Кулачково-зубчатые вакуумные насосы

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное 

образовательное учреждение высшего образования 

«Казанский национальный исследовательский 

технологический университет» 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

А. А. Райков, С. И. Саликеев, А. В. Бурмистров 

 
 

КУЛАЧКОВО-ЗУБЧАТЫЕ 
ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ 

 

 

Учебное пособие 

 
 

 

 
 
 
 
 
 

 

 

Казань 

Издательство КНИТУ 

2019 

УДК 621.52 (07) 
ББК 31.77я7 

Р18

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета 

 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, проф. С. Б. Нестеров 

д-р физ.-мат. наук, проф. П. П. Осипов 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
Р18 

Райков А. А. 
Кулачково-зубчатые вакуумные насосы : учебное пособие / 
А. А. Райков, С. И. Саликеев, А. В. Бурмистров; Минобрнауки России, 
Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 
2019. – 80 с. 
 
ISBN 978-5-7882-2658-3

 
Рассмотрены принцип действия, конструктивные разновидности и характеристики 
безмасляных кулачково-зубчатых вакуумных насосов (КЗВН). 
Проанализированы технические решения, используемые в КЗВН. 

Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению подготовки 
15.04.02 «Технологические машины и оборудование». 

Подготовлено на кафедре вакуумной техники электрофизических 

установок. 

 

 

ISBN 978-5-7882-2658-3 
© Райков А. А., Саликекев С. И.,  

Бурмистров А. В., 2019

© Казанский национальный исследовательский  

технологический университет, 2019

УДК 621.52 (07) 
ББК 31.77я7

СОДЕРЖАНИЕ 

Основные условные обозначения и термины ............................................ 4 

Введение ........................................................................................................ 5 

Глава 1. Конструкция и принцип действия ................................................ 6 

1.1. Историческая справка ........................................................................... 6 
1.2. Принцип действия. Достоинства и недостатки ................................... 6 
1.3. Профили роторов ................................................................................. 10 

1.3.1. Однозубый профиль Northey ................................................... 10 
1.3.2. Двузубый «совершенный» профиль ........................................ 12 

1.4. Сравнение насосов типа Рутс и КЗВН ............................................... 19 
1.5. Насосы без внутреннего сжатия ......................................................... 22 
1.6. Многоступенчатые насосы ................................................................. 26 
1.7. Откачка загрязненных газов и конденсирующихся паров .............. 36 

Глава 2. Методика профилирования роторов КЗВН ............................... 40 

2.1. Профилирование однозубого асимметричного профиля ................. 42 
2.2. Построение окон всасывания и нагнетания ...................................... 51 
2.3. Вычисление объемов рабочих полостей ........................................... 53 
2.4. Подбор оптимальных параметров роторов ....................................... 56 
2.5. Варианты усовершенствования профиля роторов ............................ 59 
2.6. Влияние геометриии насоса на откачные харакетристики .............. 61 

Заключение .................................................................................................. 74 

Литература ................................................................................................... 75 

 

3

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ТЕРМИНЫ 

КЗВН – кулачково-зубчатый вакуумный насос; 
ДВН – двухроторный вакуумный насос типа Рутс; 
VВС – объем полости всасывания; 
VСЖ – объем полости сжатия-нагнетания; 
VПЕР – перевальный объем; 
L – глубина канала (длина ротора); 
R1, R2 – радиусы кривизны каналов; 
n – частота вращения роторов; 
j – угол поворота роторов; 
w – угловая скорость; 
SГ – геометрическая быстрота действия; 
R – радиус ротора; 
A – межосевое расстояние; 
 

4

ВВЕДЕНИЕ 

Во многих современных высокотехнологичных прозводствах 

вакуум является абсолютно незаменимой технологической средой. 
Поэтому для производства качественной продукции важным условием 
является чистота этой среды. В первую очередь это относится к отсут-
ствию паров масла, источником которых служат средства откачки. 

Для получения безмасляного низкого и среднего вакуума 

наиболее перспективным является использование бесконтактных 
насосов. К таким насосам относятся спиральные, винтовые, двухро-
торные типа Рутс, кулачково-зубчатые. 

Кулачково-зубчатые насосы, особенно в многоступенчатом ис-

полнении, сочетают в себе высокую быстроту действия и степень по-
вышения давления. Области применения этих насосов: упаковка, де-
ревообработка, пневматическая транспортировка, медицинская и ла-
бораторная промышленность, производство пластмасс, системы экс-
тракции, добыча газов (аргон, гелий). 

В данном учебном пособии рассмотрен принцип действия, до-

стоинства и недостатки, конструктивные особенности кулачково-
зубчатых насосов различных производителей и их откачные характе-
ристики. Также приведена методика построения роторов и вычисления 
объемов рабочей полости, необходимых при проектировании 
насоса. Рассмотрен вопрос подбора оптимальных геометрических параметров.  


