ВЛИЯНИЕ МЕЖСТУПЕНЧАТОГО КАНАЛА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТУПЕНИ КОМБИНИРОВАННОГО ТУРБОМОЛЕКУЛЯРНОГО НАСОСА

Шостак Ю.А.; Никулин Н.К.; Цакадзе Г.Т.; Шостак П.А.; Шостак А.М.

УДК 621.521

й01: 10.25206/2588-0373-2021-5-3-45-53

ВЛИЯНИЕ МЕЖСТУПЕНЧАТОГО КАНАЛА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТУПЕНИ КОМБИНИРОВАННОГО ТУРБОМОЛЕКУЛЯРНОГО НАСОСА

Ю. А. Шостак1, Н. К. Никулин1, Г. Т. Цакадзе1, П. А. Шостак1, А. М. Шостак2

'Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет), Россия, 105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1 2Абхазский государственный университет, Республика Абхазия, 384904, г. Сухум, ул. Университетская, д. 1

I ■

л

О

IS IB N1

OS О О E н T х

>О z А

■ К > О

äs

i о

Одним из факторов, оказывающих влияние на эффективность молекулярной ступени в составе комбинированного ТМН является межступенчатый канал. Исследуется влияние параметров канала на откачную характеристику молекулярной ступени. Предложенный подход позволяет проводить расчет откачной характеристики молекулярной ступени с учетом воздействия на процесс откачки межступенчатого соединительного канала. Приведено сравнение откачных характеристик молекулярной ступени, полученных при расчетах с учетом канала и без учета. Приводится оценка эффективности молекулярной ступени в составе комбинированного ТМН в зависимости от геометрических и динамических параметров канала. Изложенные результаты и рекомендации позволяют расширить диапазон рабочих давлений всасывания турбомолекулярного насоса посредством исключительно параметров соединительного канала.

Ключевые слова: турбомолекулярный насос, молекулярный насос, проводимость канала, объемный поток газа, канал с движущимися стенками, откачная характеристика, сопротивление, течение газа.

О

< К

O О

Введение

Высоковакуумные системы с турбомолекуляр-ными насосами (ТМН) широко применяются в различных областях науки и промышленности [1—5]. Откачная характеристика вакуумной системы на базе ТМН в большей степени определяется откачной характеристикой высоковакуумного насоса.

До настоящего времени интерес вызывает расширение диапазона рабочих давлений ТМН. Расширение диапазона рабочих давлений ТМН в область высоких давлений всасывания позволяет снизить требования по давлению всасывания, предъявляемые к форвакуумным насосам (ФН), и использовать в составе высоковакуумной системы более простые, экономически доступные ФН, например, мембранные, спиральные, а также ФН меньшей быстроты действия. В связи с этим начали применяться и обрели широкое распространение комбинированные проточные части ТМН.

Типичная откачная характеристика комбинированной проточной части (ПЧ) с молекулярными ступенями различной производительности представлена на рис. 1, 51 > 52 > 53.

Становится очевидным, что с увеличением быстроты действия молекулярной ступени расширяется диапазон давлений всасывания насоса в сторону больших давлений, т. е. чем больше быстрота действия молекулярной ступени, тем шире диапазон давлений на стороне всасывания ТМН. Таким образом, можно прийти к выводу, что расширить диапазон рабочих давлений на стороне всасывания можно за счет параметров молекулярной ступени.

На сегодняшний день расширение диапазона рабочих давлений за счет молекулярной ступени реали-зовывается следующими способами:

— совершенствуются собственно ПЧ молекулярных ступеней. В составе комбинированного насоса применяются молекулярные ПЧ с улучшенными параметрами;

— в составе комбинированного насоса применяются молекулярные ступени быстроты действия большей, чем достаточная для обеспечения молекулярного режима за последним колесом турбоступени.

Однако данными способами не ограничиваются все возможные.

К вопросу о том, что совершенствуются сами по себе ПЧ молекулярных ступеней, можно отметить следующее. Создан ряд математических моделей для расчета МВН [3, 5 — 8] разрабатываются методики решения оптимизационных задач [9, 10]; даже предложена схема гибридного МВН, который состоит из ступеней различных типов [11]. В 2010 году компанией Agilent Technologies [12] была представлена технология TwisTorr (рис. 2), которая является модернизацией МВН Зигбана [13] и отличается тем, что переносное движение рабочего газа протекает не только по направлению от внешней части насоса к оси вращения ротора, но и в противоположном. Направления переноса газа чередуются в молекулярных ступенях TwisTorr. Быстрота действия и отношение давлений, обеспечиваемые ступенью, зависят от конструкции статорных дисков, в частности от числа спиральных каналов и угла закрутки спирали. Применением конструкции TwisTorr была

