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永嘉縣良邦泵閥有限公司
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閱讀：463發(fā)布時間：2012-7-10
油擴散泵的應用量大面廣，對各類氣體都能有效抽氣，還具有成本低、無振動噪音、使用及維護保養(yǎng)方便等優(yōu)點,但其工作區(qū)域，尤其是高壓強段抽氣范圍，卻受很大局限。
問題的提出在于一些大放氣量的真空鍍膜設備如磁控濺射鍍膜機、卷繞式真空鍍膜機等，特別是后者，其工作真空常在lO-1Pa范圍，且有持續(xù)的大放氣量。因而在真空系統(tǒng)的真空泵選配上要求主抽氣泵在10-2～10-1Pa范圍內要有較大的抽速，且極限真空要優(yōu)于lO-3Pa。傳統(tǒng)的油擴散泵，一般在10-3～lO-2Pa一個半數(shù)量級范圍內保持zui大值抽速，其抽速曲線的恒定滿抽速段普遍延伸至7×lO-2Pa左右（凸腔泵還要差一些）。如進氣口壓強超過臨界范圍，便會導致油蒸汽射流的破壞，抽速曲線開始急劇衰減。而油增壓泵雖能在l0-1～10Pa約二個半數(shù)量級內具備有效的抽速，但lO-2Pa范圍抽速太差，更欠缺的是極限真空只在lO-2Pa水平。這就使得設計鍍膜機時在真空系統(tǒng)的真空泵選配上，為如何兼顧真空度和抽氣效率而頗費躊躇。
顯然,這一問題的解決不是擴散泵或油增壓泵所能單獨勝任的,只能設法如何兼顧其在真空度和抽氣量方面的各自優(yōu)勢.也正由于此,提出了在原有擴散泵的基礎上進行擴展其抽氣范圍的設想.其主要手段是以擴散泵抽氣特性為出發(fā)點,參照擴散泵和油增壓泵各自性能和結構特點,增強其高壓強段抽速,擴展延伸抽氣曲線.如此改進的泵種我們稱其為擴散增壓泵.近年來我們研制出并大量用于鍍膜設備的大口徑擴增泵（KZ系列）有Ф600、Ф630、Ф800三種,在性能調試中獲得了較多的有益數(shù)據(jù),也積累了一些經(jīng)驗。
二、擴增泵的設計構思
所謂的擴展高壓強段抽速，從實踐上來說是2個目標：1．不使高壓強段的抽速急降至零，形成一漸降的抽速曲線；2盡可能減小該曲線的下降斜率。
分析其特性，從原擴散泵基礎上的改型，可考慮從三方面著手：1．改進噴嘴結構。要抽除高壓強段的大負載量氣體，傳統(tǒng)擴散泵的噴嘴結構顯然不能勝任。除了改變各噴嘴喉部面積、擴張率等參數(shù)以適應鍋爐壓強提高的變數(shù)外，還將原直簡狀噴射噴嘴改為拉瓦爾噴嘴和和與之相配的擴壓管（見圖1），以產(chǎn)生較強的正激波,大大提高排氣口處的氣體攜帶能力；2．加大加熱功率。加大功率的目的是提高鍋爐壓強，從而在相同的擴張率下各級噴嘴出口處有較高的油蒸汽壓，能形成更強的油蒸汽射流；3．換用泵液。泵液的換用是試圖在相同的加熱溫度下，大大增加鍋爐內油蒸汽的飽和蒸汽壓，但該舉目前還受很大局限，備選品只有增壓泵油和普通擴散泵油,前者飽和蒸汽壓過高,極限真空受到限制,即使采取分餾措施效果也不佳,不能進入10-3Pa.后者極限真空雖高，但高溫下油蒸汽壓過低，鍋爐壓強不理想，高壓強段抽速要受很大損失。較理想的是常溫下飽和蒸汽壓比擴散泵油高一個數(shù)量級左右，但高溫下油蒸汽壓多向油增壓泵油靠攏，兼?zhèn)涠惐糜吞匦缘挠头N。這類產(chǎn)品國外以有一些可備選，國內則祈望擴散泵油廠家能早開發(fā)推出新品。
無論抽氣機理或泵的具體結構,擴增泵都兼?zhèn)淞艘詳U散攜帶為主的擴散泵和以粘滯攜帶為主的油增壓泵的特點。在其較寬的工作范圍中，抽速曲線的二段不同走向可表征這一特性。
