旋流式射流泵装置性能试验研究
王海渠, 李红, 邹晨海
(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心, 江苏 镇江 212013)
摘要：为提升旋流式射流泵装置性能,设计了1种新型旋流式射流泵装置．选用3种不同面积比的旋流式射流泵和与之相对应的无旋射流泵作为研究对象,通过改变流量比,研究旋流式射流泵装置性能随射流泵面积比和流量比的变化特点．结果表明:旋流式射流泵的最优面积比小于无旋射流泵;面积比偏大和偏小时,其压力比和装置效率明显优于无旋射流泵;旋流式射流泵的面积比与无旋射流泵的最优面积比接近时,其压力比和装置效率略优于无旋射流泵;旋流式射流泵装置的最佳效率点与无旋射流泵装置相比有向大流量比方向移动的趋势,这将增大装置性能的高效区范围．旋流式射流泵装置压力比最高能提高0.01,相当于无旋射流泵装置的5%～10%;旋流式射流泵装置效率最高能提高4%,相当于无旋射流泵装置效率的25%左右．
关键词：旋流式射流泵;压力比;效率;试验研究;装置
王海渠, 李红, 邹晨海. 旋流式射流泵装置性能试验研究[J]. 排灌机械工程学报,2017,35(4):283-288.
WANG Haiqu, LI Hong, ZOU Chenhai. Experiment study on device performance of swirling jet pump[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2017,35(4):283-288.(in Chinese)
射流泵装置作为一种高吸程抽水装置,吸程可以达到8 m以上,适用于水面偏低、吸程高于8 m以上地区,以及水位变幅较大情况时的输水需求,具有成本低廉、结构简单、维护方便等优点,由于泵安装于地面上,可由柴油机等驱动,因此，射流泵可以应用于无电或缺电环境的提水灌溉、抗旱等需求，具有十分广泛的应用前景．
射流泵与动力管路系统和工作泵组成射流泵装置．射流泵是由工作流体产生真空抽取被吸流体,由于2股流体混合时能量损失较大,导致装置运行效率较低[1-2]．为提高射流泵的传能和传质效率,国内外学者提出了旋流式射流泵、环形射流泵和脉冲射流泵等新型结构的射流泵,并对其性能进行了深入研究[3-6]．其中,GUILLAUME等[7]研究表明,相比于无旋射流,射流泵中的旋转射流提高了装置的出口流量、效率等性能,其流量可以提高约4.5%,效率可以提高约5.0%;胡鹤鸣[8]提出了一种组合式旋转水射流喷嘴设计方法,并指出旋转水射流喷嘴结构具有良好的水动力特性；吴燕兰等[9]通过取样法和摄像法试验研究了下喷式液气射流泵扩散管内部气泡直径范围,获得内部气液两相流动情况及气泡分布特性；赵立峰[10]研究了射流器几何参数对射流式离心泵空化性能的影响.同时,采用LES方法进一步分析了射流式离心泵扬程折断点产生的根本原因和瞬态静压分布特点.
目前,旋流式射流泵主要由安装于射流泵内的导流器产生旋流,此类导流器结构复杂,体积较大,容易在射流泵内产生堵塞.因此,文中采用射流泵与工作泵串联的装置结构,用射流泵给工作泵加压的方式,设计一种新型的结构简单的旋流式射流泵替换无旋射流泵,并对旋流式射流泵装置性能进行试验研究．
1 旋流式射流泵装置结构
旋流式射流泵装置结构与普通射流泵装置结构类似,主要由离心泵、旋流式射流泵及管路系统等组成,结构示意图如图1所示，图中Q0为工作流量，Qs为吸入流量．
旋流式射流泵装置在工作时，工作流体由离心泵加压后,先后通过进水管道和射流泵喷嘴进入射流泵,由于射流介质的卷吸效应和紊动扩散作用,在射流泵喉管入口处形成负压,被吸流体在大气压力作用下被抽吸进入喉管，然后与工作流体混合进行能量交换,被吸流体得到动能与工作流体一起通过回水管道返回离心泵,使吸上高度达到10 m以上．离心泵的出水量分为两个部分,一部分工作流体流量向射流泵供应,使后者从吸水池抽取流量,另一部分为装置出水流量,这部分装置出水流量等于被吸流量．
图1 旋流式射流泵装置试验台示意图
Fig.1 Diagram of swirling jet pump device test bed
旋流式射流泵由直管、喷嘴、吸入室、喉管、扩散管和导叶组成,如图2a所示．旋流式射流泵与无旋射流泵的区别设计在于旋流式射流泵在其直管段内设计了2片旋转对称的固定导叶,如图2b所示．
图2 旋流式射流泵结构示意图
Fig.2 Diagram of structure of swirling jet pump
2 试验设计与方法
2.1 旋流式射流泵的原理和设计
