CC BY
233
А. В. Бурмистров, Е. Н. Капустин, Р. Р. Зшаншин СОЗДАНИЕ ТИПОРАЗМЕРНОГО РЯДА БЕЗМАСЛЯНЫХ СПИРАЛЬНЫХ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ
Ключевые слова: вакуумный насос, безмасляный вакуум, насос «сухого» сжатия, откачные характеристики.
Безмасляные вакуумные насосы находят все более широкое применение в индустрии наносистем и наноматериалов. В России спиральные вакуумные насосы в данный момент не производятся. Рассматриваются характеристики спиральных насосов, выпускаемых ведущими мировыми производителями вакуумной техники. Представлены ожидаемые характеристики планируемых к производству отечественных безмасляных спиральных вакуумных насосов.
Keywords:vacuum pump, oil-free vacuum, average vacuum, pump "dry" compression, the pumping characteristics.
Oil-free vacuum pumps find growing application in nano-industry. Scroll vacuum pumps are not produced in Russia at present. Characteristics of scroll pumps produced by industry-leading manufacturers are considered. Characteristics of oil-free scroll vacuum pumps which are planned to be produced in Russia are presented.
Вакуум как технологическая среда абсолютно незаменима в индустрии наносистем и материалов. Подавляющее большинство нанотехнологических процессов протекают в условиях вакуума. Причем обеспечить качество высокотехнологичной продукции, особенно на наноуровне возможно лишь в условиях обеспечения безмасляной среды. Чаще всего для этих целей используются кулачково-зубчатые и двухроторные вакуумные насосы или их комбинации [1, 2], винтовые, спиральные вакуумные насосы.
В настоящее время потребность в «сухих» средствах средневакуумной откачки почти полностью покрывается импортным откачным оборудованием. Создание производства спиральных вакуумных насосов (НВСп) в России позволит отказаться или резко сократить импорт откачного оборудования и создаст предпосылки для освоения выпуска других видов вакуумных насосов и агрегатов. Меньшая по сравнению с импортными аналогами цена НВСп позволит снизить затраты потребителей вакуумной техники. Освоение выпуска НВСп существенно повысит престиж России на рынке высокотехнологичного вакуумного оборудования и смежных отраслей.
НВСп - самый новый тип безмасляных вакуумных насосов объемного принципа сжатия. Несмотря на то, что сама идея сжатия в спиральных элементах относится к началу ХХ века, реальное воплощение в коммерческие машины сдерживалось отсутствием экономически выгодного способа изготовления рабочих органов - спиралей. Существовавшие почти до конца XX века технологии не могли обеспечить высокие требования по точности и производительности изготовления спиралей. Поэтому долгие годы развитие спиральных машин шло в направлении теоретических исследований по оптимизации конструкции, уплотнений, подшипниковых узлов, технологичности производства. Только после создания высокопроизводительных и высокоточных станков, обеспечивших эффективность производства спиралей, идея спирального механизма была реализована в коммерческих вакуумных насосах и компрессорах.
В середине 80-х годов прошлого века японская фирма «Н11асЫ», американские фирмы «Соре1аМСогр» и «Тгапе» организовали выпуск спиральных компрессоров для систем кондиционирования. В конце 80-х
годов фирма «Volkswagen» создала воздушный спиральный компрессор сухого сжатия для наддува автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Постепенно расширялась и область применения спиральных компрессоров. Они стали использоваться в холодильной промышленности, для подачи воздуха без паров масла в установках, для работы в составе криогенных установок, для сжатия технологических газов.
Только в 90-х годах XX века японская компания Anest Iwata [3], специализирующаяся на разработке и производстве ротационного оборудования, начала выпуск первых в мире безмасляных спиральных вакуумных насосов. С тех пор НВСп находят все более широкое применение для решения самых разнообразных задач, включая системы напыления, системы для нанесения оптических покрытий, гелиевые течеискатели, ионную обработку, электронно-лучевые процессы, вакуумные печи, лабораторные исследования и многое другое. В мире НВСп прочно заняли нишу в области средств безмасляной откачки малой и средней производительности (от 4 м3/ч до 50 м3/ч). Вместе с тем, известны и НВСп с быстротой действия до 60 м3/ч [3].