圖2所示，無論擴增泵或擴散泵，抽速曲線基本可分為二個區(qū)域：以4×10-2Pa為分界點，左邊為低壓強段，右邊為高壓強段，由圖可見，二個區(qū)域的抽速呈現(xiàn)出*不同的走勢。
低壓強段抽速曲線范圍為10-3～4×10-2Pa,該范圍內各級油蒸汽射流充分膨脹,蒸汽壓相對較低,且具備合適的厚度，各級射流穩(wěn)定地連續(xù)抽氣。被抽氣體可在zui大抽氣面積即一級環(huán)流面上，充分擴散進入油蒸汽射流，而被其攜帶抽除。相應抽速曲線在其zui大值上呈現(xiàn)較為恒定狀態(tài)，為一微曲的水平線，這是擴散泵的基本特征。
高壓強段抽速曲線范圍為4×10-2～10-1Pa,該范圍內進口壓強不斷增高,接近10-1Pa時,被抽氣體壓強相近甚至高于一級擴散噴嘴出口處油蒸汽壓。一級油蒸汽射流膨脹度減小，zui后乃至被壓縮。不能形成能有效抽氣且能“封住”被抽氣體返流的蒸汽射流。被抽氣體返流增加。抽氣速率開始下降。同樣，隨著進口壓強繼續(xù)增高，類似情況又在二、三噴嘴處相繼出現(xiàn)?；诖耍?×10-2Pa出現(xiàn)拐點后的抽速曲線是一下降的線段。
比較擴增泵和擴散泵的抽速曲線，在低壓強段，擴散泵的抽速曲線更為穩(wěn)定，而擴增泵有些相似于油增壓泵，抽速從一較低處開始爬坡，直到10-2Pa后才超過擴散泵，擴增泵中，噴嘴出口處的油蒸汽射流密度遠大于擴散泵，被抽氣體分子擴散入油蒸汽射流中而被抽除的幾率較低，而在較低壓強處被抽氣體分子返流的數(shù)量不多，擴增泵無優(yōu)勢可言，故抽速低于擴散泵。在高壓強段，結果向相反方向變化，進氣口壓強逐步升高后，未到10-1Pa，擴散泵抽速已大幅下降，擴增泵則更為“抗跌”。
除了抽速曲線，圖2還示出了擴增泵和擴散泵抽氣量曲線，不同的是擴增泵在隨進口壓強升高而抽氣量線形上升，至10-1Pa后漸趨穩(wěn)定。2×10-1Pa后，則又出現(xiàn)抽氣量的躍升。抽氣量曲線中，擴增泵在高壓強段的抽氣性能顯示得更為清晰。
三、擴增泵研制中的抽速試驗
研制KZ-600擴增泵時，針對一些影響抽速的因素曾作了一系列抽速性能調試，本文簡略敘述如下：
1．擴散泵喉部面積對抽氣速率的影響
從圖3可見，一級擴散噴嘴結構參數(shù)的變化只對低壓強段抽速有顯著影響：相同噴射角度、相同擴張率、不同喉部面積條件下，各曲線在低壓強段差距明顯，抽速（5～6×10-2Pa處）相差在30％以上。以后則逐漸收斂，至2×10-1Pa后趨于一致，此段抽速主要取決于二、三級噴嘴及拉瓦爾噴嘴參數(shù)，與原先設計時的設想相符。試驗表明，一級喉部面積應不小于9cm2。
2．泵液種類對抽速的影響
高溫下具有較高飽和蒸汽壓的泵液能在相對小的功率（不至于大幅提高油溫，避免泵油裂化）下，提供較高鍋爐壓強，這對增強油蒸汽射流強度、從而在高壓強段提高抽速極為有利。KZ-600泵用增壓泵油和擴散泵油（KS-3）分別作了抽速測試。進口壓強大于3×10-2Pa時，二者開始顯示不同走勢，進口壓強越大，增壓泵油的優(yōu)勢越顯著。
增壓泵油在高壓強段具有比擴散泵油好得多的抽氣特性，但為獲得較好的真空度，還是決定采用擴散泵油為擴增泵泵液。這也從另一角度給我們啟示：如能研制介于二者之間（飽和蒸汽壓常溫下低于增壓泵油、高溫下高于擴散泵油的泵液）的油品。應該更能成為擴增泵泵液的優(yōu)選。
3．水冷擋帽對抽速的影響
