CC BY
8
информации о тестировании и мониторинге на проектах итеративного цикла разработки.
Использованные источники:
1. Управление качеством программного обеспечения: учебник / Б.В. Черников. - М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2012. - 240 с.: ил. - (Высшее образование).
2. IEEE 1012-2004 Standard for Software Verification and Validation. IEEE, 2005.
3. ISO/IEC 12207 Systems and software engineering - Software life cycle processes. Geneva, Switzerland: ISO, 2008.
УДК 004.3+621.52
Шостак Ю.А. магистрант 2 курса факультет «Энергомашиностроение»
Мишустин В.А магистрант 2 курса факультет «Энергомашиностроение» научный руководитель: Никулин Н.К., к.техн.н.
доцент
кафедра «Вакуумная и компрессорная техника» Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана Россия, г. Москва ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ ТУРБОМОЛЕКУЛЯРНЫХ НАСОСОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СТУПЕНЕЙ Аннотация:
В статье рассматриваются различные конструкции существующих турбомолекулярных насосов. Приведены конструкции комбинированных турбомолекулярных насосов с молекулярными ступенями различных типов. Приведены примеры конструкций с молекулярной ступенью Геде, Хольвека, Зигбана и вихревой ступенью. Отмечены перспективы развития турбомолекулярных насосов и сформулированы направления развития.
Ключевые слова: вакуумный насос, турбомолекулярный насос, молекулярный насос, насос Геде, насос Хольвека, насос Зигбана, молекулярный режим.
UDK 004.3+621.52
Shostak, Y. A Graduate student
2 course of magistracy, faculty «Power engineering.»
Bauman Moscow State Technical University
Russia, Moscow Mishustin V. A. Graduate student
2 course of magistracy, faculty «Power engineering»
Bauman Moscow State Technical University
Russia, Moscow
scientific Director: Nikulin, N. K., candidate of technical sciences associate Professor of the Department "Vacuum and compressor
technics"
Bauman Moscow State Technical University
Russia, Moscow
REVIEW OF CONSTRUCTIONS OF TURBOMOLECULAR PUMPS WITH VARIOUS TYPES OF MOLECULAR STEPS
Abstract:
In the article various designs of existing turbomolecular pumps are considered. Designs of hybrid turbomolecular pumps with molecular stages of various types are presented. Examples of constructions with the molecular step of Gede, Holvek, Siegbahn, and the vortex step are given. Prospects for the development of turbomolecular pumps are outlined and directions for development are formulated.
Key words: vacuum pump, turbomolecular pump, molecular pump, Gede pump, Holvec pump, Siebban pump, molecular mode.
Введение
Турбомолекулярные вакуумные насосы (ТМН) традиционно входят в группу высоковакуумных средств откачки, среди которых они по праву занимают одну из лидирующих позиций благодаря значительному количеству преимуществ, которыми обладают эти насосы. К ним относятся: относительно высокие значения быстроты откачки в широком диапазоне давлений по различным газам, получение высокого безмасляного вакуума, быстрый пуск и останов, длительная работа без останова на ремонт, отсутствует необходимость регенерации, широкий диапазон рабочих давлений, быстрый выход на режим (порядка 15 минут), высокая степень сжатия, устойчивость к агрессивным средам, возможность работы с большими потоками газов, низкие затраты на эксплуатацию и обслуживание, насос можно устанавливать в любом положении в пространстве, относительно малые габаритные размеры и другие достоинства. Для обеспечения безмасляной откачки вакуумных систем, определяемой
многообразием технологических процессов, проводимых в условиях вакуума, в которых играет ведущую роль выбор средств системы откачки. Поскольку турбомолекулярные насосы, обладают этим свойством, еще и имеют высокие быстроты действия в большом диапазоне давлений, часто выбор потребителей приходится на получение высокого вакуума именно посредством турбомолекулярных насосов [10].
Области применения могут быть самыми разнообразными:
- Аналитика (масс-спектрометрия, электронная микроскопия, и многое другое);
- Полупроводниковая промышленность (электронные компоненты, интегральные схемы, солнечные батареи и т. д.);
- Оптическая промышленность (инфракрасная защита, антиотражение, отражение, оптические фильтры и т. п.);
- Технологии нанесения покрытий (защитные поверхности, декоративные покрытия, дисплеи, экраны и многое другое);
- Вакуумная металлургия (вакуумная пайка и спекание, плавка и вакуумные печи);
- Обнаружение утечек (вакуумные системы, транспортные цистерны, воздушные подушки, герметичные упаковки);
- Научно-исследовательские объекты (ядерная физика, термоядерные исследования, лазеры и т. д.);
- Ламповая промышленность (производство ламп и многое другое).
