Сайт Леонида Леонова

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТУРБОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ НА ЭВМ

Предложена методика расчета проточной части турбомолекулярных вакуумных насосов (ТМН) на ЭВМ. Удобство поиска оптимальной проточной части ТМН обеспечивается табличным построением различных вариантов геометрии ступеней насоса.

Повышение требований к вакуумнотехнологическим процессам при обработке новых типов ЭВП заставляет пересматривать основные характеристики откачных постов, на которых производится обработка этих приборов. Одной из таких характеристик является состав среды остаточных газов. Так, в откачных постах, предназначенных для обезгаживания и термической обработки серийных усилителей яркости изображения, к основным остаточным газам относятся пары воды, азот [1]. В металлических камерах после многочасового прогрева основным остаточным газом является водород [2 - 4].

Состав газов и скорость достижения заданного вакуума в откачных постах зависят от применяемого откачного устройства, позволяющего оптимально получать и поддерживать необходимую вакуумнотехнологическую среду.

Турбомолекулярные вакуумные насосы (ТМН) являются эффективным средством откачки и в настоящее время находят все большее применение при обработке ЭВП благодаря возможности быстрого получения чистого «безмасляного» вакуума.

Применение ТМН с оптимальными откачными характеристиками для откачных постов требует правильного выбора его проточной части, состоящей из большого числа ступеней. Каждая ступень насоса должна быть рассчитана на экстремальные значения быстроты действия и степени сжатия при выбранных радиальных зазорах по всем газам, откачиваемым насосом. Ввиду большого числа повторяющихся расчетных операций поиск оптимальной геометрии проточной части насоса удобнее проводить на ЭВМ. Оптимальной геометрией проточной части насоса считается та, которая при одинаковом вращении и одинаковых откачных характеристиках имеет наименьшее число ступеней и наименьшие размеры.

По ожидаемым газовым нагрузкам на откачном посту, и рабочему давлению определяется необходимая быстрота действия насоса по отдельным газам или газовой смеси. Далее, исходя из прочностных характеристик материала ротора насоса, работоспособности подшипниковых узлов и стандартной частоты тока питания скоростного электродвигателя, рассчитываются конструктивные размеры ступеней, их угловая скорость, а по технологичности изготовления насоса - осевые и радиальные зазоры.

Удобство поиска оптимальной проточной части насоса при помощи ЭВМ для заданных условий работы можно обеспечить табличным построением наилучших вариантов геометрии ступеней. Естественно, что составлять таблицу из всевозможных геометрий ступеней и рассчитывать по ней различные варианты проточной части насоса нет необходимости, так как известны некоторые закономерности построения оптимальной проточной части [5]. Так, например, быстрота действия ступеней в проточной части ТМН должна увеличиваться в направлении, противоположном откачке от значения быстроты откачки форвакуумного насоса до максимального значения, степень же сжатия ступеней должна увеличиваться в направлении откачки. При наборе ступеней в высоковакуумный пакет его быстрота действия будет асимптотически приближаться к максимальному значению значению, поэтому ее можно ограничить значением, равным, например. 0,95 S max . Необходимую степень сжатия насоса можно получить, увеличивая число ступеней с максимальным значением степени сжатия при ограничении ступеней высоковакуумного пакета (сделать так называемый переброс ступеней).

Одним из условий машинного расчета ТМН должно быть знание закона последовательности построения проточной части насоса, например выбор ступеней, обладающих наибольшим значением быстроты действия или создающих наименьшее давление, или обладающих максимальным сжатием и т. д., на данном месте в проточной части.

Для упрощения поиска можно предположить, что все ступени в проточной части обладают одинаковым наружным диаметром. Желательно, чтобы ступени в проточной части насоса имели максимально возможные значения как быстроты действия, так и степени сжатия (экстремальные ступени). Однако такие ступени пока неизвестны и приходится набирать проточную часть насоса из отдельных ступеней, имеющих максимальное значение либо быстроты действия, либо степени сжатия, или из ступеней с необходимыми промежуточными значениями.

Так как первые и последние ступени насоса должны выбираться из условий их работы в экстремальных значениях, то и промежуточные ступени необходимо выбирать так, чтобы их работа была близка к работе экстремальных ступеней. (Рабочие точки ступени определяются зависимостью и лежат на прямой, соединяющей Smax и max ступени.)

Подбор промежуточных ступеней для занесения в таблицу удобно проводить, как показано на рисунке, т.е. аналогично поиску наивысших отношений давлений [6]. Наиболее желательными будут те ступени, рабочие участки которых образуют самую короткую линию, соединяющую экстремальные точки Smax и max .

