Вакуумное оборудование используется во многих технологических процессах, где необходимо удалить воздух, газ или парогазовую смесь из герметичного объема и поддерживать давление ниже атмосферного. Для разных диапазонов давления применяются различные типы насосов: пластинчато-роторные, винтовые, спиральные, жидкостно-кольцевые, турбомолекулярные и другие. Отдельную группу составляют двухроторные вакуумные насосы типа Рутс, к которым относится серия НВД.
Насосы НВД представляют собой объемные роторные машины, предназначенные прежде всего для повышения быстроты откачки в определенном диапазоне давлений. В рабочей камере два профилированных ротора синхронно вращаются навстречу друг другу и перемещают газ от входного патрубка к выходному. При этом рабочие поверхности роторов в нормальном режиме не должны соприкасаться между собой и со стенками камеры.
В российской промышленной номенклатуре двухроторные НВД насосы выпускаются в нескольких типоразмерах. Актуальная линейка АО "Вакууммаш" включает модели с различной быстротой действия; производитель относит их к сухим двухроторным насосам типа Рутс и указывает применение в качестве вспомогательного вакуумного оборудования.
Что означает двухроторная схема
Название отражает основной принцип конструкции. Внутри корпуса расположены два ротора сложного профиля. Они установлены на параллельных валах и вращаются в противоположных направлениях.
Форма роторов подбирается таким образом, чтобы при вращении они проходили рядом друг с другом с небольшими зазорами, не вступая в непосредственный контакт. Аналогичный зазор предусматривается между ротором и внутренней поверхностью корпуса.
Когда роторы поворачиваются, между ними и корпусом образуются изменяющиеся рабочие объемы. Газ захватывается со стороны входа, перемещается вдоль камеры и вытесняется через выпускное отверстие.
С точки зрения принципа действия насос относится к объемным машинам. Газ перемещается не за счет высокоскоростной молекулярной передачи, как в турбомолекулярных насосах, а за счет последовательного переноса определенного объема рабочей среды.
Почему такие насосы называют насосами Рутса
Принцип двух взаимно синхронизированных роторов широко известен как схема Рутса. Она используется не только в вакуумной технике, но и в воздуходувных машинах.
В вакуумной системе такой агрегат часто играет роль бустерной ступени. Он способен значительно увеличить скорость удаления газа в диапазоне, где производительности одного форвакуумного насоса становится недостаточно.
Именно поэтому двухроторный насос обычно рассматривается не как полностью самостоятельный источник вакуума, а как элемент насосного агрегата.
Например, для НВД-200 производитель прямо указывает необходимость совместной работы с форвакуумным насосом. Для этой модели минимальная требуемая быстрота действия форвакуумной ступени составляет 16 м³/ч.
Зачем необходим форвакуумный насос
Двухроторная ступень плохо приспособлена к работе с большим перепадом давления между входом и выходом.
При запуске непосредственно против атмосферного давления повышается нагрузка на привод, увеличивается нагрев и ухудшаются условия работы роторов.
Поэтому сначала предварительный насос снижает давление в системе. После достижения допустимого уровня подключается НВД и увеличивает общую скорость откачки.
В качестве форвакуумной ступени могут использоваться насосы других типов, если их характеристики соответствуют требованиям конкретной модели и технологической установки.
При проектировании системы необходимо согласовывать производительность обеих ступеней. Слишком слабый форвакуумный насос не сможет своевременно удалить газ, поступающий от двухроторного агрегата.
Как происходит перемещение газа
За один оборот роторов процесс повторяется несколько раз.
На стороне всасывания образуется свободный объем, в который поступает газ из вакуумируемой камеры. По мере вращения этот объем отделяется от входного патрубка и перемещается к выпуску.
Затем газ соединяется с областью более высокого давления и вытесняется в сторону форвакуумного насоса.
Существенная особенность схемы заключается в том, что внутри рабочей камеры нет классического механического сжатия при помощи контактирующих поршней или пластин.
Однако при соединении переносимого объема с выходной областью происходит выравнивание давления. Этот процесс связан с выделением тепла и влияет на допустимые режимы работы.
