Вакуумные насосы

Вакуумные насосы: принципы действия, классификация и применение в электротехнике и энергетике

Вакуумный насос — это устройство, предназначенное для удаления газов и паров из замкнутого объема с целью создания, поддержания и контроля разреженной среды (вакуума). В электротехнической и энергетической отраслях вакуумные технологии являются критически важными для обеспечения надежности, эффективности и безопасности широкого спектра процессов и оборудования.

Классификация вакуумных насосов по принципу действия и диапазону давлений

Классификация осуществляется по физическому принципу откачки и достигаемому диапазону давлений. Диапазон вакуума принято делить на три основные области: низкий (форвакуум, 10⁵ – 10² Па), средний (10² – 10^-1 Па) и высокий (глубокий вакуум, 10^-1 – 10^-7 Па и ниже). Для последовательного достижения глубокого вакуума часто используются комбинации насосов разных типов: форвакуумный (подготовительный) и высоковакуумный.

Основные типы вакуумных насосов, применяемых в энергетике

1. Объемные (механические) насосы

Работают по принципу периодического изменения объема рабочей камеры, что приводит к всасыванию, изоляции и последующему вытеснению газа.

• Пластинчато-роторные масляные насосы: Наиболее распространенный тип форвакуумных насосов. Состоят из ротора с подвижными пластинами, эксцентрично расположенного в статоре. Масло используется для уплотнения, смазки и охлаждения. Обеспечивают предельное остаточное давление порядка 10^-2 – 10^-3 мбар.
• Водокольцевые насосы: Используют вращающееся рабочее колесо с лопатками, эксцентрично помещенное в корпус, частично заполненный жидкостью (обычно водой). Центробежная сила формирует жидкостное кольцо, которое создает изменяющиеся объемы камер. Главное преимущество — контакт откачиваемого газа только с жидкостью, что позволяет обрабатывать загрязненные, взрывоопасные или коррозионные среды. Широко применяются в конденсационных установках и системах деаэрации.
• Винтовые (сухие) насосы: Два встречно вращающихся винта (ротора) без контакта в корпусе. Газ перемещается от всасывающего к нагнетательному патрубку. Отсутствие масла в рабочей камере («сухой» принцип) исключает риск загрязнения системы парами масла и упрощает утилизацию откачанных газов. Ключевое применение — откачка вакуумных выключателей.

2. Струйные (эжекторные) насосы

Используют кинетическую энергию рабочей струи (пара, воды или масла) для увлечения молекул откачиваемого газа. Не имеют движущихся частей.

• Пароэжекторные насосы: Многоступенчатые системы, способные создавать глубокий вакуум. Крайне важны на тепловых электростанциях для поддержания вакуума в конденсаторах паровых турбин, что напрямую влияет на КПД цикла Ренкина.

3. Молекулярные (высоковакуумные) насосы

Работают в диапазоне, где длина свободного пробега молекул соизмерима с размерами аппарата. Переносят газ за счет передачи молекулам направленного импульса.

• Турбомолекулярные насосы: Состоят из ротора и статора с наклонными канавками. Быстро вращающиеся лопатки (до 90 000 об/мин) сталкиваются с молекулами газа, придавая им скорость в направлении нагнетания. Абсолютно сухие, чистые, создают вакуум до 10^-10 мбар. Применяются в ускорителях частиц, исследовательских установках по термоядерному синтезу.
• Криосорбционные и криоконденсационные насосы: Охлаждают поверхности до температур жидкого гелия или азота, что приводит к конденсации или адсорбции на них газов. Обеспечивают чистый, безмасляный сверхвысокий вакуум.

Ключевые применения в электротехнике и энергетике

Область применения	Тип насоса	Назначение и требования
Вакуумные выключатели (ВВ)	Винтовые (сухие), реже пластинчато-роторные с ловушками	Создание и поддержание высокого вакуума (10-5 – 10-7 мбар) в дугогасительной камере. Надежность и чистота вакуума критичны для диэлектрической прочности. Сухие насосы исключают загрязнение камеры.
Конденсаторы паровых турбин (ТЭС, АЭС)	Многоступенчатые пароэжекторные установки, водокольцевые насосы	Удаление неконденсирующихся газов (воздуха) из конденсатора для поддержания глубокого вакуума (20-30 мбар абс.). Повышение вакуума на 1% увеличивает КПД турбины примерно на 1%.
Высоковольтное оборудование (трансформаторы, вводы)	Маслозаполненные пластинчато-роторные, винтовые	Вакуумная сушка изоляции (бумага, картон) и вакуумное наполнение трансформаторным маслом для удаления пузырьков газа и влаги, повышения электрической прочности.
Производство кабелей	Водокольцевые, пластинчато-роторные	Вакуумирование экрана и изоляции силовых кабелей высокого напряжения перед пропиткой или для удаления газовых включений в процессе экструзии изоляции.
Установки термоядерного синтеза (ITER, токамаки)	Турбомолекулярные, криогенные, винтовые (для форвакуума)	Создание и поддержание сверхвысокого вакуума (10-9 мбар и ниже) в рабочей камере для чистоты плазмы и снижения потерь энергии.

