CC BY
13
УДК 621.521
А. А. Райков, А. В. Бурмистров, С. И. Саликеев, Е. Н. Капустин
СИЛОВЫЕ ДЕФОРМАЦИИ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ СПИРАЛЬНОГО ВАКУУМНОГО НАСОСА
С ДВУХСТОРОННЕЙ СПИРАЛЬЮ
Ключевые слова: спиральный вакуумный насос, рабочий элемент, безмасляный вакуум, силовая деформация, метод конечных элементов, газовые силы, рабочая полость, радиальная деформация, осевая деформация.
Рассмотрены деформации подвижного и неподвижного элементов спирального вакуумного насоса с двухсторонним подвижным спиральным элементом. Расчет деформаций проводится с помощью пакета «Лтуз».Используя значения силовых деформаций спиральных элементов, рассчитаны изменения радиального и торцевого зазоров. Показано, что силовые деформации спиральных элементов оказывают незначительное влияние на зазоры и их можно не учитывать при расчетах откачных характеристик НВСп.
Key words: scroll vacuum pump, working element, oil-free vacuum, force deformation, finite element method, gas forces, working
chamber, radial deformation, axial deformation.
Deformations of orbiting and fixed elements of scroll vacuum pump with two-sided orbiting scroll element are considered. Deformations calculation is carried out with the help of software "ANSYS". Using force deformations values of scroll elements, variations of radial and face clearances were calculated. It is shown that force deformations of scroll elements influence clearances insignificantly and they may not be taken into consideration for pumping characteristics calculation of scroll vacuum pumps.
Насосы вакуумные спиральные (НВСп) наряду с винтовыми и кулачково-зубчатыми являются одной из немногих безмасляных альтернатив вакуумным насосам с масляным уплотнением. Современные машины обеспечивают предельное остаточное давление порядка 1 Па, что позволяет использовать их в качестве форвакуумных к высоковакуумным турбомолекулярным насосам. Вместе с тем, объем выпуска кулачково-зубчатых насосов из-за сложностей изготовления и сборки снижается. Так один из основных производителей данных средств откачки - фирма «Oerlikon Leybold» [1] прекратила их выпуск.
В тоже время наблюдается рост объемов выпуска НВСп и количество фирм их производящих непрерывно увеличивается. В XXI веке общепризнанными ведущими мировыми производителями вакуумной техники, выпускающими спиральные вакуумные насосы, являются: «Anest Iwata» (Япония); «Varian Vacuum Technologies» (США); «Oerlikon Leybold» (Германия); «Edwards» (Англия), «Busch» (Германия), «Geowell Technlogy» (Китай), «Ulvac» (Япония). В России и странах СНГ спиральные вакуумные насосы «сухого» сжатия никогда не производились и в настоящий момент не производятся. Поэтому исследования, направленные на разработку отечественных насосов, позволяющих провести эффективное импортозамещение, актуальны.
Номинальная быстрота действия промышленных НВСп составляет от 3 до 60 м3/час. В конструкциях машин с малой производительностью почти всегда используются машины с односторонней подвижной спиралью. Однако получить с помощью односторонней спирали быстроту действия больше 15 м3/час крайне проблематично, поскольку увеличить высоту пера спирали более 40-45 мм очень сложно и с точки зрения технологичности, и надежности. Достичь в данном случае увеличения быстроты действия можно фактически только за счет уве-
личения диаметра спирали, что, естественно, не желательно. Поэтому все насосы с большей быстротой действия имеют двухсторонний подвижный спиральный элемент, а у фирм «АпеБ! ^а1а», «ОегИкоп ЬеуЪоИ», «Шуас», «Geowell» вся линейка насосов двухсторонняя.
НВСп относятся к бесконтактным машинам, то есть между подвижным и неподвижным спиральными элементами имеются гарантированные зазоры. Одной из главных задач, решаемых на стадии проектирования, является выбор обоснованно-минимальных зазоров. Завышение зазоров приводит к росту обратных перетеканий и ухудшению откач-ных параметров. Занижение может привести к задеванию между боковыми поверхностями спиралей м между торцами перьев спиралей и торцевыми дисками..