Рис.1

Подбор ступеней в таблицу для расчёта проточной части насоса на ЭВМ:

1 - ступень, имеющая максимальное значение быстроты действия;

2, 3 - ступени с промежуточными значениями быстроты действия и степени сжатия;

4 - ступень, имеющая максимальную степень сжатия;

5, 6 —ступени, не включаемые в таблицу

Так как поиск оптимальной проточной части ТМН начинается с последней ступени, то таблица должна начинаться ступенью с экстремальным значением max и заканчиваться ступенью с экстремальным значением. Smax , а между ними находятся промежуточные ступени, рабочие участки которых образуют самую короткую линию, соединяющую Smax и max .

Расчет значений Smax и mах удобнее вести по формулам [5]:

; (1)

, (2)

где ( Uпр - проводимость наклонных каналов ступени в направлении откачки (прямая проводимость); Uобр - проводимость наклонных каналов ступени в направлении, противоположном откачки (обратная проводимость); U - проводимость радиального зазора ступени.

Удобство составления таблицы обеспечивается созданием библиотеки ступеней, в которой размешены всевозможные варианты геометрии ступеней с расчетными значениями Smax и mах . В библиотеке ступени располагаются в порядке возрастания угла наклона каналов, отношения S / b и длины лопатки. Наименьшая длина лопатки для каждой геометрии канала определяется по формуле (1) и соответствует наибольшему значению max .

Для высоковакуумных ступеней, имеюших наклонные радиальные каналы с параллельными стенками, длина лопатки не должна превышать значение, определяемое по формуле [7]

(3)

где — радиус корневых сечений лопатки; - наружный радиус лопатки. Число основных и дополнительных каналов в этом случае следует ограничить условием прочности и технологичности ступени.

Для ступеней, имеюших наклонные каналы, образованные тонкими вставными радиальными лопатками, длину лопатки необходимо выбирать из условия влияния отношения S / b на экстремальные значения ступени.

Для ступеней с развернутыми радиальными лопатками длину лопаток можно ограничить значением

=/2 , (4)

так как в этом случае площадь каналов может занимать до 75% площади всей ступени, а оставшаяся площадь малоэффективна для откачки. Отношение S / b для таких ступеней примерно равно единице. Однако, чтобы уменьшить осевой размер ступени, повысить быстроходность и величину Smax , отношение S / b можно изменять вдоль радиуса, уменьшая площадь лопатки и утончая ее по направлению к наружному диаметру. Частота разбиения каждого параметра геометрии ступени влияет на число ступеней и на машинное время, затрачиваемое на составление таблицы.

Достаточными шагами измерения геометрии можно принять: по углу наклона канала 5°, по длине лопатки 0,05/ , по отношению S /b 0,2.

Каждой ступени в библиотеке присваивается номер. Далее, задавая для машины условие выбора ступеней из библиотеки в таблицу, можно приступить к поиску оптимальной проточной части насоса. Этот поиск необходимо проводить с учетом технологичности изготовления насоса, выбора количества одинаковых ступеней в пакеты, числа пакетов, состава откачиваемого газа и потоков газовыделения, а также условий работы насоса. Каждое из этих условий будет налагать свои требования к выбору проточной части.

Для специальных вакуумно-технологических процессов было предложено с наименьшим изменением технологии изготовления насоса ТМН-200 изменить его проточную часть так, чтобы быстрота действия по воздуху увеличилась в два раза, а остаточное давление уменьшилось на 1,5 - 2,0 порядка. Неизменными при этом должны оставаться число роторных сту­пеней, наружный диаметр ступеней, технология их изготовления и скорость вращения ротора насоса.

Испытания изменённых насосов полностью оправдали проведенные расчеты. Быстрота действия насоса изменённого насоса ТМН-200А увеличилась вдвое по сравнению с ТМН-200, а стабильно получаемое остаточное давление составило (1- 2). мм.рт.ст. вместо 1. мм.рт.ст. для ТМН-200.

Предложенная методика расчета может быть использована для разработки ТМН, применяемых в откачных постах, с целью оптимального получения и поддержания необходимой вакуумнотехнологической среды.

Испытания улучшенных насосов ТМН-200А при различных числах оборотов ротора показали хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Б а л о в н е в Ю. А. М а р т и н с о н Е. Н . Т у р к и н А. Ф. Методика получения сверхвысокого вакуума на откачных постах для Э В П. - Электронная техника. Сер. 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1978. вып. 7, с. 105.

•  Joung J.R. - J. Vac. Sci. and Technol . 1969. vol 9. p. 398

•  Henry R. P. - Vide. 1969, vol. 24, p. 316

•  Schram A. - Vide. 1963. vol. 18. p. 55

•  Леонов Л. Б. Расчет проточной части турбомолекулярного вакуумного насоса
Деп., № ДЭ-2197. ЦНИИ Электроника

•  Sawada. T. Suruki M. Toniguchu O- SPI, Ph, Ch, R, 1968. vol. 62.p. 49.

•  Леонов Л. Б. К вопросу теоретического определения оптимальных геометрических параметров первого роторного диска ТВН - Физика и техника вакуума Издательство Казанского университета. 1974. с 206 - 209.