本文介紹通過研制擴(kuò)散增壓泵以擴(kuò)展傳統(tǒng)擴(kuò)散泵高壓強(qiáng)段工作區(qū)域的探索,詳細(xì)介紹了擴(kuò)散增壓泵研制過程中獲取的抽氣能力調(diào)試各類數(shù)據(jù),并試圖探索及掌握影響擴(kuò)散增壓泵抽氣能力的各類因素,以滿足其增大抽氣量的需要。
一、前言
油擴(kuò)散泵的應(yīng)用量大面廣，對(duì)各類氣體都能有效抽氣，還具有成本低、無振動(dòng)噪音、使用及維護(hù)保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn),但其工作區(qū)域，尤其是高壓強(qiáng)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(shè)備如磁控濺射鍍膜機(jī)、卷繞式真空鍍膜機(jī)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(nèi)要有較大的抽速，且極限真空要優(yōu)于lO-3Pa。傳統(tǒng)的油擴(kuò)散泵，一般在10-3～lO-2Pa一個(gè)半數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)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(jìn)氣口壓強(qiáng)超過臨界范圍，便會(huì)導(dǎo)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(gè)半數(shù)量級(jí)內(nèi)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(shè)計(jì)鍍膜機(jī)時(shí)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(fèi)躊躇。
顯然,這一問題的解決不是擴(kuò)散泵或油增壓泵所能單獨(dú)勝任的,只能設(shè)法如何兼顧其在真空度和抽氣量方面的各自優(yōu)勢(shì).也正由于此,提出了在原有擴(kuò)散泵的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展其抽氣范圍的設(shè)想.其主要手段是以擴(kuò)散泵抽氣特性為出發(fā)點(diǎn),參照擴(kuò)散泵和油增壓泵各自性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),增強(qiáng)其高壓強(qiáng)段抽速,擴(kuò)展延伸抽氣曲線.如此改進(jìn)的泵種我們稱其為擴(kuò)散增壓泵.近年來我們研制出并大量用于鍍膜設(shè)備的大口徑擴(kuò)增泵（KZ系列）有Ф600、Ф630、Ф800三種,在性能調(diào)試中獲得了較多的有益數(shù)據(jù),也積累了一些經(jīng)驗(yàn)。
二、擴(kuò)增泵的設(shè)計(jì)構(gòu)思
所謂的擴(kuò)展高壓強(qiáng)段抽速，從實(shí)踐上來說是2個(gè)目標(biāo)：1．不使高壓強(qiáng)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(kuò)散泵基礎(chǔ)上的改型，可考慮從三方面著手：1．改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)。要抽除高壓強(qiáng)段的大負(fù)載量氣體，傳統(tǒng)擴(kuò)散泵的噴嘴結(jié)構(gòu)顯然不能勝任。除了改變各噴嘴喉部面積、擴(kuò)張率等參數(shù)以適應(yīng)鍋爐壓強(qiáng)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(kuò)壓管（見圖1），以產(chǎn)生較強(qiáng)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(qiáng)，從而在相同的擴(kuò)張率下各級(jí)噴嘴出口處有較高的油蒸汽壓，能形成更強(qiáng)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(nèi)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(kuò)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(jìn)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(qiáng)不理想，高壓強(qiáng)段抽速要受很大損失。較理想的是常溫下飽和蒸汽壓比擴(kuò)散泵油高一個(gè)數(shù)量級(jí)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(nèi)則祈望擴(kuò)散泵油廠家能早開發(fā)推出新品。
