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=Q_max 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 H_т = (U₂C_2u – U₁C_1u)/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.

     Следует также отметить, что в литературе имеется много сведений о существовании прямых и обратных потоков газа, одновременно проходящих через ступени лопаточных машин в вязкостном режиме течения газа (см., например, их форму зависимости расхода газа от величины сжатия или [6,7].).

     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.