Таким образом, для создания конкурентоспособного насоса
необходимо выполнить ряд требований. Самое главное это конечно снижение себестоимости. Большинство фирм, которые в качестве оборудования хотят использовать безмасляные средства откачки, сталкиваются именно с проблемой непомерно высоких цен. Далее необходимо увеличить диапазон давлений, в котором происходит откачка, желательно от атмосферного до 100-10 Па и увеличить быстроту действия. Еще необходимо по возможности увеличить ресурс работы и максимально облегчить обслуживание. Кроме того, для использования безмасляных насосов требуется снижение уровня шума и уменьшение вибрации.
В современных условиях весьма актуальным требованием, предъявляемым к разработке перспективных средств откачки, является оптимизация их основных параметров [1, 2]. Важным аспектом является выбор критериев оптимальности. Оптимизацию проводят по различным параметрам, в соответствии с желаемым результатом. Задача оптимизации усложняется при расширении диапазона давлений на стороне всасывания. Это обусловлено тем, что при увеличении давления в проточной части насоса могут изменяться режимы течения газа. Известно, что при переходе от молекулярного режима течения газа к молекулярно-вязкостному и, тем более, вязкостному режимам откачные параметры рабочих колес ТМН и, как следствие, всего насоса значительно ухудшаются. При уменьшении же
значения давления, возрастают газовыделения с поверхности корпуса насоса, рабочих колес, что оказывает существенное влияние на основные параметры откачки.
В связи с вышеизложенным, исследование процессов течения газа в проточной части комбинированных ТМН, разработка конструкции и оптимизация обладает актуальностью на сегодняшний день.
1. Степень разработанности темы исследования
Известны конструкции современных комбинированных (гибридных) турбомолекулярных вакуумных насосов. В исследуемых комбинированных турбомолекулярных вакуумных насосах в качестве форвакуумных ступеней в основном устанавливаются молекулярные проточные части. Известны молекулярные вакуумные насосы: цилиндрического типа со спиральными канавками вдоль поверхности ротора, насос Геде [5], который был впервые выпущен компанией Leybold's Nachfolgers в 1913 году, величина зазора между ротором и статором составляла порядка 0.1 мм. Известны насосы цилиндрического типа со спиральными канавками вдоль поверхности ротора (насос Хольвека) и дискового типа со спиральным каналом от внешнего диаметра к центру диска (насос Зигбана), результаты первых испытаниям которого были опубликованы в 1940 году [6]. В качестве альтернативы применения молекулярных ступеней возможно использование проточной части молекулярно-вязкостного типа [4,11], которые обладают рядом преимуществ и недостатков по сравнению с молекулярными проточными частями. В свою очередь, ТМН был изобретен Беккером спустя порядка 20 лет Насос, описанный Беккером в 1961 г., имел ротор диаметром 600 мм, вращавшийся со скоростью 6000 об/мин. ТМН эффективен в области высокого и сверхвысокого вакуума (10-30 -10-10 мм рт. ст.). ТМН Беккера имел скорость откачки по воздуху 4250 л/с [7].
Практически все ведущие производители высоковакуумных средств откачки занимаются производством ТМН и прогрессирующими разработками, на рынке присутствует серьезная конкуренция. Активная работа в этом направлении ведется рядом проектных отделений известных мировых компаний и институтов, среди которых лидерами являются немецкие компании Pfeiffer Vacuum и Oerlicon leybold vacuum, американская компания Agilent Technologies, ТМН с конкурентоспособными характеристиками последние годы производятся японскими и китайскими производителями. Компания Oerlicon leybold vacuum производит комбинированные ТМН с молекулярной ступенью Хольвека, ТМН без интегрирования молекулярных ступеней и дискретные ТМН [3]. Турбомолекулярные насосы Oerlicon leybold на магнитном подвесе используются в диапазоне давлений от 10-1 мбар до 1010 мбар. Быстрота действия по воздуху варьируется от 300 л/с до 3200 л/с.
