Бесконтактные безмасляные 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 

БЕСКОНТАКТНЫЕ БЕЗМАСЛЯНЫЕ 
ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ 

Практикум 

Казань 
Издательство КНИТУ 
2021 

УДК 621.52(075) 
ББК 31.77я7 

Р18

Печатается по решению редакционно-издательского совета 
Казанского национального исследовательского технологического университета 

Рецензенты: 
канд. техн. наук Е. Н. Капустин 
канд. техн. наук Т. М. Фарахов 

Р18 

Райков А. А. 
Бесконтактные безмасляные вакуумные насосы : практикум / 
А. А. Райков, С. И. Саликеев, А. В. Бурмистров; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Издво КНИТУ, 2021. – 148 с. 

ISBN 978-5-7882-2997-3

Рассмотрены устройство, принцип действия, конструктивные разновидности, достоинства и недостатки бесконтактных безмасляных вакуумных насосов – 
двухроторных, спиральных, кулачково-зубчатых и винтовых. Представлен порядок расчета зависимости быстроты действия от давления и порядок проведения 
экспериментального исследования характеристик насосов. 
Предназначен для бакалавров, обучающихся по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» по профилю «Вакуумная и компрессорная техника физических установок», и магистров программы 15.04.02 «Проектирование и эксплуатация вакуумного технологического оборудования». Будет полезен преподавателям, аспирантам и студентам, связанным с направлениями подготовки «Технологические машины и оборудование», «Техническая физика», 
«Ядерная энергетика и теплофизика», «Наноинженерия». 
Подготовлен на кафедре вакуумной техники электрофизических установок. 

ISBN 978-5-7882-2997-3 
© Райков А. А., Саликеев С. И., 

Бурмистров А. В., 2021

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2021

УДК 621.52(075) 
ББК 31.77я7

С О Д Е Р Ж А Н И Е

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

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

Цели и задачи лабораторных работ ................................................................ 6 

Лабораторная работа 1. СПИРАЛЬНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ ........... 7 

Лабораторная работа 2. ДВУХРОТОРНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ 
ТИПА РУТС ................................................................................................................ 29 

Лабораторная работа 3. КУЛАЧКОВО-ЗУБЧАТЫЕ ВАКУУМНЫЕ 
НАСОСЫ ..................................................................................................................... 59 

Лабораторная работа 4. ВИНТОВЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ .............. 81 

Лабораторная работа 5. ОТКАЧКА КОНДЕНСИРУЕМЫХ ПАРОВ. 
ГАЗОБАЛЛАСТНОЕ УСТРОЙСТВО ................................................................... 98 

Литература ............................................................................................................. 114 

Приложение А. Условные графические изображения 
и буквенные коды элементов вакуумных систем ................................. 116 

Приложение Б. Форма отчеты по лабораторным работам 1–4 ...... 136 

Приложение В. Форма отчета по лабораторной работе 5 ................ 142 

Приложение Г. Давление насыщенных водяных паров ..................... 147 

О с н о в н ы е  у с л о в н ы е  о б о з н а ч е н и я  и  т е р м и н ы

ДВН – двухроторный вакуумный насос 
КЗВН – кулачково-зубчатый вакуумный насос 
НВСп – насос вакуумный спиральный 
ФВН – форвакуумный насос 
ППУ – противоповоротное устройство 
НВВ – насос вакуумный винтовой 
ГБУ – газобалластное устройство 
НВР – насос вакуумный роторный 
НВЗ – насос вакуумный золотниковый 
АВЗ – агрегат вакуумный золотниковый  
ВНМУ – вакуумный насос с масляным уплотнением 
𝑐 – средняя арифметическая скорость молекул газа 
𝑃ВХ – давление на входе в насос 
РВЫХ – давление на выходе из насоса 
𝑃ОСТ – предельное остаточное давление насоса 
P – давление газа 
V – объем газа 
𝑃НАС – давление насыщенного пара 
𝑄 – поток газа 
𝑆 – быстрота откачки 
𝑆ВХ – быстрота действия насоса 
SГ – геометрическая быстрота действия насоса 
Т – абсолютная температура газа 
𝑈 – проводимость элемента вакуумной системы 
𝑉ВС - объем всасывания насоса 
𝑛 – частота вращения ротора
𝐴 – межцентровое расстояние 

