Рабочий процесс спирального вакуумного насоса

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС СПИРАЛЬНОГО
ВАКУУМНОГО НАСОСА 
Монография 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2022 

УДК 621.521 
ББК 31.56 
Р13 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
канд. техн. наук Е. Н. Капустин 
д-р физ.-мат. наук П. П. Осипов 
Р13
Авторы: А. В. Тюрин, А. А. Райков, С. И. Саликеев, 
А. В. Бурмистров
Рабочий процесс спирального вакуумного насоса : монография / 
А. В. Тюрин, А. А. Райков, С. И. Саликеев, А. В. Бурмистров; 
Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : 
Изд-во КНИТУ, 2022. – 116 с. 
ISBN 978-5-7882-3206-5 
Рассмотрены принцип действия, конструктивные разновидности и классификация безмасляных спиральных вакуумных насосов. Проанализированы 
технические решения, используемые в НВСп, выделены их достоинства и недостатки. Дано описание методики экспериментальных исследований и представлены выводы по ним. Выполнена валидация разработанной математической модели, на основе которой проведена оптимизация конструкции безмасляного спирального вакуумного насоса. 
Предназначена для специалистов, работающих в области вакуумной 
и компрессорной техники. Будет полезна преподавателям, аспирантам и студентам, связанным с направлениями подготовки «Технологические машины 
и оборудование», «Ядерная энергетика и теплофизика», «Наноинженерия». 
Подготовлена на кафедре вакуумной техники электрофизических установок. 
УДК 621.521 
ББК 31.56
ISBN 978-5-7882-3206-5 
© Тюрин А. В., Райков А. А., Саликеев С. И., 
Бурмистров А. В., 2022 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2022 
2 

Содержание 
Список сокращений и условных обозначений .......................................................... 4 
Введение ................................................................................................................................... 7 
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 
......................................... 9 
1.1. Определение принципа действия НВСп .................................................... 9 
1.2. Описание типовой конструкции НВСп 
...................................................... 
11 
1.3. Описание рабочего процесса НВСп 
........................................................... 
15 
1.4. Классификация НВСп 
....................................................................................... 
17 
1.5. Достоинства НВСп 
............................................................................................. 
24 
1.6. Недостатки НВСп ............................................................................................... 
24 
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НВСп ................................................ 
28 
2.1. Обзор методов получения индикаторных диаграмм 
.......................... 
28 
2.2. Разработка объекта экспериментальных исследований 
................... 
33 
2.3. Описание стенда экспериментальных исследований ........................ 
37 
2.4. Методика проведения исследований........................................................ 
43 
2.4.1. Измерение давления в рабочих полостях насоса ..................... 
43 
2.4.2. Измерение быстроты действия и потребляемой мощности .......... 
52 
2.4.3. Оценка погрешности измерений давления в рабочих 
полостях насоса ................................................................................................... 
56 
2.4.4. Оценка погрешности измерений быстроты действия .............. 
61 
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА НВСп 
...... 
66 
3.1. Обзор методов расчета характеристик спиральных машин 
............ 
66 
3.2. Основные положения математической модели 
.................................... 
70 
3.3. Расчет обратных перетеканий газа в каналах с движущимися 
стенками ........................................................................................................................ 
75 
3.4. Расчет величины радиального зазора ...................................................... 
83 
3.5. Сравнение экспериментальных индикаторных диаграмм 
и результатов математического моделирования 
.......................................... 
88 
3.6. Анализ энергетических характеристик НВСп ........................................ 
91 
3.7. Анализ влияния геометрических параметров спирали на 
энергетические и объемные показатели НВСп ............................................. 
96 
Заключение ......................................................................................................................... 105 
Список литературы 
........................................................................................................... 107 
3 

С П И С О К  С О К Р А Щ Е Н И Й  И  У С Л О В Н Ы Х  
О Б О З Н А Ч Е Н И Й  
Список сокращений
НВСп – насос вакуумный спиральный 
CFD – computational fluid dynamics (вычислительная гидродинамика) 
ВТЭУ – вакуумная техника электрофизических установок 
КНИТУ – Казанский национальный исследовательский технологический университет 
ВН – вакуумный насос 
ЧПУ – числовое программное управление 
KF – Klein Flange (Фланец Клейна) 
ГБУ – газобалластное устройство 
ММ – математическая модель 
КЗВН – кулачково-зубчатый вакуумный насос 
ВДТО – вакуумметр деформационно-термопарный образцовый 
КТ – класс точности 
ПГ – погрешность 
СКО – среднеквадратичное отклонение 
Список условных обозначений
c – скорость распространения изменения давления по длине канала 
k – показатель адиабаты 
R – универсальная газовая постоянная 
T – абсолютная температура 
M – молекулярная масса газа 
∆τ – период запаздывания 
lk – длина цилиндрического канала 
Sвх – быстрота действия насоса 
Q – поток газа, поступающий в измерительную камеру
Pвх – давление в измерительной камере 
Рост – предельное остаточное давление (базовое давление) в камере 
W – потребляемая мощность 
Pi – перепад давлений, измеряемый одним датчиком, между атмосферным давлением и давлением в рабочей полости 
vMIC – частота опроса датчика 
4 