Одним из возможных конструктивных решений может быть схема вакуумного насоса, приведенная на рис. 1. Проточная часть этого насоса представляет собой совокупность турбо - молекулярных 1, молекулярных 2 и вихревых 3 ступеней, работающих
последовательно и размещенных на одном валу 4. Работающие в качестве второго пакета
молекулярные ступени в диапазоне 0,1 ... 100 Па создают отношение давления 103 ... 104 и при
сравнительно небольшой быстроте действия обеспечивают откачивание
Рис. 1. Схема комбинированного ТМН
того количества газа, которое поступает из первого пакета рабочих колес турбомолекулярного насоса. При работе молекулярных ступеней в диапазоне давлений больших, чем 100 ... 103 Па откачные характеристики ухудшаются и предпочтительно использовать другие ступени, например вихревые. Такое построение пакета рабочих колес обеспечивает сжатие газа до атмосферного давления и сухое откачивание. Разработки конструкций ТМН с вихревой ступенью ведутся отечественными исследователями еще с 1990 - х годов [9]. Изобретение [8] направлено на разработку надежного, высокоэффективного ТМН, обладающего улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками, относительно существующих аналогов, в конструкцию интегрировано две молекулярные ступени. Среди современных работ, исследованиям процессов течения газа в зазорах посвящена работа [12]. Методика расчета, приведенная в этой работе может быть применима при моделировании проточных частей современных комбинированных ТМН.
2. Перспективы развития ТМН
Перспективы развития ТМН можно определить следующими направлениями:
■ Создание принципиально новых конструкций, конкурентоспособных ТМН существующим насосам или превосходящих существующие конструкции по откачным параметрам, экономическим показателям или другим критериям.
■ Усовершенствование существующих конструкций. (Например: усовершенствование подшипниковых узлов, тем самым получая снижение энергопотребления, повышение ресурса работы ТМН)
■ Снижение стоимости оборудования
■ Понижение предельного остаточного давления при откачки легкихгазов
Список сокращений и обозначений ТМН - турбомолекулярный насос ВН - вакуумный насос МВН - молекулярный вакуумный насос
Использованные источники:
1. Демихов К.Е., Никулин Н.К. Оптимизация высоковакуумных механических насосов. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010, 255 с.
2. Chu Y., Hua Z. The statistical theory of turbo-molecular pumps. Adv.YVST,1982, vol. 20 (4), p. 1101-1104
3. Каталог Leybold Vacuum
4. Демихов К.Е., Никулин Н.К., Свичкарь Е.В. Перспективы развития комбинированных турбомолекулярных вакуумных насосов. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 5. URL: http://engiournal.ru/catalog/machin/vacuum/754.html
5. Gaede W. Die Molekular luft pumpe. Annalen der Physik. 1913. B.41.S. 337380.
6. Friesen S. Review of Scientific Instruments. 1940. Vol. 11. P. 362
7. Becker W. Deutsches Reich Patent 1 10155573 (16/09/1957).
8. Турбомолекулярный насос с однопоточной турбомолекулярной проточной частью: пат. 2490519 Рос. Федерация: МПК F04D19/04 / В. П. Сергеев, Н. И. Козлов; заявитель и патентообладатель ООО "НПФ "Прогресс". -012118546/06; заявл. 05.05.2012; опубл. 20.08.2013; Бюл. № 23.-13с.; ил
9. Турбомолекулярный вакуумный насос: пат. 2014510 Рос. Федерация: МПК F04D19/04 / Б. В. Харламов; заявитель и патентообладатель Б. В. Харламов; заявл 28.11.1991; опубл. 15.06.1994;.-5с.; ил
10. Демихов К. Е., Панфилов Ю. В., Никулин Н. К. и др. Вакуумная техника: Справочник/: Под общ. ред. Демихова К. Е., Панфилова Ю. В. - М.: Машиностроение, 2009. - 590с.
11. Демихов К.Е., Макаров А.М., Никулин Н.К., Свичкарь Е.В., Методика расчета откачной характеристики кинетического высоковакуумного насоса. «Инженерный журнал: наука и инновации» Электронное научно-техническое издание, № 5(17)/2013.
12. Мишустин В. А., Н. К. Никулин, Шостак Ю. А.. Определение перетеканий газа через торцовый зазор в дисковом вакуумном насосе. Инженерный журнал: Машины и установки, разработка и эксплуатация, 2015, вып.6
