ДВУХРОТОРНЫЙ ВАКУУМНЫЙ НАСОС Российский патент 1994 года по МПК F04C18/00 F04C18/08 F04C25/02 

Изобретение относится к насосо- и компрессоростроению, касается усовершенствования роторных машин типа Рутса и может использоваться в вакуумных насосах и компрессорах в различных отраслях народного хозяйства.

Известен вакуумный насос, содержащий насосную камеру, имеющую впускное и выпускное отверстия, пару параллельных синхронизированных во вращении валов с посаженными на них по крайней мере двумя парами роторов. Каждая пара роторов имеет различный профиль накачивания. Профиль ротора, ближе всего расположенного к впускному отверстию, выбирается из условия обеспечения минимальных перетечек между выпускной и впускной сторонами. Профиль ротора, ближе расположенного к выпускному отверстию насоса, обеспечивает максимальный коэффициент внутреннего сжатия откачиваемого газа. Наличие нескольких соединенных последовательно ступеней откачки и использование роторов, обеспечивающих внутреннее сжатие газа, позволяют достичь общего высокого коэффициента сжатия насоса, а следовательно, получить малое давление на входе насоса при атмосферном давлении на выходе.

Недостатком указанного насоса являются необходимость расчета и изготовления сложного по конфигурации профиля ротора с внутренним сжатием газа и трудности, возникающие при балансировке данного ротора с несимметричным профилем.

Наиболее близким к изобретению техническим решением, принятым за прототип, является вакуумный роторно-щелевой насос с двумя вращающимися в противоположных направлениях роторами, один из которых снабжен по крайней мере двумя выступами (зубьями), а другой имеет соответствующие углубления. На торцовой стенке камеры предусмотрены выпускные отверстия, которые открываются или закрываются посредством диафрагмы, для управления которой применена пара сильфонов, реагирующих на перепад давлений на входе и выходе из насоса. Сообщение камеры сжатия с выпускными отверстиями осуществляется через отверстие в торцовой шайбе, вращающейся вместе с ротором, при достижении необходимого давления выхлопа в камере. Такая схема насоса позволяет осуществить процесс внутреннего сжатия в камере и добиться высокого коэффициента сжатия.

К недостаткам прототипа нужно отнести необходимость расчета и освоения специальных профилей роторов, причем обкатывающиеся роторы одной пары имеют различный профиль. С учетом того, что в первой ступени насоса использованы роторы с внешним сжатием, обеспечивающие высокую производительность, следует, что для изготовления насоса необходимо освоить три профиля роторов. Недостатками насоса являются также сложность конструкции, снижающая ее надежность, появление трудоемкой операции настройки сильфонной системы, трудности при конструировании насоса с числом ступеней сжатия больше одной, увеличенная масса и габаритные размеры насоса.

Цель изобретения - создание вакуумного насоса с повышенными характеристиками сжатия на базе классической конструкции насоса Рутса.

Указанная цель достигается тем, что на вал одного из роторов посажен диск (диски) со сквозной прорезью, которая вращаясь вместе с ротором, обеспечивает периодическое сообщение полости нагнетания с окном отвода рабочей среды, расположенным на одной или обеих торцовых стенках камеры.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый вакуумный насос отличается тем, что при использовании в качестве рабочих органов насоса роторов, не обеспечивающих внутреннего сжатия газа в полости нагнетания, на один из валов насажен диск со сквозной прорезью, вращающийся совместно с ротором и использующийся в качестве запирающего элемента окна отвода рабочей среды для создания эффекта внутреннего сжатия откачиваемого газа.

На фиг.1 изображен вакуумный насос, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Вакуумный насос содержит наборный корпус 1 с окном 2 подвода рабочей среды и выхлопной магистралью 3. Насос имеет трехступенчатую конструкцию с последовательным расположением ступеней, при котором вход последующей ступени соединяется с входом предыдущей, вход первой ступени является входом в насос, а выход последней ступени - выходом из насоса. Рабочими органами насоса являются два синхронизированных во вращении и вращающихся в противоположных направлениях вала 4. Каждый из валов несет три ротора 5, 6 и 7, имеющих окружной, циклоидально-окружной, эвольвентный или другой профиль, обеспечивающий бесконтактное обкатывание с минимальными зазорами при вращении с аналогичным профилем встречного ротора. Каждая пара сопряженных роторов 5, 6 и 7, вращающаяся в полости корпуса 1, образует ступень откачки, то есть каждая рассмотренная в отдельности ступень имеет конструкцию классического насоса Рутса. Ступени соединены между собой межступенными каналами 8 и 9. Каналы снабжены сбрасывающими клапанами 10. Две ступени насоса, расположенные ближе к выхлопной магистрали, имеют по два окна отвода рабочей среды, окно из которых (окно 11) расположено на периферийной части камеры, а другое - на торцовой стенке. Для второй ступени насоса такое окно является входом в межступенный канал 9, а для третьей ступени - входом в выхлопную магистраль. Периферийные окна 11 отвода соединены через клапан 13 с выхлопной магистралью 3. На одном валу с роторами 6 и 7 второй и третьей ступеней посажены диски 14 со сквозными прорезями 15, перекрывающие окна отвода рабочей среды, расположенные в торцовых стенках.

Насос работает следующим образом.