В СССР с конца 80-х годов ХХ века вопросами создания спиральных компрессоров занимался «ВНИИХолодмаш» (г. Москва), где были созданы и испытаны несколько опытных образцов холодильных спиральных компрессоров. Примерно в то же время в Санкт-Петербурге под руководством И. А. Сакуна проводились теоретические исследования геометрии и рабочих процессов спирального компрессора. В начале 90-х годов ХХ века к работам по созданию отечественного спирального ком-пресоора подключилось ЗАО «НИИтурбокомпрес-сор им. В. Б. Шнеппа» (г. Казань). Были созданы программы для расчета геометрических параметров спиралей, сил и моментов, действующих на спирали. Изготовлены экспериментальные образцы, подтвердившие высокие энергетические показатели. Были проведены научно - исследовательские работы, освоены новые технологии. Для серийного производства компрессоров у фирмы «EX-CELL-O» (Германия) было закуплено специализированное высокоточное и высокопроизводительное оборудо-
вание - станки типа ХНБ. Выпускались мелкие серии спиральных масляных и «сухих» компрессоров.
Спиральные вакуумные насосы в России не производились и не производятся. Публикации по теме разработки и исследования НВСп в отечественной научной периодической литературе практически отсутствуют.
В настоящее время ряд ведущих мировых производителей вакуумной техники выпускают спиральные вакуумные насосы.
Технические характеристики выпускаемых ведущими мировыми производителями спиральных вакуумных насосов приведены в таблице 1 [3-7].
В результате реализации данного проекта должен быть создан типоразмерный ряд вакуумных спиральных насосов (НВСп) в составе:
- насос вакуумный спиральный НВСп-4;
- насос вакуумный спиральный НВСп-12;
- насос вакуумный спиральный НВСп-35 и организовано высокотехнологичное серийное производство безмаслянных спиральных вакуумных насосов.
Данный ряд насосов способен обеспечить потребности всех видов вакуумного технологического оборудования, в которых необходим «чистый» вакуум.
Очень важно, что разрабатываемые НВСп будут также использоваться в качестве форвакуумных насосов в агрегатах с двухроторными вакуумными насосами типа Рутс, в том числе, выпускаемых ОАО «Вакууммаш» агрегатах АВД-50/5, АВД-50/16, АВД-150/25. Известно, что за счет наличия в роторном механизме ДВН гарантированных зазоров, в их в рабочем объёме отсутствует масло. Однако в настоящее время в качестве форвакуумных насосов для ДВН используются насосы с масляным уплотнением (ВНМУ) типа НВР или НВЗ. В процессе эксплуатации пары масла из ВНМУ попадают в откачиваемый объем и все преимущества ДВН в плане получения «чистого» вакуума теряются. Агрегатирование ДВН спиральными безмас-ляными насосами позволит реализовать все преимущества подобных агрегатов, сделав их по настоящему безмасляными.
Основные технические характеристики разрабатываемых НВСп представлены в таблице 2.
Разрабатываемые НВСп (табл. 2) должны обладать откачными и энергетическими удельными характеристиками на уровне лучших мировых аналогов: быстрота действия на единицу массы насоса должна составить величину не менее 0,4 (м3/ч)/кг. Предельное остаточное давление не более 5 Па. Удельное энергопотребление не более 36 Вт/( м3/ч).
В процессе реализации проекта планируется снизить стоимость разрабатываемых насосов по сравнению с зарубежными аналогами благодаря замещению дорогостоящих комплектующих иностранного производства на отечественные, упрощению конструкции насоса и выбору оптимальных соотношений основных размеров роторного механизма (включая использование запатентованного профиля спирали), что позволит снизить металлоемкость разрабатываемых НВСп, и улучшить их удельные характеристики.