Поэтому производители устанавливают ограничения по перепаду давления и предусматривают средства защиты от перегрузки.
Перепускной клапан
Для защиты насоса в некоторых моделях НВД применяется перепускной клапан.
Например, в корпусе НВД-200 установлен подпружиненный перепускной клапан, предназначенный для защиты от чрезмерной нагрузки.
При определенной разнице давлений клапан позволяет части газа пройти по обходному пути.
Благодаря этому уменьшается нагрузка на двигатель и роторный механизм.
Подобная защита особенно важна в переходных режимах, когда давление в системе еще относительно высокое.
Наличие клапана не отменяет правильной последовательности запуска. Вакуумная установка должна эксплуатироваться согласно схеме и требованиям документации конкретного оборудования.
Почему НВД относят к сухим насосам
Рабочая камера двухроторного насоса типа Рутс не требует постоянного заполнения маслом для герметизации пространства между роторами.
Поэтому такой насос относят к сухим.
Это дает важное технологическое свойство: в рабочем объеме отсутствует масляная пленка, непосредственно контактирующая с перекачиваемым газом.
Такая особенность востребована в процессах, где нежелательно попадание паров рабочей жидкости в вакуумируемую систему.
Однако термин "сухой насос" не означает полного отсутствия масла во всей конструкции.
Смазочный материал может использоваться в подшипниковых и зубчатых узлах, отделенных от рабочей камеры. Например, для НВД-200 в технических характеристиках указана рабочая жидкость для соответствующих узлов и ее заправочный объем.
Синхронизация роторов
Одной из наиболее важных частей двухроторной машины является механизм синхронизации.
Роторы должны вращаться с очень точным взаимным положением. Их поверхности проходят на небольшом расстоянии друг от друга, поэтому даже небольшое нарушение фазировки способно привести к контакту.
Обычно синхронизация обеспечивается зубчатыми колесами, расположенными вне рабочей камеры.
Шестерни не позволяют одному ротору произвольно обгонять другой и поддерживают необходимое угловое положение.
Точность изготовления и регулировки этого механизма непосредственно влияет на надежность насоса.
Поэтому при ремонте двухроторных агрегатов особое внимание уделяется состоянию подшипников, шестерен и величине рабочих зазоров.
Значение рабочих зазоров
Небольшие зазоры являются фундаментальной особенностью конструкции.
С одной стороны, они должны быть минимальными. Чем больше расстояние между ротором и корпусом, тем больше газа может возвращаться с выпускной стороны на вход, снижая эффективность.
С другой стороны, слишком маленький зазор увеличивает риск механического контакта при температурном расширении деталей.
Роторы и корпус нагреваются в процессе работы, а их размеры немного изменяются.
Поэтому конструктор должен учитывать тепловые деформации, точность обработки и характеристики материалов.
Попадание твердых частиц в рабочую камеру также опасно: частица может оказаться между ротором и корпусом и вызвать повреждение поверхности.
Требования к откачиваемому газу
Не любой газ можно без ограничений пропускать через стандартный НВД.
Производитель актуальных насосов серии указывает, что оборудование предназначено для откачки воздуха и неагрессивных к материалам конструкции пожаро- и взрывобезопасных, нетоксичных газов, паров и парогазовых смесей. Среда должна быть очищена от капельной влаги и механических загрязнений.
Это требование напрямую связано с устройством насоса.
Жидкость в рабочей камере может создавать гидравлические нагрузки и нарушать работу роторов.
Абразивные частицы способны повреждать поверхности и увеличивать зазоры.
Агрессивные вещества могут воздействовать на корпус, уплотнения и другие конструктивные элементы.
Поэтому при сложных технологических процессах перед насосом устанавливают фильтры, сепараторы или другие устройства подготовки газа.
Производительность двухроторного насоса
Один из основных параметров вакуумного насоса - быстрота действия.
Она показывает, какой объем газа насос способен откачивать за единицу времени при определенных условиях.
Для двухроторных машин этот показатель существенно зависит от входного давления.
Поэтому значение, приведенное в паспорте, обычно связано с конкретной рабочей точкой.
