Молекулярный вакуумный насос Советский патент 1992 года по МПК F04D19/04 

сл С

Сущность изобретения: в корпусе расположены статорные диски с торцевыми пе- регородками, образующими откачные каналы, и снабжены упругими лепестками, высотой не менее половины высоты перегородки. Вертикальный ротор -имеет магнитный подвес и роторные диски. Каждый лепесток отогнут от перегородки на угол, не превышающий 30°, вокруг корня в сторону увеличения угла наклона перегородки к вектору скорости. Ширина лепестка не превышает высоты. 6 ил. 1 табл.

Изобретение относится к вакуумной технике, а именно к конструкции вакуумных молекулярных HG.COCOB, и может быть использовано для получения высокого и сверхвысокого вакуума в радиотехнической, электр онной, химической промышленности, а также в экспериментальной физике и при космических исследованиях.

Известен молекулярный вакуумный насос с ротором на магнитном подвесе. Насос содержит систему магнитного подвеса, корпус с размещенными в нем статорными дисками, которые снабжены торцевыми спиральными перегородками, образующими откачные каналы, вертикальный стальной вал, с помощью которого осуществляется подвес ротора в магнитном поле и на котором крепятся роторные диски. Для повышения надежности торцевые спиральные перегородки, образующие откачные каналы, выполнены из упругого материала и снабжены лепестками, перекрывающими друг друга .в радиальном направлении, причем лепестки имеют высоту не менее 0,5 высоты перегородки. Например, каждая перегородка может быть выполнена из двух плотно прилегающих друг к другу лепестковых гребенок, в которых лепестки взаимно смещены на половину своей ширины.

Недостаток устройства-прототипа состоит в том, что сила трения, действующая при аварии на каждый из лепестков со стороны ротора, направлена почти вдоль лепестка, так как в оптимальном насосе угол между направлением перегородки и соответствующей линейной скоростью воаще- ния роторного диска лежит в пределах 10-20°. Продольное расположение лепестков затрудняет упругую деформацию перегородки при аварии, что вызывает

00

О

со

ускоренный износ трущихся поверхностей лепестков и роторных дисков.

Целью изобретения является повышение надежности. .

Поставленная цель достигается тем, что в молекулярном вакуумном насосе, содержащем корпус, расположенные в нем ста- торные диски с торцовыми перегородками, образующими СПйрйл ьньюоткачные каналы и снабженные пруг м епёстками высотой не менее пояй1ШьГ§йсотй в перегородке, вертикальный ротор с магнитным подвесом и роторными дисками, каждый лепесток, отогнут от перегородки на угол, не превышающий 30°, вокруг корня в сторону увеличения угла наклона перегородки к вектору скорости, а ширина лепестка не превышает его высоты.

Благодаря узости и отгибу лепестки становятся гораздо более податливыми к отклонению вдоль скорости ротора, под действием силы трения, износ лепестков и .поверхности роторных дисков при аварийном торможении ротора уменьшается, чем и достигается поставленная цель - повыше- . ние надежности насоса. Согласно расчету, предложенный отгиб лепестков на угол, не. превышающий 30°, повышает степень сжатия насоса.

На фиг.1 изображен предлагаемый молекулярный вакуумный насос в продольном сечении; на фиг.2 - поперечное сечение рабочего пространства статорного диска при откачке от оси к периферии насоса; на фиг.З

-поперечное сечение рабочего пространства статорного диска при откачке от периферии к оси насоса; на фиг,4 - перегородка статорного диска с отогнутыми лепестками; на фиг.5 - плоская модель насоса; на фиг.б

-модель насоса с отогнутыми лепестками на перегородках.

Предлагаемый насос содержит электромагнит 1, крышку 2 с выхлопным патрубком 3, корпус А с размещенными в нем статор- ными дисками 5, на крайних из которых укреплены аварийные опоры: вверху кольцо 6, внизу стержень 7, вертикальный вал 8, с роторными дисками 9. На статорном диске 5 имеются спиральные откачивающие каналы 10, образованные перегородками 11, которые снабжены упругими лепестками 12 высотой b не менее половины высоты перегородки б, каждый лепесток отогнут от перегородки вокруг корня в сторону ув ежченйя .наклона перегородки к вектору скорости ротора на угол а, не превышающий 30°. и имеет ширину 32, меньшую высоты Ь1 . На фиг.4 изображена заготовка перегородки с отогнутыми лепестками в трех проекциях. Лепестки в данном случае

получаются надрезанием заготовки на 0,5-1 . высоты и отгибаются вокруг корня 4 на угол а не превышающий -30°. К статорному диску перегородки крепятся с помощью точечной сварки. Заготовки выполнены из

листового материала, например, латуни, толщиной 0,03-0,3 мм.

