Вакуумные насосы и компрессоры
Вакуумный компрессор 26
Когда возникла необходимость получения давлений газа
значительно ниже атмосферного, то для этих целей стали применять оборудование,
которое затем, условно разделили на два вида машин –
непосредственно компрессоры, увеличивающие давление газа, всасываемого при
атмосферном давлении, и вакуумные компрессоры в Ростове на Дону, увеличивающие давление всасываемого
газа до величины атмосферного давления. При этом техника получения и поддержания
низких давлений стала называться вакуумной.
Несмотря на такое разделение компрессоров, внешний вид этих
машин мало изменился, т.к. они имеют одно и то же назначение – увеличивать
концентрацию молекул всасываемого газа (хотя некоторые из них защитились от
натекания атмосферного воздуха расположением своих рабочих органов под уровнем
уплотняющей жидкости и применением материалов с меньшей газопроницаемостью и
газовыделением). Винты, центробежные и осевые: вентиляторы, нагнетатели,
газодувки, компрессоры относятся к лопаточным машинам.
Условное разделение компрессоров не исключило: возможной
взаимозаменяемости каждого типа машин, т.е. получения с их помощью давлений газа
выше или ниже атмосферного; общих принципов работы и расчета ступеней и машин
каждого типа.
Давление всасываемого газа на входе в первые ступени
компрессоров практически ниже атмосферного, (кроме компрессоров перекачивающих
газы под высоким давлением). А первые ступени осевых и центробежных компрессоров
авиационных двигателей, пылесосов, вытяжных вентиляторов и т.д. в основном
работают только в вакуумном режиме.
Для разработки вакуумных компрессоров или насосов, по сравнению с обычными,
не было сильного влияния со стороны предшествующих путей их развития, поэтому
появились новые подходы к рассмотрению процессов изменения концентрации молекул
газа ступенями вакуумных насосов и, особенно, к расчётам их основных рабочих
органов – ступеней.
Развитие же компрессоров и рассмотрение течение газа по
трубопроводам больше основывалось на знаниях древних ученых гидравликов,
применявших в выводимых ими теоретических уравнениях, в основном, эмпирические
зависимости и коэффициенты. Так, например, изменение скорости течения жидкости и
газа по каналам, трубопроводам и т.д. связывалось с их сопротивлением течению.
Этим объяснялось падение давления в направлении течения, что и учитывается при
определении расхода жидкости и газа. Поэтому в противоположность гипотезе И.
Ньютона о том, что жидкость состоит из отдельных частиц, не взаимодействующих
между собой, была поддержана и введена в науку гипотеза о сплошности жидкости, а
затем и газа. Также показалось удобным заменить поток жидкости и газа суммой
отдельных элементарных струек без объяснения причин изменения их толщины и
скорости во время течения, а энергетическое уравнение Бернулли поправить
введением эмпирической поправки на потерю энергии от “трения” при течении потока
и применять его в неустановившихся, сильно турбулизованных газовых потоках.
Отсюда не всегда обоснованный упор на применение уравнения Д.
Бернулли для исследования работы лопаточных машин и на необходимость
практического определения коэффициентов гидравлических потерь давления в газовых
трактах компрессоров и трубопроводов.
По мнению сотрудников ЦАГИ [1] исследование работы вентилятора
в сети должно основываться на приложении уравнения Бернулли к потоку газа,
создаваемому вентилятором, т. к. уравнение Бернулли устанавливает зависимость
между величинами статического давления P и скорости U в различных сечениях этого
потока. Однако ими сделаны пять общих замечаний, при которых уравнение Бернулли
не может быть применено к расчётам лопаточных машин:
1. Уравнение Бернулли справедливо только для установившегося
потока, в котором скорость в данной точке не меняется ни по величине, ни по
направлению.
2. Поток полностью и равномерно заполняет всё сечение
трубопровода, так что скорость потока в любой точке исследуемого сечения будет
одна и та же.
3. Должно быть соблюдено условие неразрывности потока. Оно
состоит в следующем: рассматриваемый поток не должен заключать в себе пустот и
разрывов. Точнее это условие может быть сформулировано так: через любые два
сечения трубопровода за данный промежуток времени протекают одинаковые массы
газа.
4. При выводе уравнения и при его применении газ считается
несжимаемым при его движении.
5. Поток газа движется по трубопроводу без трения. При
приложениях уравнения Бернулли, в частности при исследовании работы вентилятора,
нельзя пренебрегать величиной трения в трубопроводе. Поэтому, чтобы сделать
уравнение Бернулли применимым и в этом случае, в него введено добавочное
слагаемое, возмещающее давление, затраченное на преодоление трения.
