Вращательный вакуумный насос с масляным уплотнением является непременным элементом большинства вакуумных систем. С его помощью создается предварительное разрежение в вакуумной системе и форвакуумное давление на выходе высоковакуумных газоперемещающих насосов. Вращательные вакуумные насосы с масляным уплотнением относятся к вакуумным насосам объемного действия. Наибольшее распространение получили три типа вращательных насосов с масляным уплотнением: пластинчато-статорные, пластинчато-роторные и плунжерные насосы.
Пластинчато-статорные насосы — обычно насосы малой производительности, пластинчато-роторные — средней производительности, плунжерные — средней и большой производительности.
На рис. 2.2 схематично изображен пластинчато-статорный вращательный вакуумный насос. В неподвижном корпусе 1 на валу 2 эксцентрично расположен ротор 3. Полезный объем рабочей камеры насоса, образованный внутренней поверхностью корпуса-статора 7 и наружной поверхностью ротора 3, пластиной 4 разделяется на полость всасывания I и полость сжатия II. Пластина 4, расположенная в прорези корпуса насоса, с помощью пружины 5 через рычаг 6 плотно прижимается к ротору 3. При вращении ротора 3 в направлении, указанном стрелкой, газ из откачиваемого сосуда, который не показан на рисунке, через впускной клапан 7 заполняет увеличивающуюся в объеме полость I. В это время газ в полости II сжимается. Когда давление газа на клапан 8 превысит величину атмосферного давления и усилия создаваемого пружиной 9, клапан 8 откроется, и газ из полости II будет вытеснен в атмосферу. При дальнейшем вращении ротор 3, пройдя пластину 4 и выход впускного канала 7, отделяет в рабочей камере насоса следующую порцию газа от откачиваемого объема. Таким образом, за два оборота ротора порция газа отделяется от откачиваемого объема, перемещается от впускного канала 7 к выхлопному клапану 8, сжимается в полости II и вытесняется под клапаном 8 в атмосферу. При каждом следующем обороте следующая порция газа отделяется от откачиваемого объема, а предыдущая вытесняется из насоса в атмосферу. В пластинчато-статорном насосе за один оборот ротора происходит один цикл откачки, т. е. отделяется от откачиваемого объема и вытесняется только одна порция газа.
На рис. 2.3 схематично изображен пластинчато-роторный насос. В цилиндрической рабочей камере корпуса 1 симметрично на валу (не показан на рисунке) расположен ротор 2, ось которого О' смещена относительно оси рабочей камеры О". В сквозной прорези ротора размещены пластины 3' и З".
 
| Рис. 2.2. Пластинчато-статорный вращательный вакуумный насос Рис. 2.3. Пластинчато-роторньй вакуумный насос |
Пружиной 4 они прижимаются к корпусу насоса. В положении ротора, изображенном на рис. 2.3а, пластинами 3' и 3" и плоскостью касания ротора со статором полезный объем рабочей камеры разделен на три полости: I — полость всасывания, II — полость перемещения и частичного сжатия газа, III — полость вытеснения газа. При вращении ротора в направлении, указанном стрелкой, полость I увеличивается и дополнительное количество газа из откачиваемого сосуда по впускному каналу 5 поступает в рабочую камеру насоса. Полость II уменьшается в объеме, в ней происходит сжатие газа. Полость III уменьшается, и газ из нее через выпускной канал под клапаном 6 вытесняется из насоса. При положении ротора, изображенном на рис. 2.3б, заканчивается вытеснение газа из полости III. При дальнейшем вращении ротора полость II переходит в полость III, т.е, наступает момент, когда становится возможным вытеснение следующей порции газа (рис. 2.3в). В положении ротора, изображенном на рис. 2.3г, полости I и II сообщаются между собой. Лишь когда ротор повернется на 180° от начального положения и займет положение, тождественное исходному (рис. 2.3а), происходит разделение полостей I и II, и от откачиваемого объема отделяется очередная порция газа. В этот момент полость II имеет наибольший объем. В пластинчато-роторном насосе за один оборот ротора происходят два цикла откачки, т.е. отделяются от откачиваемого объема и вытесняются из насоса две порции газа.