Например, НВД-200 имеет заявленную быстроту действия 180 м³/ч при входном давлении 26,6 Па. Для этой модели также указано воздушное охлаждение и электродвигатель мощностью 1,1 кВт.
Более крупные модели серии имеют существенно большую производительность. Поэтому при выборе необходимо ориентироваться на график быстроты действия, а не только на число в названии.
Предельное остаточное давление
Еще одна характеристика - минимальное остаточное давление, которое может быть достигнуто системой в определенных условиях.
Для отдельной двухроторной ступени этот параметр нельзя рассматривать независимо от форвакуумного насоса.
Общий предел установки определяется сочетанием характеристик всех элементов: основной камеры, трубопроводов, соединений, уплотнений, НВД и предварительной ступени.
Даже производительный насос не позволит получить необходимый вакуум при значительной негерметичности системы.
Поэтому измерение утечек и контроль состояния соединений являются обязательной частью эксплуатации вакуумной установки.
Почему производительность меняется с давлением
При высоком входном давлении возрастает масса газа, перемещаемого за один оборот.
Это увеличивает мощность, необходимую для работы, и тепловую нагрузку.
При слишком низком давлении начинает возрастать относительное влияние обратных перетеканий через конструктивные зазоры.
Между этими областями существует диапазон, в котором насос работает наиболее эффективно.
Именно поэтому производитель определяет рабочие диапазоны давления для конкретной серии. В актуальном описании НВД указано, что высокая быстрота действия достигается в области среднего вакуума; оборудование рассматривается как вспомогательная ступень вакуумной системы.
Вакуумный агрегат из двух насосов
На практике НВД часто является частью агрегата.
Упрощенная система включает вакуумируемую камеру, трубопровод, двухроторный насос и форвакуумный насос.
При пуске сначала начинает работать предварительная ступень.
После снижения давления включается двухроторный насос.
Автоматическая система управления может контролировать давление датчиками и самостоятельно определять момент запуска дополнительной ступени.
Такой подход уменьшает вероятность перегрузки и упрощает эксплуатацию крупной установки.
Дополнительно используются вакуумные затворы, обратные клапаны, датчики давления и защитная автоматика.
Влияние диаметра трубопровода
Высокая паспортная производительность насоса еще не означает такую же скорость откачки непосредственно из технологической камеры.
Газ должен пройти по трубопроводам от камеры к насосу.
Если трубопровод слишком длинный или имеет малый диаметр, его проводимость ограничивает реальную быстроту откачки.
Ситуацию дополнительно ухудшают резкие повороты, узкие клапаны и переходники.
Поэтому для высокопроизводительного НВД необходимо соответствующим образом проектировать вакуумную магистраль.
Иногда замена трубопровода на более широкий дает больший результат, чем установка еще более мощного насоса.
Охлаждение
В процессе работы часть энергии превращается в тепло.
Нагрев возникает в подшипниках и приводных элементах, а также в результате газодинамических процессов.
Конкретная система охлаждения зависит от модели.
Для НВД-200 производителем предусмотрено воздушное охлаждение.
Установка насоса должна обеспечивать нормальный теплообмен с окружающей средой.
Если вентиляционные отверстия перекрыты или температура в помещении превышает допустимый уровень, тепловой режим ухудшается.
В каталоге серии НВД для рассматриваемого исполнения указан рабочий диапазон температуры окружающего воздуха и откачиваемой среды от +10 до +35 °C.
Электропривод
Роторы приводятся во вращение электродвигателем.
Для промышленных моделей обычно используется трехфазное питание.
Актуальное описание серии НВД "Вакууммаш" предусматривает питание от сети 400 В частотой 50 Гц.
Мощность двигателя зависит от размера насоса и его производительности.
При проектировании установки необходимо учитывать пусковые токи, средства защиты двигателя и требования к кабельным линиям.
Не менее важна правильность направления вращения.
После монтажа оборудования обычно выполняется проверка фазировки и кратковременный контрольный пуск согласно инструкции производителя.
Где применяются насосы НВД
Двухроторные насосы востребованы там, где требуется быстро откачивать сравнительно большие объемы газа в области среднего вакуума.
Одно из направлений - вакуумные печи и металлургические установки.