Следует отметить, что уравнение Бернулли энергетическое. Оно не
устанавливает зависимость, которая показывает как изменяются температура и
концентрация газа в ступенях лопаточных машин при изменении энергии газа, а
поэтому не может успешно применяться для расчёта различных точек расходных
характеристик ступеней лопаточных машин.
В проточной части лопаточных машин имеются участки с прямым и
обратным течением газа, что так же ограничивает применение уравнения Бернулли
для их исследования.
Ошибочное применение уравнения Бернулли для исследования работы
вентиляторов привело к ошибочной форме записи формулы КПД для вентиляторов -
h= V(DP)/W [1]. (?очему: при
Q=Qmax и при t =1,0 энергия передаётся от колеса потоку газа, а
КПД=0; почему при t = t max и при Q=0 существует передача энергии от
колеса потокам газа, а КПД=0?).
Понятие “давление” пришло из сопромата как “напряжение” от
действующей силы на ед. площади. Молекулярно-кинетическая теория газа определяет
давление молекул газа на стенки герметичного сосуда как суммарную силу,
действующую на ед. площади стенки, т.е. P=1/3nmv2, где: n –
концентрация газа; v – тепловая скорость молекул газа; m – их масса.
Молекулярно-кинетическая теория газа не определяет и не
оговаривает возможность существования динамических и статических составляющих
понятия давления газа. Тогда, что такое полное, статическое и динамическое
давление? Как определить изменение концентрации газа вдоль течения потока?
Молекулы газа в направленных потоках хотя и движутся хаотично,
но преимущественно в направлении движения потока с изменяющимися средними
скоростями в каждой точке потока. Это является их основным отличием от движения
газа в герметичном сосуде, а, поэтому, молекулы газа в потоке не оказывают того
давления P на стенки сосуда или канала, вдоль которых они протекают.
Энергетическое уравнение Л. Эйлера Hт =
(U2C2u – U1C1u)/g [2] также не может
успешно применяться для расчёта различных точек расходной характеристики
ступеней лопаточных машин, т.к.:
1. При изменении газом запаса энергии оно не указывает на
изменение его концентрации и температуры;
2. В действительности процесс передачи энергии от вращающихся
стенок канала происходит только для части молекул потока газа, а не всем
молекулам, проходящим в потоке через канал;
3. Уравнение Эйлера не учитывает увеличение энергии потока газа
от центробежных и других сил.
Так как действительные процессы сжатия газа лопаточными
машинами неизвестны, то для оценки их энергетической эффективности используют
также КПД различных термодинамических процессов сжатия.
Это не правильный подход к определению КПД лопаточных машин
т.к.:
1. Не определено понятие “полезная работа” ступеней лопаточных
машин;
2. Термодинамические процессы, происходящие в лопаточных
машинах, из-за переменного количества газа, участвующего в процессах, отличаются
от классических термодинамических процессов в поршневых компрессорах. Чем больше
сжатие газа ступенями лопаточных машин, тем сильнее это отличие. Поэтому,
правомерность использования T-S диаграмм, формул для расчёта классических,
политропических, адиабатических и других термодинамических процессов
применительно для расчёта КПД лопаточных машин сомнительна;
3. Не верно утверждение, что КПД лопаточных машин равно нулю
при t =1,0 и при t = t max. В обоих случаях имеется полезная работа
от действия лопаточных машин и её можно использовать;
4. Термодинамические процессы для лопаточных машин необходимо
рассматривать с учётом прямых и обратных потоков газа, проходящих через их
ступени.
В вакуумной технике те же проблемы решались иначе, в виде
формул, показывающих изменение объема потока протекающего газа в зависимости от
проводимости трактов вакуумных насосов и трубопроводов при заданных
давлениях.
Расчет потоков газа, изменение их объемов и давлений в
вакуумной технике обходится без применения энергетических уравнений, без понятия
статических и динамических составляющих полного давления в какой либо точке.
Так, например, расчет и выбор параметров осевых компрессоров,
работающих в молекулярном режиме течения газа, обходится без применения
уравнений Бернулли и Эйлера, без использования законов аэродинамики, но с
привлечением понятий “проводимость”, “прямых” и “обратных” потоков газа,
проходящих непосредственно через их ступени. (Аналогичны расчеты и других
лопаточных машин в этом режиме течения газа).
В. Беккер [3] первым применил осевой компрессор в молекулярном
режиме течения газа для получения и поддержания давлений газа значительно ниже 1
Па.
Роторные (вращающиеся) ступени его компрессора имели ряд
радиальных межлопаточных каналов, параллельные стенки которых были наклонены к
плоскости вращения под постоянным углом.
Статорные (неподвижные) ступени компрессора являлись зеркальным
отражением роторных ступеней.
