Введение к работе
Актуальность темы исследования. Безмасляный вакуум абсолютно незаменим в высокотехнологичных процессах, в том числе в производстве полупроводников, сверхчистых металлов, индустрии наноматериалов, при проведении научных исследований, в частности, в области физики высоких энергий, исследованиях элементарных частиц и других.
Насос вакуумный спиральный (НВСп) является одним из немногих средств достижения безмасляного вакуума, работающих при остаточном давлении порядка 1 Па. В России потребность в «сухих» средствах средневакуумной откачки полностью обеспечивается импортным оборудованием. Поэтому работа, направленная на разработку безмасляных НВСп и методов расчета их откачных характеристик актуальна.
Степень разработанности проблемы. Большинство исследований посвящено работе спирального механизма в условиях сплошной среды. Подробно спиральный компрессор исследовался в работах Па-ранина Ю. А. и Ибрагимова Е. Р., где описана математическая модель на основе дифференциальных уравнений с учётом теплообмена со спиральными элементами. Данные уравнения хорошо зарекомендовали себя как для компрессоров объёмного действия, так и для кулачково-зубчатых вакуумных насосов. Значительный вклад в разработку спиральных машин был внесён группой ученых под руководством И. А. Сакуна.
Отечественные исследования спиральной машины в условиях вакуума отсутствуют. За рубежом стоит выделить серии работ японских, корейских и китайских авторов, в частности работы Moore E. J., Li Z., Su Y., Sawada T. и др., в которых проведены теоретические и экспериментальные исследования НВСп, в том числе с учётом теплообмена в условиях вакуума.
Цель работы: разработка, создание и экспериментальное исследование безмасляного НВСп, разработка математической модели рабочего процесса и методики расчёта откачных характеристик.
Задачи работы:
-
Разработка и изготовление опытного образца безмасляного НВСп и доработка стенда для экспериментального исследования его характеристик.
-
Получение экспериментальных зависимостей быстроты действия насоса и потребляемой мощности от давления на входе при различных частотах вращения и предельного остаточного давления от частоты
вращения.
-
Разработка математической модели рабочего процесса НВСп на основе дифференциальных уравнений с учётом теплообмена со спиральными элементами и проверка ее адекватности.
-
Определение потерь во входном и выходном трактах насоса.
-
Анализ влияния геометрических параметров на характеристики насоса.
Объект исследования
Объектом исследования является безмасляный НВСп.
Предмет исследования Предметом исследования являются рабочий процесс и откачные характеристики НВСп.
Методология и методы исследования. Экспериментальный метод исследования откачных характеристик НВСп. Математическое моделирование рабочего процесса НВСп на базе дифференциальных уравнений, решаемых конечноразностным методом. Определение температурных полей спиралей методом конечных элементов. Определение коэффициентов расхода входного и выходного патрубков и радиальных каналов с подвижными стенками методом конечных объёмов.
Научная новизна работы. Разработана математическая модель рабочего процесса спиральной машины, работающей в условиях вакуума. Проведено комплексное экспериментальное исследование характеристик первого отечественного безмасляного НВСп и сравнение результатов расчёта с экспериментальными данными. Разработана методика расчёта температурного поля спиральных элементов НВСп с учётом разрежения газа. Проведен анализ влияния геометрических параметров пера спиралей на откачные характеристики НВСп.
Практическая значимость работы. На основе разработанных математических моделей спроектирован, изготовлен и испытан первый отечественный безмасляный НВСп. Разработанная математическая модель рабочего процесса НВСп позволяет спрогнозировать характеристики вновь разрабатываемых насосов и оптимизировать их на стадии проекта. Проведённый анализ влияния геометрических параметров спиралей позволил выработать рекомендации по проектированию высокоэффективных НВСп. Предложенная методика расчёта тепловых полей рабочих элементов с учётом разрежения газа может быть применена при разработке или совершенствовании математических моделей других вакуумных насосов.
Личный вклад. В исследованиях, вошедших в диссертацию, автору принадлежит постановка задач, разработка и создание модели ра-2
бочего процесса (п.6, п.9, п.13 и п.14 списка работ, опубликованных автором по теме диссертации), проведение экспериментов и анализ их результатов (п.12 списка работ, опубликованных автором по теме диссертации). Автор участвовал в определении коэффициентов расхода входного и выходного патрубков, и радиальных щелей с подвижными стенками НВСп (п.1, п.2 и п.11 списка работ, опубликованных автором по теме диссертации). При участии автора были разработаны методики расчёта температурных полей спиральных элементов (п.5 и п.10 списка работ, опубликованных автором по теме диссертации) и рассчитаны изменение рабочих зазоров от тепловых и силовых деформаций (п.3, п.4 и п.8 списка работ, опубликованных автором по теме диссертации).
Реализация работы в промышленности.
1. Разработанная научно-техническая документация позволила изготовить опытные образцы НВСп. Насос прошел испытания и внедрен в серийное производство на АО «Вакууммаш» под маркой НВСп-12.
-
Математическая модель рабочего процесса НВСп с учётом теплообмена и модель расчёта перетеканий в каналах с учетом подвижности стенок, реализованные в виде программ для ЭВМ, внедрены в практику проектирования и оптимизации вакуумных насосов на АО «Вакууммаш».
-
Экспериментальные стенды и программы расчета откачных характеристик используются при проведении лабораторных занятий, выполнении курсовых и дипломных работ по направлению 15080165 «Технологические машины и оборудование».
Достоверность полученных результатов обеспечена соответствием методики проведения эксперимента ГОСТ 32974-2014 (ISO 21360-2:2012) и ГОСТ 32974.1-2016 (ISО 21360-1:2012); применением современных измерительных средств (в том числе, образцовых) прошедших аттестацию; оценкой погрешностей измерений; хорошей согласованностью результатов расчёта параметров рабочего процесса с результатами эксперимента; использованием уравнений, основанных на фундаментальных законах сохранения и современных методах их решения, а также применением обоснованных допущений.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на X международной конференции «Сеточные методы для краевых задач и приложения» (г. Казань 2014), VIII Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» (г. Казань 2017), XII Международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и техно-3
логия» (г. Москва 2017), XVII международной научно-технической конференции по компрессорной технике (г. Казань 2017), XXIV научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника» (2017).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 9 – в перечне журналов, рекомендованных ВАК РФ, получен патент на изобретение РФ.
Основные положения, выносимые на защиту
- результаты экспериментальных исследований опытного образца
НВСп;
разработанная математическая модель процесса откачки НВСп;
методика расчёта тепловых полей спиральных элементов;
результаты анализа влияния геометрических параметров пера спирали на откачные характеристики НВСп.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, приложения. Объем работы составляет 172 страниц машинописного текста, включая 4 таблицы и 86 рисунков. Список использованной литературы включает 105 наименования.