Работает насос следующим образом. Ротор вывешивается в магнитном поле „

0 электромагнита 1 и поддерживается на за- данномуровне с помощью электронной схемы регулирования тока подвеса и раскручивается асинхронным двигателем до рабочей скорости (схема и двигатель на

5 фиг. не показаны). Откачиваемый газ поступает на вход первой ступени откачки, образованной поверхностью нижнего статорного диска 5 и нижней поверхностью нижнего роторного диска, и перемещается

0 вдоль спиральных каналов 10 от центра к периферии насоса. Далее газ диффундирует на вход второй ступени;откачки, образован , ной верхней поверхностью нижнего ротор-, ного диска и нижней поверхностью

5 среднего статорногб диска, и движется от периферий к центру насоса и т.д. до выхода газа через выхлопной патрубок 3.

В аварийной ситуации роторные диски касаясь упругих лепестков 12 перегородок

0 11, отклоняют их, не повреждая своей по-, верхности. Лепестки после торможения выпрямляются, восстанавливая свое положение. Благодаря узости и отгибу лепестков вокруг корня поперек скорости ротора

5 они легко отклоняются ротором при аварии, что уменьшает износ роторных и статорных элементов, чем и достигается поставленная цель - повышение надежности насоса. Расчет показал, что предложенный от0 гиб лепестка от перегородки на угол не свыше 30° повышает степень сжатия насоса.

Это результат не очевиден, так как влияние предложенного отгиба на откачные характеристики насоса неоднозначно. С

5 одной стороны, вдоль межлепестковых каналов происходит утечка газа со стороны высокого на сторону низкого давления, что ухудшает откачные характеристики. С другой стороны, как показывают фиг.2, 3, газ

0 перемещается ротором вдоль межлепестковых каналов в направлении откачки. Целесообразно, поэтому, дать обоснование этого результата методами приближенной теории молекулярного насоса.

5 Эта теория основана на рассмотрении течения газа в насосе как суперпозиции наведенного ротором потока молекул вдоль откачных канавок статора и обратно ему диффузионного потока, возникающего вследствие сжатия газа ротором, причем

для описания диффузионного потока используются результаты молекулярно-кине- тической теории по течению газа в трубах с неподвижными стенками. При формулировке теории используется также предположение о постоянстве давления в поперечном сечении откачной канавки, что справедливо лишь при малых скоростях ротора.

Однако не только высокими скоростями вращения роторов современных насосов объясняются трудности приближенной теории. Для достижения этих высоких скоростей, особенно на магнитных опорах, приходится увеличивать зазор между ротором и статором. Для учета влияния зазора в приближенную теорию необходимо вводить дополнительные предположения о форме изобарической поверхности над перегородкой, разделяющей откачные канавки.

Проиллюстрируем приближенную теорию на простейшем примере цилиндрического молекулярного насоса с откачными канавками постоянной ширины а и глубины b и с близкой к оптимальной квадратной формой поперечного сечения а - Ь, фиг.5, развернуто. ,/

На этой фигуре общепринятые изобарические поперечные сечения откачных канавок изобразятся отрезками прямых а. Предположим, что изобарические поверхности над перегородками имеют вид кусочков плоскостей, сопряженных со смежными поперечными сечениями одинаковых давлений. Эти поверхности на фиг.5 изобразятся отрезками прямых ai. В дальнейшем для краткости изобарические поверхности будет называть изобарами а, ач.

Описание работы насоса проведем в общепринятом допущении стационарности режима работы, справедливом при достаточно медленных изменениях внешних условий (газовой нагрузки, температуры и т.п.). Газоотделение стенок насоса будем считать пренебрежимо малым, вследствие, например, обезгаживания путем предварительного прогрева под вакуумом. В этом случае величина газоотделения откачиваемого объема равна алгебраической сумме потоков через любое поперечное сечение проточной части насоса, например изобарическое. Запишем это уравнение для изобарической поверхности 1-, состоящей из поперечных сечений а канавок и поверхностей ai над перегородками, фиг.5.

