САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Энергомашиностроительный факультет Кафедра компрессорной вакуумной и холодильной техники

Пояснительная записка

Курсовая работу по курсу «Вакуумная техника»

«Проектирование турбомолекулярного вакуумного насоса»

Студент гр.5И36/3: Мульков А.Р. ________

Преподаватель: Солдатова К.В. ________

Санкт-Петербург

2010

Турбомолекулярный насос - один из видов вакуумных насосов, служащий для создания и поддержки высокого вакуума. Действие турбомолекулярного насоса основано на сообщении молекулам откачиваемого газа дополнительной скорости в направлении откачки вращающимся ротором. Ротор состоит из системы дисков. Вакуум, создаваемый турбомолекулярным насосом, до 10⁻⁸ н/м2 (10⁻¹⁰ мм рт. ст.). Скорость вращения ротора - десятки тысяч оборотов в минуту. Для работы требует применения форвакуумного насоса.

Турбомолекулярные насосы (ТМН) (правильнее компрессоры)позволяют получать средний, высокий и сверхвысокий вакуум с остаточными газами, молекулярная масса которых меньше 44.

ТМН представляет собой многоступенчатый осевой компрессор, роторные и статорные ступени которого снабжены плоскими наклонными вдоль радиуса лопатками. При вращении роторных ступеней с высокой скоростью происходит откачка молекул газа из-за их различной вероятности перехода через наклонные каналы ступеней в прямом и обратном направлениях.

ТМН рассчитан на работу в условиях молекулярного режима течения газа. Для обеспечения работоспособности ТМН необходимо обеспечить на выходе из его последней ступени молекулярный режим течения газа любым насосом предварительного разрежения (форвакуумным насосом)с выхлопом в атмосферу. Молекулярный насос (МН) состоит из молекулярных ступеней, установленных на одном роторе. Для обеспечения его работоспособности возможно применение форвакуумного насоса (в зависимости от конструкций ступеней МН). Гибридный ТМН (ГТМН) содержит первые ступени от турбомолекулярного насоса, а последние ступени от молекулярного насоса. Роторные ступени ГТМН закреплены на общем валу. Назначение молекулярных ступеней - обеспечить нормальную работу последним ступеням ТМН при повышении давления на входе в ТМН, а также возможность применения более дешёвых одноступенчатых форвакуумных насосов с большим предельным давлением.

Теоретические основы

Принцип работы турбомолекулярного насоса:

Один из самых распространенных инструментов для создания высокого вакуума – турбомолекулярный насос (ТМН). Турбомолекулярные насосы сочетают принцип молекулярного увлечения и осевого компрессора. При этом точки на окружности ротора имеют линейные скорости порядка молекулярных (430 м/с). Поэтому вал таких насосов должен вращаться со скоростью 10 000–90 000 об/мин в зависимости от диаметра насоса.

Рассмотрим принцип действия ТМН на примере насоса с горизонтально расположенным ротором. Частица, которая попадает на перемещающуюся поверхность, после отражения от нее, в дополнение к его собственной тепловой скорости, получает компоненту в направлении движения движущейся поверхности.

Наложение этих скоростей движения молекул приводит к тому, что частица получит направление в сторону движения поверхности. Если вторая поверхность перемещается в противоположную сторону от первого, то процесс повторяется. От ненаправленного теплового движения частицы перед столкновением с поверхностью, возникает направленное движение после столкновения.

Схемы насоса с горизонтальным расположением вала ротора показаны на рисунке. В корпусе 2 установлены неподвижные статорные колеса 4, между которыми вращаются колеса 3, закрепленные на роторе 1. Роторные колеса выполняются в виде дисков с прорезями. В статорных колесах имеются зеркально расположенные прорези такой же формы.

При горизонтальном положении ротора движение газа в насосе после входа во всасывающий патрубок разветвляется на два потока, которые соединяются в выхлопном патрубке.