В в е д е н и е

В данном лабораторном практикуме рассматриваются все виды 
объемных бесконтактных безмасляных вакуумных насосов, нашедших 
промышленное применение – спиральные, кулачково-зубчатые, винтовые, двухроторные типа Рутс. 
Все эти насосы разнятся как по конструкции, эффективности рабочего процесса, области применения, способу уплотнения рабочей полости, способу охлаждения. Однако их объединяет одно основное достоинство – за счет наличия зазоров и бесконтактного вращения роторов в их 
рабочих объемах отсутствует рабочая жидкость и, следовательно, обеспечивается безмасляный вакуум. В настоящее время это как никогда актуально, поскольку подавляющее большинство современных технологических процессов не допускает наличия даже следов паров масла в откачиваемом объеме. В первую очередь это относится к микроэлектронике, 
нанотехнологиям, фармацевтике, медицине, термоядерной энергетике… 
Если в XX веке в этих сферах обходились вакуумными насосами с масляным уплотнением, комплектуя их различными видами ловушек, то сейчас, в связи с бурным развитием технологий обработки металлов и появлением новых материалов, потребители вакуумной техники отдают предпочтение именно бесконтактным безмасляным средствам откачки. Эти 
насосы позволяют вести откачку агрессивных, взрывоопасных и дорогих 
газов, парогазовых смесей и даже сред, содержащих капельную жидкость 
и твердые включения. «Сухие» машины могут использоваться как в качестве форвакуумных в безмасляных высоковакуумных агрегатах, например, с турбомолекулярными или электрофизическими насосами, так и в 
качестве самостоятельных средств откачки. 
Отметим, что за последние годы наибольший прирост мирового 
объема выпуска вакуумного оборудования приходится именно на сектор 
безмасляных форвакуумных насосов. Постоянно увеличивается количество производителей «сухих» машин и появляются новые конструктивные разновидности. 
В России спиральные и двухроторные насосы выпускаются серийно, винтовые и кулачково-зубчатые находятся на стадии проектирования и освоения производства. Это подчеркивает важность и перспективность данного лабораторного практикума – обучать тому, что 
только появится и будет в ближайшие годы являться передовым краем 
вакуумной техники.  

Це л и  и  з а д а ч и  л а б о р а т о р н ы х  р а б о т

В работах 1–4 необходимо изучить конструкцию, принцип действия, основы расчета откачных параметров четырех видов бесконтактных безмасляных вакуумных насосов: спиральных, кулачково-зубчатых, винтовых, двухроторных типа Рутс.  
Для этого необходимо: 
- изучить по чертежам и на разбираемом образце конструкцию
насоса и принцип его работы; провести замеры роторного механизма для 
расчета геометрической быстроты действия; 
- по данным паспорта построить зависимость быстроты действия от давления на входе; 
- изучить стенд для экспериментального определения откачных
параметров насоса, технику безопасности и порядок проведения эксперимента; 
- снять и построить экспериментальные характеристики насоса;
- рассчитать геометрическую быстроту действия и другие откачные параметры насоса, построить расчетную характеристику и провести 
сопоставление с экспериментальными и паспортными данными; 
- провести сопоставление с другими видами вакуумных насосов
и выявить их достоинства и недостатки. 
В лабораторной работе 5 следует уяснить физическую сущность 
процесса откачки конденсируемых паров объемными насосами, изучить методику определения наибольшего давления паров воды и производительности насоса по водяным парам. 

С использованием стенда исследовательских испытаний газобал
ластного устройства провести измерения и определить экспериментальные значения наибольшего давления паров воды и производительности по водяным парам для безмасляного спирального вакуумного 
насоса НВСп-12. 

Л а б о р а т о р н а я  р а б о т а  1  
С П И РАЛ Ь Н Ы Е  В А КУУ М Н Ы Е  Н АСО С Ы

Насос вакуумный спиральный (НВСп) – это механический объемный вращательный насос, в котором перемещение газа осуществляется за счет периодического изменения объема двух или более серповидных полостей, образованных между двумя повернутыми друг относительно друга на 180º спиралями, одной – неподвижной, второй – совершающей орбитальное движение. 
Объектом исследования данной работы является безмасляный вакуумный спиральный насос НВСп-12 производства АО «Вакууммаш». 