Q - о(0.м - QD - Qg),. (1)

где Q - газоотделение в откачиваемом объеме,

to - число откачных канавок в насосе,

QM - поток, наведенный вдоль канавки,

0

5

0

5

0

5

0

QD - обратный диффузионный поток вдоль канавки,

диффузионный поток через перегородку.

Наведенный ротором поток молекул равен

QM VSpfl),(2)

где S ab b - площадь поперечного сечения анавки,

V - средняя скорость наведенного ротором потока вдоль канавки,

р (I)-давление в поперечном сечении, I - координата вдоль канавки.

При вычислении скорости V необходимо учесть, что при соударении с поверхностью ротора молекула приобретает его упорядоченную скорость, а относительное число таких молекул при постоянстве давления газа в поперечном сечении канавки пропорционально относительной протяженности поверхности ротора в периметре поперечного сечения откачной канавки.

V Vcosa 2TlVbTЮ

где V cos a - проекция скорости ротора на направление канавки. Поставляя формулу (3) в выражение (2),получим для наведенного ротором потока молекул

2 QM Vcos a „ ,а. As P(l).(4)

2 (а + Ь)

Этот поток приводит к сжатию газа от входа к выходу насоса, вследствие чего возникают обратные диффузионные потоки в канавках и через перегородку, причем предполагается, что они такие же, как в соответствующей трубе или щели с неподвижными стенкйми. Согласно молекулярно-кинетиче- ской теории,эти потоки соответственно равны (3).

2V a2b2 3 Vo a + b

d -p.

(5)

45

Q6-|H,aie.

(6)

где е - величина зазора между ротором и статором,

ai - длина изобары над перемычкой

между откачными канавками,

п -нормаль к этой изобаре, фиг.5. Прежде чем подставить формулы (4) - (6) в уравнение (1), перейдем от переменных

( п) к п- гДе координата вдоль канавки, п - нормальная к изобаре над перегородкой координата, h - высота насоса, фиг.5. Для этого на фиг.5 проведем еще одну ломаную изобарическую поверхность II на расстоянии А I от поверхности I и установим

соотношения между приращениями Al, Дп, Дп.

Из прямоугольного треугольника с катетом ДЬ и гипотенузой Д получаем

,

(7)

где а - угол наклона канавок. Из прямоугольного треугольника с катетом d и гипотенузой ai получаем

siny3,(8)

где d - ширина перегородки между канавками. Из прямоугольного треугольника с катетом Д п, гипотенузой ДI и тем же углом /8 при вершине имеем

Из формул (8), (9) получаем

Дп d Ж аГ

Из формул (7), (10) имеем

ДЬ 3i sin a Sr d

(9)

(Ю)

(11)

Для нахождения длины ai изобары над перегородкой в треугольнике с катетом d и гипотенузой ai определяем второй катет по формуле

а затем найдем ai

ai

, V+&+Ј.

tg a

(12)

В соответствии с правилами дифференцирования сложных функций

™ ЬО

(14)

55

где -j-r - ТГп Ааются формулами (7), (11) соответственно.

Если выражение (13) подставить в формулу (5), а выражение (14) - в формулу (6) и

подставить полученные выражения в уравнение (1), то мы получим дифференциальное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами, описывающее работу молекулярного насоса.

Вблизи концов насоса изобарические поверхности, которые мы ввели в рассмотрение, должны постепенно измениться таким образом, чтобы плавно перейти в области постоянного давления на входе и выходе насоса. В этих переходных областях, протяженность которых того же порядка, что и поперечный размер откачной канавки,

предложенное дифференциальное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами, вообще говоря, неприменимо. Однако в реальных насосах, высота которых много больше поперечного размера канавки, можно пренебречь влиянием концов. Поэтому граничные условия-для уравнения (1), слагаемые которого описываются полученными выше формулами, запишутся в виде p(h) P2 при h H

p(h) pi при h 0.

