大型水环真空泵的低气压稳定及调节的方法

秦杰， 邹祁峰， 李光健， 陈晖， 谢俊杰， 陈艺天

（工业和信息化部电子第五研究所， 广东 广州 511370）

0 引言

伴随着我国经济的飞速发展， 航空航天领域的装备日趋于大型化、 复杂化， 发热量大， 并不断地向高可靠性产品转型。 相应的低气压综合试验箱的研制也在往大型化方向发展来满足试验需求， 例如： 在大容积的低气压环境下注入大流量辅助冷却空气时能有较大的抽真空能力来稳定箱内的压力变化， 因此研制大型、 大抽真空能力的综合低气压试验箱尤为重要， 而其中最为关键的就是大型真空泵。 本文以大型水环真空泵在低气压试验设备中的使用为研究方向， 如何控制和调节大型水环真空泵的抽真空能力使其在降压过程中不过冲， 注入大流量辅助冷却空气时能保持期间的压力值稳定， 满足相关标准规定的试验要求。

1 水环式真空系统的低气压值不可控问题分析

1.1 试验条件剪裁

目前国内模拟机载设备在其工作中遇到的温度、 压力急剧变化环境的适应性的标准多是以GJB 150.6—1986 《军用设备环境试验方法 温度-高度试验》[1]作为剪裁， 该标准中对试验要求及实施方法做出了相关描述和规定。 而作为剪裁标准GJB 150 标准具有很大的灵活性[2]。

剪裁条件分为两个阶段， 如下所述。

a） 第一阶段为低温低气压试验阶段， 在-55 ℃和7.5 kPa 下保持4 h， 然后加电1 h 进行性能测试， 期间通风散热， 完成后结束[2]。

b） 第二阶段为高温低气压试验阶段， 在60 ℃和11.5 kPa 下保持4 h， 然后加电1 h 进行性能测试， 期间通风散热， 完成后结束； 散热是采用直接风冷散热方式， 辅助冷却空气为5 ℃、144 Nm3/h[2]。

根据上述的方法归纳出试验程序， 如表1所示。

表1 试验程序

1.2 试验条件实施难度

机载设备分别在低温低气压试验段和高温低气压试验段进行性能测试， 期间要进行散热通风， 而辅助冷却空气由风管注入机载设备中并排到低压环境中， 因低压环境下突然注入大流量的空气， 导致真空泵的抽气压能力不能满足通风量要求， 造成箱内的低气压值波动甚至恢复到常压。

目前国内对于机载设备低压环境下注入辅助冷却空气有两种解决方法： 1） 从机载设备的前端进再从末端的风管出， 使风形成一个闭环送出箱外；2） 将辅助冷却空气的风量尽量地控制在真空泵的抽真空能力内。 不过， 当面临较大的辅助冷却空气风量和机载设备末端的出风口无法接风管并将风排出箱外时， 以上两种方法均无法实现。

1.3 水环真空泵存在的问题

目前， 国内环境试验设备厂商面对低气压环境下需注入大流量的辅助冷却空气的试验需求， 以及整机和大型试样开展试验需要低气压环境的需求， 正在积极开展满足相关标准要求的大型低气压综合试验设备的研究。 本论文以佶缔纳士真空泵某系列的液环水环真空泵抽真空为研究方向， 其真空泵抽气压值理论指标是3.3 kPa， 实际运用在10 m3的设备时， 低气压值最低达2 kPa （左右其中包含设备连接密封处的漏气）， 基本涵盖了机载设备相关标准的低气压范围。

由于水环真空泵自身结构工作方式的原因， 导致实际使用中虽然设置了规定值， 但是抽气压时还是会有超过设定值的情况。 例如： 对上述试验条件中的7.5 kPa 进行抽气压的时候， 在接近7.5 kPa后会继续往下降到2.8 kPa 左右， 如图1 所示。 因此满足不了试验要求， 更满足不了不同的低气压环境下注入不同的辅助冷却空气时能保持低气压值的稳定的要求， 如果应用到低气压试验设备中， 就极容易因为实际值超过设定值而造成试验样品损坏，严重时甚至会造成安全事故。 后来尝试调整PLC控制系统的参数来改变真空泵的工作特性又导致抽气压时间延长、 压力降不下去、 辅助冷却空气注入箱内时会恢复常压等问题。 如何将水环真空泵的抽气压控制在规定的试验要求下， 这是需要进行研究的问题。

图1 低气压值超过设定值

2 水环式真空泵的结构和工作原理

对于有诸多形式的真空泵， 水环式真空泵具有结构简单、 运行经济和适用范围广等特点， 它由叶轮“泵体” “吸排气口” 辅助管道等组成[3]， 具体的结构如图2 所示。 从图2 中可以看出， 叶轮被偏心地安装在泵体中。 当叶轮旋转时， 在离心力的作用下， 水被抛向四周， 形成一个与泵腔形状相似的封闭水环。 水环的外表面和泵腔接触， 内表面与叶片接触， 叶轮轮毂与水环之间形成若干个月牙形小腔。 当叶轮顺时针旋转时， 由于偏心布置的影响， 单个小腔的容积由小变大， 腔室内的压强不断地降低， 当压强低于被抽容器内的气体压强时， 气体就从吸入口进入小腔， 这就是吸气过程[3]。 随着叶轮的继续旋转， 小腔的容积逐渐地减小， 压强不断地增大， 直到气体的压强大于排气压强时， 被压缩的气体从排气口被排出[3]。 这样， 在泵的连续运转过程中， 气体沿着叶轮的轴向不断地被吸入和排出， 从而达到连续抽气的目的[3]。

图2 真空泵结构

正是水环真空泵这种结构导致无法通过变频器来调节控制气压值。 例如： 试验中会要求改变气压值， 将相对规定转速改为变速运行时， 会造成临界压缩比下降； 低速工作导致频率太低时， 电机转速慢， 液环无法建立； 抽真空效果变差， 导致真空泵腔内面临水和空气的阻力， 严重时可能会导致泵超电流烧坏。 如果高速工作时频率过高， 而水泵腔内的容积太小会造成滞后现象， 致使容积损失增加，导致泵阀撞击严重而造成真空泵的磨损。

3 水环真空系统低气压值控制方法

3.1 真空泵抽速公式推导

设试验箱内胆体积为v， 其内气压值为P1， 内胆与真空泵之间无管道连接， 故试验箱内胆中和出气口处的气体压强在任何时刻都等于真空泵入气口处压强。 真空泵从内胆中的气压等于外界环境气压P1=P1＇， 开始抽气， 内胆中的气压便开始下降； 经过dt 时间， 真空泵抽走的气体量等于内胆中气体减少的量， 也等于内胆出气口处的抽气量， 即：

式（1） 中： SN——真空泵的抽速， 单位为L/s。

将式（1） 变为下式， 即：

真空泵对内胆进行抽气时， 外界环境中的空气总是要向内胆一些密封不好之处漏气， 例如： 试验箱的大门与箱内接合处。 随着内胆中气体的压强降低， 单位时间漏入内胆的气体随之增加， 在单位时间里真空泵抽走的气体量减去漏入内胆的气体量等于内胆气体实际减少的量， 即：

式（3） - （4） 中： U漏为内胆漏气处的漏导，它是由内胆密封不好之处的尺寸而定的， 当抽气时间达到试验箱规定的时间t=t0时， 内胆中的气压相应地要达到规定的最低气压P1=P1″； U漏的单位为L/s。

由于真空泵抽气时间t=t0时， 内胆中的气压P=P1″， 使得真空泵抽走的气体量等于外界环境漏入内胆的气体量， 此时内胆中的气体量不发生变化， 即内胆中的气压对时间的变化率为零， 即：

式（5） - （6） 中： P1是外界环境的气压， 对于试验箱， 一般P1＞P1″， 很显然SNmin＞U漏， 因此真空泵在抽气过程中SN＞U漏。

经上述公式分析， 简单归化得出下式：

由公式（7） 可以看出， 当漏气U漏固定时，真空泵的有效抽速SN与需要达到的预气压值P1″呈反比例关系。 SN越大， 需要预气压值P1″ 越小，这就是造成P1″ 的实际值大于设定值的原因。

由SN=U漏/P1″ 可以得出P1″ =U漏/SN， 从该式中可以看出， 假设真空泵的有效抽速SN是固定最大上限， 将真空系统的漏气U漏作为调节量， 增加它的漏气量， 从而保证预气压值P1″ 线性下降规定的值并保持不变的目的。

3.2 水环真空泵系统的改造

针对水环真空泵的抽压速率过强和固定的问题， 通过增加适当的漏气进行了抵消。 在大真空泵真空主管道焊接出数量合理的管道并在末端处安装电动调节球阀， 如图3 所示。 并在进气端加装消声器来提高安全性和减少噪声。 将电动调节球阀电源线和信号线与箱体PLC 控制器系统相连， PLC 控制系统根据I/O 检测到的压力值和电动调节阀开合度等数据经过PID 运算， 并通过PID 控制通道合理地调节电动调节球阀组的进气量， 以平衡水环真空泵的抽速固定和过强保证气压值的稳定性， 而且注入的风量只到真空泵管道而不到箱内， 不影响箱内的真空和温度环境。 改造后的真空系统示意图和改造结构如图4-5 所示。

图3 电动球阀

图4 改造结构

由此一来， 就解决了水环大真空泵抽气压过冲和稳定性的问题。

图5 真空系统示意图

4 应用案例结果

通过加装电动调节球阀后， 通风量在250 Nm3/h 时， 低气压值最低可降到7.5 kPa。 将剪裁的试验条件进行实践验证， 在接近7.5 kPa 气压后注入流量153 Nm3/h、 5 ℃的辅助冷空气， 气压缓慢地下降， 到达7.5 kPa 后压力值稳定没有波动， 误差控制在0.5 kPa 内， 如图6a 所示。

根据本试验程序的条件分别在7.5、 11.5 kPa处注入辅助冷却空气时均能控制低气压值的稳定，试验结果满足要求， 如图6b 所示。

在低气压值26.4 kPa 时注入208 Nm3/h 的辅助冷却空气均能使低气压值稳定， 如图6c 所示。

图6 实践验证的试验曲线

5 调节极限低气压值方法

5.1 控制供水量

通过改变水环真空泵腔室内注水量的大小来控制气压值， 以实现水环真空泵的抽真空能力大小。水是液环形成的重要因素， 水和真空泵腔内的容积有一定的比例关联， 所以腔内的水量是有合理范围的， 供水量过大会导致电机超载和启动时容易把机械密封顶坏； 太少又不能形成真空， 或者把机械密封干磨造成损坏。 所以能调节的真空范围有限， 适合固定或者极限的气压值。

5.2 控制供水温

通过控制注入水环真空泵腔内的供水水温来控制气压值。 水温度过高的话， 循环水会发生汽化现象， 由液态转换成汽态， 水环式真空泵所抽的气体包含了箱内气体与泵腔内的气体， 所以气压值偏高。 反之， 想要气压值更低， 则需降低水温。 水温一般以5~35 ℃为宜。 适合固定或者极限气压值。

6 结束语

目前， 国内对大型低气压综合设备的研制还处于不太完善阶段， 本文通过对真空泵的抽速公式的推导对大型水环真空泵系统进行了改造， 结果表明： 实施较为简单的改造就能够解决水环真空泵的抽气压过冲的难题， 从而拓宽了设备抽气压的范围， 使得试验设备满足相关标准中的温度-湿度-高度带辅助冷却空气的单应力或多应力组合的试验要求， 并且能将气压的变化速率控制在一定的时间内， 保持气压值的稳定性。 另外还从多方面分析了影响水环气压值的因素。 大型水环真空泵应用在环境可靠性试验设备中的优点是含水蒸汽环境提供大抽力运行， 不用担心抽低气压时水蒸汽对真空泵的影响， 相较于其他类型真空泵也易以保养和维护，其结构简单、 成本低、 经济实惠。 本论文结合试验工程应用中的案例进行了试验实施， 从而为水环真空泵在大型低气压综合试验设备中的应用提供了理论研究基础， 也给大型低气压综合试验设备的设计人员提供了一些思路。