На рис. 2.4 схематически изображен плунжерный насос. В корпусе насоса выполнена цилиндрическая рабочая камера, в которой вращается эксцентричный ротор 2 с надетым на него плунжером 1.
| Рис. 2.4. Плунжерный вакуумный насос: а — завершение периода удаления и начало периода наполнения б — промежуточное положение 1 — плунжер; 2 — ротор; 3 — канал в золотнике; 4 — выходной обратный клапан открыт; 5 — выходной обратный клапан закрыт; 6 — вода, охлаждающая статор насоса; 7 — шарнир Плунжер состоит из цилиндрической части, охватывающей эксцентрик 2, и полой прямоугольной части 1, свободно перемещающейся в пазу шарнира 7. |
При повороте плоской части плунжера шарнир 7 свободно поворачивается в гнезде корпуса насоса.В этом насосе плунжер имеет канал 3, через который газ из откачиваемой полости поступает в насосную камеру.
Возможность попадания встречного потока газа на вход в насос здесь в значительной степени ограничена благодаря более раннему закрытию входа при движении золотника; вредное пространство может быть также уменьшено. Герметичность контакта ротора с цилиндром в насосах рассматриваемого типа лучше потому, что в клине между ротором и цилиндром образуется более толстый слой масла; кроме того, эти насосы создают меньше шума.
Механические насосы производят откачку объема, начиная с атмосферного давления. Откачиваемый газ они вытесняют в атмосферу. Поэтому по отношению к механическим насосам не принято использовать такие характеристики, как наибольшее рабочее давление, наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление. Основными вакуумными характеристиками механических вакуумных насосов с масляным уплотнением являются предельное остаточное давление и быстрота действия.
Быстрота действия механических насосов с масляным уплотнением практически не зависит от рода откачиваемого газа.
Остаточное давление насосов с масляным уплотнением определяется конструкцией насоса и свойствами рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости насосов с масляным уплотнением, как правило, используются масла, получаемые из промышленных минеральных масел. Кроме обычных требований (низкая кислотность, необходимая вязкость, хорошие смазывающие свойства и т. п.), к маслам для вакуумных насосов предъявляются дополнительные требования: низкое давление насыщенных паров в интервале рабочих температур насоса, малое поглощение газов и паров, стабильность вязкости при изменении температуры, высокая прочность тонкой (0,05–0,10 мм) масляной пленки, способной выдержать в зазоре перепад давлений, равный атмосферному давлению.
Остаточный газ (газ, оставшийся в вакуумной системе после откачки) механического вакуумного насоса с масляным уплотнением составляют воздух, газы откачиваемой среды, а также пары и продукты разложения рабочей жидкости насоса. В механическом вакуумном насосе, как и в любом газоперемещающем насосе, наряду с основным потоком в направлении откачки существует обратный поток газа с выхода насоса в откачиваемый сосуд. Газы попадают во входное сечение насоса из циркулирующего в нем масла и в результате перетечки по зазорам в откачном механизме. Разложение масла в основном происходит в результате возникновения высоких местных температур в областях непосредственных контактов трущихся металлических поверхностей. Образующиеся при этом растворимые в масле, легколетучие углеводороды в значительной степени обусловливают предельное остаточное давление насоса, так как они имеют существенно более высокие давления насыщенного пара, чем сама рабочая жидкость.
Стабильность характеристик насосов с масляным уплотнением определяется величиной зазоров между поверхностями, перемещающимися относительно друг друга, их количеством, а также качеством масла, поступающего в рабочую камеру для уплотнения зазоров и смазки трущихся поверхностей. Максимальная быстрота действия и минимальное остаточное давление достигаются при таком притоке масла в рабочую камеру, которое обеспечивает и надежное уплотнение зазоров, и выброс в масляный резервуар в момент выхлопа верхнего слоя масла с растворенным в нем откачиваемым газом.
Эксплуатация и обслуживание
Работа большинства насосов с масляным уплотнением сопровождается заметной вибрацией. Поэтому коммуникации, соединяющие насосы с вакуумной системой, должны включать сильфонную развязку или участок гибкого эластичного трубопровода, например, вакуумный резиновый шланг. Небольшие насосы с быстротой действия до 5–7 л/с часто устанавливают прямо на полу, подложив под них резиновый лист для уменьшения шума и предотвращения смещения их в процессе работы.
Пуск механических вакуумных насосов с масляным уплотнением сопровождается забрызгиванием масла во впускной и выпускной патрубки. Кроме того, работа насоса в области впускных давлений от остаточного давления до 10 Па сопровождается довольно интенсивным обратным потоком углеводородов из впускного патрубка насоса в откачиваемый сосуд. Обратный поток углеводородов различен для разных насосов и зависит от состояния насоса, используемого масла и режима работы насоса и находится в пределах от 1 10–7 – 2 10–7 г/(см2 мин) до 5 10–5 – 1 10–4 г/(см2 мин). Максимальная интенсивность обратного потока наблюдается при работе насоса при остаточном давлении. Для насосов единой серии ВН обратный поток углеводородов составляет величину 5 10–7 – 1,3 10–6 г/(см2 мин).