Фирма изго- тови- тель Мар ка на- соса Геомет- риче- ская быстро- та дейст- вия, м3/ч Номи- наль- ная быст- рота дейст- вия, м3/ч Пре- дель- ное оста- точ- ное давле ле- ние, Па Мощ- ность элек- тродви- гателя, Вт Уро вен ь шу ма, дБ Габаритные размеры (длинаx ширина x высота), мм Ма сса , кг
Oerlik SC- 5D 5,4 4,8 5 150 52 308x180 Х225 14
on Leybol d Vacuu m SC- 15D 15 13 1,6 400 5S 400x180 x336 25
SC- 30D 30 26 1 600 62 443x 328x372 38
SC- 60D 60 52 1 1400 67 467x390 x421 60
Ed- wards XD S-5 5,7 4,8 7 300 55 427x249 x288 23
XD S- 10 11,3 9,3 7 300 55 437x249 x288 24, 5
XD S- 46i 60 40 5 520 55,4 476x333 x397 48
Busch FO 000 9B - 9 7,5 200 57 400x279 x302 25
FO 001 SB - 18 2,5 370 59 414x314 x337 32
FO 003 0B - 30 1 600 60 405x354 x411 38
Anest Iwata ISP- 90 5,4 4,3 5 150 52 308x214 x225 14
ISP- 250 C 15 12 1,6 400 5S 370x252 x336 23
ISP- 500 30 25 1 600 60 372x328 x397 38
ISP- 100 0 60 49 1 1400 67 467x390 x421 60
Varian Vacuu mTech nologi es SH- 110 - 5,4 6,6 190 56 383x239 x257 20
Tri- Scro ll 300 - 12,6 1,3 560 6S 437x 274x340 34, 2
Tri- Scro ll 600 - 25,2 1 760 6S 428x300 x356 40
Параметры Значение для насосов
НВСп-4 НВСп- 12 НВСп- 35
Геометрическая быстрота действия, м3/ч (л/с), * 5 (1,5) 15 (4,2) 43 (12,0)
Номинальная быстрота действия, м3/ч (л/с), * 4, 3 (1,2) 11,9 (3,3) 34,2 (9,5)
Предельное остаточное давление, не более, Па (мм рт.ст.) 5 (0,038) 5 (0,038) 5 (0,038)
Мощность электродвигателя, не более, кВт 0,18 0,37 1,1
Уровень шума при закрытом газобалластном устройстве, не более, дБ 52 60 60
Входной патрубок NW25 NW25 NW40
Выходной патрубок NW16 NW16 NW25
Синхронная частота вращения, об/мин 1500 1500 1500
Наличие газобалластного устройства да да да
* - отклонение значений параметров ± 10 %
Предприятие на протяжении последних лет постоянно и успешно занималось совершенствованием конструкций всех видов выпускаемых насосов, а так же принимало активное участие в продвижении новых научных разработок вакуумных насосов. Прошли стадию изготовления насосы шестерёнчатые, кулачкового типа и др. Технологический потенциал предприятия
постоянно совершенствуется, приобретаются современные обрабатывающие центры и производство способно освоить изготовление спиральных насосов.
Литература
1. Райков А. А. Экспериментально- теоретическое исследование индикаторных диаграмм кулачково-зубчатого вакуумного насоса / А.А. Райков, С.И. Саликеев, А.В. Бурмистров // Вестник Казанского технологического университета - 2011 - № 15. - C. 210-214.
2. Райков А. А., Саликеев С. И., Бурмистров А. В. Экспериментальное исследование безмасляного двухступенчатого комбинированного вакуумного насоса // Вестник Казанского технологического университета - 2010 - № 7. - C.190-192.
3. Dry Scroll Vacuum Pumps [Электронный ресурс] / Anest Iwata. - USA.: Anest Iwata, 2013. - Режим дocтyпa: http://anestiwata.com/product-category/vacuum-pumps/, свободный.
4. Agilent. Primary Vacuum Pumps [Электронный ресурс] / Agilent Technologies. - USA.: Agilent Technologies, 2013. - Режим доступа: http://www.chem.agilent.com/en-US/Products-Services/ Instruments-Systems/Vacuum-Technologies/ Primary-Vacuum-Pumps/Pages/ default.aspx, свободный.
5. SCROLL VAC Scroll Vacuum Pumps [Электронный ресурс] / Oerlikon Corporate Switzerland. - Switzerland.: Oerlikon Corporate Switzerland, 2013.- Режим доступа: https://leyboldproducts.oerlikon.com/products/produktkatalo g_03.aspx?cid=20_3, свободный.
6. Edwards nXDS - the great new shape of dry vacuum
pumping [Электронный ресурс] / Edwards Ltd. - United Kingdom.: Edwards Ltd, 2013. - режим доступа:
http ://www.edwards vacuum. com/nxds/
en/index.html?cmpid=HomepageLink_nXDS0412, свободный.
7. Busch:Info.Fossa - Spiral vacuum pump [Электронный ресурс] / Busch GmbH. -Germany.:Busch GmbH, 2013. -Режим доступа: http://www.busch.de/en/products/product-portfolio/ fossa/ info/, свободный.
© А. В. Бурмистров - д.т.н., проф. каф. вакуумной техники электрофизических установок КНИТУ, burm@kstu.ru; Е. Н. Капустин - ген. директор ОАО «Вакууммаш», kazan@vacma.ru; Р. Р. Зиганшин - зам. дир. инжинирингового центра ОАО «Вакууммаш», ziganshin@vacma.ru.
