Большая энциклопедия техники

Поэтому в современных насосах высоковакуумные ступени выполняются с углом наклона 35°, а все остальные – 20°. Для «быстрых» молекул (легких газов) окружная скорость ротора является относительно меньшей, чем для «медленных» молекул (тяжелых газов), поэтому коэффициент сжатия ступени заметно меньше для легких газов. Каждый роторный и статорный диск создает небольшой перепад давлений, однако благодаря большому количеству последовательных ступеней (30—40) обеспечивается высокий коэффициент сжатия насоса в целом (102—103 по водороду, 107—109 по азоту). Так как турбомолекулярные насосы имеют очень высокий коэффициент сжатия для тяжелых газов, то во время работы эти насосы являются надежным барьером против проникновения тяжелых молекул масла из форвакуумной полости насоса.

Конструкции и характеристики. Высокая надежность насосов достигается тем, что они приводятся во вращение от высокочастотного электродвигателя, ротор которого расположен в форвакуумной полости на общем валу с ротором насоса. Таким образом, исключается вакуумный ввод вращения, манжеты которого подвержены износу. Ротор вращается с частотой около 18 000 об/мин и перед сборкой насоса подвергается тщательной динамической балансировке, что обеспечивает работу насоса без шума и вибраций, а также долговечность подшипников.

Смазка подшипников осуществляется маслонасосом, имеющим небольшой собственный электродвигатель. В случае аварийного отключения электроэнергии подача смазки прекращается, а ротор турбомолекулярного насоса способен по инерции вращаться еще 40—60 мин. Однако это не ведет к повреждению подшипников, имеющих текстолитовые сепараторы. Небольшой поток воды используется для охлаждения статорной обмотки электродвигателя и торцевых крышек, отделяющих подшипники от полости на выходе последнего форвакуумного диска насоса с тем, чтобы уменьшить в этой области давление паров масла. Основным остаточным газом является водород (массовое число 2). Кроме того, содержится небольшое количество паров воды (массовое число 18), смесь окиси углерода и азота (массовое число 28) и двуокиси углерода (массовое число 44). Таким образом, в остаточных газах тяжелые углеводородные соединения не обнаруживаются, и турбомолекулярные насосы с достаточным основанием считаются безмасляными средствами откачки, хотя в их форвакуумных полостях присутствуют пары масла, используемого для смазки подшипников насоса, и пары масла, попадающие туда из механического вакуумного насоса. Быстрота действия остается постоянной в широком диапазоне давлений – от 10^{– 1} Па, когда начинает сказываться изменение режима течения газа через диски насоса, до 10^{– 6} Па, когда на быстроту действия оказывает влияние водород, выделяющийся из насоса и перетекающий со стороны форвакуумной полости насоса. Предельное остаточное давление турбомолекулярных насосов составляет 10^{– 8}—10^{– 7} Па. Достоинства турбомолекулярных насосов – быстрый запуск, малая селективность при откачке различных газов, отсутствие паров масла и продуктов его разложения в остаточной атмосфере, возможность получения сверхвысокого вакуума без использования ловушек на входе. Механизм насоса не повреждается при прорывах атмосферного воздуха. Все это обусловило их широкое применение во многих отраслях науки и промышленности.

При эксплуатации турбомолекулярных насосов необходимо контролировать поступление масла к подшипникам (для чего в насосе предусмотрены смотровые окна) и отсутствие шумов, появление которых свидетельствует об износе подшипников. Недопустима длительная выдержка остановленного турбомолекулярного насоса под форвакуумным давлением (ниже 10 Па), так как при этом пары масла могут проникнуть со стороны форвакуума через роторный механизм на сторону высокого вакуума.

Остановленный турбомолекулярный насос должен быть заполнен осушенным воздухом или азотом до атмосферного давления через кран, имеющийся в форвакуумном патрубке насоса. Небольшое количество паров масла, попавшее на вход турбомолекулярного насоса, обычно легко удаляется прогревом корпуса в области впускного патрубка до 100—120 °С при работающем турбомолекулярном насосе. Большую опасность для работы насоса представляет попадание в него твердых частиц. При наличии такой опасности во входном патрубке насоса должна быть установлена металлическая сетка с размерами ячейки 1 x 1 мм.

Эжектор

Эжектор (от фр. ejecteur, а оно, в свою очередь, от ejecter – «выбрасывать») – устройство, внутри которого осуществляется передача кинетической энергии от среды, которая движется с большей скоростью, к другой среде. При этом такая передача энергии осуществляется при смешении сред. Эжекторы нашли широкое применение в химической, а также в нефтеперерабатывающей промышленности, где они используются в качестве смесителей. Применяются эти струйные насосы с целью отсасывания газа, пара или жидкости.

Раздел 12. Измерительная техника. Метрология

Акселерометр

Акселерометр (от лат. accelero – «ускоряю» и греч. metreo – «измеряю») – прибор для измерения ускорений в транспортных наземных машинах различного назначения, а также в летательных аппаратах всех видов, в ракетах и др.

