У пластинчато-роторного насоса есть три рабочих зазора, все они называются «зазор», но выполняют совершенно разные функции: боковой зазор между пластиной и пазом ротора определяет, может ли пластина свободно выдвигаться и не заклинивает ли она в пазу; верхний зазор между вершиной пластины и внутренней стенкой камеры насоса, а также торцевой зазор между торцом ротора и крышкой — это пути перетечки газа из полости высокого давления обратно в полость низкого давления. На практике неверно относить любое «падение скорости откачки» только к зазорам: на участке грубой откачки при 500 mbar один торцевой зазор 40 µm отнимает лишь чуть больше процента скорости откачки; ниже 1 mbar тот же зазор способен поднять предельное давление на порядок. В этой статье три зазора рассматриваются отдельно, на трех примерах расчета показано, на каком участке давления каждый из них действует, и почему проблемы со сроком службы в итоге проявляются как «увеличение зазора».
1. Три зазора: расположение, порядок величин и последствия
| Зазор | Расположение | Типичный ориентировочный порядок (холодное состояние) | Основное последствие |
|---|---|---|---|
| Боковой зазор | Боковые поверхности пластины и стенки паза ротора | 0.02–0.08 mm | Перекос пластины, стук, утечка давления у дна паза; при чрезмерном значении — качание пластины и неравномерный износ торцов |
| Верхний зазор | Головка пластины и внутренняя стенка камеры насоса | десятки µm | Перетечка через верхний зазор; после износа напрямую проявляется как рост предельного давления |
| Торцевой зазор | Торцы ротора и пластин до крышки | 10–30 µm | Основной канал перетечки через торцевые поверхности; в маслозаполненном насосе его перекрывает масляная пленка, в безмасляном приходится полагаться только на геометрическую точность |
Приведенные в таблице порядки величин — ориентировочные диапазоны для распространенных моделей, а не чертежные значения конкретного насоса. Фактические значения нужно измерять для каждой модели, причем обязательно в горячем состоянии — почему, объясняется в разделе 4.
2. Пример расчета 1: объем мертвого пространства определяет верхний предел 90–100 mbar для безмасляного одноступенчатого насоса
Номинальный вакуум безмасляных одноступенчатых пластинчато-роторных насосов чаще всего составляет 90–150 mbar; у DPL-V15L и DPL-V25L — 90 mbar, у DPL-V8, DPL-V10 и DPL-V16 — 100 mbar. Это число часто ошибочно принимают за признак «плохо сделанных зазоров», но определяющим фактором является объем мертвого пространства: в момент окончания выпуска газ, оставшийся в мертвом объеме, заперт при 1 атмосфере; когда ротор продолжает вращаться, он сначала расширяется, и всасывание начинается только после того, как давление упадет ниже давления на входе.
При изотермическом расширении связь предельного давления и отношения мертвого объема оценивается так:
p_u = p_exh × V_c / (V_c + V_cyc)
p_exh принимаем 1013 mbar, V_c — объем мертвого пространства, V_cyc — объем всасывания за оборот. Обратный расчет отношения мертвого объема:
| Модель | Номинальный вакуум | Обратно рассчитанное отношение V_c / V_cyc |
|---|---|---|
| DPL-V8 / V10 / V16 | 100 mbar | 100 ÷ (1013 − 100) = 11.0% |
| DPL-V15L / V25L | 90 mbar | 90 ÷ (1013 − 90) = 9.8% |
| DPL-V25 / V40 | 150 mbar (850 mbar по манометру) | 150 ÷ (1013 − 150) = 17.4% |
Три обратно рассчитанных значения попадают в диапазон 10%–17%, что согласуется с геометрическими особенностями пластинчато-роторного насоса: выпускное отверстие и небольшой объем около мертвой точки как раз дают такой порядок. Это также показывает, что для снижения предельного давления безмасляного одноступенчатого насоса нужно не «отшлифовать зазор еще на 5 µm», а уменьшить мертвый объем или сделать двухступенчатый насос.
Если применить ту же модель к маслозаполненному одноступенчатому насосу, получится абсурдный результат: предельный вакуум V0040A–V0100 составляет 0.1 mbar (страница продуктов V0025A–V0100), а обратно рассчитанное отношение мертвого объема — только 0.01%, что геометрически невыполнимо. Причина в том, что в зазорах маслозаполненного насоса есть слой масла, часть сжатого газа растворяется в масле, а мертвый объем пластины выпускного клапана можно сделать очень малым. Предельное давление 0.1 mbar у маслозаполненного насоса достигается не одной только геометрической точностью.