Откачка позволяет уменьшить содержание газов в рабочей зоне и создавать условия для термической обработки материалов.
Другая область - вакуумная сушка и дегазация.
Понижение давления облегчает удаление газов и влаги из материалов.
Производитель также указывает среди областей применения вакуумную перегонку, сублимационную сушку, холодильную технику, вакуумное напыление, микроэлектронику, машиностроение и научно-исследовательские процессы.
Применение в вакуумной металлургии
В металлургических процессах вакуум используется для уменьшения концентрации газовых примесей и проведения некоторых видов термической обработки.
Объем промышленных камер может быть значительным.
Поэтому требуется высокая скорость прохождения области предварительного и среднего вакуума.
Двухроторная ступень позволяет ускорить этот участок процесса.
При этом насос должен быть защищен от технологической пыли и продуктов процесса.
Состав вакуумной системы зависит от конкретной печи и обрабатываемого материала.
Вакуумная сушка
При уменьшении давления температура кипения жидкости снижается.
Это используется при сушке материалов, для которых нежелательно сильное нагревание.
Вакуумная система удаляет пары из сушильной камеры и поддерживает необходимое давление.
Если объем камеры велик или выделение паров интенсивно, требуется значительная производительность.
В такой установке НВД может работать совместно с предварительным насосом и системой отделения конденсата.
Особенно важно предотвращать попадание капельной жидкости непосредственно в рабочую камеру двухроторного насоса.
Вакуумное напыление
При нанесении тонких покрытий технологическая камера сначала откачивается до заданного давления.
Быстрота этого процесса влияет на продолжительность производственного цикла.
НВД может использоваться на предварительных ступенях откачки, сокращая время выхода на диапазон, в котором начинает эффективно работать высоковакуумное оборудование.
Далее могут подключаться другие насосы, например турбомолекулярные.
Так формируется многоступенчатая вакуумная система, в которой каждый насос работает в наиболее подходящем для него диапазоне.
Преимущества двухроторной схемы
Главное практическое преимущество - высокая быстрота откачки при сравнительно простой рабочей камере.
Отсутствие трущихся уплотняющих деталей непосредственно между роторами уменьшает износ в газовом тракте.
Рабочая камера не заполняется маслом, поэтому снижается риск прямого загрязнения откачиваемого объема рабочей жидкостью.
Кроме того, насосы Рутса хорошо подходят для работы в составе каскадных систем.
Но эти преимущества действуют только при правильной эксплуатации и соблюдении допустимого диапазона давления.
Ограничения
Основное ограничение - зависимость от форвакуумной ступени.
НВД нельзя рассматривать как прямую замену универсальному насосу, который самостоятельно начинает откачку от атмосферного давления во всех режимах.
Второе ограничение связано с чувствительностью к загрязнениям.
Малые рабочие зазоры требуют чистоты газового тракта.
Третья особенность - необходимость точной синхронизации роторов.
Износ подшипников или шестерен способен привести к изменению взаимного положения деталей.
Также необходимо учитывать ограничения по составу газа и температуре.
Техническое обслуживание
Несмотря на отсутствие масла в рабочей камере, двухроторный насос требует планового обслуживания.
Контролируется состояние смазки в соответствующих механических узлах, герметичность соединений, температура, шум и вибрация.
Производитель серии НВД предусматривает регламентные уровни технического обслуживания: ежедневный контроль, ежемесячное и полугодовое обслуживание. Точные интервалы и перечень операций необходимо брать из документации конкретной модели.
Любое неожиданное изменение звука работы требует внимания.
Контакт роторов при нормальной эксплуатации недопустим, поэтому металлический шум может указывать на серьезную неисправность.
Что вызывает снижение производительности
Причин может быть несколько.
Одна из наиболее распространенных - утечка воздуха в вакуумной системе.
Другой вариант - загрязнение трубопровода или фильтра.
Производительность также снижается при неправильной работе форвакуумной ступени.
Износ оборудования способен увеличить внутренние зазоры, что приводит к росту обратного перетекания газа.
Отдельно необходимо проверять вакуумные датчики: ошибочные показания иногда создают впечатление проблемы с насосом, хотя причина находится в измерительной системе.
