CC BY
41
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.521
А. А. Райков, С. И. Саликеев, А. В. Бурмистров ВЛИЯНИЕ УГЛА ПРИ ВЕРШИНЕ ЗУБА РОТОРА И МЕЖЦЕНТРОВОГО РАССТОЯНИЯ НА ОТКАЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КУЛАЧКОВО-ЗУБЧАТОГО ВАКУУМНОГО НАСОСА
Ключевые слова: вакуум, быстрота действия, индикаторная диаграмма, кулачково-зубчатый насос, всасывание,
нагнетание.
На основе разработанной и подтвержденной экспериментально математической модели рассчитаны зависимости быстроты действия от давления и индикаторные диаграммы КЗВН при варьировании угла при вершине зуба ротора. Проведен анализ влияния межосевого расстояния и радиуса расточки корпуса на величину коэффициента подачи. Найдено наиболее эффективное соотношение межосевого расстояния и радиуса расточки корпуса.
Keywords: vacuum, pumping speed, indicator diagram, claw pump, inflow, injection.
Relations between the pumping speed and the pressure and indicator diagrams of Claw vacuum pump by varying the angle at the vertex of the rotor, based on developed and experimentally confirmed mathematical model, are presented. The influence of center-to-center distance and the housing boring radius on delivery rate value was analyzed. The most optimalratio between center-to-center distance and the housing boring radius was obtained.
Кулачково-зубчатые вакуумные насосы (КЗВН), называемые за рубежом машинами типа «Claw», и агрегаты на их основе, находят все более широкое применение в технологиях, требующих безмасляной откачки. Ведущие производители вакуумного оборудования выпускают различные модификации агрегатов на базе КЗВН, которые отличаются как количеством ступеней и профилем роторов, так и формами окон всасывания и нагнетания и соотношением геометрических размеров ступени. Одна ступень КЗВН, работающая с выхлопом в атмосферу, может обеспечить степень повышения давления от 15 до 25. Агрегаты, состоящие из двух, трех и четырех ступеней, способны достичь предельного остаточного давления 2000Па, 4 - 40 Па и 0,3 - 3 Па соответственно [1, 2]. Таким образом, агрегаты из трех и четырех ступеней кулачковозубчатого типа по диапазону рабочих давлений могут являться безмасляной альтернативой типичным насосам с масляным уплотнением - плунжерным и пластинчато-роторным.
Совершенствование кулачково-зубчатых насосов направлено на повышение эффективности процесса откачки, то есть увеличение быстроты действия и степени повышения давления, снижение удельной мощности и металлоемкости. В первую очередь, это достигается за счет оптимизации геометрических параметров роторов и насоса в целом (профиль роторов, зазоры, площади окон всасывания и нагнетания и т. д.).
Математическое моделирование - наименее затратный способ достижения этой цели. В работах [3, 4] разработана математическая модель рабочего процесса КЗВН, адекватность которой подтверждена сопоставлением с многочисленными экспериментальными данными. Используя данную математическую модель в работах [5, 6] проведены
исследования влияния зазоров роторного механизма и протяженности окна нагнетания на быстроту действия и индикаторные диаграммы КЗВН. Данная работа дополняет проведенные исследования анализом влияния на откачные характеристики таких важных геометрических параметров роторного механизма, как ширина зуба ротора, межосевое расстояние и радиус расточки корпуса.
Одним из геометрических параметров, влияющих на откачные характеристики КЗВН, является угол при вершине зуба ротора, который определяет его ширину. С одной стороны, его снижение приводит к увеличению объема рабочей полости и повышению геометрической быстроты действии. С другой стороны, снижает протяженность каналов, разделяющих полости всасывания и нагнетания, и, следовательно, приводит к росту обратных перетеканий.
Для исследования влияния ширины зуба на откачные характеристики проведен расчет зависимостей быстроты действия КЗВН от давления на входе, а также индикаторных диаграмм КЗВН. Базовые размеры расчетной модели КЗВН представлены в таблице 1.
В ходе расчетов задавался угол при вершине зуба ротора а (рис. 1), который равнялся 260, 320, 370, 430, 490. Результаты расчетов
представлены в виде зависимостей коэффициента подачи Л=SВx / SГ - действительная быстрота
действия КЗВН, SГ -геометрическая быстрота действия КЗВН) от давления на входе в насос.