Другим недостатком насосов с масляным уплотнением является образование так называемого масляного тумана, который выходит из выхлопного патрубка насоса в виде сизо-белого дыма при работе насоса в области впускных давлений 1 102 – 3 104 Па (0,7–200 мм рт. ст.). Таким образом, механический вакуумный насос с масляным уплотнением в ряде случаев оказывается основным источником загрязнения откачиваемого сосуда и производственного помещения парами углеводородов.
Поэтому для защиты производственного помещения от загрязнения его масляным туманом выход насоса с помощью дюритового шланга или металлической трубы подключают к выхлопной магистрали.
Для защиты откачиваемого объема от брызг масла следует использовать входной трубопровод специальной конфигурации (рис. 2.5) или брызгоотражатели.
| Рис. 2.5. Входной трубопровод к механическому насосу с масляным уплотнением 1 — механический вакуумный насос с масляным уплотнением; 2 — соединительный трубопровод; 3 — сильфонный компенсатор. Здесь диаметр условного прохода (Ду) соединительного трубопровода равен диаметру входного сечения насоса, a длина обязательных вертикального и горизонтального участков, выраженная в единицах диаметра трубопровода, указана на чертеже. |
Такой трубопровод исключает попадание брызг масла в откачиваемый объем и создает условия для конденсации и возврата в насос значительной части паров масла.
Ряд насосов с масляным уплотнением обладает еще одним существенным недостатком. При остановке насоса масло, находящееся в масляном резервуаре насоса под атмосферным давлением заполняет рабочую камеру насоса, в которой сохраняется разрежение, и поднимается во впускной патрубок и иногда даже в откачиваемый сосуд, если он соединен с насосом коротким трубопроводом. После этого последующий запуск насоса будет затруднен. Напуск атмосферного воздуха во впускной патрубок сразу после остановки исключает подъем масла и облегчает последующий его запуск. Чтобы при этом в откачиваемом сосуде сохранить разрежение, в трубопровод, соединяющий насос с откачиваемым объемом, устанавливают клапан и ниже него на трубопроводе — второй (напускной) клапан. Схема присоединения насоса к откачиваемому сосуду показана на рис. 2.6.
| Рис. 2.6. Схема присоединения механического вакуумногонасоса с масляным уплотнением:1 — насос; 2 — маслоотделительное устройство; 3 — поплавковый клапан насоса; 4 — соединительный трубопровод; 5 — клапаны Чаще всего над механическим насосом для аварийного перекрытия низковакуумной коммуникации и напуска воздуха в насос устанавливаются выпускаемые серийно магнитные клапаны, которые срабатывают автоматически при включении и выключении насоса. |
Другой способ защиты от подъема масла в откачиваемый объем — постановка во впускном патрубке насоса поплавкового клапана, который запирается поднимающимся маслом Значительная доля потребляемой насосом энергии расходуется на постоянное перемещение масляных пленок, служащих для герметизации зазоров. Во время пуска насоса при комнатной температуре вязкость масла и соответственно нагрузка на двигатель максимальны. Поэтому в первый момент не следует нагружать насос большим газовым потоком.
После включения рабочие поверхности быстро нагреваются и вязкость масла и его тормозящее действие уменьшаются. Тем не менее запуск насоса легче производится при атмосферном давлении во впускном патрубке насоса, даже если рабочая камера не заполнена маслом. В соответствии с этим включение насоса производится в следующей последовательности. При закрытых клапанах (рис. 2.6) и атмосферном давлении в трубопроводе включают насос. 3апуск насоса лучше производить толчками в два-три приема, включив и тут же выключив электродвигатель. Через 1–2 минуты после включения насоса начинают откачку откачиваемого сосуда. Чтобы избежать чрезмерного выброса масла из выхлопного патрубка насоса, клапан, соединяющий насос с откачиваемым сосудом, открывают постепенно. Малая пропускная способность слегка приоткрытого клапана ограничивает поток газа на входе в насос и этим предотвращает выброс масла.
При эксплуатации насосов особое внимание должно быть обращено на сохранение качества и количества залитого в насос масла. Такие растворители, как бензин, ацетон, трихлорэтилен и др., не полностью удаленные с поверхностей деталей насоса после их промывки, загрязняют масло, ухудшают его свойства и повышают предельное остаточное давление.