5

ГЛАВА 1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ 

1.1.  Историческая справка 

Впервые конструкция кулачково-зубчатого насоса была описана 

в 1929 году в патенте компании Northey. Конструкция этого насоса 
(также называемая типом Northey) представляла собой два одинаковых 
ротора с одним кулачковым выступом (когтем). Такие ротора ис-
пользуюся до сих пор, чаще всего в многоступенчатых вакуумных 
насосах. 

В начале 1970-х годов в литературе впервые были описаны кулачково-
зубчатые насосы, имеющие два ротора различной геометрии: 
основной и управляющий. Их форма обеспечивает полный выхлоп и 
устраняет основной недостаток конструкции типа Northey – наличие 
защемленного объема. Профиль таких роторов называют «совершенным» 
за счет того, что камера нагнетания сжимается практически до 
нулевого объема. На практике такие ротора используют в одно- и 
двухступенчатых компрессорах. 

«Совершенный» профиль, в отличие от профиля Northey, может 

испозоваться для многокулачковых роторов. Наибольшее распространение 
получили ротора с двумя кулачковыми выступами, так как при 
увеличении количества выступов падает коэффициент использования 
объема. 

В 1985 году был представлен многоступенчатый насос со ступенью 
Рутс на входе и несколькими ступенями КЗВН ближе к выходу. 
Такая конструкция позволяет сочетать высокую быстроту действия 
насоса типа Рутс с высокой степенью повышения давления КЗВН. 

 
 

1.2.  Принцип действия. Достоинства и недостатки 

Конструктивно КЗВН (рис. 1.1) представляет собой бесконтактный 
безмасляный механический вращательный насос объемного 
принципа действия, в котором перемещение газа осуществляется за 
счет периодического изменения объема замкнутой полости, образующейся 
между зубьями роторов, расточкой корпуса и торцевыми 
крышками. 

Достоинства: 

– безмасляный вакуум; масляный картер с подшипниками и 

шестернями изолирован от рабочей полости при помощи манжетных 
или лабиринтных уплотнений; 

– отсутствие контакта между роторами позволяет исключить 

износ и трение между ними; 

– отсутствие клапанов увеличивает надежность конструкции и 

снижает сопротивление на входе и выходе; функцию газораспределения 
выполняют ротора, периодически открывая и закрывая окна 
всасывания и нагнетания. 

– высокая степень повышения давления, благодаря чему достигается 
высокий объемный коэффициент полезного действия (одна 
ступень КЗВН при работе с выхлопом в атмосферу обеспечивает 
степень повышения давления ~25, в то время как ступень типа Рутс 
имеет в аналогичных условиях степень повышения давления ~1,5–2). 

– температура газа на выходе может достигать 250 °C, это 

снижает возможность конденсации. 

Недостатки: 

– сложность изготовления роторов: сложная форма роторов и 

необходимость обеспечения гарантированного зазора порядка 0,1 мм 
требуют использования при производстве оборудования с высокой 
точностью изготовления, что повышает стоимость насоса; 

– чувствительность к загрязнению: малые величины зазоров 

диктуют высокие требования к чистоте откачиваемого газа; 

– неуравновешенность роторов: форма роторов с одним выступом 
требует сложной балансировки, исправить данный недостаток 
можно применением двузубых роторов либо расположением роторов 
в противофазе в случае использования многоступенчатых насосов; 

– высокое тепловыделение при работе с выхлопом в атмосферу 

требует организации эффективной системы воздушного или водяного 
охлаждения для предотвращения выхода из строя подшипников и 
уплотнений; 

– из-за высокой температуры возможно возгарание легковоспламеняющихся 
газов, кроме того, некоторые газы полимеризуются 
на поверхности роторов, загрязняя рабочую полость; 

– необходимость использования многоступенчатых систем 

(для получения остаточного давления порядка 1 Па требуется использование 
насосов с 3–5 ступенями); 

– необходимость применения глушителей для снижения шума. 

Ротора КЗВН часто покрывают политетрафторэтиленом (PFA) 

который обеспечивает уменьшение зазоров, благодаря чему повышается 
эффективность и снижается предельное остаточное давление. Покрытие 
роторов уменьшает коррозию, однако со временем изнашивается 
и требует повторного нанесения. 

Всасывание газа осуществляется через входной тракт 1 

(рис. 1.1), представляющий собой канал, соединяющий откачиваемый 
объем с окном всасывания 3. Этот канал размещают, как правило, 
в торцевой крышке. При вращении роторов 6, расположенных на валах 
5, газ перемещается к окну нагнетания. За счет постоянного 
уменьшения объема Б в пространстве между зубьями роторов и торцевыми 
крышками происходит сжатие газа до момента открытия окна 
нагнетания 4. Такое «внутреннее сжатие» позволяет добиться высокой 
степени повышения давления. Окно нагнетания также выполняется в 
торцевой крышке насоса, и через него газ выталкивается по каналу 2, 
практически аналогичному входному, в атмосферу (для одноступенча-
тых конструкций) или перепускается на всасывание в последующую 
ступень (для многоступенчатых машин). 