Критерии выбора вакуумного насоса для технических задач

• Предельное остаточное давление: Минимальное давление, которое насос может создать в замкнутом объеме.
• Производительность (скорость откачки): Объем газа, удаляемый насосом в единицу времени (л/с, м³/ч). Зависит от давления.
• Допустимое давление запуска (форвакуум): Давление, при котором насос может начать устойчивую работу.
• Стойкость к технологическим средам: Совместимость материалов насоса с откачиваемыми газами (коррозионная активность, наличие абразивных или конденсирующихся частиц).
• Требование к чистоте вакуума: Наличие или отсутствие обратного потока масел, паров или других загрязнений из насоса в откачиваемый объем («сухие» vs «масляные» насосы).
• Надежность и требования к обслуживанию: Ресурс работы, периодичность замены масла, фильтров, уплотнений.

Эксплуатация и техническое обслуживание

Регламент ТО определяется типом насоса. Для пластинчато-роторных насосов обязательна регулярная замена вакуумного масла и масляных фильтров, контроль состояния газобалластного клапана (для откачки парогазовых смесей). Для водокольцевых насосов — контроль качества и расхода рабочей жидкости, предотвращение образования накипи. Для сухих винтовых насосов — замена роторного блока и уплотнений по мере износа. Общим требованием для всех типов является регулярная проверка состояния входных фильтров и обратных клапанов для предотвращения попадания посторонних частиц и обратного заполнения системы при остановке.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем обусловлен выбор именно вакуумной среды в высоковольтных выключателях?

Вакуум обладает высочайшей электрической прочностью (на порядки выше, чем у воздуха при атмосферном давлении). При давлении ниже 10^-2 Па длина свободного пробега электронов превышает размеры камеры, что делает невозможным развитие ударной ионизации и, как следствие, электрического пробоя. При гашении дуга в вакууме существует только в виде паров металла контактов и быстро гаснет при первом же переходе тока через ноль.

Почему для откачки вакуумных выключателей предпочтительны сухие винтовые насосы?

Использование маслозаполненных насосов несет риск обратной миграции паров масла в сверхчистую дугогасительную камеру выключателя. Пары масла, конденсируясь на внутренних изоляционных поверхностях, резко снижают диэлектрическую прочность и могут привести к пробою. Винтовые сухие насосы полностью исключают этот риск.

Какова экономическая эффективность поддержания глубокого вакуума в конденсаторе турбины?

Повышение вакуума в конденсаторе снижает температуру насыщения и, соответственно, противодавление на выходе лопаток турбины. Это увеличивает используемый теплоперепад и мощность на валу турбогенератора. Эмпирически установлено, что повышение абсолютного вакуума на 1% (например, с 4 кПа до 3.96 кПа) дает прирост КПД турбоустановки примерно на 1%. Для мощных энергоблоков это составляет мегаватты дополнительной выработки.

В чем основное различие между «форвакуумным» и «высоковакуумным» насосом?

Различие — в рабочем диапазоне давлений и принципе действия. Форвакуумный насос (например, пластинчато-роторный или винтовой) работает от атмосферного давления до 10^-2 – 10^-3 мбар. Высоковакуумный насос (турбомолекулярный, диффузионный) не может запуститься при атмосферном давлении и требует предварительного разрежения форвакуумным насосом до своего допустимого давления запуска (обычно 0.1 – 10 мбар). После запуска он обеспечивает откачку до сверхнизких давлений (10^-7 – 10^-11 мбар).

Какие факторы ограничивают ресурс сухого винтового насоса и как его продлить?

Основной фактор износа — работа с пылевыми или абразивными частицами, а также конденсирующимися парами (например, водой), которые могут привести к заклиниванию роторов. Для продления ресурса критически важно применение на входе эффективных фильтров-сепараторов (циклонных, коалесцентных), а для паров — использование конденсационной ловушки (холодильника-конденсатора) перед насосом. Строгое соблюдение интервалов ТО по замене роторного блока также обязательно.