Эффективным способом предотвращения конденсации паров в насосе является напуск так называемого балластного газа в полость сжатия рабочей камеры насоса. Устройство, служащее для напуска балластного газа в насос, например атмосферного воздуха, называют газобалластным устройством, а насос, снабженный таким устройством, — газобалластным насосом. Сейчас насосы выпускаются с газобалластным устройством.
Впуск балластного газа должен быть произведен тогда, когда порция газа уже отделена от откачиваемого сосуда, но степень сжатия откачиваемого газа еще мала. Этому условию отвечает расположение выхода канала для впуска балластного газа на торцевой поверхности рабочей камеры. К моменту открытия выхлопного клапана обратный клапан газобаластного устройства закрывается и несконденсированный пар вместе с балластным газом выталкивается из рабочей камеры насоса через выхлопной клапан.
Если в процессе работы механический вакуумный насос с масляным уплотнением не обеспечивает необходимого остаточного давления, это может объясняться
1) недостатком масла в насосе;
2) плохим качеством или загрязнением масла конденсирующимися парами;
3) осмолением рабочих поверхностей;
4) загрязнением, коррозией или поломкой выхлопных клапанов;
5) поломкой пружин, прижимающих лопатки в пластинчато-статорных и пластинчато-роторных насосах;
6) загрязнением каналов для подачи масла в рабочую камеру насоса;
7) износом или поломкой деталей насоса.
Средний ресурс механических вакуумных насосов с масляным уплотнением до капитального ремонта не менее 12–15 тыс. часов, причем ресурс крупных насосов несколько ниже средней величины, а ресурс малых насосов может существенно превышать это время. В течение всего срока службы у насосов возникает в среднем около 10 отказов.
6 Неотъемлемой частью любой вакуумной системы является аппаратура для измерения давления разрежённого газа. Область давления, используемая в современной вакуумной технике, 105 – 10-12 Па. Измерение давлений в таком широком диапазоне, естественно, не может быть обеспечено одним прибором. В практике измерения давления разрежённых газов применяются различные типы преобразователей, отличающиеся по принципу действия и классу точности.
Приборы для измерения общих давлений в вакуумной технике называются вакуумметрами и обычно состоят из двух частей — манометрического преобразователя и измерительной установки. По методу измерения вакуумметры могут быть разделены на абсолютные и относительные. Показания абсолютных приборов не зависят от вида газа и могут быть заранее рассчитаны.
Эти манометры измеряют давление, как силу ударов молекул о поверхность. При малых давлениях непосредственное измерение силы давления невозможно из-за её малости. В приборах для относительных измерений используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Эти приборы нуждаются в градуировке по образцовым приборам. Вакуумметры измеряют давление газов, присутствующих в вакуумной системе. На рис. 3.1. показаны диапазоны рабочих давлений различных типов вакуумметров.
Диапазон давлений, измеряемых ртутным вакуумметром 102 – 105 Па (1–100 торр), масляным — 1–5× 103 Па (0,01–50 торр).
Компрессионный вакуумметр Мак-Леода схематично представлен на рис. 3.3. Компрессионным назван потому, что в нём осуществляется сжатие (компрессия) газа в запаянном капилляре. Основными элементами вакуумметра являются запаянный капилляр К1 с сосудом V1, суммарный объём которых до точки a в процессе градуировки определяется с большой точностью, и сравнительный капилляр К2, диаметр которого так же, как и запаянного капилляра, должен быть постоянен по всей длине и равен диаметру запаянного капилляра.
| 
| Рис. 3.2. U-образный манометр Рис. 3.3. Компрессионный манометр
Чтобы произвести измерение, понижают уровень ртути в вакуумметре ниже точки а. При этом измерительный капилляр К1 сообщается с системой, в которой необходимо измерить давление. При последующем повышении уровня ртути в вакуумметре порция газа, равная суммарному объёму измерительного капилляра К1 и сосуда V1, при давлении, равном давлению газа в системе, будет отсечена и сжата в запаянном капилляре. По закону Бойля–Мариотта произведение давления определённой порции газа на объём, им занимаемый, есть величина постоянная:  . (3.2)
|
Начальный объём V1 известен, конечный объём V2 нетрудно рассчитать по известному диаметру капилляра K1, а давление P2 определяется разностью уровней ртути h в измерительном K1 и сравнительном К2 капиллярах. Тогда по формуле (3.2.) легко рассчитывается искомое давление в вакуумной системе Р1.