圖5的試驗表明，加上水冷擋油帽后，低壓強段抽速增大，但高壓強段變化不明顯。這是由于加上水冷擋油帽后,抽氣面積雖稍有減小，但有效的擋油效果使大量返流油蒸汽被捕集，起了部分抽除可凝性氣體的作用，從而抽速增大；而在高壓強段，返流油蒸汽量相比于全部被抽氣體，其氣體量比例較小，上述分析的效果不顯著，故抽速曲線趨向于一致。如擋油帽用溫度更低的冷卻介質，在低胞雖段抽除可凝性氣體含量更高的工作氣體，該效果將更好。
4．不同加熱功率對抽速的影響
擴增泵工作區(qū)域較寬，故*加熱功率曲線在各段也有所區(qū)別。在低壓強段，加熱功率超過*功率后，蒸氣流密度增大，但被抽氣體擴散系數(shù)減小，抽速反而降低。但在高壓強段加大功率后，油蒸汽流強度提高，攜帶被抽氣體能力增強，抽速有增無減，曲線下降較緩。圖6顯示了不同功率對抽速影響的對比，10-2Pa區(qū)域內除了18.5kW,其他功率下抽速基本一致。而10-1Pa區(qū)域，整齊的排列清楚地顯示了隨著功率增加而抽速降勢減緩（斜率減?。?br />
四、擴增泵的結構特點
不同于擴散泵性能特點的擴增泵當然具有其自身的結構特點，除了前述噴嘴結構的改進，我們在研制時還作了三方面的結構改進：
1．加熱器的改進
擴增泵功率較擴散泵加大近一倍，這就帶來二個問題，一是節(jié)能問題，敞開式電爐是通過熱輻射至泵底再將熱量傳至泵液，如此單向傳熱啟動慢，更有熱量散失，熱效率低的弊病。擴增泵將多根套管在方型加熱鍋爐的下部焊實。另將管狀加熱器穿入套管內，工作時整個套管浸入泵液中（見圖7），熱量徑向傳輸，且是固體直接傳熱，既縮短加熱時間，義減少熱散失。二是單位加熱功率問題，如仍沿用敞開式電爐結構，新的加熱功率下加熱表面的單位熱載荷大大增加，會出現(xiàn)泵液的裂化和爆沸。如圖7的結構改進加熱方式后，大大增加了加熱表面積，單位載荷控制在3.1W/cm2以內。
2．水冷擋油帽裝置
擴增泵加大加熱功率后，油蒸汽量增大，返油量也增大。大量的油蒸汽會使擋油帽溫度迅速升高，減弱防返油效果。所以擋油帽上加水冷裝置在大型擴增泵中是必須的，可大大降低返油率。從試驗結果看，較低溫度的擋油帽對抽速也是有益的。
3．前級水冷裝置
擴增泵不光進氣口返流的油蒸汽量大，排氣口經(jīng)拉瓦爾噴口排出的油蒸汽量也大，大量油蒸汽沖向前級管道后并不能*在前級管道壁和前級擋油阱處凝結，未凝結部分結果由前級泵抽除。這既使得泵油的耗量增大，義使前級泵增大了不必要的負載。同樣道理，應有效地降低擋油片溫度，使油蒸汽充分凝結。故設計時在擴增泵KZ系列在前級加了水冷擋油裝置（見圖8）。明顯減少了泵油的耗量。
五、結束語
擴增泵的開發(fā)，是擴大油蒸汽流泵工作區(qū)域的一種新嘗試。KZ系列擴增泵以其凸腔結構，不僅增大低壓強段抽速，還將抽速曲線往下延伸，在進入lO-1Pa后拓展抽氣范圍近一個數(shù)量級，抽氣量比原先提高一到二倍。該泵的調試結果表明，原先一些設想是可行的。
傳統(tǒng)的擴散泵性能調試中，一些對抽速有顯著影響的因素如減少返油、改變擴散噴嘴結構參數(shù)等，在進氣口壓強進入10-1Pa后逐漸淡出，起主要作用的轉為能增強油蒸汽射流強度的一些因素，如加熱功率、泵液種類的選用等。
擴增泵欲達到擴展高壓強段抽氣性能的目的，必須在噴嘴結構、配置參數(shù)等方面作一些必要的改進，此外改型后的擴增泵會出現(xiàn)一系列新的問題如：加熱方式、表面熱負載密度、返油、前級殘余油蒸汽處理等，這些都可以通過結構改進來加以解決。
當然，還有許多問題尚待解決，如合宜的前級反壓強的確定、合理選用泵液、提高單位功率抽氣量和更合理選擇加熱功率等，這將在以后進一步探討。
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