3. Пример расчета 2: вклад одного и того же зазора на участке грубой откачки и на предельном участке совершенно разный
Если рассматривать торцевой зазор как узкую щель, проводимость при вязкостном течении оценивается по формуле прямоугольной щели:
C = b · h³ / (12 η L) Q = C · (p₂² − p₁²) / 2 ΔS = Q / p₁
b — ширина уплотнительной поверхности (принимаем 45 mm), L — длина уплотнения в направлении вращения (принимаем 45 mm), h — торцевой зазор, η — вязкость воздуха при 20 ℃, равная 1.85×10⁻⁵ Pa·s, p₂ принимаем 1013 mbar. В насосе две пластины, у каждой два торца, считаем 4 параллельных пути.
Сначала рассмотрим рабочий участок 500 mbar (p₁ = 50 000 Pa): при h = 40 µm перетечка по одному пути, приведенная к входу, составляет около 0.08 m³/h, по 4 путям суммарно около 0.32 m³/h, что составляет 1.3% от скорости откачки 25 m³/h у V25L. При h = 10 µm эта доля равна 0.02%, ее невозможно измерить.
Теперь предельный участок (p₁ стремится к 0, p₂ по-прежнему 1 атмосфера): поток pV перетечки почти перестает зависеть от p₁; при делении на скорость откачки насоса он дает нижнюю границу предельного давления, допустимую для зазора:
| Торцевой зазор h | Перетечка Q по одному пути | В пересчете на насос 25 m³/h (4 пути) | В пересчете на насос 100 m³/h (4 пути) |
|---|---|---|---|
| 10 µm | 0.023 Pa·m³/s | 0.13 mbar | 0.03 mbar |
| 20 µm | 0.19 Pa·m³/s | 1.1 mbar | 0.27 mbar |
| 40 µm | 1.5 Pa·m³/s | 8.5 mbar | 2.1 mbar |
| 60 µm | 5.0 Pa·m³/s | 29 mbar | 7.2 mbar |
Эта таблица объясняет один распространенный тип неисправности: у маслозаполненного одноступенчатого насоса с паспортным значением 0.1 mbar после нескольких лет работы предельный вакуум останавливается на 1–2 mbar и не идет ниже, хотя всасывающий трубопровод и масло уже меняли. Когда торцевой зазор изношен до 40 µm, по арифметике можно получить только такой порядок. Обратите внимание, что h входит в третьей степени: от 10 µm до 20 µm проводимость растет в 8 раз; при увеличении до 40 µm она снова растет в 8 раз.
Нужно также указать границы применимости: при 500 mbar средняя длина свободного пробега газа составляет около 0.13 µm, по сравнению с торцевым зазором 10 µm число Кнудсена около 0.013, что близко к нижней границе вязкостного течения; приведенная выше формула применима. Когда давление падает ниже нескольких mbar и режим переходит в переходный и молекулярный, проводимость перестает зависеть от давления, а поток pV перетечки стремится к постоянной. Это как раз объясняет другое явление: после износа зазоров предельное давление сначала ухудшается, а скорость откачки на участке грубой откачки почти не меняется.
4. Пример расчета 3: тепловое расширение перераспределяет зазоры в холодном состоянии
Монтажный зазор в холодном состоянии не равен рабочему зазору. Возьмем ротор длиной 100 mm (чугун, α = 11.5×10⁻⁶/K, повышение температуры 50 K) и крышку с корпусом насоса той же длины (литейный алюминий, α = 23.5×10⁻⁶/K, повышение температуры 35 K):
- Удлинение ротора: 100 mm × 11.5×10⁻⁶ × 50 = 57.5 µm
- Удлинение корпуса насоса: 100 mm × 23.5×10⁻⁶ × 35 = 82.3 µm
- Изменение торцевого зазора: 82.3 − 57.5 = +24.8 µm
Алюминиевые детали расширяются больше чугунных, поэтому торцевой зазор в горячем состоянии примерно на 25 µm больше, чем в холодном; утечка зависит от h³, то есть перетечка в горячем состоянии в 3 раза больше, чем в холодном. Направление изменения верхнего зазора тоже не остается постоянным: при диаметре цилиндра 80 mm и повышении температуры чугуна на 40 K внутренний диаметр увеличивается на 36.8 µm, а графитовая или полимерная пластина (α около 4×10⁻⁶/K) при повышении температуры на 60 K удлиняется только на 19.2 µm, поэтому односторонний верхний зазор дополнительно увеличивается на 8.8 µm; верхний зазор 20 µm в холодном состоянии становится 28.8 µm в горячем.
