяч оборотов в минуту). В настоящее время именно измерение температуры быстровра-щающихся деталей является чрезвычайно сложной проблемой. Поэтому далее описана схема системы определения для измерения температуры газа и быстровращающихся частей деталей [6].
В форвакуумной полости выполняются технологические отверстия в которых устанавливаются термопары и пирометры. На входе в проточную часть насоса измеряется температура газа и температура поверхности ротора. В качестве датчиков давления используются тепловые преобразователи давления типа ПМТ-4М.
Измерения температуры проточной части МВВН проводится на экспериментальной модели (рис. 1) в двух точках насоса — на входе в проточную часть и на ее выходе при одновременном замере температуры газа соответственно. Один пирометр установлен в корпус насоса и уплотнен прокладкой из фторопласта. Насос представляет собой двухпоточную машину, что позволяет менять положение пирометра. Второй пирометр установлен во всасывающей полости насоса.
Измерение температур проводится с помощью инфракрасного пирометра Ш 520^ и термопарных датчиков. Объектив пирометра с геометрическими параметрами и схемой для
Рис. 1. Схема расположения датчиков для замера температуры ротора
28
Расстояние до объекта контроля (мм)
Диаметр области измерения (мм)
Рис. 2. Объектив пирометра
определения размеров области измерения представлен на рис. 2.
Стационарные пирометры IN 520-N предназначены для бесконтактного измерения температуры объектов с неметаллическими поверхностями или металлическими поверхностями с покрытием (окрашенными, анодированными). Они оснащены на заводе-изготовителе объективом и кабелем для подключения к пирометру, рассчитанным на эксплуатацию при максимальной температуре окружающего воздуха 180 °С без охлаждения.
ВШзехэшш] выкшшпх ©аведжшй
Область измерения с помощью инфракрасного пирометра Ш 520-М (далее пятно), обеспечивающая паспортную точность, рассчитывается по эмпирической зависимости для паспортных данных
5+0,085х,
где D — диаметр пятна; x — расстояние от объектива до объекта измерения.
Расстояние от объектива до ротора насоса в месте замера изменяется от 5 до 10 мм, соответственно необходимый диаметр пятна изменяется от 5,5 до 5,9 мм.
На реальном объекте пятно располагается на цилиндрической поверхности и границы пятна удалены от плоскости объектива больше, чем центр на величину 5x1
5x = R
1-, 1-
2R
где R — радиус цилиндрической поверхности.
Результаты расчета отклонения 5x от расстояния x до поверхности представлены на рис. 3. Результаты расчета показали, что величина 5x составляет пренебрежимо малую величину по сравнению с x — около 1 %. Процесс калибровки пирометра для рабочих условий экспериментальной модели проводится по калиброванной термопаре. Для замера рабочей температуры поверхности ротора снимаются показания пирометра для семи различных положений ротора (ротор поворачивается на угол ~51° 30). По семи отсчетам определяется средняя температура, регистрируемая пирометром Тп и одновременно термопарным датчиком Тт
Разность 5 Тс = Тт — Тп служит поправкой к показаниям пирометра и регистрируемая температура при неподвижном роторе
Т= Тп + 5^.
Измерения температуры вращающегося ротора (частота вращения 24 000...75 000 об/мин) выполняются на семи частотах: 24 000, 32 000, 40 000, 48 000, 56 000, 62 000 и 72 000 об/мин. Проводится по семь отсчетов показаний пирометра для установившегося режима (изменение показаний не более 3% в течение 15 мин) на ка-
0,22
0,2
0.18
0.16
0.14
0,12
5л\ Па
8
10
12 14
16
18 20 мм
Рис. 3. Зависимость отклонения 5х от расстояния х до поверхности
ждой частоте вращения. После измерения температуры Тш- пирометром для определенной частоты вращения / ротор останавливают и перемещают термопару до контакта с ротором и замеряют его температуру Тт термопарным датчиком. Причем, сила прижатия термопары к поверхности ротора поддерживается постоянной при помощи постоянной деформации пружины, жестко соединенной с термопарой. Градуировочная кривая термопары (зависимость ТЭДС в мВ от температуры 7 спая в градусах Цельсия) платинородий—платина при температуре свободного конца 0 °С изображена на рис. 4.
250 200 150 100 50 О
гт, °с
/ /
/ /
0,2 0,6 ] 1,4 1,8 2 ТЭДС, мВ
Рис. 4. Градуировочная характеристика термопарного датчика
2
Разность показаний пирометра и термопарного датчика определяется для всех семи частот в диапазоне температур 20...120 °С и вычисляется поправка на частоту вращения при одной и той же температуре
=Тт- тт.
Соответственно температура измеряемой поверхности по показаниям пирометра при данной частоте вращения
Г=ГЫ + 57) .
Интерполируя 57) для всего диапазона частот вращения ротора, определяется температура его поверхности по показаниям пирометра.
При измерении температуры газа на входе и выходе проточной части насоса во всасывающую и нагнетательную полости вмонтирована металлическая пластинка, площадь поверхности которой больше области измерения пирометра, в данном случае квадратная пластинка со стороной 910-6 м.
Толщина и расположение пластины выбирается из условий минимального возмущения потока. Температура пластины соответствует температуре окружающей среды и измеряется с помощью термопары, постоянно подсоединенных к пластине, и контролируется пирометром.
При работе вакуумного насоса в молекулярном режиме течения температура газа не изме-
ряется, так как температура пластины определяется в этом случае температурами окружающих поверхностей за счет лучистого теплообмена и не характеризует температуру газа. При вязкостном течении газа в безрасходном режиме работы насоса (режим максимального отношения давлений) температура пластинки соответствует температуре окружающего газа.
Литература
1. Никулин Н.К., Свичкарь Е.В. Модель молекуляр-но-вязкостного вакуумного насоса в условиях низкого вакуума // Конверсия в машиностроении. 2007.
2. Никулин Н.К., Свичкарь Е.В. Расчет откачной характеристики МВВН в вязкостном режиме течения. Сб. трудов I Всероссийской студенческой научно-практической конференции «Вакуумная, компрессорная техника и пневоагрега-ты». М., 2008. С. 128-139.
3. Никулин Н.К, Антипов И.А. Энергетические характеристики комбинированных турбомолекулярных насосов», «Будущее машиностроения России // В сб. тр. всерос. конф. молодых ученых и специалистов/ Московский Государственный Технический Университет МГТУ им. Н.Э.Баумана. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2011. 332 с.
4. Вакуумная техника: справочник / К.Е. Демихов, Ю.В. Панфилов, Н.К. Никулин и др. М.: Машиностроение, 2009. 590 с.
5. Демихов К.Е., Никулин Н.К. Обобщенная методика расчета кинетических высоковакуумных насосов», «Будущее машиностроения России» // В сб. тр. всерос. конф. молодых ученых и специалистов/ Московский Государственный Технический Университет МГТУ им. Н.Э.Баумана. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2011. 332 с.
6. Никулин Н.К., Антипов И.А. Исследование энергетических характеристик многоступенчатого молекулярно-вяз-костного насоса // Сб. трудов I Всероссийской студенческой научно-практической конференции «Вакуумная, компрессорная техника и пневоагрегаты». М., 2008. С. 181-186.
Статья поступила в редакцию 19.09.2011