無論抽氣機(jī)理或泵的具體結(jié)構(gòu),擴(kuò)增泵都兼?zhèn)淞艘詳U(kuò)散攜帶為主的擴(kuò)散泵和以粘滯攜帶為主的油增壓泵的特點(diǎn)。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(kuò)增泵或擴(kuò)散泵，抽速曲線基本可分為二個(gè)區(qū)域：以4×10-2Pa為分界點(diǎn)，左邊為低壓強(qiáng)段，右邊為高壓強(qiáng)段，由圖可見，二個(gè)區(qū)域的抽速呈現(xiàn)出*不同的走勢(shì)。
低壓強(qiáng)段抽速曲線范圍為10-3～4×10-2Pa,該范圍內(nèi)各級(jí)油蒸汽射流充分膨脹,蒸汽壓相對(duì)較低,且具備合適的厚度，各級(jí)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(jí)環(huán)流面上，充分?jǐn)U散進(jìn)入油蒸汽射流，而被其攜帶抽除。相應(yīng)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(kuò)散泵的基本特征。
高壓強(qiáng)段抽速曲線范圍為4×10-2～10-1Pa,該范圍內(nèi)進(jìn)口壓強(qiáng)不斷增高,接近10-1Pa時(shí),被抽氣體壓強(qiáng)相近甚至高于一級(jí)擴(kuò)散噴嘴出口處油蒸汽壓。一級(jí)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(jìn)口壓強(qiáng)繼續(xù)增高，類似情況又在二、三噴嘴處相繼出現(xiàn)?；诖?，4×10-2Pa出現(xiàn)拐點(diǎn)后的抽速曲線是一下降的線段。
比較擴(kuò)增泵和擴(kuò)散泵的抽速曲線，在低壓強(qiáng)段，擴(kuò)散泵的抽速曲線更為穩(wěn)定，而擴(kuò)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(kuò)散泵，擴(kuò)增泵中，噴嘴出口處的油蒸汽射流密度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散泵，被抽氣體分子擴(kuò)散入油蒸汽射流中而被抽除的幾率較低，而在較低壓強(qiáng)處被抽氣體分子返流的數(shù)量不多，擴(kuò)增泵無優(yōu)勢(shì)可言，故抽速低于擴(kuò)散泵。在高壓強(qiáng)段，結(jié)果向相反方向變化，進(jìn)氣口壓強(qiáng)逐步升高后，未到10-1Pa，擴(kuò)散泵抽速已大幅下降，擴(kuò)增泵則更為“抗跌”。
除了抽速曲線，圖2還示出了擴(kuò)增泵和擴(kuò)散泵抽氣量曲線，不同的是擴(kuò)增泵在隨進(jìn)口壓強(qiáng)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(kuò)增泵在高壓強(qiáng)段的抽氣性能顯示得更為清晰。
三、擴(kuò)增泵研制中的抽速試驗(yàn)
研制KZ-600擴(kuò)增泵時(shí)，針對(duì)一些影響抽速的因素曾作了一系列抽速性能調(diào)試，本文簡略敘述如下：
1．?dāng)U散泵喉部面積對(duì)抽氣速率的影響
從圖3可見，一級(jí)擴(kuò)散噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化只對(duì)低壓強(qiáng)段抽速有顯著影響：相同噴射角度、相同擴(kuò)張率、不同喉部面積條件下，各曲線在低壓強(qiáng)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(jí)噴嘴及拉瓦爾噴嘴參數(shù)，與原先設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)想相符。試驗(yàn)表明，一級(jí)喉部面積應(yīng)不小于9cm2。
2．泵液種類對(duì)抽速的影響
高溫下具有較高飽和蒸汽壓的泵液能在相對(duì)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(qiáng)，這對(duì)增強(qiáng)油蒸汽射流強(qiáng)度、從而在高壓強(qiáng)段提高抽速極為有利。KZ-600泵用增壓泵油和擴(kuò)散泵油（KS-3）分別作了抽速測(cè)試。進(jìn)口壓強(qiáng)大于3×10-2Pa時(shí)，二者開始顯示不同走勢(shì)，進(jìn)口壓強(qiáng)越大，增壓泵油的優(yōu)勢(shì)越顯著。
增壓泵油在高壓強(qiáng)段具有比擴(kuò)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(kuò)散泵油為擴(kuò)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(kuò)散泵油的泵液）的油品。應(yīng)該更能成為擴(kuò)增泵泵液的優(yōu)選。
3．水冷擋帽對(duì)抽速的影響
圖5的試驗(yàn)表明，加上水冷擋油帽后，低壓強(qiáng)段抽速增大，但高壓強(qiáng)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(qiáng)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(zhì)，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(duì)抽速的影響
