I. Турбомолекулярные насосы

Развитие турбомолекулярных насосов в последние годы шло по пути оптимизации параметров насоса, позволяющих увеличить скорость вращения ротора. В работе [3] приводятся характеристики конструкции высокопроизводительного турбомолекулярного насоса. Анализ различных конструкций дисков и лопаток позволил выбрать оптимальные параметры, обеспечивающие большую скорость вращения ротора. Опыты показали, что расстояние между дисками не должно превышать минимальной величины, выбранной по соображениям безопасности работы; по всей длине лопаток диски должны быть оптически плотными. Лопатки имеют форму, обеспечивающую минимальное нарастание массы по радиусу, и выполнены таким образом, что угол, образуемый лопатками с плоскостью диска, убывает в радиальном направлении от центра диска (фиг 1). Такая конфигурация лопаток позволяет существенно уменьшить давление с их стороны на вал и тем самым увеличить частоту вращения, благодаря чему возрастают К и W Так, если в прежних конструкциях коэффициент сжатия составлял 2,5— 3, то в новых насосах К находится в диапазоне 10—30. Вакуум-фактор при этом увеличился от 0,05 до 0,5. В результате оптимизации параметров дисков и лопаток разработаны насосы, которые по сравнению с прежними при одинаковых диаметрах дисков имеют значительно большую быстроту откачки и требуют меньшее число пар дисков для получения заданной величины К.

В работе [4] даны основы расчета и описаны конструкции серии турбомолекулярных насосов вертикальной компоновки, выпускаемых фирмой Leybold Heraeus производительностью 200, 450 и 1500 л•с-1. Турбина насоса состоит из двух частей: высоковакуумной и форвакуумной, соединенных фланцем. Обе части ротора вытачиваются из цельных заготовок (алюминиевый сплав), затем нарезаются лопатки, которые разводятся на определенный угол установки а. Толщина лопаток у основания вдвое больше, чем на конце. Пакеты статора набираются из алюминиевых пластин, имеющих форму полукруга; они располагаются между каждыми двумя соседними ступенями ротора. Расстояние между статорными пластинами выдерживается с помощью дистанционных колец. Корпус насоса, имеющий входной фланец в верхней части, одевается на самоцентрирующиеся пакеты статора. Такая конструкция насоса позволяет легко производить демонтаж статора без необходимости разбирать ротор. У насосов этой конструкции вакуум-фактор имеет максимальное значение при α = 35°. Для оптимальной работы турбина должна иметь диски различной конфигурации; при этом на входе в насос обеспечивается максимум а в форвакуумной ступени на выходе из насоса необходимо получить максимум W. При выбранных параметрах дисков и лопаток частота вращения ротора составляет 21000—36 000 об•мин-1.

Параметры современных турбомолекулярных насосов анализируются в работе [5]. Показано, что при замене одного пакета лопаток с полным перекрытием сечения насоса (68 лопаток) на пакет с неполным перекрытием (56 лопаток) быстрота откачки увеличивается на 4%. При этом коэффициент сжатия уменьшается в 2 раза. Указанная замена большого числа пакетов ведет к значительному уменьшению величины К. При К меньше 100 быстрота откачки сильно уменьшается. На основании анализа сделан вывод, что оптимальный турбомолекулярный насос должен иметь двойной симметричный горизонтальный ротор с пакетами лопаток переменной геометрии и полным перекрытием сечения. Комбинируя диски с лопатками различной формы, можно добиться максимальной быстроты откачки того или другого газа. Так, при окружной скорости вращения лопаток 370 м•с-1 K(Н2) = 1500 и S(Н2) = 500 л•с-1, а S(N2) = = 400 л•с-1. Одним из преимуществ турбомолекулярных насосов с горизонтальным ротором перед насосами с вертикальным ротором является простота смены подшипников без разбалансировки ротора.

Другая проблема разработки турбомолекулярных насосов связана с удалением масла, которое используется для смазки подшипников и загрязняет откачиваемый объем. Наряду с электромагнитным подвесом подшипников в последнее время также используются газовые подшипники [6]. Вал с установленным консольно ротором насоса размещается в.статорном элементе; он центрируется и фиксируется в осевом направлении с помощью газовых подшипников. В зазор между статорным элементом и валом через жиклеры подается сжатый воздух. Дискообразный выступ вала фиксирует вал в осевом направлении, а сжатый воздух, обтекающий диск с обеих сторон, создает упорный и контрупорный подшипники. Усовершенствование турбомолекулярных насосов продолжается.