Отсюда два практических вывода: зазор в холодном состоянии не должен быть как можно меньше — слишком малый зазор повышает пусковой момент и риск сухого трения; чтобы определить, нужен ли насосу ремонт, нужно использовать зазоры после 2 часов работы в горячем состоянии и предельное давление в этот момент, а не холодные значения из монтажного листа. Предельное давление горячего насоса немного хуже, чем холодного, — причина именно в этом.
5. Срок службы: как увеличение зазоров превращается в падение скорости откачки
Износ сам по себе постепенный; на практике можно измерить три стадии изменений: на первой растет предельное давление (вклад перетечки через верхний и торцевой зазоры на участке низкого давления увеличивается), на второй падает скорость откачки на участке среднего вакуума, и только на третьей ухудшаются шум и вибрация. По таблице из раздела 3, когда торцевой зазор увеличивается с 10 µm до 40 µm, предельное давление меняется с порядка 0.03 mbar до порядка 2.1 mbar; тот же износ на участке среднего вакуума снижает скорость откачки лишь на несколько процентов, поэтому «скорость откачки еще нормальная» нельзя считать доказательством того, что «с зазорами все в порядке».
О том, как решить, нужно ли менять пластины, и о пяти измеримых сигналах (доля падения скорости откачки, предельное давление, масляное окно, спектр шума, ширина полосы износа на торце) написано в статье Как определить износ пластин; порядок поиска неисправностей — сначала измерить эффективную скорость откачки, затем разбирать насос — приведен в статье Порядок поиска причин падения скорости откачки. Здесь добавим только одно: в условиях пыли износ верхнего зазора ускоряется; если фильтрация на входе подобрана правильно, разница в сроке службы пластин будет больше, чем разница между периодами замены масла.
6. Маслозаполненные и безмасляные: какую часть работы за зазоры берет на себя масляная пленка
В маслозаполненном насосе торцевой зазор перекрывает масляная пленка: она заполняет микроны щелей и снижает вязкостную проводимость на несколько порядков, поэтому одноступенчатый маслозаполненный насос может достигать 0.1 mbar, а двухступенчатый DPL-2V18 — 1×10⁻³ mbar. В безмасляном насосе такой пленки нет; торцевой и верхний зазоры держатся исключительно за счет геометрической точности и способности материала пластин к самосмазыванию, поэтому предельный вакуум остается на уровне 90–150 mbar, а также выше чувствительность к пыли и сухому трению. Допуски на зазоры этих двух типов насосов нельзя переносить друг на друга: если допустить в безмасляном насосе торцевой зазор, допустимый для маслозаполненного, перетечка сразу заберет весь предельный участок; если перенести допуски безмасляного насоса на маслозаполненный, масляной пленке не хватит несущей способности и торцы будут повреждены.
7. Три правила на месте
- После капитального ремонта сначала фиксируйте значения трех зазоров в холодном состоянии, после 2 часов работы повторно измерьте значения в горячем состоянии; для оценки используйте значения в горячем состоянии.
- Не пытайтесь «компенсировать» износ торцевого зазора более толстыми прокладками: прокладки одновременно изменяют объем мертвого пространства и величину выдвижения пластин, скорость откачки и предельное давление меняются вместе; правильный способ — заново притереть или отшлифовать торцевые поверхности с учетом величины теплового расширения.
- При падении скорости откачки сначала проверяйте эффективную скорость откачки, затем разбирайте насос; перед разборкой исключите влияние фильтрации на входе и проводимости трубопровода.
При поставке в регионы с 60 Hz нужно отдельно подтверждать: при повышении частоты вращения температура в горячем состоянии выше, значения торцевого и верхнего зазоров в горячем состоянии отличаются от 50 Hz, температура масла в маслозаполненном насосе также выше. В спецификации указано, что некоторые модели не подходят для регионов с 60 Hz; перед заказом необходимо подтвердить соответствующую конфигурацию у завода.
См. также
- Фильтрация на входе вакуумного насоса: как подобрать для условий с пылью
- Чек-лист установки и первого запуска вакуумного насоса
- Шум и вибрация вакуумного насоса: контроль с момента установки
- Частые вопросы по вакуумным насосам
- Вакуумные насосные агрегаты (комплектные конфигурации)
- Калькулятор подбора (время откачки и преобразование единиц)