автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Экспериментальное исследование откачных параметров и разработка метода расчета двухроторного вакуумного насоса в условиях низкого вакуума

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА ДВУХРОТОРНЫХ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ (ДВН)

1.1. Общая расчетная схема и современное представление процесса откачки. ц

1.2. Метод Ван-Атта.

1.3. Метод Кузнецова.

1.4 Метод, основанный на модели объемно-скоростной откачки.

ВЫВОДЫ.;.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДВН

2.1. Программа экспериментального исследования ДВН-50.

2.2. Экспериментальное исследование внешних откачных характеристик ДВН-50.

2.3. Проводимость последовательно включенных элементов— патрубков и диафрагм.

2.4. Проводимость паралельно включенных элементов щелевых каналов роторного механизма ДВН.

2.5.Анализ погрешности экспериментов.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3.ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ДВН-50.

3.1 Выбор метода расчета проводимости пассивных элементов конструкции ДВН, работающих последовательно с роторным механизмом. Сопоставление внешней и внутренней характеристик ДВН.

3.2 Анализ и разработка метода расчета перетеканий через щели роторного механизма ДВН в области низкого вакуума.

3.3 Закономерности изменения параметров 6max>Syax, AU,Unp в условиях среднего и низкого вакуума. Построение комплекса кривых smax = f(n), как всережимной характеристики ДВН.

3.4 Разработка метода расчета откачных характеристик ДВН в области низкого вакуума.

3.5 Влияние температуры Т и молекулярной массы М откачиваемого газа на характеристику SBX = f(g) .104 ВЫВОДЫ.

Развитие современных высокоэффективных безмаслянных вакуумных технологий включает в себя, в частности, потребность в применении хорошо зарекомендовавших себя технических средств вакуумирования в нерасчетных режимах. Характерным примером является потребность в применении относительно «сухих», высокопроизводительных двухроторных вакуумных насосов ДВН в не штатных для них режимах откачки в области низкого вакуума.

Предприятия Казани, Мелитополя, Сум и других городов СНГ, выпускающие ДВН, помещают в паспортах на насосы только одну характеристику Sbx=£(Pbx) для области среднего вакуума и не приводят каких-либо дополнительных данных, относящихся к низкому вакууму.

С другой стороны, ряд фирм, в том числе и перечисленные, выпускают газодувки, аналогичные по конструкции насосам типа ДВН. Газодувки работают автономно (без ФВН) в вентиляторном, нагнетательном или эксгаустерном режимах. В первом случае давление на входе и выходе -атмостферное, во втором - на входе атмосферное, в третьем - на выходе атмосферное. В соответствии с паспортными данными характеристики газодувок намного ниже, чем ДВН соответствующих размеров. Например, максимальное отношение давлений в 20-30 раз меньше, рабочее отношение— в 5-10 раз, производительность в 1,5 раза и ниже. Тем не менее они прочно занимают свою нишу в насосно-компрессорной технике вообще и среди двухроторных машин в частности.

В настояще время ведутся разработки многоступенчатых агрегатов на базе ступени «Рут», работающей в низком вакууме [1,2]. Характеристики в этой области сильно зависят от конкретного давления и потока газа и должны изменяться, как было упомянуто выше, в 20 - 30 раз по отношению далений и в несколько раз по производительности.

Таким образом, неосвоенной в настоящее время является область применения ДВН между средним вакуумом и атмосферным давлением.

Очевидно, что потребителя не может удовлетворять расплывчатое представление об откачных характеристиках ДВН в области низкого вакуума, ввиду отсутствия практических данных.

Требуется надежное расчетное предсказание изменения откачных параметров ДВН при различных давлениях.

В результате предварительного информационного поиска не обнаружено, рекомендаций на этот счет доведенных до метода расчета и подкрепленных фактическими данными.