Отношение вероятностей пролета молекул любого газа в прямом и обратном направлениях характеризуется степенью сжатия данного газа насосом. Легкие газы, тепловая скорость молекул которых больше, легче проникают через насос. Для них быстрота действия больше, а степень сжатия меньше. Степень сжатия существующих насосов составляет 10² – 10³ по водороду, 10⁷ – 10¹² по азоту, больше или равна 10¹⁵ по углеводородам и возрастает с увеличением частоты вращения ротора. Увеличение угла наклона паза ведет к снижению степени сжатия и увеличению быстроты действия.

При правильно выбранных технических параметрах ТМН получение вакуума от атмосферного давления до величины порядка 10^-5 мбар составляет несколько минут. Дальнейшее улучшение вакуума будет происходить достаточно медленно.

В настоящее время наибольшее распространение получили вертикальные турбомолекулярные насосы. Это объясняется во многом лучшими эксплуатационными характеристиками. Выпускаются вертикальные турбомолекулярные насосы различных назначений: насосы с малой и большой производительностью, с подшипниками и с магнитной подвеской, для откачки агрессивных газов, с повышенным выпускным давлением, с различными входными фланцами.

Разрез вертикального турбомолекулярного насоса представлен на рисунке. Внешний вид насоса напоминает турбину – отсюда и название турбомолекулярный насос. Двигатель приводит во вращение ротор насоса (лопасти окрашены в голубой цвет), который вращается относительно статора (лопасти окрашены в желтый цвет). Лопатки ротора и статора наклонены в зеркальном отображении и совместно образуют ступень насоса, которая производит специфическое сжатие (компрессию). Одна ступень производит компрессию равную 30 (для воздуха). Наличие нескольких ступеней производит эффект умножения и при этом достигается компрессия 10¹² . Наклон лопастей ротора и статора определяет производительность насоса при заданном размере входного патрубка, а скорость вращения ротора и зазоры между лопастями задают компрессию каждой ступени насоса.

Порядок расчета откачной характеристики ТМН.

1. Газодинамический и прочностной расчеты рабочих колес, определение их объемных характеристик и геометрических размеров. 2. Определение суммарного потока газовыделения с внутренней поверхности корпуса и деталей ротора, расположенных в полости всасывания насоса, а также между рабочими колесами. 3. Проверка предельного остаточного давления. 4. Выбор форвакуумного насоса, обеспечивающего за последним колесом ТМН молекулярный режим течения газа. 5. Определение числа рабочих колес(роторных и статорных) последовательным подсчетом отношения давлений для каждого колеса, начиная с первого, до достижения форвакуумного давления, а также определение общего отношения давлений. При этом считают, что быстрота откачки первого рабочего колеса, а следовательно, быстрота действия всего насоса SН = 0, что соответствует минимальному потоку газа. Таким образом, быстрота откачки первого колеса определяется потоком газовыделения на всасывании и потоком газа, перетекающего через радиальный зазор. 6. Приняв поток газа в пределах от QminФ до SmaxPФ определяют расчетные точки откачной характеристики ТМН во всем диапазоне давления всасывания. Далее в той же последовательности определяют значения τ, S, P для всех колес до первого. Таким образом, находят истинное значение p0. 7. Задаваясь значениями рабочей быстроты откачки в пределах от Smax до 0 определяют расчетные точкиоткачной характеристики ТМН во всем диапазоне давления всасывания.

Исходные данные:

Быстрота откачки:	м^3/с	Расположение ротора:	вертикальное
Предел текучести на растяжение:		Материал роторных дисков:	D16
Плотность:	кг/м^3	Структура пакета:	пакет состоит из колес с одинаковыми геометрическими параметрами
Запас прочности:		Газ:	воздух
Окружная скорость рабочего колеса:	м/с	Отношение диаметров:
Угол наклона паза:		Давление форвакуумного насоса:	мм рт. ст.
Молярная масса:	29 г/моль	Минимальное создаваемое давление всасывания:	мм рт. ст.
Температура на входе:	Т=305 К	Газовая постоянная:	R=8.3 Дж/К*моль
Толщина дискового колеса:	м	Удельное газовыделение:
Радиальный зазор:	м
Отношение скоростей:	U/Vн=0,4	Относительное перекрытие: