復合分子泵牽引級參數對氦質譜檢漏儀性能的影響研究

2022-04-17 李博 東北大學機械工程與自動化學院

  復合分子泵作為氦質譜檢漏儀的重要部件,其自身的幾何參數在影響抽氣性能的同時也影響檢漏儀的檢測性能;分子泵抽氣基本理論,建立了復合分子泵牽引級的計算模型,通過改變螺旋升角、牽引槽深度和轉子與定子的間隙,分別計算了復合分子泵牽引級對氦質譜檢漏儀涉及到的2種氣體——空氣和氦氣在不同工況下的抽氣性能,研究了復合分子泵牽引級參數對氦質譜檢漏儀檢測性能的影響。結果表明,隨著螺旋升角和牽引槽深度增大,氦質譜檢漏儀的靈敏度均先提高后下降;增大轉子與定子間隙,不利于氦質譜檢漏儀靈敏度的提高;選取螺旋升角為22°、牽引槽深為 2.5 mm、轉子與定子間隙為 0.3 mm時,氦質譜檢漏儀具有較高的靈敏度,同時復合分子泵牽引級性能可靠且結構安全。

  氦質譜檢漏儀以氦氣作為示漏氣體,性能穩定,靈敏度高,是專門用于真空檢漏的質譜分析儀器,廣泛應用在航天、電力、石油、環保等領域。復合分子泵作為真空獲得設備,是氦質譜檢漏儀的關鍵部件,其抽氣性能直接影響檢漏儀的檢測性能。國內復合分子泵的研制起步較晚,與國外產品有一定差距,尚未研制出氦質譜檢漏技術中使用的多口復合式分子泵。

  復合分子泵牽引級的參數直接影響著分子泵的抽氣性能,進而影響著氦質譜檢漏儀的檢測性能。本文以氦質譜檢漏儀用復合分子泵牽引級為研究對象,建立適用于檢漏技術的牽引級計算模型,改變螺旋升角、牽引槽深度和轉子與定子間隙等參數,分別計算牽引級的抽氣性能,結合氦質譜檢漏儀的實際使用情況對由牽引級參數變化引起的檢漏性能的改變進行研究。通過對分子泵的抽氣性能和氦質譜儀的檢測靈敏度的優化,使復合分子泵能夠更好地應用于檢漏技術。

1、計算模型和方法

  首先建立氦質譜檢漏儀用復合分子泵牽引級的計算模型、確定計算方法。

  1.1 分子泵渦輪級抽氣性能計算模型

  牽引級的工作原理是分子牽引,即高速運動的剛體表面攜帶氣體分子,并且使之按照一定的方向運動,如圖1所示。

牽引分子泵工作原理圖

圖1 牽引分子泵工作原理圖

結論

  應用逐段判別流態法計算了具有不同螺旋升角、牽引槽深、轉子與定子間隙的復合分子泵牽引級對空氣和氦氣的抽氣性能,研究了以上參數對抽氣性能的影響,以及對氦質譜檢漏儀靈敏度的影響,得出以下結論:

  (1)增大螺旋升角,壓縮比降低;螺旋升角小于22°時,增大螺旋升角有利于氦質譜檢漏儀檢測靈敏度的提升;螺旋升角大于 22°時,增大螺旋升角將逐漸降低氦質譜檢漏儀檢測靈敏度。

  (2)隨著牽引槽深度增加,牽引級的壓縮比先增大后減;牽引槽深小于 2.5 mm時,增大槽深有利于氦質譜檢漏儀檢測靈敏度的提升;牽引槽深大于2.5 mm,增大槽深將逐漸降低氦質譜檢漏儀檢測靈敏度。

  (3)轉子與定子間隙增加的過程中,K1、K2、K1/K2整體處于下降趨勢,K2的變化較 K1更為平穩;增大轉子與定子間隙,不利于氦質譜檢漏儀檢測靈敏度的提升。

  (4)選取螺旋升角為 22°、牽引槽深為 2.5 mm、轉子與定子間隙為0.3 mm時(使用CAD制圖時需注意公差),分子泵牽引級性能較好、結構安全可靠,氦質譜檢漏儀可以獲得較高的檢測靈敏度。