В связи со сказанным мы считаем рациональным направить усилия на решение следующих задач:

1. Выбора наиболее приемлимой модели процесса откачки;

2. Получение экспериментальных данных по откачным характеристикам насоса и его элементов в области среднего и низкого вакуума;

3. Установление общих закономерностей изменения откачных характеристик насоса при варьировании основных параметров (частоты, быстроты форвакуумного насоса, размеров элементов проточного тракта насоса, величины давления);

4. Аналитическое представление установленных закономерностей на основе выбранной модели;

5. Разработка метода расчета откачных характеристик ДВН в низком вакууме.

Диссертация состоит из трех глав.

Первая глава посвящена анализу существующих методов расчета ДВН. Выбору прототипа создаваемого метода, инструмента исследования характеристик ДВН в низком вакууме.

Во второй главе представлены результаты комплексного исследования откачных характеристик ДВН и элементов проточного тракта насоса. Экспериментальные исследования в области низкого вакуума включают в себя получение зависимостей быстроты действия и максимального отношения давлений от давлений в сечении входа и выхода соответственно, проводимости входных патрубков и соотвествующих диафрагм, проводимости всего комплекса щелевых каналов роторного механизма и отдельных их видов при различных углах поворота роторов. Кроме того получены характеристики фовакуумных насосов и проводимость участка трубопровода «выход ДВН -вход камеры CV2», которые необходимы при анализе экспериментальных откачных характеристик ДВН.

В третьей главе проведен анализ результатов экспериментального исследования ДВН-50. В результате анализа установлены общие закономерности изменения откачных параметров насоса. Выявленные закономерности описаны аналитическими выражениями на основе принятой модели процесса откачки. Полученные выражения и порядок их применения представлен в предложенном впервые методе расчета откачных хараткеристик ДВН в условиях низкого вакуума.

Работа выполнена на кафедре «Вакуумная техника электрофизических установок» Казанского государственного технологического университета.

Автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Мухамедзянову Г.Х. и научному консультанту кандидату технических наук, доценту Беляеву JI.A. за постоянное внимание и ценные советы при выполнении работы.

106 Выводы.

1 .Впервые установлены закономерности взаимосвязи откачных характеристик

ДВН для давлений р>рмол? «веерность» располагаемой характеристики S=f(e), расслоение ассимптотической кривой smax =f(n), экспоненциальное снижение зависимости AUB513=f(P), «веерность» зависимости = f(n).

Up

2. Исследованы известные зависимости U = f(Pcp) и расчетные уравнения для разных режимов течения и видов каналов применительно к геометрическим соотношениям патрубков ДВН (L/D= 5,5;3,67;2,2;1,4;0,92) и применительно к геометрии щелевых каналов роторного механизма ДВН.

3. Впервые получено уравнение (3.15), позволяющее рассчитать поводимость коротких каналов, геометрия которых соответствует существующим патрубкам ряда ДВН.

4.Проведен анализ сходимости расчетных и экспериментальных данных, в результате которого выбраны уравнения для практического инженерного расчета проводимости патрубков ДВН при перестроениии внутренней характеристики во внешнюю.

5. Приведен пример перестроения внешней характеристики ДВН во внутреннюю и наоборот. Впервые применено «правило трапеции» с учетом изменения степени отношения давления ДВН.

6.Впервые получена характеристка щелей роторного механизма насоса V0max = f (Р) при п=0, представляющая собой зависимость максимальных объемных расходов через роторный механизм ДВН от давления. Разработан порядок расчета этой характеристики.

7. Предложен новый метод расчета характеристики Sv = А(е)ДВН в условиях низкого вакуумаДВН. Впервые в расчет включена всережимная характеристика smax=f(n,P), позволяющая оценить дрейф характеристики Sv = f(e) при изменении рабочих условий.

107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Проведен обзор существующих методов расчета ДВН. Установлено, что метод, основанный на модели объемно-скоростной откачки, наиболее полно отражает физическую картину откачного процесса в условиях среднего вакуума. Данная модель принята для исследования характеристик ДВН в низком вакууме.

