Конструкция объемных насосов

Объемные насосы в зависимости от выбора конструктивной схемы делятся на поршневые, жидкостно-кольцевые и ротационные.

В поршневых откачка осуществляется за счет периодического изменения объема цилиндра. Цилиндры могут быть простого и двойного действия с водяным или воздушным охлаждением. Скорость движения поршня обычно не превышает 1 м/с. Обычные поршневые насосы с самодействующими клапанами имеют предельное давление 4 • 10³… 1 • 10⁴ Па. Насосы с золотниковым распределением имеют более низкое предельное давление: 3-10² Па для одноступенчатых и 10¹ Па для двухступенчатых конструкций. Улучшение предельного давления достигается перепуском газа из мертвого про-

странства в конце хода поршня во вторую полость цилиндра, в которой заканчивается процесс всасывания.

Быстрота действия современных поршневых насосов составляет 10.4000 л/с. Насосы обычно начинают работать от атмосферного давления.

Недостатками поршневых насосов являются неравномерность процесса откачки, неполная уравновешенность, большие потери на трение ~200 Вт/(л/с) и большая удельная масса 10…20 кг/(л/с).

Жидкостно-кольцевые насосы или насосы с жидкостным поршнем (рис. 4.9) имеют в цилиндрическом корпусе 1 эксцентрично расположенное рабочее колесо 2 с неподвижно закрепленными лопатками. Находящаяся внутри корпуса жидкость во время вращения под действием центробежных сил прижимается к стенкам корпуса и образует жидкостное кольцо 4. Между жидкостным кольцом и лопатками насоса образуются отдельные ячейки неодинакового размера. Вначале их объем увеличивается и газ через всасывающее отверстие 3 в торцевой крышке поступает в насос. Затем объем ячеек уменьшается и сжатый газ через выхлопное отверстие 5 удаляется из насоса.

В качестве рабочей жидкости для откачки смеси воздуха с водяным паром используется вода, для откачки хлора — концентрированная серная кислота и т. д. По конструкции и условиям эксплуатации эти насосы проще поршневых, так как не имеют клапанов и распределительных устройств.

Предельное давление таких насосов определяется давлением насыщенных паров рабочей жидкости. Водокольцевые насосы имеют предельное давление (2…3)10³ Па. Насосы могут работать от атмосферного давления. В компрессорном режиме обеспечивают Давление до 2-Ю⁵ Па. Быстрота действия лежит в пределах от 25 До 500 л/с.

Недостатком жидкостно-кольцевых насосов является довольно большой удельный расход мощности »•’200 Вт/(л/с) из-за необходимости перемещения жидкости, находящейся в насосе. Удельная масса насосов около 10 кг/(л/с).

Ротационные вакуумные насосы имеют несколько конструктивных модификаций. Пластинчато-роторный насос (рис. 4.10) содержит цилиндрический корпус 7 с впускным 4 и выхлопным 3 патрубками и эксцентрично расположенный ротор 6, в пазах которого установлены пластины 5. Под действием центробежной силы пластины прижимаются к корпусу, обеспечивая изменение объема рабочей камеры насоса. Насосы с малой быстротой действия (~1 л/с) работают в масляной ванне, обеспечивающей герметизацию соединений насоса и снижение потерь на трение. Для предотвращения заполнения маслом рабочей камеры служит клапан 2. Начальное прижатие пластин к поверхности статора осуществляется пружиной 1.

Многопластинчатые насосы с быстротой откачки до 10³ л/с выполняются по схеме рис. 4.11 с большим числом пластин. В этих насосах нет масляной ванны, а для уменьшения потерь на трение используются беговые кольца 1, которые приводятся во вращение пластинами 2. Отверстия в беговых кольцах обеспечивают прохождение откачиваемого газа. В некоторых конструкциях, имеющих пластины из антифрикционных материалов, можно обойтись без беговых колец.

Предельное давление таких насосов определяется кроме газо-выделения материалов насоса объемом вредного пространства и давлением насыщенных паров масла.

Вредное пространство насоса обозначено на рис. 4.12 буквой В. В пластинчато-роторных насосах (см. рис. 4.10) объем вредного пространства частично заполняется рабочей жидкостью. В корпусе насоса, выполненного по схеме рис. 4.11, из объема вредного пространства делается перепускной канал в одну из рабочих камер, не соединяющихся с откачиваемым объектом.

Без учета давления насыщенных паров рабочей жидкости предельные давления насосов составляют 1 Па для схемы рис. 4.10 и 2-Ю³ Па для схемы рис. 4.11.

Предельное давление двухступенчатых пластинчато-роторных насосов составляет 10^-3 Па.

Удельная масса таких насосов от 10 до 30 кг/(л/с), удельный расход мощности от 0,1 до 0,3 кВт/(л/с), причем меньшие значения имеют многопластинчатые роторные насосы.

