1. Введение

Промышленные маслозаполненные винтовые вакуумные насосы выполняют две главные функции: снижать давление и поддерживать требуемую глубину вакуума. Вакуумирование это процесс снижения давления в конкретном пространстве или объеме от атмосферного до требуемой глубины вакуума. Процесс поддержания вакуума позволяет поддерживать в конкретном пространстве или объеме необходимую глубину вакуума и вакуумный насос продолжает работать, поддерживая ее в случае какого-либо проникновения воздуха в систему. Большинство применений сочетает обе этих функции. Существуют применения, где требуется только вакуумирование. Когда достигается требуемая глубина вакуума, вакуумный насос отключается. Несмотря на то, что промышленный маслозаполненный вакуумный насос, сконструированный должным образом, может достигать глубины вакуума 29,9 дюймов ртутного столба, обычно они используются для достижения глубины вакуума от 15 до 28 дюймов ртутного столба.

Очевидно, что вакуумные насосы работают при значительных колебаниях внешней степени сжатия. В процессе вакуумирования , давление в системе продолжает понижаться (увеличивается глубина вакуума), таким образом увеличивается степень сжатия. В данной статье в качестве примера рассматривается винтовой вакуумный насос SKY220V, степень сжатия может повышаться от 1,7, когда давление в системе равно атмосферному, до 16,7, когда глубина вакуума составляет 28 дюймов ртутного столба. Обычно винтовые компрессоры, применяемые в вакуумных насосах, имеют фиксированную геометрическую степень сжатия от 1,9 до 2,1. Причиной использовать компрессоры с низкой геометрической степенью сжатия является попытка избежать работы компрессора при серьезном пережатии во время процесса вакуумирования, когда внешняя степень сжатия низкая, и тем самым избежать применения большого типоразмера двигателя для привода винтового вакуумного насоса. Однако низкая геометрическая степень сжатия приводит к серьезному недожатию, когда глубина вакуума в системе достигает 15…28 дюймов ртутного столба, что соответствует степеням сжатия от 3,0 до 16,7, как рассматривается в данной статье. Недожатие приводит к повышенному энергопотреблению когда вакуумный насос поддерживает определенную глубину вакуума в системе. Идеальные винтовые компрессоры, применяемые для вакуумных насосов, следует оснащать устройствами, позволяющими обеспечить переменную степенью сжатия. Конфигурация порт нагнетания, определяемая геометрической степенью сжатия, всегда соответствует условиям работы, обеспечивая, таким образом, соответствующую степень сжатия.

Автор представляет новую «гибкую» конструкцию порта нагнетания для винтовых компрессоров в [1], на эту конструкцию был получен патент в некоторых странах, а в других процесс получения патента продолжается. Конструкция не зависит от датчиков давления, электрических и механических устройств для установки порта нагнетания в положение, соответствующее действительной степени сжатия как в традиционном золотнике. Показатели эффективности «гибкой» конструкции порта нагнетания лучше, чем клапанов нагнетания применяемых в поршневых компрессорах. Геометрическая степень сжатия или конфигурация порт нагнетания, определяемая геометрической степенью сжатия, всегда автоматически соответствует внешней степени сжатия. Винтовой компрессор с «гибким» портом нагнетания позволяет избежать любого потенциального недожатия и пережатия, когда внешняя степень сжатия меняется. По сравнению с традиционным золотником, «гибкая» конструкция порта нагнетания является автоматическим клапаном, значительно упрощенным и более надежным за счет отсутствия датчиков давления, контрольных и исполнительных механизмов. «Гибкий» порт нагнетания идеален для маслозаполненных винтовых вакуумных насосов, данная статья описывает конструкцию и результаты измерений характеристик маслозаполненного винтового вакуумного насоса.

2. Конструкция винтового вакуумного насоса с «гибким» портом нагнетания

На рисунке 1 показан разрез винтового вакуумного насоса с «гибким» портом нагнетания. Золотник 1 соединен с двумя поршнями 1 и 2, каждый поршень имеет свой собственный цилиндр 4 и 5 соответственно; один поршень расположен на входе насоса, второй – на стороне нагнетания. Поршни могут перемещаться внутри цилиндров совместно с золотником. Цилиндр 4 на входе соединен с давлением нагнетания с помощью отверстия 7 в золотнике, и таким образом внутри цилиндра 4 давление равно давлению нагнетания вакуумного насоса, обычно немного выше атмосферного давления. Цилиндр 5 на стороне нагнетания соединен с последней закрытой парной полостью винтов перед процессом нагнетания через отверстие 8 в золотнике, и среднее давление равно давлению в последней закрытой полости винтов.

Полагается, что два цилиндра и золотник имеют туже площадь поперечного сечения, которая естественно может отличаться в зависимости от конкретной конструкции. Перед пуском вакуумного насоса, давление на входе и давление нагнетания вакуумного насоса одинаково и равно атмосферному. Золотник находится напротив входа за счет силы сжатой пружины 6, таким образом, вакуумный насос имеет самую низкую внутреннюю степень сжатия. Самая низкая геометрическая степень сжатия приводит к низкому пережатию во время процесса пуска, и таким образом к низкому пусковому моменту. Поскольку глубина вакуума на входе увеличивается в процессе вакуумирования, среднее давление внутри последней закрытой полости винтов и внутри цилиндра 5 значительно уменьшается, и золотник движется к области нагнетания до тех пор, пока не будет достигнут баланс между осевыми силами двух поршней и пружины, и конфигурация порта нагнетания определяется золотником в его оптимальном положении. Если глубина вакуума на входе меняется, золотник меняет свое положение на новое оптимальное. Если глубина вакуума на входе уменьшается, внешняя степень сжатия на вакуумном насосе уменьшается, золотник перемещается ближе к входу, и геометрическая степень сжатия значительно уменьшается. Если глубина вакуума на входе увеличивается, внешняя степень сжатия на вакуумном насосе увеличивается, золотник перемещается ближе к нагнетанию, геометрическая степень сжатия также увеличивается.

3. Среднее давление в последней закрытой парной полости винтов.

Важно определить нагрузку на пружину и ее жесткость. Для расчета пружины требуются следующие параметры: перемещение золотника, нагрузка на пружину при максимальном перемещении, нагрузка на пружину при нулевом перемещении. Нагрузка на пружину может быть рассчитана на основании давления нагнетания, которое является практически постоянным для маслозаполненных винтовых вакуумных насосов и немного выше атмосферного давления и среднего давления в последней закрытой полости винтов. В соответствии с рабочими условиями, оптимальная геометрическая степень сжатия может быть определена с помощью имитации рабочего процесса. Математическая модель, применяемая для такой имитации, представлена в [2], соответствующее программное обеспечение описано в [3]. Среднее давление в последней закрытой полости винтов рассчитывается в соответствии с результатами моделирования рабочего процесса.

В данной статье в качестве примера рассматривается винтовой вакуумный насос Kaishan модели SKY220V. Рабочие условия и результаты моделирования для SKY220V представлены ниже. В таблице 1 описаны геометрические параметры и рабочие условия, в таблице 2 представлены результаты моделирования.

Зная величины геометрических степеней сжатия для радиального порта нагнетания можно рассчитать перемещение золотника. Нагрузка на пружину может быть рассчитана на основании давления нагнетания и соответствующего среднего давления в последней закрытой полости винтов. Пружина может быть рассчитана в соответствии с перемещением золотника и соответствующей нагрузки на пружину при различных перемещениях золотника.