Кулачково-зубчатые вакуумные насосы

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное 

образовательное учреждение высшего образования 

«Казанский национальный исследовательский 

технологический университет» 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

А. А. Райков, С. И. Саликеев, А. В. Бурмистров 

 
 

КУЛАЧКОВО-ЗУБЧАТЫЕ 
ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ 

 

 

Учебное пособие 

 
 

 

 
 
 
 
 
 

 

 

Казань 

Издательство КНИТУ 

2019 

УДК 621.52 (07) 
ББК 31.77я7 

Р18

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета 

 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, проф. С. Б. Нестеров 

д-р физ.-мат. наук, проф. П. П. Осипов 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
Р18 

Райков А. А. 
Кулачково-зубчатые вакуумные насосы : учебное пособие / 
А. А. Райков, С. И. Саликеев, А. В. Бурмистров; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 
2019. – 80 с. 
 
ISBN 978-5-7882-2658-3

 
Рассмотрены принцип действия, конструктивные разновидности и ха
рактеристики безмасляных кулачково-зубчатых вакуумных насосов (КЗВН). 
Проанализированы технические решения, используемые в КЗВН. 

Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению под
готовки 15.04.02 «Технологические машины и оборудование». 

Подготовлено на кафедре вакуумной техники электрофизических 

установок. 

 

 

ISBN 978-5-7882-2658-3 
© Райков А. А., Саликекев С. И.,  

Бурмистров А. В., 2019

© Казанский национальный исследовательский  

технологический университет, 2019

УДК 621.52 (07) 
ББК 31.77я7

СОДЕРЖАНИЕ 

Основные условные обозначения и термины ............................................ 4 

Введение ........................................................................................................ 5 

Глава 1. Конструкция и принцип действия ................................................ 6 

1.1. Историческая справка ........................................................................... 6 
1.2. Принцип действия. Достоинства и недостатки ................................... 6 
1.3. Профили роторов ................................................................................. 10 

1.3.1. Однозубый профиль Northey ................................................... 10 
1.3.2. Двузубый «совершенный» профиль ........................................ 12 

1.4. Сравнение насосов типа Рутс и КЗВН ............................................... 19 
1.5. Насосы без внутреннего сжатия ......................................................... 22 
1.6. Многоступенчатые насосы ................................................................. 26 
1.7. Откачка загрязненных газов и конденсирующихся паров .............. 36 

Глава 2. Методика профилирования роторов КЗВН ............................... 40 

2.1. Профилирование однозубого асимметричного профиля ................. 42 
2.2. Построение окон всасывания и нагнетания ...................................... 51 
2.3. Вычисление объемов рабочих полостей ........................................... 53 
2.4. Подбор оптимальных параметров роторов ....................................... 56 
2.5. Варианты усовершенствования профиля роторов ............................ 59 
2.6. Влияние геометриии насоса на откачные харакетристики .............. 61 

Заключение .................................................................................................. 74 

Литература ................................................................................................... 75 

 

3

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ТЕРМИНЫ 

КЗВН – кулачково-зубчатый вакуумный насос; 
ДВН – двухроторный вакуумный насос типа Рутс; 
VВС – объем полости всасывания; 
VСЖ – объем полости сжатия-нагнетания; 
VПЕР – перевальный объем; 
L – глубина канала (длина ротора); 
R1, R2 – радиусы кривизны каналов; 
n – частота вращения роторов; 
j – угол поворота роторов; 
w – угловая скорость; 
SГ – геометрическая быстрота действия; 
R – радиус ротора; 
A – межосевое расстояние; 
 

4

ВВЕДЕНИЕ 

Во многих современных высокотехнологичных прозводствах 

вакуум является абсолютно незаменимой технологической средой. 
Поэтому для производства качественной продукции важным условием 
является чистота этой среды. В первую очередь это относится к отсутствию паров масла, источником которых служат средства откачки. 

Для получения безмасляного низкого и среднего вакуума 

наиболее перспективным является использование бесконтактных 
насосов. К таким насосам относятся спиральные, винтовые, двухроторные типа Рутс, кулачково-зубчатые. 

Кулачково-зубчатые насосы, особенно в многоступенчатом ис
полнении, сочетают в себе высокую быстроту действия и степень повышения давления. Области применения этих насосов: упаковка, деревообработка, пневматическая транспортировка, медицинская и лабораторная промышленность, производство пластмасс, системы экстракции, добыча газов (аргон, гелий). 

В данном учебном пособии рассмотрен принцип действия, до
стоинства и недостатки, конструктивные особенности кулачковозубчатых насосов различных производителей и их откачные характеристики. Также приведена методика построения роторов и вычисления объемов рабочей полости, необходимых при проектировании 
насоса. Рассмотрен вопрос подбора оптимальных геометрических параметров.  

5

ГЛАВА 1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ 

1.1.  Историческая справка 

Впервые конструкция кулачково-зубчатого насоса была описана 

в 1929 году в патенте компании Northey. Конструкция этого насоса 
(также называемая типом Northey) представляла собой два одинаковых ротора с одним кулачковым выступом (когтем). Такие ротора используюся до сих пор, чаще всего в многоступенчатых вакуумных 
насосах. 