В реальных насосах используются наиболее выгодные канавки квадратного поперечного сечения а Ь, разделенные тонкими перегородками с d «а.

При d «а из формулы (12) получаем

35

о«а

31 tga

(15)

Подставляя это выражение в формулу (11), получим

dh dn

a cos a

(16)

Подставим (7) в (5), (16) в (6), получим соответственно

45

°°-

(17)

« v

iL

tgad

Q 2Voaic aЈ2dЈ

t- О

dh

Перепишем формулы (4), (17), (18) для канавок квадратного поперечного сечения,

55

1а2

QM j Vcosa j-p ;

(18)

QD ff0%-SlnaЈЈ;

n -lv a 2 cose dp d fc tga dh

(20)

(21) 5

Ограничимся проверкой эффективности отгиба лепестков перегородок по степеР2

ни сжатия насоса Ко

Pi

режиме, когда 0 0. Тогда, поставляя в уравнение (1) выражения (19)-(21), получим

{Я+Ар-о.

ставлял а .16,4°. Точный расчет показал, что степень сжатия незначительно возрастает при уменьшении толщины перегородки, выгодны как можно более тонкие перегородки, которые и являются предметом нашего исследования. Например, при d 0,5 мм, приближенная теория в соответствии с формулой (25) приводит к результату Ко 6,6, что удовлетворительно согласуется в безрасходном 10 с точной теорией.

Определим из приближенной теории оптимальный угол donr наклона канавок, для чего продифференцируем формулу (25) по а и приравняем результат 0.

(22) 15

1 sin 2«

е а

cos2 a

А

3V

8vo

1Е

ат.да+-г

1

d tga

Решение уравнения (22) запишется ввиде

Д

p(h) Pt& Отсюда

Р2 № ехр

/ЗУ

Н

atga +

atga

(25)

Проверим приближенную теорию, сопоставив ее результаты с данными по насосу- аналогу (1). Ступень этого насоса при откачке от оси к периферии создает степень сжатия К0 15,50, при откачке от периферии к оси Ко 10,4. Эти данные получены на ЭВМ методом математического моделирования случайного движения молекул газа и согласуются с экспериментом. Параметры ступени

Г2 70 мм - радиус ступени, п 30 мм - радиус центрального отверстия статорного диска,

е 0,75 мм - зазор между ротором и статором,

f 920 об/с - частота вращения ротора, V0 467 м/с - средняя арифметическая скорость молекул газа (воздух при t 25°С), b 10 мм - глубина откачных канавок, а 13 мм, d 3 мм - собственно ширина Канавок и ширина перегородок между ними на радиусе г 54 мм, окружность которого делит рабочую поверхность статорного диска на равновеликие части.

Шаг спирали расчетным путем был выбран близким к оптимальному А 0,1 м, при этом, наклон канавок на радиусе 54 мм со(24)

(20)

ном

(21) 5

ном 10

(22) 15

е а

cos2 a

0.

(23)

20

Отсюда

,2е

tg2«onT 1T

(26)

25 Поставляя в эту формулу параметры на- соса(1), получаем «опт 18,5° при d 0,5 мм, что также убеждает в адекватности приближенной теории для тонких перегородок, где ее выводы соответствуют выводам точной

30 теории, по которо й Оспт 16.4°.

Рассмотрим насос с тонкими перегородками, которые надрезаны на лепестки, а лепестки отогнуты от направления скорости ротора на дополнительный угол а для под35 ачи газа в направлении откачки, фиг.6. При рассмотрении работы насоса с отогнутыми лепестковыми перегородками мы будем пользоваться методами приближенной теории, понимая под поперечным сечением

40 межлепесткового канала величину просвета между лепестками. Строго говоря, при отгибе надрезанных лепестков это поперечное сечение существует для незначительной части длины лепестка, когда нормаль к лепе45 стку может пересечь соседний лепесток, фиг.6. В этих условиях дальнейшая конкретизация гипотетических изобарических поверхностей теряет смысл, и мы воспользуемся предположением, что в силу

50 малости лепестков и создаваемого ими эффекта справедлив принцип суперпозиции, когда на работу насоса с перегородками без лепестков накладываются наведенные ротором потоки в межлепестковых каналах и

55 обратным им диффузионные потоки. Уравнение (1) в отсутствие натекания 0 0 запишется в виде

QM-QD-QЈ + QM

Q D

О

(27)

где QM, Qo, QЈ - соответственно поток от ротора вдоль канавки, и обратные диффузионные потоки вдоль канавок и через перегородку, описываемые формулами (19) - (21), QM - поток, наводимый ротором в межлопаточных каналах, приходящихся на длину ai изобары, QD - обратный диффузионный поток межлопаточных каналов, приходящихся на длину ai изобары.