n – частота вращения приводного вала 
vфото – показания фототахометра 
Nт – количество точек в периоде 
Тср – усредненный период вращения ротора 
𝐴
̃ – среднее арифметическое значение результатов наблюдений
k – число точек в каждой серии экспериментов 
S – среднеквадратичное отклонение 
h – критерий анормальности 
ε – доверительная случайная погрешность результатов измерения 
tq – квантиль распределения Стьюдента 
θ – систематическая погрешность 
∆Sвх – доверительные границы результата измерений 
δ – максимальная относительная погрешность измерений 
Vвх – объем на входе 
Vотс – объем отсеченной полости 
Vвых – объем на выходе 
Sг – геометрическая быстрота действия насоса 
h – высота спирали 
Fотс – площадь отсеченной области 
L – длина дуги 
е – эксцентриситет 
rb – радиус базовой окружности 
ф – угол конца спирали 
b – толщина спирали 
V – текущий объем полости; 
 – угловая скорость 
QT – внешний тепловой поток 
φ – угол поворота приводного вала 
M – секундный приход или уход газа 
h – энтальпия газа 
w – тангенциальная скорость 
b(x) – полуширина канала в сечении x 
P(x) –давление в сечении х 
λ0 – средняя длина свободного пробега 
Kn – число Кнудсена 
µ – динамическая вязкость 
Rг – газовая постоянная 
Тст – температура стенки 
Тг – температура газа 
5 

α – коэффициент теплоотдачи 
Fст – площадь поверхности стенки 
λ – коэффициент теплопроводности газа 
R – радиус кривизны стенки спирали в данной точке 
dэ – характерный размер – гидравлический диаметр канала 
R – число Рейнольдса 
Pr – число Прандтля 
фрп – продолжительность рабочего процесса 
P – давление в рабочей полости 
V – объем рабочей полости 
L1 и L2 – индикаторная работа для каждой отсеченной полости 
6 

В В Е Д Е Н И Е  
В связи с санкционной политикой ряда зарубежных стран в отношении России в нашей стране был принят курс на импортозамещение, предполагающий создание новых высокотехнологичных производств, на которых возможен выпуск оборудования на уровне мировых аналогов. В свою 
очередь, развитие современных вакуум-технологических процессов 
выдвигает ряд новых требований к откачному оборудованию, одним из 
которых является обеспечение безмасляного низкого и среднего вакуума в откачиваемом объеме. При этом стоит отметить, что вакуум, созданный в откачиваемом объеме, может считаться безмасляным, если 
в масс-спектре остаточных газов отсутствуют молекулы с массовыми 
числами более 44 [1]. 
В классе безмасляных вакуумных насосов с быстротой действия 
до 60 м3/ч и предельным остаточным давлением около 1 Па наиболее 
востребованными являются насосы вакуумные спиральные (НВСп) [2, 3] 
в силу целого ряда объективных достоинств, таких как бесшумность, малая вибрация, низкое удельное энергопотребление и возможность откачки паров и парогазовых сред. НВСп применяются и в качестве самостоятельного средства откачки, и в качестве форвакуумных насосов для 
двухроторных, турбомолекулярных и других безмасляных машин [4, 5]. 
За рубежом НВСп выпускаются уже более 25 лет и продолжают 
непрерывно исследоваться и совершенствоваться, а в России серийный 
выпуск НВСп начался только в 2016 г [6, 7]. Внедрение спиральных 
машин происходит в условиях жесткой конкуренции с ведущими мировыми производителями вакуумной техники [8–10], поэтому настоящая работа направлена на всестороннее изучение рабочего процесса 
НВСп, что создаст предпосылки к дальнейшему развитию отечественных спиральных машин для обеспечения их конкурентоспособности. 
В нашей стране первые разработки спиральных компрессорных 
машин были проведены группой ученых под руководством И. А. Сакуна. Исследование спиральных компрессоров было продолжено в работах Е. Р. Ибрагимова [11] и Ю. А. Паранина [12] под руководством 
И. Г. Хисамеева. В проведенных работах выполнено индицирование 
и термометрирование спирального компрессора и на основе полученных экспериментальных зависимостей разработана методика расчета.  
Исследование спиральных машин, работающих в условиях вакуума, началось около 10 лет назад на кафедре вакуумной техники 
7 

