Расчет и конструирование вакуумного механического насоса

Содержание

Введение

1. Определение основных  размеров

2. Профилирование ротора

3. Проводимость зазора

4. Определение мощности  насоса

5. Синхронизирующие шестерни

Заключение

Список литературы

 

 

 

 

Введение

В настоящее время вакуумную  технику широко используют в различных  отраслях промышленности (электротехнической, электронной, радиотехнической, химической, металлургической, медицинской, пищевой  и др.) для осуществления технологических  процессов или обеспечения работы установок различного назначения, а  также в криогенных установках и  установках для имитации космических  условий, ускорителях элементарных частиц.

Основным элементом любой  вакуумной системы, как правило, является механический вакуумный насос. Для некоторых процессов в  промышленности требуется очень  большая быстрота откачки, хотя бы и  не при очень низких давлениях. Этим требованиям удовлетворяют двухроторные объемные насосы типа воздуходувки Рутса.

 

 

                    

 

 

Два ротора с поперечным сечением, напоминающим восьмерку, вращаются  в противоположных направлениях, не соприкасаясь, ни друг с другом, ни со стенками корпуса, так что насос может работать без смазки. Необходимости в масляном уплотнении тоже нет, поскольку очень малы зазоры между точно подогнанными деталями конструкции. Быстрота откачки поддерживается до давлений порядка одной миллионной атмосферного.

Хотя такие насосы способны работать с прямым выхлопом в атмосферу, на их выходе обычно устанавливают  вспомогательный вращательный масляный насос, который не только понижает их предельное давление, но и повышает КПД, снижая потребляемую мощность, что  позволяет обходиться менее сложной  системой охлаждения.

Цель курсового проектирования – спроектировать механический двух роторный вакуумный насос, в соответствии с исходными данными к работе.

Задачи курсового проектирования – Определение основных размеров насоса, профилирование роторов, расчет зазоров, определение мощности насоса, изучение составных элементов двух роторного вакуумного насоса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Определение основных размеров

Действительная быстрота действия определяет основные размеры  насоса. Из данного уравнения находим  расчётный радиус ротора:

 

Где k_L - коэффициент длины ротора,k_L=L/R, U₂–окружная скорость на периферии роторов,  м/с. U₂=2πRn

Коэффициент откачки принимают в пределах 0.4…0.9. Задаём

Коэффициент k_Lвыбирают в пределах 2…4. Задаём k_L=  3.

Окружную скорость U₂ выбирают в зависимости от материала ротора, так как от U₂зависит центробежная сила, нарушающая работоспособность ротора. Для роторов, выполненных из алюминиевых сплавов, U₂выбирают в приделах 30… 80 м/с, из стали – 50… 100 м/с, из титановых сплавов – 80… 150 м/с. Широкий диапазон измерения скоростей объясняется тем, что двух роторные вакуумные насосы стремятся непосредственно соединить с двигателем, а межосевое расстояние А=2а выполняют в соответствии с ГОСТ 2185-66.

Задаём материал ротора –  алюминий, U₂= 40 м/с.

Коэффициент, оценивающий качество ротора, из конструктивных соображений для двухлопастных роторов принимают в пределах 0.617…0.5.

Задаем .

 

Радиус R округляют до целого числа в мм: R = 40мм.

Строят профиль ротора и определяют точное значение коэффициента

 

Где – площадь ротора, определяется планиметрированием 

 

 

 

Рассчитываем предварительную  длину ротора L, м.

 

Где - геометрическая быстрота действия, м³/с

м³/с

n – расчётная частота вращения вала, с^-1

= 159.24 c^-1

 

Рассчитываем объём ротора, м³

;

0.002249*0.044 = 0.000256 м³=0.256мм³

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Профилирование роторов

При профилировании роторов  решают задачу: по выбранной части  профиля построить сопряженную  с ней часть другого профиля. Задача профилирования решается для  теоретических профилей, т.е. профилей, между которыми нет зазора.

