+7 (495) 664 22 07 baza@vacuumpro.ru

Конструкция турбомолекулярных насосов

Далее поговорим о конструкции турбомолекулярного насоса.

Гнеметрические параметры ротора и статора

Быстрота действия и степень сжатия ТМН в значительной степени зависят от геометрии ротора и частоты вращения. Начиная с первоначальной конструкции (1958 г.) ротора и статора были разработаны новые формы дисков. Геометрия этих дисков, вместе с увеличением значений частоты вращения ротора, позволяют использовать значительно меньшие и более легкие роторы для диапазона более высоких частот вращения.

Поскольку производительность (поток газа через насос) является постоянной (произведение давления на быстроту действия) на каждой ступени, лопасти, находящиеся ближе всего к впуску ТМН, предназначаются для высокой быстроты действия и низкой степени сжатия, в то время как лопасти, находящиеся ближе всего к форвакуумному порту, предназначаются для высокой степени сжатия и низкой быстроты действия (рис. 5).

ротор турбомолекулярного насоса

Рис. 5. Ротор с дисками различной конструкции.

  Скорость откачки Сжатие
Лопасти с резким наклоном на стороне высокого вакуума (40 .. 45°) Высокая Низкое
Лопасти с меньши наклоном в переходной области (35 .. 22°) Средняя Среднее
Лопасти с малым наклоном на стороне выпуска (20 юю 10°) Низкая Высокое

По экономическим соображениям было бы нецелесообразно делать каждую ступень отличающейся от соседней. Компромисс заключается в том, что предусматриваются группы от двух до четырех различных типов лопастей, в которых каждая предназначается для конкретного соотношения быстроты действия и степени сжатия.

Технология производства роторов и статоров оказывает влияние на величины быстроты действия и степени сжатия. Роторы могут производиться из индивидуально обработанных дисков, термически насаживаемых с натягом на вал ротора, полные группы которых обрабатываются на станках из одного блока материала или при производстве роторов посредством электроэрозионной обработки. Индивидуально обработанные диски обеспечивают преимущество, заключающееся в их оптической непроницаемости, что делает их максимально подходящими для сжатия. При других технологиях производства роторов получаются диски с меньшей непроницаемостью и более низкой степенью сжатия, что делает их максимально подходящими для большой быстроты действия.
Статоры производятся либо из индивидуально обработанных на станках дисков, либо из штамповок.

Первые коммерческие ТМН были насосами двойного потока («горизонтальные»), имеющими ротор с двумя торцами, откачивающими газ из центрального впуска в обе стороны и направляюгцими поток газа в общую форвакуумную линию. ТМН одного потока («вертикальные»), использующие одноторцевые роторы, появились в 1969 г. Конструкция с двойным ротором позволяет получить более стабильную конструкцию подшипников, что является преимуществом для облегчения балансировки и снижения уровней вибрации. Однопоточная конструкция характеризуется меньшими потерями в проводимости между впускным фланцем и ротором, в то время как конструкция двойного потока страдает от потерь вследствие двухстороннего впуска. Сегодня только в нескольких моделях коммерческих ТМН по-прежнему используется двухпоточная конструкция.

Подвеска ротора

За это время произошло поразительное изменение размера ТМН. Это стало возможным благодаря увеличению окружной скорости со 150 м/с (1958 г.) до приблизительно 400-500 м/с в конструкциях наших дней, а также благодаря изменениям геометрии ротора. Эти значения окружной скорости относятся к высоким значениям частоты вращения роторов, которые создают высокие нагрузки на подвеску.

Механические подшипники

Сегодня большинство роторов ТМН снабжают смазываемыми механическими подшипниками либо оснащают сочетанием магнитной подвески на высоковакуумной стороне со смазываемым механическим подшипником на форвакуумной стороне. В зависимости от диаметра диска частота вращения ротора повышается до 90 000 об/мин. Эти высокие значения частоты вращения стали возможными благодаря достижениям в разработке подшипников и методов балансировки. Сегодня существуют высокопрецизионные шариковые подшипники, которые при условии специальной настройки на определенный ротор ТМН, при сравнимых радиальных и осевых нагрузках, имеют более продолжительный срок службы, даже при значительно более высоких значениях частоты вращения, чем подшипники более старой конструкции.

В настоящее время широко используются керамические подшипники (керамические шарики). Керамические шарики создают более низкие центробежные силы и напряжение на обоймах, чем металлические шарики и имеют стабильную сферическую форму и минимальный износ шариков и обойм. Их поверхность более гладкая, что ведет к созданию меньшего трения, и сочетание различных материалов (керамических шариков/стальных обойм) позволяет избежать точечного выкрашивания. Поэтому эти подшипники являются более надежными даже в условиях дефицита смазки.