Ротационные насосы с катящимся ротором бывают двух видов: пластинчато-статорные и золотниковые насосы.

Пластинчато-статорный насос (рис. 4.13) состоит из следующих основных элементов: корпуса 1, эксцентричного ротора 2, выпускного патрубка 3, пластины 5, пружины 4, входного патрубка 6. Рабочее пространство насоса образуется между эксцентрично установленным ротором и корпусом насоса. При вращении по часовой стрелке за первый оборот ротора газ всасывается из откачиваемого объекта, а за второй происходит сжатие и выхлоп газа. Пластина под воздействием пружины герметично разделяет области всасывания и сжатия откачиваемого газа.

Золотниковый насос (рис. 4.14) состоит из корпуса 1, эксцентрично установленного ротора 2, золотника 6, выпускного патрубка и обратного клапана 3, шарнира 7 и входного патрубка 4. Газ из откачиваемого объекта через входной патрубок и отверстия 5 в золотнике поступает в камеру всасывания А, увеличивающуюся при вращении ротора по часовой стрелке. В это же время объем камеры В уменьшается и находящийся в ней газ сжимается и выталкивается через выхлопной патрубок.

Пластинчато-статорный и золотниковый насосы работают в масляной ванне, так же как и пластинчато-роторный насос. Характеристики этих насосов примерно одинаковы, но золотниковые насосы имеют большие быстроты откачки. Быстроты действия этих насосов в зависимости от давления показаны на рис. 4.15 и могут быть описаны формулой (4.12). Кривая 1 соответствует работе одноступенчатого насоса, кривая 2— двухступенчатого без ловушки, кривая 3 — двухступенчатого с ловушкой.

Давление запуска и выпускное давление насосов обычно равны атмосферному, но при герметичной перекачке газов они могут изменяться в широких пределах. Зависимость их предельного давления от выпускного показаны на рис. 4.16. Наибольшее выпускное давление р_п«2-10⁵ Па. При выпускных давлениях, больших р_н, нарушается герметичность масляного уплотнения в зазорах насоса и наблюдается резкое ухудшение предельного давления. При выпускном давлении, меньшем р_н, предельное давление практически не зависит от выпускного.

В качестве рабочей жидкости насосов обычно применяются вакуумные масла, полученные из обычных смазочных материалов отгонкой как легких, так и тяжелых фракций. Характеристики вакуумных масел отечественного производства приведены в табл. П.1. Температура вспышки масел должна быть не ниже 200°С, что характеризует отсутствие в масле легкоокисляющихся фракций.

Полусухое трение, существующее в насосах, сопровождается разогревом отдельных соприкасающихся микронеровностей вплоть до температуры плавления металла. В таких условиях наблюдается крекинг масла с образованием легких углеводородов, ухудшающих предельное давление насоса.

Характеристики выпускаемых промышленностью ротационных вакуумных насосов различных типов приведены в табл. П.2 и на рис. П.1.

Для работы с большой быстротой действия при малых степенях сжатия удобны ротационные вакуумные насосы с обкатываемыми профилями. Вращение роторов обеспечивается синхронизирующей передачей. Профили роторов в этих насосах таковы, что при взаимной обкатке они не соприкасаются. В некоторых конструкциях маслозаполненных насосов синхронизирующая передача отсутствует и роторы соприкасаются. Наиболее распространены двухроторные конструкции.

работа насоса такого типа возможна только при наличии насоса предварительного разрежения.

Предельное давление одноступенчатых насосов 5-10~¹ Па, двухступенчатых — 4-Ю»² Па с учетом давления насыщенных паров вакуумного масла, применяемого для смазки подшипников. При работе с ловушкой предельное давление составляет Ю^-3 Па. Наибольшее выпускное давление одноступенчатых насосов от 10² до 10³ Па.

Двухррторные насосы имеют при тех же Табаритах значительно большие быстроты действия, чем пластинчатые и насосы с катящимся ротором, так как из-за отсутствия трения между ротором и статором можно значительно увеличить их частоту вращения. Быстрота действия современных двухроторных насосов лежит в пределах от 5 до 5000 л/с. Удельные характеристики насоса 0,5… 3 кг/(л/с) и 6…30 Вт/(л/с), причем меньшие значения удельной мощности даны для насосов с большей быстротой действия.

Характеристики двухроторных насосов различных типов приведены на рис. П.1, и в табл. П.З.

Работа объемных вакуумных насосов может сопровождаться рядом нежелательных явлений: проникновением паров рабочих жидкостей из насоса в откачиваемый объект; загрязнением насоса откачиваемыми веществами с высоким давлением насыщенных паров; потерей рабочей жидкости через выхлопной патрубок; утечкой откачиваемого газа и т. д.

Для ограничения этих явлений служит специальное сервисное оборудование, которым в случае необходимости снабжаются объемные насосы: ловушки, влагопоглотители, натекатели, конденсаторы, фильтры, уплотнители и т. д.

