油扩散泵的工作原理与结构

1．概述

油扩散泵的工作原理与水蒸汽喷射泵相似，都是靠高速蒸汽射流来携带气体以达到抽气的目的，故有如水蒸汽喷射泵相似的特点。不同点是扩散泵工作在高真空区域，其工作压强范围为10-2～10-6pa。广泛用于电子、化工、冶金、机械、石油及原子能等工业部门中。

2．油扩散泵的工作原理与结构

图3是扩散泵的结构示意图。

当油蒸汽从伞形喷咀(如I级喷咀)以超音速喷出后，其速度逐渐增大，压力及密度逐渐降低，射流上边的被抽气体A因密度差要向蒸汽射流中扩散并被射流携带到水冷的泵壁处B，在B处，工作蒸汽大部分被冷凝成油滴沿泵壁流回到油锅中循环使用，而被抽气体在B处堆积、压缩，最后被下级射流携带走，以达到逐级压缩，最后被前级泵抽走。其抽速特性曲线如图4所示。

3．扩散泵的性能计算

(1)扩散泵的抽速S 的计算[1]

(4)

式中ω——蒸汽射流的平均速度

R(L)、R(O)——分别表示泵筒与喷咀帽的直径

a——蒸汽射流与泵壁的夹角

D——气体在射流中的扩散系数

(2)扩散泵每级最大压缩比(P2／P1)max的计算

(5)

式中ω、D——意义同(4)

L——蒸汽射流长度

(3)蒸汽射流流谱的计算

扩散泵各级蒸汽射流的工作压强范围为10-2～l0-6Pa，在这样宽的领域里，蒸汽流从连续流向滑流、过渡流、分子流过渡。用一种理论解决上述各种流态中的问题是很困难的。通常，在连续流领域里，可用气体动力学理论去处理，在分子流领域里，可用分子流理论去处理。然而，处理两种流态之间的问题也是很困难的。为此，在处理蒸汽流问题之前，必须弄清楚所要处理的蒸汽流是属于那种流态。

M．Wutz建议用特征碰撞数Z大于10作为应用气体动力学的判据[2]。

(6)

式中C——油蒸汽分子的平均热运动速度(cm／s)

l——蒸汽流中混合物分子的平均自由程，因射流中蒸汽分子密度n d》n g(混合物中空气分子密度)，所以l可看成是蒸汽分子的平均自由程(cm)

L——蒸汽射流的长度(cm)

V——蒸汽射流的平均速度(cm／s)

工作蒸汽在喷咀内的流动，可用一维定常等熵流的公式去计算，而工作蒸汽在喷咀外的流动比较复杂，往往是膨胀波、微压缩波和激波共存的复杂流场。

关于膨胀波的流场，可用下边的普朗特——迈耶流公式求解。对左伸膨胀波系，其计算公式为：

（7）

对于右伸膨胀波系，其计算公式为：

（8）

上二式中θ——气流方向角

λ——速度系数

K——气体绝热指数

C1，C2——积分常数

关于激波流场中的气流参数，由下面诸公式计算。

（9）

式中λ1——激波前的速度系数

λ2x——激波后的速度系数在x轴上的分量

λ2y——激波后的速度系数在y轴上的分量

K——气体绝热指数

(10)

(11)

(12)

上三式中P1、ρ1、T1及P2、ρ2、T2分别表示波前波后的压力，密度及温度

M1——波前气流马赫数

β——激波角

K——气体绝热指数。

根据膨胀波及激波流场中的诸计算式，可绘出扩散泵中各级射流流谱(如图3中的I级喷咀流谱)。显然，喷咀系统的几何形状、级间距离及压缩比等对流谱和泵的性能有很大影响。为了确定较佳的喷咀形状、级间距离及压缩比，应绘出多种工况下的流谱，选出其中一组较佳数据为设计方案。究竟选择那种流谱为最佳方案，应考虑下述原则：

(1)各级射流不重叠。

(2)应保证第一级射流充分膨胀。

(3)保证第一级射流有足够的长度，并且与泵壁的夹角应尽量小，以利于提高何氏系数。

同样，第一喷咀上的挡油帽位置也应根据第一级射流流谱来确定，即挡油帽的轴向安装位置应保证挡住第一级射流流线中垂直泵壁以上的分量。