Рис. 1. Откачная характеристика комбинированного ТМН при работе с молекулярной ступенью быстроты действия Sl, S2 и S3; St > S2 > S3: 1, 2, 3 — откачные характеристики форвакуумного насоса при работе с молекулярной ступенью быстроты действия S1, S2 и S3 соответственно Fig. 1. Pumping characteristics of a hybrid TMP equipped with molecular drag stages with pumping speeds St, S2 and S3; St > S2 > S3

Рис. 2. Схема молекулярной ступени по технологии TwisTorr компании Agilent Technologies Fig. 2. Diagram of molecular stage using TwisTorr technology of Agilent Technologies Company

<f s

I— ж ° f£ ^ о

х О s .

I I

* I

* Si?

< <

О ч

достигнута возможность повышения отношения давлений, создаваемого молекулярной ступенью до 500 раз.

К вопросу применения в составе комбинированного насоса второй ступени большей быстроты действия, чем достаточная для обеспечения молекулярного режима за последним колесом ТМН, отметим следующее. Имеет место существенный недостаток: с увеличением быстроты действия молекулярной ступени увеличиваются общие габариты комбинированного ТМН, за которые в настоящее время ведется конкурентная борьба между производителями.

Следовательно, целесообразно проводить дальнейший анализ ситуации на наличие факторов, которые влияют на эффективность молекулярной ступени в составе комбинированного ТМН, и выяснять, каким образом возможно повлиять на эффективность молекулярной ступени, оперируя выявленными факторами.

Постановка задачи

В процессе аналитического поиска факторов, оказывающих влияние на эффективность молекулярной ступени, был обнаружен такой фактор, как межступенчатый канал.

Межступенчатый канал является элементом, соединяющим осевую и молекулярные ступени комбинированной ПЧ, и присутствует в ПЧ каждого комбинированного ТМН. В общем случае межступенчатый канал представляет собой сопротивление, локализованное на входе в молекулярную ступень.

Направление потока газа в канале определяется расположением области входа в молекулярную ступень, то есть конструкцией молекулярной ступени, и может быть любым. Так, например, вариант конструктивной схемы с применением ступени т^бтогг, приведенный на рис. 2, и конструкция комбинированных ТМН со ступенью Хольвека [14] на примере серии насосов ТигЪоуас компании ЬеуЪоЫ [15] предполагают входную область во вторую ступень в периферийной части, при этом направление потока газа в межступенчатом канале осуществляется практически в осевом направлении (рис. 3а). При применении ступени Т-твТогг в конфигурации, приведенной на (рис. 3б), поток в межступенчатом канале направлен от периферии к центру в радиальном направлении (обозначено красным).

В случае осевого направления потока газа в межступенчатом канале или «от центра к периферии» результат воздействия межступенчатого канала в виде сопротивления потоку газа будет проявляться в меньшей степени, чем при движении газа в канале в направлении «от периферии к центру». Такое направление потока в межступенчатом канале наблюдается в комбинации турбоступени с т^бтогг или с дисковым молекулярным вакуумным насосом (ДМВН). Этим фактом обусловлен выбор молекулярной ступени дискового типа (ДМВН) в качестве рассматриваемой в данной работе, конструкция которой предполагает движение газа в межступенчатом канале в радиальном направлении, т. е. от внешней части насоса к оси вращения ротора, как показано на рис. 3в.

AR

а)

б)

в)

Рис. 3. Направление потока газа в межступенчатом канале: а) конструктивная схема ТМН Turbovac компании Leybold; б) конструктивная схема гибридного ТМН с второй ступенью типа TwisTorr компании Agilent Technologies; в) конструктивная схема гибридного ТМН с второй ступенью дискового типа (ДМВН) Fig. 3. Gas flow direction in the interstage channel: a) construction diagram of TMP Turbovac of Leybold company; b) construction diagram of hybrid TMP equipped with second TwisTorr stage; c) construction diagram of hybrid TMP equipped with second disk type stage/(DMDP)

1Ч

I > Oi

5 J= i

О о

m s о s > о

D >

RRO

Ю m m S

s ч

G 0

о ^

оШ

Расчет откачной характеристики молекулярной ступени с учетом воздействия межступенчатого канала

В общем случае откачная характеристика молекулярной ступени рассчитывается по выбранной исследователем методике расчета соответствующего типа молекулярных насосов. В данной работе расчет откачной характеристики молекулярной ступени дискового типа (ДМВН-ступени) производился представленным ниже способом.