擴(kuò)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(qiáng)段，加熱功率超過*功率后，蒸氣流密度增大，但被抽氣體擴(kuò)散系數(shù)減小，抽速反而降低。但在高壓強(qiáng)段加大功率后，油蒸汽流強(qiáng)度提高，攜帶被抽氣體能力增強(qiáng)，抽速有增無減，曲線下降較緩。圖6顯示了不同功率對(duì)抽速影響的對(duì)比，10-2Pa區(qū)域內(nèi)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(shì)減緩（斜率減?。?。
四、擴(kuò)增泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
不同于擴(kuò)散泵性能特點(diǎn)的擴(kuò)增泵當(dāng)然具有其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，除了前述噴嘴結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，我們?cè)谘兄茣r(shí)還作了三方面的結(jié)構(gòu)改進(jìn)：
1．加熱器的改進(jìn)
擴(kuò)增泵功率較擴(kuò)散泵加大近一倍，這就帶來二個(gè)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(dòng)慢，更有熱量散失，熱效率低的弊病。擴(kuò)增泵將多根套管在方型加熱鍋爐的下部焊實(shí)。另將管狀加熱器穿入套管內(nèi)，工作時(shí)整個(gè)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(shí)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(jié)構(gòu)，新的加熱功率下加熱表面的單位熱載荷大大增加，會(huì)出現(xiàn)泵液的裂化和爆沸。如圖7的結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(nèi)。
2．水冷擋油帽裝置
擴(kuò)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(huì)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(kuò)增泵中是必須的，可大大降低返油率。從試驗(yàn)結(jié)果看，較低溫度的擋油帽對(duì)抽速也是有益的。
3．前級(jí)水冷裝置
擴(kuò)增泵不光進(jìn)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(jí)管道后并不能*在前級(jí)管道壁和前級(jí)擋油阱處凝結(jié)，未凝結(jié)部分結(jié)果由前級(jí)泵抽除。這既使得泵油的耗量增大，義使前級(jí)泵增大了不必要的負(fù)載。同樣道理，應(yīng)有效地降低擋油片溫度，使油蒸汽充分凝結(jié)。故設(shè)計(jì)時(shí)在擴(kuò)增泵KZ系列在前級(jí)加了水冷擋油裝置（見圖8）。明顯減少了泵油的耗量。
五、結(jié)束語
擴(kuò)增泵的開發(fā)，是擴(kuò)大油蒸汽流泵工作區(qū)域的一種新嘗試。KZ系列擴(kuò)增泵以其凸腔結(jié)構(gòu)，不僅增大低壓強(qiáng)段抽速，還將抽速曲線往下延伸，在進(jìn)入lO-1Pa后拓展抽氣范圍近一個(gè)數(shù)量級(jí)，抽氣量比原先提高一到二倍。該泵的調(diào)試結(jié)果表明，原先一些設(shè)想是可行的。
傳統(tǒng)的擴(kuò)散泵性能調(diào)試中，一些對(duì)抽速有顯著影響的因素如減少返油、改變擴(kuò)散噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)等，在進(jìn)氣口壓強(qiáng)進(jìn)入10-1Pa后逐漸淡出，起主要作用的轉(zhuǎn)為能增強(qiáng)油蒸汽射流強(qiáng)度的一些因素，如加熱功率、泵液種類的選用等。
擴(kuò)增泵欲達(dá)到擴(kuò)展高壓強(qiáng)段抽氣性能的目的，必須在噴嘴結(jié)構(gòu)、配置參數(shù)等方面作一些必要的改進(jìn)，此外改型后的擴(kuò)增泵會(huì)出現(xiàn)一系列新的問題如：加熱方式、表面熱負(fù)載密度、返油、前級(jí)殘余油蒸汽處理等，這些都可以通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)來加以解決。
當(dāng)然，還有許多問題尚待解決，如合宜的前級(jí)反壓強(qiáng)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(jìn)一步探討。
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