Профили роторов двух роторных вакуумных насосов характеризуются следующими размерами, для ротора с z=2

 

Где z – число лопастей; r–радиус головки ротора, м;  R – наружный радиус ротора, м; c–ширина впадины ротора, м; a–радиус начальной окружности, м; b–расстояние от центра ротора до центра окружности, которой описана головка ротора, м.

                   

Окружные профили –  это профили, в которых головка  ротора описывается окружностью  радиуса r, центр B,который расположен от оси О₁ ротора на расстоянии b, меньшем или равном 0.88 для двухлопастных роторов.

Окружные профили характеризуются  одним из следующих соотношений: для двухлопастных роторов b/a = 0.5…0.9288; R/a = 1.2368… 1.6698; c/a=0.7632…0.3302.

При этом профили описываются  плавной выпукло-вогнутой кривой, на которой отсутствуют точки перегибов  и петли.

Обычно выбирают большие  значения отношений b/a и R/a и меньшие значения отношения c/a, т.к. при этом площадь F_pторцевого сечения ротора получают меньше, а коэффициент χ, оценивающий качество профиля, больше. Чем больше значение коэффициента χ, тем меньше размер и масса вакуумного насоса для заданных условий работы и быстроты действия. Однако при больших значениях коэффициента χ ухудшаются прочностные характеристики ротора, поэтому при расчете профиля ротора его рассчитывают на прочность.

Радиус aначальной окружности

;

межосевой расстояние А, м

 

Рассчитываем b от центра ротора до центра головки ротора

 

 

Радиус r головки ротора, м

r=R-b;

r=0.04-0.022=0.018 м.

Ширина c впадины ротора, м

c=2a-R;

c=2*0.025-0.04=0.01 м

Половина угла головки  ротора α=π/2z,

α=180/2*2= 45^o

В двух роторных вакуумных  насосах вследствие перепада давления  сила, действующая на роторы, мала по сравнению с центробежной силой, поэтому роторы рассчитывают на разрыв от действия центробежной силы (Н):

 

Где V_p – объём ротора, м³; ρ – плотность материала, из которого выполнен ротор, кг/м³. ω – угловая скорость, рад. ω = 2πn; – расстояние от оси ротора до центра тяжести половина ротора, м.

Принимаем ρ= 2.7*10³ кг/м3; =b=0.022 м;

ω = 2πn=2*3.14*159=998.5 рад

 

 

Напряжение на разрыв, действующие  в центральном сечении впадины, (МПа)

 

Где L–длина ротора, м, Д_в=0.012 м – диаметра вала под ротором, м.

0.831*10⁷=8.3МПа

Коэффициент запаса

,

Где – предел текучести при сжатии для материала, из которого выполнен ротор МПа.

Построение профилей проводят в подвижных системах координат x₁O₁y₁и x₂O₂y₂.

                    

Система координатx₁O₁y₁ жестко связана с первым ротором, центр её O₁ совпадает с осью ротора, уголφ поворота - с углом поворота ротора. Система координат x₂O₂y₂жестко связана с сопряженным ротором, центр её O₂ совпадает с осью сопряженного ротора, угол φ поворота - с углом сопряженного ротора.

Углы φ поворота ротора равны, так как роторы вращаются с одинаковой угловой скоростью ω. Расстояние между центрамиO₁и O₂координат равно межцентровому расстоянию между роторами A=2a, м. Система координатx₁O₁y₁ и x₂O₂y₂ связана между собой уравнениями.

 

 

При построении сопряженного профиля углом задаются произвольно, углом получают из уравнения

 

Координаты сопряженной  части профиля в системе координат  x₂O₂y₂определяют по уравнению.

 

 

Т.к профили роторов  в двух роторных вакуумных насосов  одинаковы, то полученную сопряженную  часть достраивают к головке  ротора, которая описана окружностью  радиусом, и получают профиль ротора.

Монтажный зазор между роторами (профильный зазор)

м

Тогда максимальный зазор  между роторами при работе

 

Где – номинальные и максимальные допуски на диаметр,  ширину впадины ротора и межцентровые расстояния при изготовлении; - увеличение ширины впадины за счет нагрева ротора,

 

(коэффициент линейного расширения материала ротора; - температура ротора в рабочем состоянии).