Смазка механических роторных подшипников

Смазочные материалы, используемые для механических роторных подшипников, должны отвечать трем главным требованиям:

  1. Охлаждать подшипники ротора, потому что они работают в форвакуумных условиях и передача теплоты от внутренней обойме к наружной возможна только посредством смазки.
  2. Обеспечивать низкое давление паров.
  3. Хорошие смазочные свойства при высокой скорости.

Сегодня большинство используемых смазочных материалов имеет синтетическую основу.

Даже при низких значениях массы ротора для передачи теплоты необходим минимальный поток жидкости. Во многих меньших по размеру ТМН используется фитильная система смазки, в то время как большинство больших по размеру ТМН имеет насосные системы для циркуляции масла. Также используются керамические подшипники с консистентной смазкой.

Сухие подшипники - магнитная подвеска

После неудачных опытов с ТМН, имеющими «газовый подшипник», были разработаны ТМН с магнитной подвеской, в которых электронная система активно контролирует одну, две, три или все возможные пять степеней свободы ротора (рис. 6).

магнитная подвеска ротора тмн

Рис. 6. Магнитная подвеска ротора.

За положением шпинделя ротора ведут наблюдение датчики. Механическое трение, а отсюда и износ отсутствуют. Цена этих магнитных насосов по-прежнему значительно выше цены ТНМ со стандартными шарикоподшипниками, что ограничивает их широкое применение.

Балансировка и вибрация

Динамическая балансировка ротора ТМН имеет важное значение для минимизации уровней вибрации и шума, которые связаны со сроком службы механического подшипника. В связи с высокой частотой вращения роторов ТМН центробежные силы, связанные с остаточным дисбалансом (неоднородности материала, радиальный зазор подшипника, геометрические неточности)
достигают значительной величины и передают вибрацию корпусу насоса.

В процессе балансировки изменяется распределение массы ротора путем добавления или снятия материала для того, чтобы приблизить насколько можно больше ось вращения к главной оси инерции. Для дальнейшего сокращения влияния остаточного дисбаланса механические подшипники ротора в ТМН фиксируются в эластичных противовибрационных манжетах, которые эффективно гасят остаточные несбалансированные усилия.

Динамическая многочастотная балансировка ротора, как правило, выполняется в нескольких плоскостях. Эта относительно сложная процедура в последние несколько лет была упрощена благодаря использованию компьютеров и специализированного программного обеспечения. Современные ТМН имеют очень низкие амплитуды остаточной вибрации, ниже 0,02 μм. Эти низкие значения необходимы для использования ТМН с чувствительными к вибрации приборами, в частности такими, как масс-спектрометры и электронные микроскопы.

Материалы для производства роторов

В большинстве ТМН в качестве материала ротора используются высокопрочные сплавы Аl. По сравнению с другими высокопрочными материалами, в частности такими, как Ti и стальные сплавы, эти сплавы Аl имеют более низкий удельный вес, значительно легче поддаются механической обработке и имеют достаточную термическую стабильность в диапазоне рабочих температур даже при типичных циклах термической обработки ТМН. Сообщается о применении керамики (Si3N4) для использования ТМН в очень сильных магнитных полях.

Типичное максимальное напряжение в основании лопаток ротора высокоскоростного ТМН, работающего в диапазоне от 50 до 150 Н/мм2, значительно ниже пределов относительного удлинения 0,2% соответствующих сплавов А1 (например AlZnMgCu 1,5 F50: 430 Н/мм2).

Системы привода

Приводной ротор ТМН является неотъемлемой частью откачивающего ротора и вместе с его приводным статором располагается в форвакуумной зоне.

Сегодня используется три различные системы двигателей: двигатель постоянного тока, двигатель переменного тока и гистерезисный двигатель. Несколько более дорогой двигатель постоянного тока имеет более низкое потребление и потери энергии по сравнению с другими двигателями. Двигатели приводятся в движение полупроводниковыми преобразователями частоты. Некоторые из этих преобразователей могут приводить в движение ТМН с переменными значениями скорости ротора.

Для специальных видов применения (например высокая радиация с ускорителями частиц) имеются преобразователи частоты с приводом от электродвигателя.

Группа РОСВАКУУМ

Адрес: 107023 Россия, г. Москва, Электрозаводская улица, 21

Часы работы офиса: с 9:00 до 18:00 по Москве.

 

Телефон: +7 (495) 664-22-07

E-mail: baza@vacuumpro.ru

 

Чтобы заказать бесплатный подбор оборудования, отправить заявку, запрос или получить консультацию инженеров - свяжитесь с нами по телефону или E-mail.

В базе 310 производителей и поставщиков вакуумного оборудования и техники (РФ, СНГ и зарубежные компании). Цены, наличие на складах и технические характеристики оборудования и техники уточняйте только по электронной почте E-mail.