Величины радиального и торцевого зазоров необходимо назначать с учетом изменения последних в результате силовых и тепловых деформаций спиральных элементов НВСп. Минимальный гарантированный зазор назначается исходя из бесконтактного движения подвижного спирального элемента относительно неподвижного в любых штатных условия работы [2]. Особенно это важно для радиального зазора и менее критично для торцевого, который уплотняется за счет ленты из графитизиро-ванного фторопласта.
Деформации спиральных элементов, возникают за счет нагрева насоса при его работе и давления на поверхности спиральных элементов, оказываемого газом, сжимаемым в серповидных полостях.
Рассмотрим деформации подвижного и неподвижного спиральных элементов на примере НВСп с двухсторонней эвольвентной подвижной спиралью, который имеет геометрическую быстроту действия 43 м3/ч при частоте орбитального движения подвижной спирали 1500 об/мин. Толщина пера спирали 4,3 мм, шаг спирали 19,8 мм, высота пера
спирали с одной стороны торцевого диска 32 мм. Торцевые зазоры между торцами перьев спиралей и ответными торцевыми дисками практически отсутствуют за счет торцевого уплотнителя из композитного материала на основе фторопласта.
Поперечный разрез исследуемого НВСп с указанием объемов, возникающих по углу поворота подвижного спирального элемента, представлен на рис. 1.
Рис. 1 - Разрез НВСп
Значения давлений в каждой полости НВСп (рис. 2) рассчитывались с помощью математической модели рабочего процесса, представленной в работах [3-5]. Поскольку в данном НВСп используется схема с разной длиной подвижной и неподвижной спиралей, то величина двух, поочередно образующихся объемов всасывания, переходящих затем в объемы сжатия, различна. Поэтому давления в математической модели рассчитываются для двух полостей НВСп: большая полость - образуется между внешней стороной подвижной спирали и внутренней стороной неподвижной; меньшая полость - между внутренней стороной подвижной спирали и внешней неподвижной.
Р, Па
10000
1000
0 1 2 3 4 5 ф, рад
Рис. 2 - Давление в большей полости НВСп в зависимости от угла поворота подвижного спирального элемента при РВХ =10Па
Для определения напряжений и деформаций в элементах сложной формы, к которым относятся и спиральные элементы НВСп, используются численные методы, например, надежно подтвержденный
метод конечных элементов, который реализован в программном комплексе «АК8У8» [5].
Подвижный и неподвижный спиральные элементы разбиваются на тетраэдральные конечные элементы.
Для подвижного спирального элемента в качестве граничных условий используется закрепление в местах крепления приводного вала и трех противоповоротных устройств (с тыльной стороны).
На тыльной поверхности подвижного спирального элемента задается давление, равное давлению всасывания. Поверхность пера спирали разделяется на участки, в пределах которых существуют отдельные полости (всасывания, несколько полостей сжатия и нагнетания). Давление, действующее на эти участки, определяется в зависимости от угла поворота подвижного спирального элемента с помощью зависимостей, представленных на рис. 2.
Неподвижный спиральный элемент закрепляется от осевых перемещений по поверхности контакта с корпусом и от радиальных - в местах болтовых соединений. На обратной стороне неподвижного спирального элемента давление равно атмосферному. Распределение давления на перо неподвижного спирального элемента задается аналогично подвижному.
Полученные компоненты векторов деформаций с помощью команд постпроцессора программного комплекса «АК8У8» в трехмерной постановке выводятся на экран в виде изолиний и полей. Разработанная расчетная программа позволяет на основе исходных данных получить деформированное состояние подвижной и неподвижной спиралей.
Для оценки максимального изменения радиального зазора расчет деформаций проведен для трех сечений по высоте спирали. В качестве примера на рис. 3 представлены радиальные силовые деформации спиральных элементов, рассчитанные посередине спирали. По аналогии рассчитаны осевые силовые деформации спиральных элементов.
На основании аналогичных диаграмм построены зависимости силовых деформаций от угла поворота подвижного спирального элемента, которые приведены на рис. 4, 5. Здесь же нанесены графики изменения радиального и торцевого зазоров от силовых деформаций.