2.Определен порядок исследования откачных характеристик ДВН в низком вакууме, включающий в себя: получение экспериментальных данных по быстроте откачки, максимального отношения давлений и проводимости элементов проточного тракта ДВН с регулировкой частоты вращения роторов при разных давлениях в низком вакууме для агрегатов с различными ФВН с целью выявления качественных закономерностей и количесвенной взаимосвязи откачных параметров ДВН, обработку экспериментальных данных с помощью выявленных закономерностей и принятой модели; согласование расчетных и экспериментальных данных и построение метода расчета.

3.В результате экспериментального исследования впервые получен комплекс данных, охватывающих откачные характеристки насосов (агрегатов) в целом и их составных частей: расходные характеристики SBX=f(PBX), безрасходные характеристики emax=f(PBJ, зависимости UBxn=f(Pcp),UOTB=f(Pcp), а так же зависимости U=f(P) для всего комплекса щелевых каналов роторного механизма ДВН при разных углах поворота а и различных вариантах заглушения части щелевых каналов.

4. Рассмотрены известные зависимости U=f(P) и расчетные уравнения для разных режимов течения и видов каналов, применительно к геометрическим соотношениям патрубков или соединительных труб ДВН (L/D= 5,5;3,67;2,2;1,4;0,92).

5. Впервые получено уравнение позволяющее рассчитать проводимость коротких каналов, геометрия которых соответствует существующим патрубкам ряда ДВН.

6. Рассмотрены известные зависимости U=f(P) и расчетные уравнения для разных режимов течения и видов каналов применительно к геометрии щелевых зазоров роторного механизма ДВН. Даны рекомендации к их применению.

7. Впервые получена базовая характеристка V0max=f(P) щелей роторного механизма насоса при п=0, представляющая собой зависимость максимальных объемных расходов через роторный механизм ДВН от давления. Разработан порядок ее расчета.

8. Впервые установлены закономерности взаимосвязи откачных характеристик ДВН для давлений р>рмол: S=f(s) — «веерность» , ^^(п) — расслоение, диви ипр f(i/Kn)— экспоненциальное снижение, «веерность»-^-±L = f(n).

9. Разработан метод расчета характеристики Sv = f(s) ДВН в условиях низкого вакуума ДВН. Впервые в расчет включена всережимная характеристика max~f(n)' позволяющая оценить дрейф характеристики Sv=f(e) при изменении рабочих условий.

1. Н.В.Мартынова, В.А,Пирогов, Л.Г.Рейцман. Использованиежидкостно-кольцевых машин в качестве форвакуумной ступени высоковакуумных систем//Вакуумная техника и технология.-Казань, 1993.т.З,№3,4 стр.43.

2. Г.В.Никологородский, Б.Д.Краковский. Расчет многоступенчатых агрегатов сжатия на базе машин типа «Руте».тез.докладов VII н.-т. конф. «Повышение технического уровня надежности и долговечности компрессоров и компрессорных установок». Л: 1985.стр.145

3. Van Atta С. М. Theory and performance characteristics of a positiv displacement rotarycompressor as mechanical Booster vacuum-pump //Nat. Sympos. Vacuum Technol. -Trans.London,New York,Paris,Pergamon Press, 1957.-P.62-70.

4. Кузнецов В. И. Объемный КПД двухроторных насосов//Физика и техника вакуума.-Казань, 1974.-С. 177-185

5. Кац А. М. Расчет, конструкция и испытания воздуходувок типа Руте.

6. Wizenburger Е.А. Nat. Symp. Vac. Technol. 1958 Trans., Pergamon Press, 1959

7. Armbruster W., Lorenz A. «Vakuum Technik», 7,4,Mai, 1958

8. Беляев Л.А., Бурмистров А.В., Мухамедзянов Г.Х. Теориядвухроторных насосов. Метод расчета располагаемой и реализуемых откачных характеристик. Деп. ЦИНТИ ШТИхимнефтемаш №2079-ХМ89. 9.0190 стр.20.