Откачная характеристика ДМВН-ступени без учета канала (рис. 4):

^ OMBHyrBc. OMBH ) :

т

max. OMBH

Рф

=S

max. OMBH

Р pc. OMBH

Tm ax. OMBH

1

тде S

max: ДМВН

симальное отношение давлени° т ступени для N рабочих дисков:

Wx MTBH

S

'max. OMBH

е Н Kcp (в11ДЙ10 м в12O Й2 д В +

+ (N - 1) • НKcp{Ыудйю - в2iДЙ]o);

4

(2)

т е м+мто + т1- 1)вв1мшш o]

Tmax.OMBH е , 13]

в1едй]о + (N4 - 1)в2еоЙ2+

где $ср — ередняя арифметическая скор+сть двве

жения молекул гнза, Kcp =

M0Cт ;

пМ

T — температура

(1)

— максимальная быстрота действия диско вой молекулярной ступ ени, м3/с; Tmax ДМВН — мак сим алья ое отнош ени е да сле нийг снзда всем ос молекул:ртой ступенью; рф — форвакуумное давление, На; р+ тш — даояение всасывания дисковой ступени, Па.

Максинальнам бытеняео действия 5max Н и мак-

дисковой

газа, К; М — молярная маеса рабочего газа (расчет производился по азоту), ог/рмоль; Н — универсальная еазовая росао5шная; Д11Д — вероятность перехода молекрл газа через пероое междисковое пространство л п]сямом нс^]:1]гс1с^/^р1си]с^; п0л — вероятность теуехроу моиекрл газа ое/ас еоолвои по-следующае междиековые еиостронсава в прямом направлении; Л22Д — ]аед05^е^1^осто парееода газа чеатз втсоое впосле/ующпа междисковые пространства е оЗвонном направлении; к12Д — вероятность порехода молеиуа газс чвваз пьрвое междисковое арострвнство в обратном направлении; Р — площаде вводного оеведьтия в дисковую молекулярную елшсно; ^ — олощад.ь выходного отверстия с дислосоо мoпеещлпоьoй втупени.

Прям ей 012 и обратный Ое поток молекул газа через межсоупег^т^се^юу катас:

S, л /с

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

30

20

10

0.1

$J.\/BH

Рвсдшя, Па

1»

100

Рис. 4. Откачная характеристика ДМВН Fig.4.DMDPpumping performance

^2 - И1к ^срР\кРн.ТМН; 4

- k2K КссУ2кРвс. ДМВН'

4

(al)

(5)

И з условия ра венства га зов-го по тока в каждо м сечении позгк газа на вД1хкде ira Т3^]^-ступени (та в-оде в межступенчакый канал) к а^н i^omto-с3 газ а на в-оде о ДМКВН-стнпень:

где F

плащаск входиотк откерстия jt ]2[633KK,par)^3i^-

чатый канал; FpK — пло щадь выход н о го отокв-ния из межступенчатоао ванала, F2K М ; н„ ТРН — Дсв-ление нагнекааия тур^ополецуИяртсу OTj^ireîH^, т. -к. давление вн квадном сечесии мeжзгyпeнчaнouo канала; П — акоосгногто псеexгес мске-ул газа через мажстзнвн-щтьш в-нал о ниямру няпрааие-нии; к2К — пе¡эоотнстть н—3)й(пхда осо;зо1г:зг.(т газа чеаез межступенчавый 4apaA к обр-тнтм ^гав^навлении.

Вероятпоста пещекгда й(^]зез ме;ы^1^с^ооа)1«э прюд странства и чсеез мгжступенчатын ]2ассчиаи1 -

вается по меас>1внхщ, н;зщ.ожк1^нсу в усаНот^ас; [13, 17]. Метод рнсч-та и допыйения анк1\.о^и3^]ва^ нсиме-ненным при модосирквккии евюценc(i тегениР гаиа в канале в вып^еуказкн^а>сх; ра°опах.

Резулаоируощкк с^окнис гага я межатупегчатом канале опреу^б>тс5^ес^якак разность прямо га к осрат -ного потоко-:

—и УУкмвн

к-К П„пмн SДТЮЛ Р(С:АИВР' С к^г^кнм кP(ЗНнвш2е (с) —)10)) имеем:

(9)

(10)

1

кс

И)кй1к И2кй2к

к вс.xмкн

\

pНcмн

- ■скВ- ' Роc.CМKН■

) нн.ак-

(12)

Путем i-ртобxоeсвaний иа (-1 ) голутем давлт-кие вк вхн^П:1^о]г- ксиегии яавиoe дeннению

н(^-)нeаa^в^н тугбомокекумриой ступенс ргТМН в за-нит^кл^ости от давуеник всасыванкя ДМВ1K ргс мН

од

^ С <

Яй

Ой Э о si

<s

О Й

! ё < (Л

с <

Р

§ I

. <Л < <

2 -i

Пи - Нср(C0KУ1Kpн.CМ— И2KУ2Kpвс.XМB—)

4

1

ПР - _ НсрР(Тк- (И1кУ1к н И2кУ2НХк )' -61

и3

где тК — о1гнoшсняа давлений в межступенчатом

Кис.скш канала, тк --И-.

