Бустерный насос с гидрокинетической муфтой

Перепад давления на бустерном насосе должен находиться под тщательным контролем по двум причинам:

  1. Большие газовые нагрузки при высоком коэффициенте компрессии могут привести к нагреву (особенно роторов). Результирующие повышение температуры и расширение могут привести к уменьшению рабочих зазоров, что в свою очередь приведет к заклиниванию насоса. Эту проблему можно значительно уменьшить путем охлаждения роторов за счет прохода масла через валы роторов и особенно за счет установки теплообменника с водяным охлаждением в области выпуска газа как можно ближе к роторам.
  2. Входной момент механического бустерного насоса зависит от перепада давления на нем. При полной скорости вращения он становится неприемлемо высоким при входном давлении выше 10 мбар (aбс), в зависимости от коэффициента смещения механического бустера и форвакуумного (поддерживающего) насоса. Если допустить, что момент станет превышать указанную мощность двигателя, то по обмотке двигателя пойдет высокий ток, что может привести к отключению двигателя.

Существует несколько способов преодоления этих трудностей:

  1. С помощью переключателя давления, который позволит механическому бустеру включиться только при давлении ниже 10 мбар (aбс.). Но, если предварительная откачка системы выполняется через бустер, то его роторы работают как дополнительное сопротивление для насоса предварительной откачки, снижая эффективную быстроту откачки. Эту проблему можно устранить с помощью байпассного трубопровода с клапаном, который открывается только когда механический бустерный насос не работает. Но этот способ более затратный.
  2. С помощью байпассного перепускного клапана, который отрегулирован так, чтобы не допускать превышения максимально допустимого для двигателя перепада давления. Обратный поток через байпасс от выходного порта к входному ограничивает перепад давления на насосе во время начальной стадии откачки от атмосферного давления. Байпассный клапан автоматически закроется после того, как насос предварительной откачки создаст перепад давления, который будет ниже безопасного значения. Но рециркуляция газов, которые уже были откачаны, является нежелательной. Так же существует возможность того, что клапан может плохо срабатывать при откачки загрязненных сред.
  3. С помощью гидрокинетического привода (муфты) между двигателем и насосов, настроенной таким образом, чтобы не превышать максимальный момент нагрузки. Насос автоматически понижает скорость при высоких давлениях, защищая тем самым насос от перегрева двигателя вследствие перегрузки.
Рисунок 1. Гидрокинетическая муфта, встроенная в механический бустерный насос. Двигатель и ведущий вал муфты находятся слева, насос и ведомая часть муфты расположены справа.

Модуль передачи мощности гидрокинетической муфты состоит из ведущей муфты (см. рис.1), установленной на вал двигателя и ведомой муфты на валу ротора. Две половины муфты не соединяются друг с другом и не касаются друг друга, движение передается только через циркуляцию масла. Во время работы масло подается из резервуара с помощью вращающегося соединения. Оно обеспечивает впрыскивание смазки и охлаждение подшипников и т.д. и отводит тепло в рубашку охлаждения масла. Большая часть впрыскиваемого масла попадает в желоб и самотеком под действием гравитации стекает в пространство между  ведомой и ведущей муфтой модуля передачи. Масло циркулирует под действием центробежной силы из одной половины муфты в другую, передавая крутящий момент и момент до распределения масла и слива обратно в резервуар (см. рис. 2)

Рисунок 2: циркуляция масла

Таким образом муфта обладает способностью никогда не передавать момент больше выбранного максимального момента. Этот момент выбирается таким образом, чтобы никогда не перегружать двигатель. Высокий крутящий момент передается каждый раз, когда ведущая и ведомая половины передающего соединения работают при различных скоростях вращения, крутящий момент падает до низкого значения когда скорость ведомого соединения достигает скорости ведущего соединения.

При включении даже большого насоса двигатель работает так, что легко обеспечить нужную скорость без каких-либо специальных условий запуска. Насос можно включать одновременно с насосом предварительной откачки и сразу включать в процесс откачки с самого его начала. Время откачки до давления можно значительно снизить и нет необходимости использовать переключатель давления, байпасс или любое внешнее устройство управления, которое обычно используется в системах с механическими бустерными насосами. Насос имеет защиту от ошибочных или некорректных действий оператора или сбоев в работе. Даже если форвакуумный клапан останется закрытым или выключится форвакуумный насос, бустерный насос будет просто медленно вращаться без перегрузки двигателя. Внезапное попадание атмосферного воздуха на входной порт насоса приведет к тому, что роторы замедлят вращение в то время как двигатель продолжит вращаться при обычной скорости вращения. Если твердые частицы попадут в насос и вызовут заклинивание и остановку роторов, муфты останутся не в рабочем состоянии и приведут к перегрузке двигателя.

Рисунок 3: Графики откачки для различных типов систем

На рис. 3 показаны кривые откачки комбинаций бустерного насоса с гидрокинетической муфтой и форвакуумного насоса предварительной откачки по сравнению с насосом такого же типоразмера с переключателем давления, когда механический бустерный насос начинает работу только на последней стадии процесса откачки. Вклад бустерного насоса во время всего периода откачки очевиден.

Обязательное техническое обслуживание механических бустеров включает в себя регулярные проверки и обслуживание всех компонентов, имеющих смазку (подшипники и масляные коробки передач, резервуары масляных уплотнений (манжет) валов и т.п.). Быстрое исчезновение масла из масляных уплотнений может указывать на необходимость замены. Уровень масла обычно проверяется тогда, когда насос выключен. Механические бустерные насосы обычно достаточно бесшумные, но небольшие изменения в синхронизации или передачах и подшипниках в течение длительного времени могут привести к повышению уровня шума во время работы.

Библиография: Nigel Harris (1989), ‘Hydrokinetic drive’ (Гидрокинетический привод), Modern Vacuum Practice, 6, 103-106.

Пример с графиками (из программы) PumpCalc5:

Данный пример показывает различные стадии получения вакуума в камере объемом 1м3.

1. Запуск (диапазон 0–0,017с)

При включении бустерного насоса входное давление немного меньше выпускного давления. Это не обеспечивает большой момент. Поэтому бустер работает при высокой скорости. Частота вращения бустера (скорость вращения бустера) повышается до тех пор, пока давление на выходе Pout будет выше чем давление на входе Pin.

2. Повышение перепада давления delta P (диапазон 0,017-0,05 с)

Перепад давления повышается, так что момент на стороне бустера и частота вращения бустера начинают понижаться

3. Это фаза, когда перепад давления (deltaP) максимальный, т.е. момент так же максимальный, а скорость вращения бустера минимальная. 

Следовательно: после этой точки, т.к. скорость бустера минимальная, значение deltaP понижается, момент понижается, и частота (скорость вращения бустера) возрастает.

4. Когда бустер включается при более низком входном давлении, вакуум низкого уровня достигается быстрее. Когда перепад давления (deltaP) минимальный, бустер будет вращаться со скоростью двигателя.