9. Бурмистров А.В. Исследование процесса объемно скоростнойоткачки разработка метода расчета двухроторных вакуумных насосов. Автореф. дисс.канд.техн. наук.-Казань:КХТИ им.С.М.Кирова.-1992,15с,.

10. Проводимость коротких цилиндрических каналов в вязкостном режиме/Ханнанов Р.Б., Беляев Л.А., Мухамедзянов Г.Х.; Казан, гос. технолог, ун-т. Казань,1998. - 7с.:ил.4-табл.1-Библиогр. 8 назв. -Рус. - Деп. в ВИНИТИ №2731-В90.

11. Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учеб. для вузов по спец. «Вакуумная техника». 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш.шк. 1990.320 е.: ил.

12. Гейнце В. Введение в вакуумную технику. М., Л Госэнергоиздат, 1960.-511 с.

13. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. М.,ИЛ ., 1950.-695 с.

14. Рабинович С.Г.Погрешности измерений. -Л.:Энергия, 1978.- 262с.

15. Кудряшов Ж.Р., Рабинович С,Г. Методы обработки результатов наблюдений при косвенных измерениях. -Труды/ВНИИМ, 1974. Вып. 172(232), СЗ-58.

16. Сагдеев Д.И., Шафеева Г.Д.,Хубатхузин А.А.,Борисов В.Б. Мухамедзянов Г.Х. Основы научных исследований. :Метод.указания, 4.1/Казан.гос.технол.ун-т; Казань, 1999. 36с.

17. Беляев Л.А.,Ханнанов Р,Б.Инженерный расчет ВМН. Закономерности взамосвязи откачных парамертов.//Тез.Всесоюзной н.-т.конф.Состояние и перспективы развития вакуумной техники.Вакуум-91.Казань, 1991,-С. 10.

18. Лоуген, Джоунс, Течение в трубе вслед за резким увеличением шероховатости стенок. Техническая механика,т.85, серия D,№1,1963,-С.43,ИЛ.

19. Пипко А.И., Плисковский В.Л., Пенченко Е.А., Конструирование и расчет вакуумных систем 3-е изд.,перераб.и доп.-М.:Энергия,1979.-504с.,ил. С.Т.

20. Carley Jr., F.O.Smetana Experiments on transition regime flow through a short tube with abellmouth entry.//J. AIAA vol.4,11, 1966.pp 47-54.

21. H.L. Weisberg. //Phys. Fluids, 5. p. 1033,1962.

22. Б.Т.Породнов, В.Д. Акиныпин, В.И.Кичаев, С.Ф.Борисов и П.Е.Суетин. Экспериментальное исследование течения разреженныхгазов в капиллярном сите//Журнал технической физики t.XLIV, №4, 1974.-С.818-823.

23. E.M.Sparrow, S.H.Lin. The developing laminar flow and pressure drop in the entrance region of annular ducts//Journal of basic engineerig transachions of the ASME.4 1964.p.-231-239.

24. Donald J. Santeler. Exit loss in viscous tube flow.// J.vac.Sci.Technol.A4(3),May/Jun 1986 pp 348-352.

25. Маккомас, Эккерт. Падение давление для ламинарного потока в круглой трубе при режиме непрерывного течения и при режиме скольжения на входном участке, Прикладная механика, №4, 1965,-С.54, Мир

26. Кэмпбелл,Слетерти. Течение в начальном участке трубы, Техническая механика,т.85, серия D,№1, 1963,-С.51,ИЛ.

27. Лундгрен, Спэрроу,Старр.Падение давления, обусловленное влиянием начального участка в каналах произвольного поперечного сечения,Теоретические основы инженерных расчетов, №3, 1964, -С.233-241.Мир

28. Печатников Ю.М. Проводимость элементов вакуумных систем, тез.32.33,34.35,36,37,38,39,4043