1Р(1.ТС1Н

По опрада4ению потока мoнeкнл газа чкрез ке-чение, кикоИый канен О 2= Ир [зн) с. 51Р окзделив Qu на дав4ение во вхРдном сеченик xняалa рн ТМН, получим быстрову oткглкн со годном сеченРИ нанaла;

Рк - Кср(И1кУ1к И2кУИкХк)-

4

И2)

ПотоР газ1 на ссагы-ннии ДМ ВН кпредекяется уравнан аем:

'^А-ВП SAMCH И

в-ВН ДСССН г к ДМВН ■

(С.)

pнгмн(pвс.нкuв— )

pвc.вснвл\ иимв— я К суИ2кй2к

1 _4_

- QссИlpУlX

Бы^т]:^oщa eтщ^íзк^ -о ^x-(И^oм гeлннии еeйl^кa: ■К(pвс.имвu-) -

^к1 Кс

4

И]eУ]e И2ВГ12

Рcс.oKC— pn. ткн (pBC. CKB—0

(13)

Зависимость быстроты откачки от давления во входном сечении канала ИК = ДРнЛМН(РвсДМВН)) п^и'ед-ставляет собой откачную характеристику дисковой молекулярной ступени с учетом канала.

Проводимость канала, ограниченного неподвижным и поверхаоотямиЫрис. 5):

11 PK - КссИ1кУ1к - _ КссИ2кУ2к. (14)

или

Рис. 5. Геометрические параметры межступенчатого канала Fig. 5. Geometric parameters of the interstage channel

Os<

о m

I- Е

T о

Быстрота откачки во входном сечении канала в статорном исполнении:

5К (Рвс. ДМВН ) ч 1 ЛсрЧ1ТК1Т - ТК (Рвс.ДМВН )) (15)

к применению для соединения данных осевой и молекулярной ступеней и строятся откачные характеристик и ДМВН с ^аетом каитис различных типов.

Откачная характериктири ДМВН с уоетом карала 1-го типа:

5Кр{рвс.1СВр) =

о. в:

ТК {Рве.ДМВН ) - 1 »CpkCKFCK

4

рве. ДМВН

рн.ТМН(р вс. ДМВН)

. (16)

= 4 »с

kiCKFCK ki2KF2- '

рве .МВН

piH.TMH (рве.МВН),

, (17)

Для выявления влияния канала выполняетир раочрт откачныт херакте-истик ДМВН-стусени с учетом иснала при его различных геомвтсирестис и скоростных паримвсрах. Каналы разбиваются по тиаим. К каидому топу оттекеится канал, обладающий определенныси признаками, в числе которых:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1) граничное условие на поверхности последнего колеса ТМН-ступени;

2) граничное условие на цилиндрической поверхности ротора;

Д

ДМВН ' R R

ДМВН' 0

3) относительная ширина канала &К/(Д-ТМН

Геометрические параметры 5к , ДТМН, приведены на рис. 5.

Безразмерная скорость подвижных поверхностей определяется отношением и/ун; где и — окружная скорость на наружном диаметре рабочих колес и дисков, ротора; ун — наиболее вероятная скорость теплового движения молекул рабочего газа.

Граничное условие на поверхности последнего колеса ТМН-ступени может формулироваться в 2-х вариантах:

— и/\ = 0, что соответствует неподвижной поверхности, ограничивающей канал со стороны осевой ступени (конструктивно, например, установка последнего колеса турбоступени статорным, постановка статорного экранирующего диска или экранизация кольцевой подвижной поверхности последнего колеса ТМН-ступени, радиуса КТМН—Д0 иными способами);

— и1/ун ф 0, что соответствует подвижной кольцевой поверхности последнего колеса ТМН-ступени.

Аналогично формулируется граничное условие на цилиндрической поверхности ротора: и2/ун = 0 или и2/ун ф 0.

Фиксируется значение величины относительной ширины $К/(ДТМН-ДДМВН) для каждого типа канала.

Таким образом формируется упорядоченный набор типов межступенчатого канала, возможных

где ирс — вероятность перехода молекул газа через межсаупенчатый канал в прямом направлении для канала ргс типа; кг2К — вероятность перехода молекул газа через межступенчатый канал в обратном направлении для канала г-го типа; р1нТМН — давление нагнетания ТМН-ступени при применении канала г-го типа, Па.