Общие положения. Принцип действия 

Одним из признанных лидеров среди механических безмасляных 
вакуумных насосов низкого и среднего вакуума является насос вакуумный спиральный (НВСп). НВСп – новейший тип вакуумных машин, появившийся на рынке вакуумного оборудования только на рубеже 
XXI столетия. При кажущейся простоте конструкции и малом количестве деталей спиральная машина относится к очень сложным высокотехнологичным изделиям. Изготовление спиральных элементов и приводных механизмов требует высокоточного металлорежущего и контрольно-измерительного оборудования. 
С каждым годом на мировом рынке доля НВСп среди безмасляных средств откачки неуклонно растет, что говорит о достоинствах спирального механизма. 
Принцип действия спиральной машины основан на периодическом изменении объема двух или более серповидных рабочих полостей, 
образованных между двумя повернутыми друг относительно друга на 
180º спиральными элементами, одним – неподвижным, и вторым – совершающим орбитальное движение относительно первого. При этом 
спиральные элементы своими профильными частями вставлены один в 
другой и не касаются друг друга. На рис. 1.1 представлена классическая 
конструктивная схема спиральной машины с односторонним подвижным спиральным элементом. 
Рабочий цикл НВСп состоит из нескольких фаз, следующих друг 
за другом в определенной последовательности. Всасывание газа происходит в рабочую полость увеличивающегося объема, которая в этот 

период сообщается с патрубком всасывания, затем происходит «замыкание» полости и сжатие газа в замкнутом уменьшающемся объеме с одновременным перемещением ее к центру неподвижного спирального 
элемента и далее выталкивание сжатого газа через окно нагнетания при 
дальнейшем уменьшении объема полости практически до нуля. 

Таким образом, в каждый момент времени между спиралями 

НВСп всегда возникают две (или больше) парные замкнутые серповидные полости, в которых газ перемещается от периферии к центру, находясь на разных стадиях рабочего процесса. 

Рис. 1.1. Схема спиральной машины: 

1, 2 – подвижный и неподвижный спиральные элементы

 

Рассмотрим полный рабочий цикл НВСп (рис. 1.2). За начало от
счета примем положение спиралей, показанное на рис. 1.2а. В этом положении завершилось образование отсеченной полости A, давление 
газа в ней примерно равно давлению газа на входе в насос, а объем ее 
максимален и равен 𝑉ОТС%. Далее при повороте эксцентрикового вала и 
движении подвижного спирального элемента по орбитальной траектории происходит перемещение этой полости к центру с одновременным 
уменьшением ее объема и ростом давления газа (рис. 1.2в). Через полоборота после образования полости А завершается образование отсеченной полости Б, которая имеет в положении на рис. 1.2б максимальный объем 𝑉ОТС&. Отметим, что 𝑉ОТС& > 𝑉ОТС%. При дальнейшем повороте вала полость Б также перемещается от периферии к центру 
с уменьшением объема и ростом давления (рис. 1.2в). Новая пара рабочих полостей образуется при каждом полном обороте ротора. При 

дальнейшем вращении вала в определенный момент произойдет объединение двух рабочих полостей A и Б в одну общую полость 
(рис. 1.2г). С этого момента две рабочие полости существуют как единая парная полость В, объем которой продолжает уменьшаться, но теперь она сообщается через окно нагнетания и нагнетательный патрубок 
с атмосферой. Процесс нагнетания продолжается в течение одного оборота ротора. В конце процесса нагнетания объем парной полости 
уменьшается практически до нуля. 

Рис. 1.2. Принцип работы и последовательность рабочих 
процессов НВСп 

Представляя цикл целиком, можно отметить, что все три фазы: 
всасывание, сжатие и нагнетание – происходят одновременно в непрерывном движении, но различны по продолжительности. Фаза всасывания в НВСп длится в течение одного оборота приводного вала. Продолжительность процесса сжатия определяется количеством витков спирали. Фаза нагнетания газа длится в течение одного оборота. В общем 
случае количество оборотов, за которые осуществляется рабочий цикл 
НВСп с одной порцией газа, определяется количеством витков спиралей. 

Рис. 1.3. Конструктивная схема НВСп-12:  

1 – неподвижный спиральный элемент; 2 – подвижный спиральный элемент; 3 – корпус;  

4 – вал эксцентриковый; 5 – противовес; 6 – противоповоротное устройство; 7 – входной 

патрубок; 8 – уплотнитель торцевой; 9 – вентилятор, совмещенный с противовесом