大口径外置式低温泵对氙气抽气性能测试

第卷第期航空动力学报Vol.No.年月JournalofAerospacePowerNov.收稿日期：修订日期：基金项目：国防科工局中俄航天合作项目作者简介：凌桂龙（1981—），男，黑龙江省绥芬河人，北京航空航天大学宇航学院实验师，硕士，主要从事液体火箭发动机系统仿真优化及羽流实验研究。文章编号:大口径外置式低温泵对氙气抽气性能测试凌桂龙1，位立军2，蔡国飙1(1.北京航空航天大学宇航学院，北京100191；2.93469部队)摘要：为满足我国某型号电推进羽流实验需求，设计了大口径外置式低温泵氙气抽速测试系统，采用流量计法进行1250型大口径外置式低温泵氙气抽速测试。测试结果表明，双泵对氙气平均有效抽速52200L/s，单泵对氙气平均有效抽速27100L/s，二者比值1.93，认为大口径外置式低温泵的数量对抽速具有线性叠加性，且叠加系数与气体种类无关；大口径外置式低温泵的有效抽速低于名义抽速，平均抽气效率0.83；相同进气条件下，大口径外置式低温泵对氙气和氮气平均有效抽速比为0.53，略小于理论抽速比0.55。上述研究结果对评估大口径外置式低温泵设计指标和指导工程应用具有一定参考意义。关键词:大口径外置式低温泵；氙气；抽速测试中图分类号：TB771文献标识码:AStudyonPumpingSpeedofCryopumpforXeLingGuilong1,WEILijun2,CaiGuobiao1(1-SchoolofAstronautics,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100191,China;2-Unit93469)Abstract:Thexenonpumpingspeedtestingsystemofthelarge-diameterexternalcryogenicpumpwasdesignedtomeettheplumetestrequirementsofaprototypeelectricpropulsion.Theflowmetermethodwasutilizedtomeasurethexenonpumpingspeed.Thetestresultsshowthattheaveragedeffectivepumpingspeedofdualcryogenicpumpsis52200L/s,andthatofsinglecryogenicpumpis27100L/s.Thepumpingspeedratiooftwoconfigurationsis1.93.Itcanbeconcludedthatthepumpingspeedisinlinearrelationshipwiththenumberofcryogenicpump,andthecoefficientisirrelevantwiththegastype.Theaveragedeffectivepumpingspeedofxenonislessthanitsnominalpumpingspeed,andtheaveragedpumpingefficiencyis0.83.Undertheidenticalinflowconditions,theaveragedeffectivepumpingspeedratioofnitrogenis0.53,slightlylessthanthetheoreticalpumpingspeedratioof0.55.Consequently,itcanbeconcludedthatresultsassessmentoflarge-diameterexternalcryogenicpumpdesignindexandguidetheengineeringapplicationhascertainreferencesignificance.Keywords:large-diameterexternalcryogenicpump;xenon;pumpingspeedtesting北京航空航天大学宇航学院研制的“真空羽流效应实验系统”（PES）是多用途实验装置，主要用于航天姿、轨控发动机化学推进及电推进真空羽流实验研究[1]。该系统中真空舱为卧式圆筒形，内径Φ5.2m，长12.6m[2]，靠真空获取系统为其提供实验所需的各种真空环境[3]。其中，粗真空抽气系统以罗茨泵机组为主；高真空抽气系统以大口径外置式低温泵为主；超高真空抽气系统以液氮热沉、液氦热沉等内置式深冷泵为主。目前，空间推进技术的一个主要发展趋势是电推进，而电推进离子推力器主要采用氙气（Xe）作为工作介质[]。我国某型号电推进离子推力器推力mN级，氙气流量14sccm（标准状态下14mL/min），为保证测量精度，实验时要求舱内动态真空度优于5×10-3Pa。为尽量减小干扰，实验要求舱内未安装热沉的条件下进行，仅靠外置式低温泵维持高的动态真空度。抽速是衡量外置式低温泵抽气性能的重要参数，抽速不仅与被抽气体种类有关，还和真空舱容积及安装位置等参数有关。开展外置式低温泵对氙气抽速测试的意义重大，为提高电推进羽流实验精度，实验前需要对已安装在真空舱上的外置式低温泵进行氙气抽速测试，最终获得外置式低温泵对氙气的真实有效抽速。文献[4-5]给出了外置式低温泵和扩散泵对氙气的抽速是其对空气抽速的0.46倍，文献[6]给出了F-400/3500分子泵、F-250/1500两台分子泵对氙气抽速的测试结果，即在泵口真空度处于1×10-3～1×10-2Pa范围内，对氙气抽速相当于其对N2抽速的0.6～0.8倍。国内尚未开展外置式低温泵对氙气抽速的测试研究。本文介绍了1250型大口径外置式低温泵对氙气抽速测量的实验设备、实验方法，给出了氙气抽速测试结果及氙气与氮气抽速比，对评估外置式低温泵设计指标和指导工程应用具有一定参考意义。