Оценка влияния межступенчатого канала на откачную характеристику молекулярной ступени

Для оценки влияния межступенчатого канала на откачную характеристику ДМВН рассматриваются каналы 4-х типов, параметры которых приведены в табл. 1. Проанализировав влияние относительной ширины канала [17, с. 13], можно заключить, что при величинах относительной ширины канала, больших 1,5 — 2, вероятность перехода практически прекращает возрастать и асимптотически стремится к постоянному значению, при котором, соответственно, проводимость канала достигает своего максимального значения. Дальнейшее расширение канала практически не оказывает влияния на вероятность перехода и проводимость. В связи с этим принимается к рассмотрению канал с верхним граничным значением относительной ширины, равным 2. Нижнее граничное значение относительной ширины принимается равным 0,3 из конструктивных соображений.

Откачные характеристики ДМВН-ступени с учетом канала приведены на рис. 6; характер которых демонстрирует, что воздействие канала приводит к снижению эффективности молекулярной ступени.

Количественная оценка влияния канала на от-качную характеристику может быть проведена определением величины снижения быстроты действия ДМВН-ступени за счет сопротивления канала, определяемой следующим образом:

4

C

Таблица 1. Эффективность ДМВН-ступени с каналом Table 1. Efficiency of the DMDP-stage with the channel

№ типа канала Граничное условие на поверхности Относительная ширина канала Sk/(R тмн—R-дмвн) Снижение быстроты действия, % Ssдмвн = ^ - SkÍ ■ 100% Sдмвн

последнее колесо ТМН-ступени цилиндрическая поверхность ротора Рвс.дмвн—10 Па Рвс.дмвн —5 Па

1 ui/v„ф 0 ui/v„ = 1,3 U2/v„ф 0 U2/v„ = 1,3 0,3 63,6 63,2

2 ui/v„ф 0 ui/v„ = 1,3 U2/v„ф 0 U2/v„ = 1,3 2 45,8 45,7

3 ui/v„ = 0 U2/v„ = 0 0,3 31,6 30,5

4 ui/v„ = 0 U2/v„ = 0 2 10,3 10,1

Рис. 6. Откачная характеристика ДМВН-ступени:

SK2 — с учетом канала 2-го типа; SK3 — с учетом канала 3-го типа; SK4 — с учетом канала 4-го типа; рф = 10 Па Fig. 6. DMDP pumping performance: SAMBH is the pumpicg cpead excluding the channel; S^ is the pumping speed including the first type channel; SK2 is the pumping speed inclucling the second type channel; SK3 is the pumping speed including the third type channel; SK4 is the pumping speed including chpnnel of the fourth type at рф = 10 Pa

SS

S

иипн

og

С

<

Яй

Ой

3 О < =

HS o Й

! § < (Л

с <

P

§ I

. <л < <

2 -¡

иипн Sai S,

• tGG%.

(1B)

3 иипн

Результаты расчета представлены в табл. 1.

Заключение

Mежступенчатый канал снижает эффективность молекулярной ступени комбинированного TMH в диапазоне от 1G до 6G % в зависимости от параметров канала. В среднем компромиссном случае, принимая во внимание все критерии, на 2G %. При расчете и проектировании межступенчатого канала рекомендуется исходить из того, что проводимость канала должна превышать быстроту действия молекулярной ступени не менее чем в 5—1G раз.

Список источников

1. Демихов К. Е., Никулин Н. К. Оптимизация высоковакуумных механических насосов: моногр. Кишинев: LAP Lambert Academic Publishing, 2G13. 312 с. ISBN 97B-3-B3B3-2274-2; 3B3B322746.

2. Dolcino L. TwisTorr molecular drag pumping technology. A new Technology for high performance Turbomolecular Drag Pumps. Santa Clara: Agilent Technologies GmbH, 2G1G. P. 1-26.

3. Kloss Yu. Yu., Martynov D. V., Cheremisin F. G. Computer simulation and analysis of the Holweck pump in the transient regime // Technical Physics. 2012. Vol. 57, Issue 4. P. 451 — 456. DOI: 10.1134/S1063784212040159.

4. Giors S., Campagna L., Emelli E. New spiral molecular drag stage design for high compression ratio, compact turbomolecular-drag pumps // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2010. Vol. 28, Issue 4. P. 931-936. DOI: 10.1116/1.3386591.

5. Nanbu K., Kubota H., Igarashi S., Urano, C., Enosawa H. Performance of spiral grooves on a rotor of turbomolecular pump // Trans. JSME. 1991. Vol. 57, Issue 3. 533. P. 172-177.