,

Где – удлинение ротора в радиальном направлении в рабочем состоянии; - увеличение между центрового расстояния в результате нагрева крышек, в которых расположены подшипники;

 

(α =12*10^-6- коэффициент линейного расширения материала крышек подшипников;; - температура крышек подшипников в рабочем состоянии, - температура окружающей среды).

Для вакуумных насосах, работающих при давлениях всасывания 1.33…133.3 Па на основании опытных данных, принимают Δt=40…60; Для вакуумных насосов работающих при давлении всасывания 75…100кПа, Δt=80…100⁰.

ΔA=12*10^-6*0.050*60=0,0360 мм.

ΔС=26*10^-6*0,01*100=0,0260 мм.

ΔR=26*10^-6*0,040*100=0,104 мм.

Допуск на изготовления диаметра ротора мм,

ΔD_min=-0.056 мм, ΔD_max=-0.108 мм.

Допуск на изготовления расточки корпуса , мм

ΔD_min= 0 мм, ΔD_max=+0.052 мм

Допуск на межосевое расстояние, мм

ΔA_min= 0 мм

ΔA_max= + 0.025 мм

Допуск на изготовления ширины впадины, мм

Δ(2с)_min= - 0.03 мм

Δ(2c)_max= - 0.06 мм

δ_рр.min^-5 м

δ_pp.max*10^-5м

Монтажный зазор между  корпусом и ротором ( радиальный зазор)

 

А максимальный радиальный зазор при работе

 

Где_, – минимальное и максимальное значение допусков на диаметр расточки при изготовлении корпуса;

_{- удлинение корпуса  в радиальном напряжении  в рабочем состоянии},

 

(_{коэффициент линейного р}асширения материала корпуса,  R_k=0.040м=40 мм - радиус корпуса, , – температура корпуса в рабочем состоянии).

Для вакуумных насосов, работающих при давлении всасывания 1.33…133.3 Па, на основании опытных данных принимают _, Δt_p=70…100⁰C, для вакуумных насосов, работающих при давлении всасывании 75…100 кПа, ^₀, Δt_p=130…150⁰,

ΔR_k=26*10^-6*0.040*60=0.0000624 м=0.0624мм

δ_p.k.min*10^-6м

δ_p.k.max=8*10^-5м.

Монтажные торцовые зазоры со стороны плавающей опоры 

;

Со стороны жесткой  опоры 

;

Где –  значения допусков на изготовление длины корпуса, мм:

_{k min}=0,

_{k max}=+0.089.

- допуск на изготовление длины ротора:

_min=-0.125;

L_max=-0.214.

Где _k– увеличение длины ротора и корпуса в результате его нагрева при работе.

 

 

ΔL=26*10^-6*0.114*100=296.4*10^-6м=0.2964 мм

ΔL_k=26*10^-6*0.114*60=177.84*10^-6м=0.1778 мм

 

^-3м

=0.0625*10^-3м

Максимальные торцовые зазоры при работе со стороны жесткой  опоры;

 

Со стороны плавающей  опоры;

 

=0.1515*10^-3м

0.5*(0.089+0.214)=0.1515*10^-3м

 

 

3. Проводимость зазора

 

Геометрическая быстрота действия двух роторного вакуумного насоса, м²/с

 

Каждый ротор будет  переносить со всасывания на нагнетание за один оборот по два объёма

 

Экспериментально установлено, что в двух роторных вакуумных  насосах потерями, связанными с дросселированные, подогревом и натеканием, можно пренебречь,  в следствие их минимального количества по сравнению с потерями, вызванными перетеканием газа во всасывающую полость.

Тогда

В вакуумных насосах, работающих при давлениях всасывания133,3…1,333 Па, на режим течения газа в зазорах молекулярный и проводимость зазоров определяют по уравнению Кнудсена:

 

Где – температура газа перед зазором, равная температуре газа на нагревании,К; М - молекулярная масса; - поправки Клаузинга соответственно для радиальных, профильных и торцевых зазоров со стороны жесткой и плавающей опоры.