Следующим этапом развития подобных машин было использование
осевого, авиационного компрессора для получения давлений порядка 10-2
Па [4], что в дальнейшем подсказало возможность использования радиальных,
плоских, незакрученных лопаток для получения низких давлений и значительного
упрощения технологии изготовления роторных и статорных ступеней.
Многие исследователи пытались понять и объяснить физические процессы,
приводящие к увеличению концентрации молекул газа в проточной части этих
компрессоров.
Ч. Крюгер и А. Шапиро [5] показали, что при движении (вращении)
наклонных каналов в молекулярном режиме течения газа возникают не одинаковые
вероятности перехода потоков газа через эти каналы в прямом и обратном
направлениях.
Очень похожие физические процессы происходят и в ступенях
лопаточных машин, работающих в вязкостном режиме течения газа. Чтобы понять это
пришлось рассмотреть общие и отличительные черты физических процессов, которые
происходят в их ступенях.
Общие черты:
- Наклонные поверхности межлопаточных каналов создают потоки газа, движущиеся через каналы в прямом и обратном направлениях.
- Измеряемый расход газа через ступень равен разности прямого и обратного потоков газа.
- При увеличении сжатия газа ступенью измеряемый расход газа уменьшается.
- Геометрия каналов, их скорость движения, тепловая скорость молекул газа влияют на величины потоков газа, переходящих через каналы ступеней в обоих направлениях.
Отличительные черты:
- Режимы течения газа через ступени в проточной части компрессоров.
- Профили лопаток и их углы наклона к плоскости вращения вдоль радиуса.
- Процессы теплообмена потоков газа с конструкционными материалами ступеней.
Разработка теоретического или графического расчета проводимости элементов ступеней лопаточных машин и трубопроводов для вязкостного режима течения газа позволила бы отойти от необходимости обязательного экспериментального определения коэффициентов гидравлических потерь давления и других поправок к расчетам при проектировании новых лопаточных машин и их трубопроводов.
Понятие “пустота” (vacuum) было введено в науку раньше, чем оно было как-то осмыслено. В дальнейшем, по мере его осмысления границей вакуума предложили считать величину давления газа ниже атмосферного. Но и это предложение оказалось не очень удачным, т. к. при: изменении атмосферного давления (даже в течение суток), подъеме в гору, полете над землей и т.д. происходит значительное изменение границы этого понятия, что практически не ведет к изменению свойств газа или законов его течения. Однако приборы для измерения давления разделили неизменной границей “нормального” давления (760° мм.рт.ст. при 0° С) на вакууметры (с отрицательным значением давления газа?!) и манометры, а компрессоры для получения давлений ниже атмосферного необоснованно назвали вакуумными насосами и удалили их из класса компрессорных машин, что в последствии затормозило развитие лопаточных компрессорных машин.
По мере дальнейшего осмысления понятия “пустота” давление газа стали характеризовать в абсолютной величине или в технических атмосферах. Хорошо бы также “осмыслить” и такие понятия как: “полное”, “статическое” и “динамическое” давление потока газа. Настала также пора вернуть газоперекачивающие вакуумные насосы в класс компрессорных машин или хотя бы назвать их вакуумными компрессорами.
Рассмотрение процессов увеличения концентрации газа ступенями лопаточных машин и их течение по элементам трубопроводов с учетом опыта развития компрессорных и вакуумных машин приведет к дальнейшему их развитию, а возможно и к общей методике их расчета с выявлением новых общих закономерностей.
Леонов Л.Б.
Литература.
1. К.А Ушаков и др. Атлас вентиляторов и дефлекторов. Труды ЦАГИ вып.172. 1934.
2. С.П. Лившиц. Аэродинамика центробежных компрессорных машин. Машиностроение.
М-Л. 1966.
3. W. Becker “Ьber eine Nene Molecularpump”. First International Congress on Vacuum
Technology. Namur. Belgium. 1958.
4. M. Hablanian. “The Axial Flow Compressor, as a High Vacuum Pump”. First International
Congress on Vacuum Technology. Namur. Belgium. 1958.
5. C. Kruger, A. Shapiro. “Vacuum pumping with a blated axial-flow turbomachine”.
Seventh national symposium on vacuum technology transaction. 1960.
6. Труды ЦАГИ. Вып. 326. Э. Струве. “К вопросу о поверочном расчёте осевого вентилятора”.
М. 1937.
7. Сб. переводов. ЦИАМ. Вып. 50. Обата, И. Иозида, У. Иозида. ”Исследование причин
звука, излучаемого при вращении воздушного винта”. ОБОРОНГИЗ. М.1943.
Популярные товары