6. Skovorodko P. A. Free molecular flow in the Holweck pump // AIP Conf. Proc. 2001. Vol. 585. P. 900-902.

7. Cheng H.-P., Jou R.-Y., Chen F.-Z. [et al.]. Three-dimensional flow analysis of spiral-grooved turbo booster pump in slip and continuum flow // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2000. Vol. 18, Issue 2. P. 543-551. DOI: 10.1116/1.582221.

8. Panos C. N., Antoniou A. G., Valamontes S. E. The helicoid multi-groove vacuum pump in both viscous and molecular states // Vacuum. 1994. Vol. 45, Issue 8. P. 841-847. DOI: 10.1016/0042-207X(94)90121-X.

9. Демихов К. Е. Особенности оптимизации проточной части высоковакуумных механических насосов в широком диапазоне давлений // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Серия «Машиностроение». 2012. № 3 (88). С. 80-86.

10. Демихов К. Е., Очков А. А. Программное обеспечение оптимизации основных параметров турбомолекулярных ваку-

so

умных насосов // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 5 (17). С. 32-41.

11. Kwon M.-K., Hwang Y.-K. An experimental study of the pumping performance of molecular drag pumps // Journal of Mechanical Science and Technology. 2006. Vol. 20, Issue 9. P. 1483-1491. DOI: 10.1007/BF02915971.

12. Audi M., Giors S., Gotta R. The state of the art in Molecular-Drag Turbo-pump Technology // Agilent Technologies Vacuum Products Division. Santa Clara: Agilent Technologies GmbH, 2011. P. 1-26.

13. Siegbahn M. A New design for a high vacuum pump // Ark. Matematik Astronomy Physik. 1943. Vol. 30b. P. 261-270.

14. Giors S., Colombo E., Inzoli F. [et al.]. Computational fluid dynamic model of a tapered Holweck vacuum pump operating in the viscous and transition regimes. I. Vacuum performance // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2006. Vol. 24, Issue 4. P. 1584-1591. DOI: 10.1116/1.2178362.

15. Leybold GmbH. Full line catalog. Vacuum components and vacuum technology. Koln: Leybold GmbH, 2021. 1046 p. URL: https://www.leybold.com/epaper/en/#1 (дата обращения: 03.06.2021).

16. Никулин Н. К., Мишустин В. А., Шостак Ю. А. Определение перетеканий газа через торцовый зазор в дисковом вакуумном насосе // Машины и установки: проектирование, разработка и эксплуатация. 2015. № 6. С. 15-39.

17. Шостак Ю. А., Никулин Н. К., Шостак П. А., Цакад-зе Г. Т., Свичкарь Е. В. Исследование межступенчатого канала комбинированного турбомолекулярного насоса // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2021. Т. 5, № 1. С. 9-17. DOI: 10.25206/25880373-2021-5-1-9-17.

18. Вакуумная техника: справочник / под ред. К. Е. Де-михова, Ю. В. Панфилова. 3-е изд., перераб. и доп. Москва: Машиностроение, 2009. 589 с. ISBN 978-5-94275-436-5.

ШОСТАК Юлия Алексеевна, аспирант кафедры Э5 «Вакуумная и компрессорная техника» Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана (национального исследова-

тельского университета) (МГТУ им. Н. Э. Баумана), г. Москва. БРНЧ-код: 3899-2625 АиШогГО (РИНЦ): 963095

Адрес для переписки: shostak.uliya@yandex.ru НИКУЛИН Николай Константинович, кандидат технических наук, доцент кафедры Э5 «Вакуумная и компрессорная техника», МГТУ им. Н. Э. Баумана, г. Москва. БРНЧ-код: 6857-8773 АиШогГО (РИНЦ): 244267

ЦАКАДЗЕ Георгий Тамазиевич, магистр по направлению «Технологические машины и оборудование», МГТУ им. Н. Э. Баумана, г. Москва. БРНЧ-код: 8841-7363 АиШогГО (РИНЦ): 1100257 Адрес для переписки: tsk.sv2@gmail.com ШОСТАК Петр Алексеевич, студент гр. БМТ2-21М факультета «Биомедицинская техника», МГТУ им. Н. Э. Баумана, г. Москва. 8Р1Ы-код:1669-9827 АиШогГО (РИНЦ): 1036289

Адрес для переписки: shostak.petya@yandex.com ШОСТАК Алексей Михайлович, старший преподаватель кафедры «Механизации сельского хозяйства» Абхазского государственного университета, г. Сухум, Республика Абхазия.

Для цитирования

Шостак Ю. А., Никулин Н. К., Цакадзе Г. Т., Шостак П. А., Шостак А. М. Влияние межступенчатого канала на эффективность молекулярной ступени комбинированного турбомоле-кулярного насоса // Омский научный вестник. Сер. Авиаци-онно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2021. Т. 5, № 3. С. 45-53. БОН 10.25206/2588-0373-2021-5-3-45-53.