1实验设备与测试方法1.1实验设备利用PES系统进行氙气抽速测试，主泵选用两台国内研制的1250型大口径外置式低温泵。设计的低温泵氙气抽速测试系统如图1所示，实验在容积250m3的真空舱中进行，实验设备主要由氙气瓶、减压阀、流量计、电磁阀、罗茨泵机组、外置式低温泵及热阴极电离规组成，设备主要性能见表1。图1外置式低温泵氙气抽速测试系统Fig.1Xenonpumpingspeedtestingsystemofthelarge-diameterexternalcryogenicpump表1主要参试设备Table1Maintestingapparatus序号设备名称性能指标1真空舱内径Φ5.2m，长12.6m。2粗真空抽气系统由两套罗茨泵机组构成，每套罗茨泵机组均由WSU2001FC变频罗茨泵和SP630螺杆泵组成，极限真空度优于5Pa。3高真空抽气系统由两台1250型外置式低温泵、两台TW1600分子泵、一台SL300分子泵、一台SV40BI旋片泵组成，极限真空度优于5×10-5Pa。4氙气源氙气瓶存储，纯度99.999%，瓶内压力3MPa，自带减压阀，气源供气压力0.2MPa。5流量计量程0~15sccm，标定气体N2，对氙气转换系数1.4316热阴极电离规量程6×10-8~1×10-1Pa，标定气体N2，对氙气转换系数2.711.2实验方法虽然我国经过真空技术标准化工作，已经建立了一套满足真空工业的标准体系[7-8]，但国家标准中规定的抽速测量方法仅限于泵口直径不大于400mm的外置式低温泵，其基本测量原理是利用专门设计的测试罩，通过分别测量不进气和一定进气量条件下测试罩特定位置处的稳态真空压力值，得到的是外置式低温泵的名义抽速。而对于泵口直径1250mm的大口径外置式低温泵，目前我国还未制定抽速测量的国家标准。本文采用流量计法进行氙气抽速测量，即测试过程中向舱内充入的气体流量为标准值。正常启动外置式低温泵运行，当舱内压力达到或接近极限压力时，开始进行抽速测试。向舱内通入压力一定、流量已知的氙气，通过热阴极电离规测量舱内指定位置的压力，当舱内压力恒定在某一第卷第期航空动力学报Vol.No.年月JournalofAerospacePowerNov.压强下10min时，记录此时的压力值P，通过下式获得外置式低温泵的抽气速度：0QSPP（1）式中S为外置式低温泵的抽速，L/s；Q为氙气实际流量，Pa·L/s，101325Pa100060sqQ，其中q为氙气实际流量，sccm(mL/min)；P为某一流量下舱内达到的平衡压力，Pa；0P为舱内本底压力，Pa。选用某公司CS200A型质量流量控制器，有效量程0~15mL/min，响应时间≤1sec，准确度≤0.5%。质量流量控制器由N2标定，用来控制氙气流量时，需要利用下式对表头读数进行修正：10qq（2）式中q为氙气实际流量，ml/min；σ1为修正系数，取σ1=1.431；0q为流量计显示流量，ml/min。采用北京大学DL-7型真空计进行真空度测量，配有ZJ12型热阴极电离规，舱上装有3支该型电离规，有效量程6×10-8~1×10-1Pa。低压环境中，气体分子被电离所生成的正离子数通常与气体分子密度成正比，热阴极电离真空规利用此原理测量真空度。由于电离规对气体有选择性，不同气体的电离电位不同，导致存在示数误差。电离规出厂时以N2作为标定介质，测量氙气环境下的真空度时，需要利用下式对读数进行修正：22PP（3）式中P为氙气环境下的舱内实际压强，Pa；2为氙气修正系数，取2=2.71；2P为真空计显示压强，Pa。2实验结果及分析搭建的大口径外置式低温泵氙气抽速测试系统实物如下图所示，对两台外置式低温泵同时工作和单台外置式低温泵工作分别进行氙气抽速测试，同时将其与外置式低温泵对氮气抽速进行对比分析。图2外置式低温泵氙气抽速测试系统设备照片Fig.2Photographofthexenonpumpingspeedtestingsystem2.1外置式低温泵对氮气抽速测试为了获得低温泵氙气对氮气的真实抽速比，在对外置式低温泵进行氙气抽速测试前，先对氮气抽气性能进行测试。利用高压氮气瓶供应氮气，氮气纯度99.99%。启动两台外置式低温泵，当舱内压力达到4.7×10-5Pa时进行氮气抽速测试。氮气流量测试范围1~10ml/min，测试结果如图3所示，可以看出，随着氮气流量增加，舱内平衡压力逐渐升高，双泵有效抽速在88900~107000L/s区间波动，平均有效抽速96300L/s；单泵有效抽速在44400~53600L/s区间波动，平均有效抽速49900L/s；双泵有效抽速为单泵的1.93倍，认为泵的数量对抽速具有线性叠加性；单泵名义抽速60000L/s(出厂时以氮气测试)，大于单泵有效抽速，外置式低温泵的平均抽气效率为0.83。低温泵有效抽速低于名义抽速的主要原因：（1）流动状态对抽速的影响：出厂时，名义抽速采用测试罩测试，气体流动状态为粘滞流，而有效抽速测量中，气体流动状态为分子流，分子流状态下的流导小于粘滞流状态下的流导，造成外置式低温泵的有效抽速下降；（2）真空舱容积及安装位置影响：有效抽速测试中的真空舱容积远大于名义抽速测试中的测试罩容积，且外置式低温泵的安装位置距离放气口较远，导致气体所在空间增大，气体分子随机抵达低温泵冷凝板的时间延长，造成外置式低温泵的有效抽速下降。图3外置式低温泵对氮气抽速测试结果Fig.3Nitrogenpumpingspeedoftheexternalcryogenicpump2.2外置式低温泵对氙气抽速测试当舱内压力达到1.9×10-5Pa时进行双泵抽速测试，氙气流量测试范围1~15ml/min。测试结果如图4所示，可以看出，随着氙气流量增加，舱内平衡压力逐渐升高，双泵有效抽速在46300~58300L/s区间波动，平均有效抽速52200L/s；当舱内压力达到3.5×10-5Pa时进行单泵抽速测试，测试结果如图5所示，单泵有效抽速在24700~29200L/s区间波动，平均有效抽速