Деформационные вакуумметры в качестве чувствительного элемента имеют герметичную упругую перегородку, способную деформироваться под действием приложенной к ней разности давлений. Наибольшее распространение получили вакуумметры типа МВП, устройство которых схематично показано на рис. 3.4. Упругим чувствительным элементом является трубка эллиптического сечения, свёрнутая в спираль. Трубка под действием атмосферного давления при откачке внутренней полости скручивается за счёт разных радиусов кривизны, а следовательно, площадей наружной и внутренней поверхности трубки. Один конец трубки с помощью штуцера присоединяется к вакуумной системе, другой, запаянный, конец трубки через систему рычагов соединён со стрелкой прибора. Угол закручивания упругого элемента и соответственно угол поворота стрелки пропорциональны разности давлений внутри и снаружи упругого элемента.
| Деформационный вакуумметр обладает целым рядом преимуществ: удобства в работе с вакуумметром, непосредственность отсчёта, безынерционность. Наряду с этим ему присущ существенный недостаток: зависимость показаний вакуумметра от барометрического давления. Область давления, измеряемых деформационным вакуумметром, — 5·10 2 – 105 Па (~ 3–750 торр). Кроме описанного, известны и другие типы деформационных вакуумметров, например мембранные, которые выпускаются для различных диапазонов измеряемых давлений. Рис. 3.4. Деформационный вакуумметр:1 — труба эллиптического сечения;2 — стрелка; 3 — зубчатый сектор; 4 — присоединительный штуцер. |
Тепловые вакуумметры
Действие тепловых вакуумметров основано на зависимости теплопроводности газа от давления. Основными элементами любого теплоэлектрического манометрического преобразователя являются нить накала (с постоянной температурой и большой теплоемкостью) и корпус прибора. При постоянной электрической мощности, подведённой к нити Qэл., температура нити зависит от давления. В стационарном состоянии при установившейся температуре нити имеет место баланс мощностей:
, (3.3)
где Qк — мощность теплоотвода по конструктивным элементам манометра; Qм — мощность, отводимая от нити соударяющимися с ней молекулами; Qл — мощность, отводимая лучеиспусканием.
Поскольку с ростом давления коэффициент теплопроводности газа увеличивается, то и увеличиваются Qм. Следовательно, при Qэл = const равновесная температура нити возрастает при понижении давления (если l0 > > d).Поэтому в тепловом манометре измеряется температура нити и результаты измерений градуируются в единицах давления.
На рис. 3.5, 3.6 представлены конструкции наиболее распространённых типов тепловых манометров и схемы их включения. Преобразователи в зависимости от способа измерения температуры делятся на термопарные и преобразователи сопротивления.
В диапазоне давлений от 1 до 10-3 торр наиболее широко применяются термопарные манометры (рис. 3.6).
Нить накала в этом манометре выполняет только функцию источника тепла. Лампа работает в режиме постоянного тока накала, который регулируется перестройкой балластного резистора. Давление оценивается по ЭДС. термопары (рис. 3.7). Ток накала составляет 110–135 мА и подбирается таким образом, чтобы стрелка милливольтметра точно совпадала с сотым делением шкалы.
 
| Рис. 3.5. Манометрический преобразователь сопротивления ПМТ-6: а) конструкция; б) схема измерения 1 — корпус; 2 — нить накала Корпус преобразователя ПМТ-6 (рис. 3.5а) изготавливается из нержавеющей стали, нить накала — из вольфрамовой проволоки диаметром 10 мкм и длиной 80 мм. Манометр работает в режиме постоянной температуры нити, равной 220 ºС. При этом сопротивление нити составляет 116,5 Ом. Манометр включен в одно из плеч моста (рис. 3.5б). Изменение сигнала, свидетельствующее об изменении давления, регистрируется стрелочным прибором. При изменении давления от 10–2 до 30 торр ток накала нити изменяется от 4 до 52 мА, а напряжение от 0,5 до 6 В. | |
 
| Рис 3.6. Термопарный манометрический преобразователь ПМТ-2: а) конструкция; б) схема измерения. 1 — корпус; 2 — нить накала; 3 — термопара; 4 — ввод питания При давлении ниже 10–3 торр показания манометра достигают асимптотического предела 10 мВ (100 делений). При этих давлениях теплоотвод по газу пренебрежимо мал, и вся подводимая мощность расходуется на излучение (~ 63%) и теплоотвод по вводам (~ 37%). | |