Поэтому диагностику проводят последовательно, рассматривая установку как единый комплекс.
Выбор модели НВД
Подбирать насос только по максимальной быстроте действия неправильно.
Сначала определяют объем вакуумной камеры и требуемое время откачки.
Затем учитывают конечное рабочее давление и количество газа, поступающего в систему во время технологического процесса.
Необходимо также выбрать форвакуумный насос.
После этого оценивают проводимость трубопроводов и характеристики клапанов.
Следующий фактор - состав газа. Если присутствует большое количество паров или частиц, предусматриваются системы предварительной очистки.
Только после такого анализа выбирается конкретный типоразмер.
Почему запас производительности не всегда полезен
Иногда оборудование выбирают по принципу "чем мощнее, тем лучше".
В вакуумной технике это не всегда оправдано.
Слишком крупный НВД потребует более производительного форвакуумного насоса, широких трубопроводов и более мощного электропитания.
Если проводимость магистрали ограничена, дополнительная паспортная производительность практически не будет использоваться.
Увеличатся габариты, энергопотребление и затраты на инфраструктуру.
Поэтому рациональная система обычно проектируется как сбалансированный набор компонентов.
Пуск после ремонта или длительного хранения
Перед запуском необходимо проверить состояние оборудования согласно руководству по эксплуатации.
Контролируется уровень и состояние рабочей жидкости в механических узлах, свободное вращение, крепления и электрическое подключение.
Вакуумная система должна быть очищена от посторонних предметов.
После ремонта особенно важна проверка взаимного положения роторов.
Первый запуск выполняется с контролем температуры, шума, вибрации и давления.
Немедленное включение оборудования на максимальную нагрузку без проверки повышает вероятность повреждения.
Место НВД в современной вакуумной системе
Двухроторный насос наиболее эффективно работает не изолированно, а как часть правильно спроектированной системы.
Форвакуумный агрегат создает предварительное разрежение.
НВД увеличивает быстроту действия в промежуточной области.
Если технологическому процессу требуется более глубокий вакуум, далее подключается высоковакуумная ступень.
Автоматика связывает все элементы между собой и предотвращает работу оборудования в нежелательных режимах.
Такой каскадный подход позволяет использовать преимущества каждого принципа откачки.
Заключение
Двухроторные вакуумные насосы НВД относятся к насосам типа Рутс и предназначены прежде всего для интенсивной откачки газов в составе многоступенчатых вакуумных систем. Их рабочий механизм состоит из двух синхронно вращающихся роторов, между которыми и корпусом сохраняются небольшие технологические зазоры.
В рабочей камере отсутствует необходимость в масляном уплотнении, поэтому НВД относится к сухому типу оборудования. При этом смазочная жидкость может использоваться в изолированных приводных и подшипниковых узлах.
Ключевая особенность НВД - необходимость совместной работы с форвакуумным насосом. Предварительная ступень поддерживает допустимое давление на выходе, а двухроторный насос увеличивает общую быстроту откачки. Для конкретных моделей производитель задает минимальные требования к производительности форвакуумного оборудования.
Современная линейка российских НВД включает несколько типоразмеров, отличающихся быстротой действия и мощностью привода. Они применяются в вакуумной металлургии, сушке, дегазации, напылении, машиностроении, микроэлектронике и научных установках.
При выборе необходимо учитывать не только паспортную производительность. Не менее важны рабочее давление, объем камеры, характеристики форвакуумной ступени, проводимость трубопроводов, состав откачиваемого газа и требования к времени технологического цикла.
Надежность двухроторного насоса зависит от чистоты рабочей камеры, состояния подшипников и синхронизирующего механизма, соблюдения температурного режима и своевременного обслуживания. Попадание жидкости или твердых частиц, нарушение рабочих зазоров и эксплуатация с чрезмерным перепадом давления способны привести к серьезным повреждениям.
Поэтому НВД следует рассматривать не просто как отдельный насос высокой производительности, а как специализированный элемент вакуумного комплекса. При правильном согласовании с форвакуумной ступенью, трубопроводами и системой управления двухроторная схема позволяет существенно повысить скорость откачки и сделать промышленный вакуумный процесс более предсказуемым.
