Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет
кафедра КВиХТ
Расчёт турбомолекулярного вакуумного насоса
Студент группы 5И36/3
Мельцов А.Д.
Преподаватель
Солдатова К.В.
Санкт-Петербург
2010
Содержание
Список условных обозначений и сокращений…………......................
Техническое задание……………………………………........................
Принцип работы…………………………………………......................
Расчёт ТВН………………………………………………........................
Построение откачной характеристики………………….......................
Выбор форвакуумного насоса ………………………….......................
Список литературы………………………………………......................
Приложение …………………………………………….........................
3
4
5
7
30
31
32
33
Список условных обозначений и сокращений
S
– быстрота откачки,
.
-
предел текучести на растяжение,
p - давление, Па.
γ-
удельный вес,
.
К – запас прочности, результирующая вероятность для скорости.
u2
– окружная скорость рабочего колеса
на наружном диаметре,
.
α- угол наклона паза, град.
-
относительное перекрытие.
М
– молярная масса,
.
Т – температура газа на входе, К.
-
радиальный зазор, м.
h – толщина дискового колеса, мм.
-
отношение скоростей.
λ- отношение диаметров.
Кср- результирующая вероятность для скорости u2.
q
– удельное газовыделение для материала,
.
F – площадь поверхности газовыделения, м2.
Д-16 - алюминий.
Х18Н10Т - сталь.
РК – рабочее колесо.
ТВН – турбомолекулярный вакуумный насос.
Техническое задание
Быстрота
откачки S
=270
.
Рабочий
диапазон давлений: p
=
Па.
Расположение ротора: вертикальное.
Материал роторных дисков: Д-16.
Предел
текучести на растяжение
Удельный
вес для Д-16:
.
Запас прочности К =5.
Окружная скорость рабочего колеса на наружном диаметре u2 =225 .
Угол наклона паза α=35 град.
Относительное перекрытие =0,24.
Молярная
масса М =
(
газ: воздух).
Температура газа на входе Т =295 К.
Радиальный
зазор
=
м.
Толщина дискового колеса h =3,4 мм.
Отношение скоростей =0,4.
Отношение диаметров λ=0,75.
Удельное
газовыделение для Д-16: q=
.
Удельное
газовыделение для Х18Н10Т: q=
Структура пакета: из колёс с одинаковыми геометрическими параметрами.
Принцип работы
Турбомолекулярные вакуумные насосы широко используются для откачивания газов в области давлений всасывания вплоть до 10-8..10-10 Па из различных объектов, используемых в электротехнической, электронной, атомной, авиационной, химической и других отраслях промышленности.
Наибольшее распространение получили однопоточные насосы. Насосы приводятся в движение от электродвигателя, ротор которого обычно расположен на валу насоса. В насосе допускаются сравнительно большие осевые и радиальные зазоры (до 1,0…2,5 мм) в зависимости от размеров рабочих колес.
В корпусе с установленными в нём неподвижными статорными дисками вращается ротор, представляющий собой вал с расположенными на нём рабочими колёсами, котоые выполнены в виде дисков с выфрезерованными косыми радиальными пазами или в виде лопаточных колёс; их лопатки установлены под определённым углом к торцевой поверхности втулки. Когда рабочие колёса выполнены в виде дисков с прорезями, в статорных колёсах такой же формы прорези выполняются зеркально по отношению к прорезям роторных колёс. Если рабочие колёса имеют лопатки, то и статорные колёса выполняют с лопатками, обычно с тем же углом установки, но зеркально отражёнными по отношению к углу установки лопаток рабочего колеса. Для удобства монтажа статорные колёса разрезают по диаметру.
Ротор насоса устанавливают на подшипниках качения. Всасывающий патрубок выполнен в средней части корпуса. Нагнетательные полости, расположенные по торцам корпуса насоса, объединены общим патрубком, к которому подсоединён форвакуумный насос. Насос приводится в движение от электродвигателя, ротор которого обычно расположен на валу насоса.
После столкновения с лопаткой колеса молекулы рассеиваются в соответствии с диффузионным законом. Молекулы, попавшие в плоскость угла α1, возвращаются на сторону 1-1; попавшие в плоскость угла γ1, переходят на сторону 2-2, а попавшие в плоскость угла β1, или остаются на стороне 1-1, или переходят на сторону 2-2. После соударения молекул с лопаткой колеса со стороны 2-2 происходит их рассеивание по углам α2, γ2, β2. Сопоставление соответствующих углов α1, γ1, β1 и α2, γ2, β2, характеризующих возможность перехода молекул газа из области 1-1 в область 2-2 больше вероятности перехода молекул из области 2-2 в область 1-1.
Аналогичные рассуждения могут быть проведены и для пояснения процесса перехода молекул газа, находящихся в хаотическом тепловом движении, через выфрезерованные косые радиальные пазы дискового рабочего колеса.
Переход молекул газа через вращающееся колесо насоса обусловлен различием сопротивлений межлопаточных каналов, образованных двумя соседними лопатками или стенками выфрезерованного паза, потокам молекул газа с противоположных сторон. Количество газа, проходящего на противоположную сторону колеса, определяется числом молекул, попавших во входные сечения межлопаточных каналов или пазов, и вероятностью перехода молекул, которая выражается частью общего числа молекул газа, попавших в торцевое сечение межлопаточных каналов и перешедших на его противоположную сторону. Она зависит от геометрических параметров канала, соотношения окружной скорости колеса и скорости теплового движения молекул.
рис.1. ТВН.
Откачная характеристика насоса – зависимость быстроты действия от давления всасывания – определяется, прежде всего, откачными характеристиками РК, определяемыми двумя основными параметрами: максимальной быстротой откачки при отношении давлений, равной единице, и максимальным отношением давлений при быстроте откачки, равной нулю.
Теоретические выражения максимальной быстроты откачки РК и создаваемого им максимального отношения давлений в зависимости от геометрических параметров межлопаточных каналов и пазов определяют, исходя из теоретических моделей перехода молекул газа через колесо с учётом законов взаимодействия их со стенками межлопаточных каналов.