 

 

Рис. 1.1. Схема роторного механизма КЗВН: 

1, 2 – входной и выходной тракты; 3 – окно всасывания; 4 – окно 

нагнетания; 5 – вал; 6 – роторы; А – полость всасывания;  

Б – полость сжатия-нагнетания 

В процессе работы обеспечивается бесконтактное вращение роторов. 
В роторном механизме КЗВН имеются два радиальных зазора 
dРК (между зубьями роторов и цилиндрической расточкой корпуса), 
межроторный зазор dРР и два торцевых зазора dТ1 (между торцом ротора 
и торцевой крышкой со стороны окна всасывания) и dТ2 (между 
торцом ротора и торцевой крышкой со стороны нагнетания). 

Рассмотрим последовательность процесса откачки в КЗВН, при-

няв за исходное положение роторов, показанное на рис. 1.2а.  

 

 

Рис. 1.2. Последовательность работы кулачково-зубчатого  

механизма: VВС – объем полости всасывания; VСЖ – объем полости 

сжатия (нагнетания); VПЕР – перевальный объем 

 
При вращении роторов образуется замкнутый объем полости 

всасывания VВС, который начинает увеличиваться, при этом в нем 
происходит падение давления. В положении роторов б происходит 
открытие окна всасывания 1, и газ из откачиваемого объема под дей-
ствием перепада давлений между откачиваемым объемом и полостью 

всасывания устремляется в образовавшуюся полость. Процесс всасы-
вания завершается с закрытием окна всасывания в положении роторов 
в. В этом положении объем полости всасывания максимален. Газ, 
находящийся в этот момент в полости всасывания, совместно с газом, 
находящимся в перевальном объеме VПЕР, участвует в процессе пере-
мешивания и переходит в полость сжатия–нагнетания VСЖ, формиро-
вание которой происходит в положении роторов г. Вследствие умень-
шения объема рабочей полости происходит сжатие газа до момента 
открытия окна нагнетания 2 в положении роторов д, после чего начи-
нается процесс нагнетания. Процесс нагнетания завершается в поло-
жении роторов е, которое является моментом закрытия окна нагнета-
ния; при этом образуется перевальный объем VПЕР, газ из которого 
возвращается в следующий цикл всасывания. Таким образом, процесс 
откачки одной порции газа осуществляется за два оборота ротора, при 
этом процессы всасывания и сжатия–нагнетания происходят в одно-
временно сосуществующих полостях VВС и VСЖ. 

1.3.  Профили роторов 

В бесконтакных вакуумных насосах роторы предназначены для 

разделения и переноса порций газа от входа к выходу насоса. В насо-
сах с внутренним сжатием к этой функции также добавляется задача 
уменьшения рабочей полости. 

Особенностью конструкции КЗВН является то, что ротора также 

осуществляют функцию газораспределения, периодически открывая и 
закрывая окна всасывания и нагнетания, как правило расположенные 
в торцевых крышках. Профиль роторов определяет особенности протекания 
рабочего процесса и вляет на откачные и энергетические ха-
ракетроистики насоса. 

1.3.1.  Однозубый профиль Northey 

Классической для КЗВН является конструкция с одинаковыми 

однозубыми роторами (рис. 1.1), также называемая профилем Northey. 
Принцип действия насосов с такой конструкцией описан в п. 1.2. 

Основным недостатком однозубых профилей является то, что 

газ в процессе нагнетания (рис. 1.13е) выбрасывается не полностью. 
Перевальный (мертвый) объем остается внутри насоса, составляя приблизительно 
7 % от объема всасывания. Газ в уменьшающемся перевальном 
объеме находится под атмосферным (выходным) давлением, 

но в отличие от других насосов не переходит в следующий цикл всасывания 
и тем самым не оказывает существенного влияния на остаточное 
давление. Таким образом, существование перевального объема 
хотя и увеличивает давление в объеме сжатия (рис. 1.13в), снижая эффективность 
откачки, но только косвенно влияет на остаточное давление 
за счет вклада в обратное перетекание. По приблизительным 
оценкам этот вклад составляет не более 0,5 % от объема всасывания. 

 

 

 

Рис. 1.3. КЗВН с одинаковыми однозубыми роторами фирмы Northey 

(Великобритания) 

Однако в машине с профилем роторов типа Northey очень сложно 
осуществить балансировку. Поэтому в промышленном масштабе