A: Static Structural
middle-rad
Type: Directional Deformation^ Axis) Unit: m
Рис. 3 - Радиальные силовые деформации НВСп посередине спиралей при давлении на входе 10Па
8, мкм 2
л V-7 1
j/\ 1
's - 1, V
-неподвижная ----подвижная -зазор k
О 5 10 15 20 : ф, рад
Рис. 4 - Силовые радиальные деформации спиралей и изменение радиального зазора НВСп при Рвх= ЮПа
5, мкм
/ \
1 1 N ' \ /\
\ ' \
, - ■
1 у
непс •движная
1 ----подвижная г"
J
10
15
20
' ф, рад
Рис. 5 - Силовые осевые деформации спиралей и изменение торцевого зазора НВСп при РВХ= 10Па
Максимальная силовая радиальная деформация подвижной спирали составляет 2,2 мкм, неподвижной спирали - 0,27 мкм. Максимальное изменение радиального зазора от силовых деформаций спиралей 2,2 мкм;
Максимальная силовая осевая деформация подвижной спирали составляет 0,2 мкм, неподвижной спирали - 4,4 мкм. Максимальное изменение торцевого зазора от силовых деформаций спиралей 4,3 мкм. Поскольку радиальный зазор в исследуемом НВСп составляет около 150 мкм, можно сделать вывод, что силовые деформации спиральных элементов не оказывают существенного влияния на
© А. А. Райков - к.т.н., асс. каф. "Вакуумная техника электрофизических установок", КНИТУ, cators@yandex.ru; А. В. Бурмистров - д.т.н., профессор той же кафедры, burm@kstu.ru; С. И. Саликеев - к.т.н., доцент той же кафедры, salikeev_s@mail.ru; Е. Н. Капустин - к.т.н., генеральный директор ОАО "Вакууммаш", kazan@vacma.ru.
© A. A Raykov - candidate of Sciences, Assistant of the Chair "Vacuum equipment", Kazan National Research Technological University, e-mail: ors@hitv.ru; A. V. Burmistrov - Doctor of Sciences, Professor of the Chair "Vacuum equipment", Kazan National Research Technological University, e-mail:burm@kstu.ru; S. I. Salikeev - candidate of Sciences, Associate Professor of the Chair "Vacuum equipment", Kazan National Research Technological University,e-mail: salikeev_s@mail.ru; E. N. Kapustin - candidate of Sciences, CEO "Vacuummash", e-mail: kazan@vacma.ru.
зазор и их можно не учитывать при расчетах НВСп с двухсторонней спиралью.
Статья подготовлена на кафедре вакуумной техники электрофизических установок ФГБОУ ВПО «КНИТУ» при финансовой поддержке проекта «Создание высокотехнологичного производства безмасляных спиральных вакуумных насосов для индустрии наносистем и наноматериалов» открытого публичного конкурса подбора организации на право получения субсидий на реализацию комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года №218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства».
Литература
1. Oerlikon Leybold Vacuum [Электронный ресурс] / Oerlikon Leybold Vacuum GmbH Germany, 2014.- Режим доступа: https://leyboldproducts.oerlikon.com/ свободный.
2. Паранин, Ю.А. Тепловые деформации рабочих элементов спиральной машины / Ю.А. Паранин, Р.Р. Якупов, А.В. Бурмистров // Вестник Казанского технологического университета. - 2014 , Т.17. - №4 - C. 109-112.
3. Райков, А. А. Всережимная математическая модель рабочего процесса спирального вакуумного насоса / А. А. Райков, Р. Р. Якупов, С. И. Саликеев, А. В. Бурмистров, М. Д. Бронштейн // Компрессорная техника и пневматика. — 2014, — № 1. — С. 18-25.
4. Паранин, Ю. А. Математическая модель рабочего процесса спиральных машин сухого сжатия в условиях сплошной среды. Часть 2. Изменение зазоров от тепловых и силовых деформаций / Ю. А. Паранин, Р. Р. Якупов, А. В. Бурмистров // Вестник Казанского технологического университета. — 2014, Т. 17. — № 1. — C. 248-252.
5. Райков, А. А. Радиальные и осевые газовые силы в безмасляных спиральных вакуумных насосах / А. А. Райков, М. Д. Бронштейн, А. В. Бурмистров, С. И. Саликеев // Вестник Казанского технологического университета. — 2014, Т. 17. — № 2. — C. 267-270.
6. Structural Analysis Solutions — ANSYS [Электронный ресурс] // ANSYS Inc. 2014. URL:http://www.ansys.com/Products/Simulation+Technolo gy/Structural+Analysis