Ограничимся рассмотрением просвета между лепестками с прямоугольной формой поперечного сечения, чего можно достигнуть отгибом лепестка у его корня.

По аналогии с формулой (4) наводимый ротором поток через межлопаточные каналы можно записать в виде

12 t

QM -Vcos (« + «)2(aai+btJ)liP РЯ

I

где 32

i J

tga1

- ширина лепестка,

(29)

ai, b i - ширина и глубина межлепесткового канала,

«-угол отгиба лепестка.

Подставим а1 из формулы (29) в формулу (28). После сокращения на az получим

Q«-V- ((30)

Обратный диффузионный поток сквозь межлопаточные каналы согласно формуле (5) запишется в виде

J 2 „, b 2 a i d р

QD ш о- v0к -

а 1 d р а + Ы а2сГП

2 a2tgVb 2a dp йя 3V° (a2tga4-bI)tgctdlr 1J

где, подобно формулам (7), (13), sln(a + a1),

(32)

I - координата вдоль межлепесткового канала.

Подставляя формулу (32) в (31), получим выражение для утечки газа через межлепестковые каналы, укладывающиеся на длине изобары ai

)iЈ.

(33)

Подставляя в уравнение (27) формулы (19) - (21), (30), (33) для наведенных роторов

и обратных диффузионных потоков,придем к уравнению

v fa2-inr i ae coscr . 32b 2tg2g sln(g+g )) dp, v 2 sin и -t- d tga f (a2tga + b1)tga Jdh

-(

acosa +

2a2b t92g cos(g+g (a2tgc + b )tga

p 0.

Решение этого уравнения можно запи- сать в виде

л РП. а + 2 а 2 b tg 2 g cos (c + gl) Р1 ехо /ЗУacosa+ (

P1V8V°3%.ng . ae2cosa , а ь ц чЖ )

2dtga (a2tga +bl)tgaI

Д35)

где pi, P2 - давление на входе и выходе насоса соответственно;

V, V0 - скорость ротора насоса и средняя арифметическая скорость теплового движения молекул газа;

а - ширина (равная в этой формуле глубине) откачной канавки;

а-угол наклона откачных канавок; е - величина зазора между ротором и статором насоса;

d -толщина перегородки между канавками;

92 - ширина лепестка перегородки; Ь1 - глубина межлепесткового канала; а1- угол отгиба лепестка.

Напомним, что в формуле (35) под глубиной b откачной канавки понимается расстояние между дном канавки и поверхностью ротора, под глубиной Ь1 межлопаточного канала - расстояние от дна канала, образованного деформированной поверхностью лепестка, до вершины лепестка.

При a 0, когда отгиба нет, формула (35) переходит в формулу (25), что подтверж- дает ее правильность.

Рассчитаем степень сжатия Ко уже рас- смотренного насоса с перегородками толщиной d 0,5 мм, надрезанной на лепестки

шириной 82 5 мм, и высотой Ь1 5 мм, в зависимости от угла а1 отгиба. Результаты расчета по формуле (35) приведены в таблице.

Формула изобретения

Молекулярный вакуумный насос, содержащий корпус, расположенные в нем ста- торные диски с торцевыми перегородками, образующими спиральные откачные каналы и снабженные упругими лепестками высо5 той не менее половины высоты в перегородке, вертикальный ротор с магнитным подвесом и роторными дисками, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, каждый лепесток отогнут от перегородки на угол, не превышающий 30°, клона перегородки к вектору скорости, а вокруг корня в сторону увеличения угла на- ширина лепестка не превышает его высоты.

Узел I

Фи2,2

Фиг.З

Редактор А.Бер

ТГ

Фиг. 6

Составитель В.Иванов Техред М.МоргенталКорректор П.Гереши

1781463

- уV