При высоких давлениях (более 10² Па) обратный поток паров рабочей жидкости задерживается встречным потоком откачиваемого газа и в применении защитных устройств не возникает необходимости. При более низких давлениях, когда длина свободного пути молекул газа становится больше диаметра входного патрубка насоса, пары рабочей жидкости могут двигаться навстречу основному потоку и проникать в откачиваемый объект. Если температура насоса выше, чем температура откачиваемого объекта, то обратный поток будет существовать до тех пор, пока вся рабочая жидкость насоса не переместится в откачиваемый объект. Для защиты откачиваемого объекта от паров рабочей жидкости используются ловушки— устройства для парциальной откачки паров рабочих жидкостей.

Поглощение паров масла в ловушках осуществляется адсорбцией на стенках капиллярных каналов. Период непрерывной работы ловушки составляет несколько сотен часов, по истечении которых элемент должен быть заменен, очищен продувкой атмосферным воздухом или прогрет до высоких температур (-—500 °C).

Термостатирование ловушек во время их работы осуществляется проточной водой. Снижение температуры ловушек дополнительно повышает их защитное действие, но несколько снижает удельную проводимость.

Увеличения срока службы ловушек можно достигнуть добавляя в пористые фильтры адсорбционные материалы: активные угли, цеолиты с размерами пор ~9А, активную окись алюминия. Ловушки с адсорбентом (рис. 4.19,6) нельзя подвергать воздействию атмосферного воздуха, так как они могут поглотить большое количество атмосферной воды, которая затем будет выделяться во время работы насоса. Для удаления поглощенных в адсорбционном элементе 1 масла и воды ловушку прогревают нагревателем 2 до 300… 500°С. Клапан 3 помещают в одном корпусе с ловушкой и закрывают во время обезгаживания адсорбента, защищая от загрязнения вакуумную систему.

В ионных ловушках (рис. 4.19, в) корпус, имеющий форму цилиндра, служит заземленным катодом для холодного разряда. Анодом является стержень 1, расположенный вдоль оси цилиндра. Разряд горит при напряжении на аноде ~8 кВ и наличии осевого магнитного поля, создаваемого внешними магнитами. Электроны, эмит-тируемые катодом, движутся по удлиненной траектории к аноду, ионизируя остаточный газ. Положительные ионы, бомбардирующие поверхность корпуса, разрушают поверхностную пленку масла. Это приводит к выделению водорода и полимеризации углеводородов в твердые вещества. Охлаждение корпуса и защитного экрана 2 осуществляется водой. Такая ловушка может уменьшить парциальное давление паров масла в 10… 100 раз.

При откачке вакуумных систем с большим количеством паров воды или других растворителей с высокими значениями давления насыщенного пара при комнатной температуре возникает опасность загрязнения насоса откачиваемыми веществами. В этом случае насосы снабжаются газобалластным устройством, позволяющим снизить коэффициент компрессии откачиваемого пара в насосе и предотвратить его конденсацию в рабочей камере насоса. В пластинчатых насосах с катящимся ротором используется в качестве газобалластного устройства натекатель для подачи атмосферного воздуха в рабочую камеру.

Пример конструктивного решения устройства для напуска балластного газа показан на рис. 4.20. В корпусе насоса со стороны торцевой части ротора делается отверстие А в атмосферу, расположенное таким образом, что при вращении ротора оно открывается только во время сжатия в камере насоса. При всасывании торцевая часть ротора закрывает отверстие, предохраняя камеру от заполнения атмосферным воздухом.

Для регулирования количества напускаемого балластного газа отверстие А соединяется с атмосферной через на-текатель. Если натекатель закрыт, то насос работает в обычном режиме. Использование газобалластного устройства ухудшает предельное давление насоса из-за увеличения перетечек газа из камеры сжатия в камеру разрежения.

Для защиты от пылевых частиц на входе в насос можно устанавливать впускной фильтр из шерстяной ткани, который задерживает пылевые частицы размером более 10 мкм.

Потеря рабочей жидкости через выхлопной патрубок уменьшается брызгоуловителями, устанавливаемыми в насосе. При откачке больших газовых потоков брызгоуловители могут оказаться неэффективными. В этом случае устанавливают внешние брызгоуловители и фильтры для поглощения масляного тумана.

При откачке кислорода необходимо пользоваться негорючими маслами или другими невоспламеняющимися жидкостями, например фосфатными эфирами. Для радиационноопасных помещений разработаны масла, стойкие к радиации.

Для откачки ценных и радиоактивных газов требуются насосы с герметичным уплотнением всех элементов на выходе из насоса. В таких конструкциях вакуумные уплотнения установлены в маслоналивном патрубке, сливных пробках, смотровом стекле, а корпус насоса проверяется на герметичность по всем правилам, предусмотренным для высоковакуумных систем.