По сравнению с влиянием величины зазоров и протяженности окна нагнетания [6], влияние варьирования ширины зуба на откачные характеристики менее выражено (рис. 2), поскольку при изменении а площадь ротора, а значит, и геометрическая быстрота действия насоса
изменяются не значительно (рис.1). При увеличении а площадь ротора увеличивается за счет увеличения ширины зуба, но одновременно растет размер впадины зуба, что компенсирует рост площади.
Таблица 1 - Базовые размеры расчетной модели КЗВН
Параметр Значение
Межосевое расстояние, мм 75
Радиус расточки корпуса, мм 60
Длина роторов, мм 50
Угол, при вершине зуба ротора, град 32
Угол открытия окна всасывания, град 29,5
Угол открытия окна нагнетания, град 161,2
Угол закрытия окон всасывания и 330,5
нагнетания, град
Зазор ротор-статор, мм 0,2
Зазор ротор-ротор, мм 0,2
Торцевой зазор со стороны окна нагнетания, мм 0,1
Торцевой зазор со стороны окна 0,3
всасывания, мм
Рис. 1 - Ротора КЗВН с различными углами при вершине зуба и соответствующая геометрическая быстрота действия
Поэтому влияние угла при вершине зуба в основном связано с изменением угла открытия окна нагнетания вследствие смещения кромки впадины ротора. Интересной особенностью является равенство коэффициентов подачи при изменении ширины зуба в области давлений порядка 65 кПа.
Базовыми размерами, определяющими все геометрические параметры насоса, являются радиус расточки корпуса R и межосевое расстояние A. Для оценки влияния этих параметров на откачные характеристики были произведены расчеты при варьировании величины в=A/2R в диапазоне от 0,55 до 0,85. Вид рабочей полости для некоторых из этих отношений представлен на рис. 3. При величинах
#<0,55 происходит значительное снижение прочности ротора, что при работе насоса может привести к его разрушению, а при #>0,85 становится очень малым коэффициент использования объема насоса и соответственно геометрическая быстрота действия.
Рис. 2 - Коэффициент подачи КЗВН при
различной ширине зуба ротора
Рис. 3 - Вид рабочей полости насоса при варьировании величины в
На графике зависимости коэффициента подачи от отношения межосевого расстояния к диаметру расточки корпуса (рис. 4) видно, что уменьшение в=A/2R от 0,85 до 0,6 приводит к росту X. При достижении величины ~0,6 рост прекращается, а затем начинается его падение вследствие роста обратных перетеканий. Это позволяет выявить наиболее эффективное соотношение межосевого расстояния и радиуса расточки корпуса.
Рисунок также показывает, что увеличение габаритов насоса (при сохранении A/2R) ведет к росту коэффициента подачи. Это связано с увеличением геометрической быстроты действия при одновременном снижении перетеканий, вследствие роста протяженности щелевых каналов.
Литература
1. Leybold vacuum components, 1999/2000. - 470 p.
2. BOC Edwards product catalog, 2003/04. - 552 p.
3. Райков, А.А. Математическая модель кулачковозубчатого вакуумного насоса. Индикаторные диаграммы / А.А. Райков, С. И. Саликеев, А. В. Бурмистров // Вакуумная техника и технология . -2011. - Т. 21, № 4. -C. 213-220.
4. Райков, А.А. Экспериментально-теоретическое исследование индикаторных диаграмм кулачковозубчатого вакуумного насоса / А.А. Райков, С.И. Саликеев, А.В. Бурмистров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 15. - C. 210-214.
5. Райков, А.А. Влияние зазоров на откачные характеристики безмасляного кулачково-зубчатого вакуумного насоса / А.А. Райков, С.И. Саликеев, А.В. Бурмистров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011.
- Т. 14, № 8. - C.77-81.
6. Райков, А.А. Влияние размеров окна нагнетания на параметры рабочего процесса кулачково-зубчатого вакуумного насоса / А.А. Райков, С.И. Саликеев, А.В. Бурмистров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012.
- Т. 15, № 3. - C.110-112.
диапазоне рабочих давлений.
© А. А. Райков - асп. каф. вакуумной техники КНИТУ, ors@hitv.ru; С. И. Саликеев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры salikeev_s@mail.ru; А. В. Бурмистров - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, burm@kstu.ru.
Рис. 4 - Зависимость коэффициента подачи от соотношения в при различных давлениях на входе в насос
Полученные данные могут быть использованы при разработке целого ряда конструкций КЗВН, поскольку позволяют найти оптимальное соотношение геометрических параметров в каждом конкретном