Газ из откачиваемого объема через окно 2 подвода рабочей среды захватывается роторами 5 первой ступени, имеющими максимальную длину. Осуществляя перекачку по классическому принципу Рутса эта ступень обеспечивает высокую производительность насоса и минимальные обратные перетечки газа. Со стороны полости нагнетания через канал 8 газ подается на вход второй ступени, имеющей несколько меньшую длину ротора и соответственно несколько меньшую производительность, за счет чего обеспечивается некоторое сжатие газа в межступенном канале 8. Для исключения потерь мощности при работе на больших входных давлениях в канале при достижении некоторого оптимального значения давления происходит сброс части газа через клапан 10.

Работу второй ступени насоса необходимо рассмотреть отдельно на больших и малых входных давлениях. При работе на больших давлениях основной поток газа, переносимый роторами 6 на сторону нагнетания, сбрасывается в выхлопную магистраль 3 через предохранительный клапан 13, настроенный на давление, равное приблизительно атмосферному и обеспечивающее вытекание газа в выхлопную магистраль при открытии клапана. Некоторая часть газа удаляется в межступенный канал 9 через окно отвода рабочей среды в торцовой стенке камеры, которое периодически совмещается со сквозной прорезью 15 во вращающемся вместе с ротором диске 14. Эта часть газа подается на вход третьей ступени насоса. При работе на малых входных давлениях давление газа в полости нагнетания недостаточно для открытия клапана 13 и весь перекачиваемый роторами 6 газ удаляется через окно отвода в торцовой стенке в канал 9. Причем удаление газа происходит один раз за один оборот роторов при совмещении сквозной прорези 15 в диске 14 с окном отвода рабочей среды. Большую часть цикла откачки (один оборот роторов) окно отвода перекрыто диском 14 и роторы производят работу нагнетания газа в полости нагнетания с увеличением внутреннего давления газа. Таким образом удается осуществить сжатие газа внутри камеры не за счет уменьшения защемленного между роторами объема, а за счет периодичности удаления газа из полости нагнетания. Совмещение сквозной прорези 15 в диске 14 с окном отвода рабочей среды происходит при таком положении роторов, когда окно подвода рабочей среды отсечено от переносимого объема газа и объемы газа, переносимые каждым ротором в отдельности, соединяются в полости нагнетания. Сжатый в полости нагнетания газ через канал 9 поступает на вход третьей ступени насоса.

Третья ступень работает аналогично второй ступени с той лишь разницей, что сжатый в полости нагнетания газ выбрасывается через прорезь 15 в диске 14 и канал 12 в выхлопную магистраль 3.

Данная конструкция насоса устраняет основной недостаток насосов Рутса - отсутствие внутреннего сжатия газа и позволяет расширить область применения двухроторных машин, работающих по принципу Рутса.

Насос обеспечивает высокую производительность во всем интервале рабочих давлений и высокий коэффициент сжатия при работе на малых входных давлениях. Использование диска со сквозной прорезью в качестве запирающего элемента позволяет получить сжатие газа в полости нагнетания, используя для перекачки роторы, самостоятельно не обеспечивающие этого.

Общий коэффициент сжатия насоса определится последовательным сжатием газа в межступенных каналах вследствие разной геометрической производительности ступеней и внутренним сжатием газа в полостях нагнетания по описанному принципу.

Кроме того, наличие диска со сквозной прорезью, лишь периодически соединяющего полость нагнетания с окном отвода рабочей среды, позволяет уменьшить обратные перетечки в насосе и уменьшить потери мощности, вызванные постоянным сопротивлением вращению роторов со стороны атмосферы в зоне выхлопа. Для дополнительного снижения потребляемой мощности целесообразно размещать диски разных ступеней на различных валах с целью сдвинуть по фазе момент выхлопа на ступенях и соответственно моменты максимальных давлений, вызывающих максимальное потребление мощности.

Для производственных процессов с различными давлениями в технологических камерах возможна разработка насоса аналогичной конструкции с числом ступеней, отличающимся от трех. Такая разработка не потребует особых усилий вследствие простоты конструкции и однотипности ступеней насоса.

Описанный насос позволит решить проблему сухой высокопроизводительной откачки без использования в процессе работы форвакуумных насосов с масляным уплотнением, загрязняющих откачиваемый объем парами масла.

Сущность изобретения: в корпусе с торцовыми крышками и окнами подвода и отвода рабочей среды размещена с образованием полостей всасывания и нагнетания установленная на двух параллельных валах пара профилированных роторов. Роторы синхронизированы между собой с возможностью вращения в противоположных направлениях. Диск со сквозной прорезью закреплен на одном из валов с возможностью периодического сообщения полости нагнетания с окном отвода рабочей среды прорезью. 2 ил.

ДВУХРОТОРНЫЙ ВАКУУМНЫЙ НАСОС, содержащий корпус с торцевыми крышками и окнами подвода и отвода рабочей среды, размещенную в корпусе с образованием полостей всасывания и нагнетания и установленную на двух параллельных валах по меньшей мере одну пару профилированных роторов, синхронизированных между собой с возможностью вращения в противоположных направлениях, отличающийся тем, что, с целью увеличения давления сжатия в полости нагнетания, он снабжен диском со сквозной прорезью, закрепленным на одном из валов с возможностью периодического сообщения полости нагнетания с окном отвода рабочей среды посредством прорези диска.