Расчет теплообмена и тепловых деформаций в машинах типа Рутс

Предложена методика численного моделирования теплообмена и тепловых деформаций в роторных машинах внешнего сжатия типа Рутс. Рассмотрена основная проблема проектирования бесконтактных вакуумных насосов — определение оптимальных рабочих зазоров, обеспечивающих баланс между высоким коэффициентом полезного действия и предотвращением заклинивания роторов при тепловом расширении. Выполнен обзор методов расчета: от аналитических одномерных моделей до трехмерного моделирования с использованием сопряженного теплообмена и метода конечных элементов. Разработана модель, позволяющая детально анализировать распределение температур в роторе и корпусе, а также проводить анализ влияния на нее внешних факторов. Проведена проверка результатов численного моделирования с экспериментальными данными, показавшая расхождение не более 11 %. На основе разработанной модели выполнен анализ тепловых деформаций трехлопастного вакуумного насоса типа Рутс, определено изменение зазоров ротор–корпус в различных режимах работы. Установлено, что повышение входного давления приводит к существенному росту осевых деформаций рабочих органов насоса. Предложенная методика позволяет прогнозировать работоспособность машин типа Рутс на этапе проектирования и минимизировать риск заклинивания.
EDN: BRPHCZ, https://elibrary/brphcz

Литература

[1] Хабланян М.Х., Саксаганский Г.Л., Бурмистров А.В. Вакуумная техника. Оборудование, проектирование, технологии, эксплуатация. Ч. 1. Инженерно-физические основы. Казань, Изд-во КНИТУ, 2013. 232 с.

[2] Бурмистров А.В., Саликеев С.И. Бесконтактные вакуумные насосы. Казань, КГТУ, 2010. 101 с.

[3] Бурмистров А.В., Караблинов Д.Г., Бронштейн М.Д. Влияние геометрических параметров эллиптического профиля на характеристики двухроторных вакуумных насосов типа Рутс. Компрессорная техника и пневматика, 2004, № 6, с. 38–40.

[4] Matuzović M., Rane S., Patel B. et al. Analysis of conjugate heat transfer in a roots blower and validation with infrared thermography. Int. J. Thermofluids, 2022, vol. 16, art. 100234, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijft.2022.100234

[5] Patterson J., Ritchie J.B. Roots blower performance. Int. J. Mech. Sci., 1969, vol. 11, no. 7, pp. 575–593, doi: https://doi.org/10.1016/0020-7403(69)90057-5

[6] Zhao F., Zhang S.W., Han F. et al. Thermodynamics analysis of roots vacuum pump. J. Phys.: Conf. Ser., 2020, vol. 1519, art. 012016, doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1519/1/012016

[7] Ucer A.S., Celik I. Analysis of flow through roots blower systems. Proc. 1980 Purdue Compressor Technology Conf. West Lafayette, Purdue University, 1980, p. 1318. URL: https://docs.lib.purdue.edu/icec/319/ (дата обращения: 15.03.2026).

[8] Sun S., Kovacevic A., Brücker C. et al. Numerical and experimental analysis of transient flow in roots blower. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2018, vol. 425, art. 012024, doi: https://doi.org/10.1088/1757-899X/425/1/012024

[9] Guo Q., Luo K., Li D. et al. Effect of operating conditions on the performance of gas–liquid mixture roots pumps. Energies, 2021, vol. 14, no. 17, art. 5361, doi: https://doi.org/10.3390/en14175361

[10] Xing L., Feng J., Tang H. et al. Performance improvement of a large capacity Roots blower based on profile modification. Proc. Inst. Mech. Eng. C, 2021, vol. 235, no. 13, pp. 2386–2394, doi: https://doi.org/10.1177/0954406220953175

[11] Bhuyan P., Ghosh S. Performance prediction of Roots blower based on shape of the rotor-profile using FVM with adaptive mesh redistribution technique and GA-tuned neural network. J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng., 2019, vol. 41, no. 10, art. 433, doi: https://doi.org/10.1007/s40430-019-1900-y

[12] McDougald S., Imrie B.W., Cole B.N. An investigation of the volumetric efficiency of a Roots blower. Proc. 1974 Purdue Compressor Technology Conf. West Lafayette, Purdue University, 1974, p. 127. URL: https://docs.lib.purdue.edu/icec/127/ (дата обращения: 15.03.2026).

[13] Малин И.А., Райков А.А., Саликеев С.И. и др. Температурные характеристики вакуумных насосов Рутс с многолопастными роторами. Тез. XIX Межд. науч.-тех. конф. Вакуумная техника, материалы и технология. Москва, 2025, Электровакуумные технологии, 2025, с. 31–32.

[14] Исаев А.А., Райков А.А., Бурмистров А.В. и др. Термометрирование двухроторного вакуумного насоса. Вестник РВО, 2023, № 2, с. 12–19.

[15] Малин И.А., Райков А.А., Бурмистров А.В. Сравнение эффективности многолопастных роторов вакуумных насосов внешнего сжатия. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2025, № 7, с. 56–62. EDN: NSXYOQ