электрофизических установок КНИТУ, в результате появилась работа 
Р. Р. Якупова [13], где представлены результаты измерений быстроты 
действия при различных частотах вращения приводного вала, разработана математическая модель НВСп с учетом тепловых деформаций 
спиральных элементов. 
Наиболее универсальные методы расчета НВСп представлены 
в работах авторов Zeyu Li [14], Xiang-Ji Yue [16] и Tadashi Sawada [17], 
в которых описывается математическая модель рабочего процесса спирального вакуумного насоса, основанная на решении дифференциальных уравнений с учетом результатов экспериментального исследования как внешних, так внутренних характеристик спиральной машины. 
Особый интерес представляют работы Xiang-Ji Yue, A Spille-Kohoff [18] и Qingqing Zhang [19]. В них моделирование течения газа 
в спиральном насосе проводится с помощью методов вычислительной 
гидродинамики, называемых CFD (Computational Fluid Dynamics). 
Авторы признательны коллегам за полезные обсуждения, предоставление отдельных материалов и разнообразную помощь при подготовке рукописи. Особой благодарности заслуживает вклад кандидата физико-математических наук, доцента М. Д. Бронштейна (КНИТУ, Казань). 
Критические замечания и предложения читателей будут приняты 
с благодарностью. 
8 

.  С О С Т О Я Н И Е  В О П Р О С А  И  З А Д А Ч И  
И С С Л Е Д О В А Н И Я  
1.1. Определение принципа действия НВСп 
НВСп – уникальный насос, который согласно ГОСТ 5197-85 «Вакуумная техника. Термины и определения» [24] сочетает в себе различные конструктивные решения и принципы действия сразу четырех вакуумных насосов (ВН). Так, в НВСп одновременно сочетаются: 
– механический вакуумный насос;
– вакуумный насос объемного действия;
– газобалластный вакуумный насос;
– вакуумный насос с сухим уплотнителем.
Для полноты картины дадим определения из ГОСТа перечисленных насосов. 
Механический вакуумный насос – газоперекачивающий вакуумный насос, откачивающее действие которого основано на перемещении 
газа вследствие механического движения рабочих частей насоса [24]. 
Вакуумный насос объемного действия – механический вакуумный насос, в котором объем, заполненный газом, периодически отсекается от входа и перемещается к выходу [24]. 
Газобалластный вакуумный насос – вакуумный насос с масляным уплотнением, снабженный устройством для дозированной подачи 
неконденсирующегося газа с целью предотвращения конденсации откачиваемых паров в насосе [24]. 
Вакуумный насос с сухим уплотнителем – вакуумный насос объемного действия без масляного (жидкостного) уплотнения [24]. 
Теперь можно сказать, что НВСп – это газоперекачивающий механический вакуумный насос, окачивающее действие которого основано на периодическом изменении объема серповидных полостей 
(рис. 1.2), которые сформированы неподвижным (поз. 1 на рис. 1.1) 
и подвижным (поз. 2 на рис. 1.1) спиральными элементами. Изменение 
серповидных полостей происходит в результате орбитального движения подвижного спирального элемента относительно неподвижного. 
Таким образом, газ переносится со входа на выход насоса. 
9 

Рис. 1.1. Общий вид НВСп: 1 – спиральный элемент подвижный; 
2 – спиральный элемент неподвижный;  3 – корпус; 
4 – вал эксцентриковый приводной; 5 – вал противоповоротный; 
6 – противовес;  7 – крыльчатка вентилятора; 
8 – компенсатор; 9 – полумуфта; 
10 – электродвигатель;  
11 – вентилятор электрический; 12 – входной патрубок; 
13 – патрубок выходной; 14 – опора;  
15 – кронштейн; 16 – уплотнитель торцевой; 17 – кожух вентилятора; 
18 – канал подачи балластного газа; 19 – обратный клапан; 
20 – дозатор газобалластного устройства; 
21, 22 – подшипники  радиально-упорные; 23 – подшипник; 
24 – подшипник игольчатый; 25, 27  – манжеты; 
26 – кольцо  уплотнительное 
10