л

О

IS 1> N1

OS о О — н T х >0 z А

■ К > О ¡Й

i О

О

< К

O О

UDC 621.521

DOI: 10.25206/2588-0373-2021-5-3-45-53

THE INFLUENCE OF INTERSTAGE CHANNEL ON EFFICIENCY OF MOLECULAR DRAG STAGE IN HYBRID TURBOMOLECULAR PUMP

J. A. Shostak1, N. K. Nikulin1, G. T. Tsakadze1, P. A. Shostak1, A. M. Shostak2

'Bauman Moscow State Technical University, Russia, Moscow, 2nd Baumanskaya St., 5/1, 105005 2Abkhaz State University, Abkhazia, Sukhum, Universitetskaya St., 1, 384904

The interstage channel is one of the factors affecting the efficiency of the molecular drag stage in a hybrid turbomolecular pump (TMP). The influence of parameters of the channel on the pumping performance of the molecular drag stage is investigated. The offered approach allows calculating the pumping performance of a molecular drag stage taking into account the effect of the interstage connecting channel on the pumping process. The comparison of the pumping characteristics of a molecular drag stage obtained in calculation taking into account the effect of the channel and excluding it is given. This article assesses the efficiency of the molecular drag stage in a hybrid TMP depending on geometric and dynamic parameters of the channel. The outcomes and recommendations allow to expand the range of working pressures of a hybrid TMP exclusively by means of parameters of the connecting channel.

Keywords: turbomolecular pump, molecular drag pump, channel conductivity, volumetric gas flow, moving walls channel, pumping speed, resistance, gas flow.

References

1. Demikhov K. Ye., Nikulin N. K. Optimizatsiya vysoko-vakuumnykh mekhanicheskikh nasosov [Optimization of high-vacuum mechanical pumps]. Chisinau, 2013. 312 p. ISBN 978-38383-2274-2; 3838322746. (In Russ.).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2. Dolcino L. TwisTorr molecular drag pumping technology. A new Technology for high performance Turbomolecular Drag Pumps. Santa Clara: Agilent Technologies GmbH, 2010. P. 1 — 26. (In Engl.).

3. Kloss Yu. Yu., Martynov D. V., Cheremisin F. G. Computer simulation and analysis of the Holweck pump in the transient regime // Technical Physics. 2012. Vol. 57, Issue 4. P. 451—456. DOI: 10.1134/S1063784212040159. (In Engl.).

4. Giors S., Campagna L., Emelli E. New spiral molecular drag stage design for high compression ratio, compact turbomolecular-drag pumps // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2010. Vol. 28, Issue 4. P. 931-936. DOI: 10.1116/1.3386591. (In Engl.).

5. Nanbu K., Kubota H., Igarashi S., Urano, C., Enosawa H. Performance of spiral grooves on a rotor of turbomolecular pump // Trans. JSME. 1991. Vol. 57, Issue 3. 533. P. 172-177. (In Engl.).

6. Skovorodko P. A. Free molecular flow in the Holweck pump // AIP Conf. Proc. 2001. Vol. 585. P. 900-902. (In Engl.).

7. Cheng H.-P., Jou R.-Y., Chen F.-Z. [et al.]. Three-dimensional flow analysis of spiral-grooved turbo booster pump in slip and continuum flow // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2000. Vol. 18, Issue 2. P. 543-551. DOI: 10.1116/1.582221. (In Engl.).

8. Panos C. N., Antoniou A. G., Valamontes S. E. The helicoid multi-groove vacuum pump in both viscous and molecular states // Vacuum. 1994. Vol. 45, Issue 8. P. 841-847. DOI: 10.1016/0042-207X(94)90121-X. (In Engl.).

9. Demikhov K. Ye. Osobennosti optimizatsii protochnoy chasti vysokovakuumnykh mekhanicheskikh nasosov v shirokom diapazone davleniy [Peculiarities of optimization of flow part of

high-vacuum mechanical pumps in the wide pressure range] // Vestnik MGTU im. N. E. Baumana. Seriya «Mashinostroyeniye». Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Mechanical Engineering. 2012. No. 3 (88). P. 80-86. (In Russ.).

10. Demikhov K. Ye., Ochkov A. A. Programmnoye obespecheniye optimizatsii osnovnykh parametrov turbomole-kulyarnykh vakuumnykh nasosov [Software for turbomolecular vacuum pumps key parameters optimization] // Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii. Engineering Journal: Science and Innovation. 2013. No. 5 (17). P. 32-41. (In Russ.).