Акселерометр был изобретен в конце XIX в., предназначался для установки в автомобилях и паровозах с целью контроля за скоростью движения. На шкале этого прибора обязательно указывалась предельная величина ускорения (допустимая для данного транспортного средства) с красной отметкой. Это означало, что в случае превышения предельной величины ускорения может наступить разрушение двигателя автомобиля или паровоза, поэтому установка акселерометра обеспечивала безопасную эксплуатацию транспортных наземных средств. Впервые акселерометры были установлены в 1890-х гг. на автомобилях Форда, а затем на автомобилях «Мерседес-Бенц». С развитием паровозостроения в конце XIX – начале ХХ в. акселерометры стали устанавливаться и на паровозах. Первые акселерометры были тяжелыми и громоздкими, поэтому их конструкции постоянно совершенствовались.

В России акселерометры появились в комплектации с машинами Форда и «Мерседес-Бенц», а также с паровозами германского производства. Но зарубежные акселерометры в зимнее время, особенно в сильные российские морозы, быстро разрушались, поэтому на предприятиях транспортного машиностроения России стали разрабатываться улучшенные модели акселерометров в конструктивном плане, с подбором морозостойких материалов (в первую очередь стали и сплавов). Особое внимание уделялось данным приборам, предназначавшимся для комплектации военной транспортной техники и летательных аппаратов.

Акселерометры, предназначенные для комплектации военной транспортной техники и самолетов, изготавливались из специальных нержавеющих сталей и легких, но прочных сплавов, обеспечивающих безотказную работу в любых условиях и вибрационных нагрузках. В течение ХХ в. вместе с совершенствованием наземных транспортных средств всех видов, а также авиационной техники вносились определенные изменения и в конструкцию акселерометра. В Советском Союзе модернизацией акселерометров занимались специальные конструкторские бюро (СКБ), которые были созданы при оборонных машиностроительных предприятиях в 1940—1950-х гг. В результате к началу XXI в. было создано несколько разновидностей акселерометров.

Устройство акселерометра основано на принципе использования инерционной силы F, движущейся с ускорением массы (обобщение массы транспортного средства). В его корпусе подвешена определенная масса ограниченного объема, которая взаимодействует через пружины. При ускорении или замедлении корпуса (установленном на жестком креплении к каркасу транспортного средства) масса стремится сохранить свое первоначальное положение, т. е. соответственно «отстать» от корпуса или «опередить» его. Одна из пружин при этом сжимается, а масса совершает относительное перемещение в направлении, противоположном ускорению корпуса. Величина этого перемещения измеряется с помощью потенциометра и пересчитывается на величину ускорения. Для гашения колебаний массы внутри корпуса во время движения транспортного средства служит демпфер. В качестве элементов подвески используют листовые пружины (которые изготавливают из специальной пружинной стали марки 65Г или другой) и шарнирное соединение с корпусом.

Акселерометр по схеме представляет собой маятник со спиральной пружиной. Если в акселерометре по схеме относительное перемещение массы при линейной характеристике пружины пропорционально ускорению, то в маятниковом варианте акселерометра по схеме эта зависимость непропорциональная; но подобный маятниковый прибор характеризуется большой чувствительностью к незначительному ускорению. При малых углах отклонения массы зависимость между ускорением и угловым перемещением можно приближенно считать линейной, но с увеличением угла ошибка, обусловленная непропорциональностью, растет. Наличие бокового ускорения и, соответственно, сил инерции F_y) вызывает искажение результатов измерения ускорения, обусловливаемого силами F_x. Для того чтобы уравновесить момент силы F_у относительно точки подвеса, устанавливают параллельно два маятника, соединенных тягой.

Схема такого соединения представляет собой антипараллелограмм. Конструктивную разновидность антипараллелограмма с высшими парами представляет собой зубчатая пара. В тех случаях, когда необходимо измерить угловое ускорение, ротор устанавливают на оси в корпусе и соединяют со спиральной пружиной. Поворот ротора относительно корпуса при линейной характеристике пружины пропорционален угловому ускорению и измеряется с помощью потенциометра.

В современных транспортных средствах, а также самолетах и ракетах акселерометры связаны в единое целое с бортовыми компьютерами, которые анализируют измеренные величины ускорения и выдают соответствующие команды через исполнительные устройства двигателям с целью корректировки их работы в сторону усиления или уменьшения режима скоростей движения. (Примечание: антипараллелограммом в технике называется двухкривошипный механизм – шарнирный четырехзвенный механизм, в который входят два кривошипа. Такой механизм служит для передачи и преобразования вращательного движения в поступательное.) В настоящее время в России по заказу потребителей выпускают такие модели акселерометров, как: АМ-В10/ 0; АК-10МГ; АК-15МС и др.