В начале 1970-х годов в литературе впервые были описаны ку
лачково-зубчатые насосы, имеющие два ротора различной геометрии: 
основной и управляющий. Их форма обеспечивает полный выхлоп и 
устраняет основной недостаток конструкции типа Northey – наличие 
защемленного объема. Профиль таких роторов называют «совершенным» за счет того, что камера нагнетания сжимается практически до 
нулевого объема. На практике такие ротора используют в одно- и 
двухступенчатых компрессорах. 

«Совершенный» профиль, в отличие от профиля Northey, может 

испозоваться для многокулачковых роторов. Наибольшее распространение получили ротора с двумя кулачковыми выступами, так как при 
увеличении количества выступов падает коэффициент использования 
объема. 

В 1985 году был представлен многоступенчатый насос со ступе
нью Рутс на входе и несколькими ступенями КЗВН ближе к выходу. 
Такая конструкция позволяет сочетать высокую быстроту действия 
насоса типа Рутс с высокой степенью повышения давления КЗВН. 

 
 

1.2.  Принцип действия. Достоинства и недостатки 

Конструктивно КЗВН (рис. 1.1) представляет собой бесконтакт
ный безмасляный механический вращательный насос объемного 
принципа действия, в котором перемещение газа осуществляется за 
счет периодического изменения объема замкнутой полости, образующейся между зубьями роторов, расточкой корпуса и торцевыми 
крышками. 

Достоинства: 

– безмасляный вакуум; масляный картер с подшипниками и 

шестернями изолирован от рабочей полости при помощи манжетных 
или лабиринтных уплотнений; 

– отсутствие контакта между роторами позволяет исключить 

износ и трение между ними; 

– отсутствие клапанов увеличивает надежность конструкции и 

снижает сопротивление на входе и выходе; функцию газораспределения выполняют ротора, периодически открывая и закрывая окна 
всасывания и нагнетания. 

– высокая степень повышения давления, благодаря чему до
стигается высокий объемный коэффициент полезного действия (одна 
ступень КЗВН при работе с выхлопом в атмосферу обеспечивает 
степень повышения давления ~25, в то время как ступень типа Рутс 
имеет в аналогичных условиях степень повышения давления ~1,5–2). 

– температура газа на выходе может достигать 250 °C, это 

снижает возможность конденсации. 

Недостатки: 

– сложность изготовления роторов: сложная форма роторов и 

необходимость обеспечения гарантированного зазора порядка 0,1 мм 
требуют использования при производстве оборудования с высокой 
точностью изготовления, что повышает стоимость насоса; 

– чувствительность к загрязнению: малые величины зазоров 

диктуют высокие требования к чистоте откачиваемого газа; 

– неуравновешенность роторов: форма роторов с одним высту
пом требует сложной балансировки, исправить данный недостаток 
можно применением двузубых роторов либо расположением роторов 
в противофазе в случае использования многоступенчатых насосов; 

– высокое тепловыделение при работе с выхлопом в атмосферу 

требует организации эффективной системы воздушного или водяного охлаждения для предотвращения выхода из строя подшипников и 
уплотнений; 

– из-за высокой температуры возможно возгарание легковос
пламеняющихся газов, кроме того, некоторые газы полимеризуются 
на поверхности роторов, загрязняя рабочую полость; 

– необходимость использования многоступенчатых систем 

(для получения остаточного давления порядка 1 Па требуется использование насосов с 3–5 ступенями); 

– необходимость применения глушителей для снижения шума. 

Ротора КЗВН часто покрывают политетрафторэтиленом (PFA) 

который обеспечивает уменьшение зазоров, благодаря чему повышается эффективность и снижается предельное остаточное давление. Покрытие роторов уменьшает коррозию, однако со временем изнашивается и требует повторного нанесения. 

Всасывание газа осуществляется через входной тракт 1 

(рис. 1.1), представляющий собой канал, соединяющий откачиваемый 
объем с окном всасывания 3. Этот канал размещают, как правило, 
в торцевой крышке. При вращении роторов 6, расположенных на валах 5, газ перемещается к окну нагнетания. За счет постоянного 
уменьшения объема Б в пространстве между зубьями роторов и торцевыми крышками происходит сжатие газа до момента открытия окна 
нагнетания 4. Такое «внутреннее сжатие» позволяет добиться высокой 
степени повышения давления. Окно нагнетания также выполняется в 
торцевой крышке насоса, и через него газ выталкивается по каналу 2, 
практически аналогичному входному, в атмосферу (для одноступенчатых конструкций) или перепускается на всасывание в последующую 
ступень (для многоступенчатых машин). 

 

 

Рис. 1.1. Схема роторного механизма КЗВН: 

1, 2 – входной и выходной тракты; 3 – окно всасывания; 4 – окно 

нагнетания; 5 – вал; 6 – роторы; А – полость всасывания;  

Б – полость сжатия-нагнетания