11. Kwon M.-K., Hwang Y.-K. An experimental study of the pumping performance of molecular drag pumps // Journal of Mechanical Science and Technology. 2006. Vol. 20, Issue 9. P. 1483-1491. DOI: 10.1007/BF02915971. (In Engl.).

12. Audi M., Giors S., Gotta R. The state of the art in Molecular-Drag Turbo-pump Technology // Agilent Technologies Vacuum Products Division. Santa Clara: Agilent Technologies GmbH, 2011. P. 1-26. (In Engl.).

13. Siegbahn M. A New design for a high vacuum pump // Ark. Matematik Astronomy Physik. 1943. Vol. 30b. P. 261-270. (In Engl.).

14. Giors S., Colombo E., Inzoli F. [et al.]. Computational fluid dynamic model of a tapered Holweck vacuum pump operating in the viscous and transition regimes. I. Vacuum performance // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2006. Vol. 24, Issue 4. P. 1584-1591. DOI: 10.1116/1.2178362. (In Engl.).

15. Leybold GmbH. Full line catalog. Vacuum components and vacuum technology. Koln: Leybold GmbH, 2021. 1046 p. URL: https://www.leybold.com/epaper/en/# 1 (accessed: 03.06.2021). (In Engl.).

16. Nikulin N. K., Mishustin V. A., Shostak Yu. A. Opredeleniye peretekaniy gaza cherez tortsovyy zazor v diskovom vakuumnom nasose [Determination of gas overflows through the end gap in a disk vacuum pump] // Mashiny i ustanovki: proyektirovaniye, razrabotka i ekspluatatsiya. Mashiny i Ustanovki: Proyektirovaniye, Razrabotka i Ekspluatatsiya. 2015. No. 6. P. 15-39. (In Russ.).

17. Shostak J. A., Nikulin N. K., Shostak P. A., Tsakadze G. T., Svichkar E. V. Issledovaniye mezhstupenchatogo kanala kombinirovannogo turbomolekulyarnogo nasosa [Study of interstage channel of hybrid turbomolecular pump] // Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2021. Vol. 5, no. 1. P. 9-17. DOI: 10.25206/2588-0373-2021-5-1-9-17. (In Russ.).

18. Vakuumnaya tekhnika: spravochnik [Vacuum technology: handbook] / Eds.: K. E. Demikhov, Yu. V. Panfilov. 3d ed. Moscow, 2009. 589 p. ISBN 978-5-94275-436-5. (In Russ.).

SHOSTAK Julia Alekseevna, Graduate Student of E5 Vacuum and Compressor Equipment Department, Bauman Moscow State Technical University (BMSTU), Moscow, Russia. SPIN-code: 3899-2625 AuthorID (RSCI): 963095

Correspondence address: shostak.uliya@yandex.ru NIKULIN Nikolai Konstantinovich, Candidate of Technical Sciences, Assosiate Professor of E5 Vacuum and Compressor Equipment Department, BMSTU, Moscow, Russia. SPIN-code: 6857-8773 AuthorID (RSCI): 244267

TSAKADZE Georgy Tamazievich, Master in Technological Machines and Equipment, BMSTU, Moscow, Russia.

SPIN-code: 8841-7363 AuthorID (RSCI): 1100257

SHOSTAK Petr Alekseevich, Student gr. BMT2-21M of Biomedical Engineering Faculty, BMSTU, Moscow, Russia.

SPIN-code: 1669-9827 AuthorID (RSCI): 1036289

SHOSTAK Aleksey Mikhaylovich, Senior Lecturer of Agricultural Mechanization Department, Abkhaz State University, Sukhum, Abkhazia.

For citations

Shostak J. A., Nikulin N. K., Tsakadze G. T., Shostak P. A., Shostak A. M. The influence of interstage channel on efficiency of molecular drag stage in hybrid turbomolecular pump // Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2021. Vol. 5, no. 3. P. 45-53. DOI: 10.25206/2588-0373-2021-53-45-53.

Received June 17, 2021.

O

IS 1> N1

OS g o E h T x >0 z A > O

is

1 o

O

< K

O o

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Шостак Ю.А., Никулин Н.К., Цакадзе Г.Т., Шостак П.А., Шостак А.М.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Шостак Ю.А., Никулин Н.К., Цакадзе Г.Т., Шостак П.А., Шостак А.М.

THE INFLUENCE OF INTERSTAGE CHANNEL ON EFFICIENCY OF MOLECULAR DRAG STAGE IN HYBRID TURBOMOLECULAR PUMP

Текст научной работы на тему «ВЛИЯНИЕ МЕЖСТУПЕНЧАТОГО КАНАЛА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТУПЕНИ КОМБИНИРОВАННОГО ТУРБОМОЛЕКУЛЯРНОГО НАСОСА»