旋转射流与无旋射流的区别在于有一切向速度(旋转速度),使径向、轴向产生压力梯度并影响到整个流场．旋转射流射出后在周围环境流体中的扩展比无旋射流快,其卷吸能力、掺混作用比无旋射流大．与无旋射流泵相比,旋流式射流泵内的工作流体流经直管内的固定导叶时会产生旋转射流,其导致工作流体的来流和回流不会产生强烈的相互抵触,在旋流式射流泵喷嘴内减少了流体碰撞,能量损失也随之减少;同时在射出后,旋流式射流泵的卷吸能力和掺混作用更大．文中采用固定导叶加旋法,使用导向元件引导流体来改变流动方向,使工作流体流入时的纯轴向流动变为具有一定切向速度和径向速度的三维流动[11]．文中根据试验射流泵直管的参数,设计旋流式射流泵的导叶参数,其中直管内径d1=75 mm，导叶叶片数z=2,导流叶片高度H=100 mm,包角α=180°,叶片出口角和入口角均为β=40°,厚度d2=1 mm,宽度d3=10 mm．具体设计如图3所示,右图为直管圆柱面的展开图．
图3 旋流式射流泵设计示意图
Fig.3 Design diagram of swirling jet pump
2.2 旋流式射流泵的基本方程
在描述射流泵的性能和射流泵基本方程时均采用以下主要无量纲参数：
流量比
(1)
压力比
(2)
面积比
(3)
效率
(4)
式中:Qs和Q0分别为射流泵吸入流量和工作流量,m3/s;Δpc和Δp0分别为射流泵压力和工作压力,MPa;f3和f1分别为喉管面积和喷嘴出口处收缩面积,m2．旋流式射流泵基本方程为
(5)
式中:φ1为喷嘴流速系数;φ2为喉管流速系数;φ3为扩散管流速系数;φ4为喉管入口段流速系数．此方程是研究射流泵压力、流量与几何尺寸之间的关系式,反映了泵内能量变化和各主要部件对射流泵性能的影响,是设计、制造和运用射流泵的理论基础．
2.3 旋流式射流泵装置的试验设计与方法
通过对比试验分别研究在无旋和有旋2种情况下射流泵装置的性能．试验选用同一试验台,试验台高度差为8 m,在射流泵的进、出口分别安装压力表用以测量工作压力Δp0和射流泵压力Δpc,在离心泵的2个出口分别安装流量计用以测量射流泵的吸入流量和工作流量．由于相同条件下,面积比m对射流泵性能的影响最为突出,且为了实现与无旋射流泵进行有效的性能对比,在控制其他变量不变的情况下,选取面积比这一最重要结构参数进行研究,试验采用更换不同出口截面面积的喷嘴(喷嘴出口截面直径分别为11,13,15 mm)对应不同的面积比(m=2.35,3.13,4.37),分别配合无旋直管和有旋直管进行试验．
本试验中,对于射流泵装置,射流泵工作流体进水管内径为75 mm,吸入室内径为150 mm,吸入管内径为75 mm,喉管内径23 mm,喉管长度200 mm．试验中,除更换喷嘴和直管段外,其他部件参数均保持不变．
3 试验结果及分析
3.1 无旋射流泵装置性能研究
对无旋射流泵装置分别在面积比m=2.35,3.13,4.37下进行试验,得到试验数据如表1所示．
在不同面积比和工作压力下,无旋射流泵压力比和装置效率随流量比的变化特性曲线如图4所示．由图4可知,随着流量比的增大,面积比越小的无旋射流泵的压力比和装置效率下降越快,这是因为面积比越小,喷嘴截面面积越大,随着流量比逐渐增大,工作流体进入喉管后混合流体的动能减小更快,抽取被吸流体的能力随之快速下降;当流量比q>0.55时,面积比m=3.13的无旋射流泵压力比最大,装置效率最高,此面积比值与无旋射流泵的最优面积比m=3.57最接近[12]．
表1 无旋射流泵m=4.37试验数据
Tab.1 Irrotation jet pump experimental data at m=4.37
m试验结果Qs/(m3·h-1)Q0/(m3·h-1)Δpc/MPaΔp0/MPaqhη/%2.351.787.860.0570.3020.2260.1895.294.807.600.0500.2930.6320.17113.026.327.800.0450.2850.8100.15815.193.628.840.0680.3950.4100.1738.556.818.860.0580.3800.7690.15313.859.078.730.0480.3641.0390.13115.686.939.840.0740.4900.7040.15112.558.069.710.0700.4800.8300.14614.169.589.560.0630.4701.0020.13315.443.131.4110.560.0770.3160.1340.2454.343.9510.340.0690.3060.3820.22611.186.1610.500.0600.2900.5870.20815.374.1811.550.0870.3980.3620.21910.186.2311.960.0780.3820.5210.20513.438.3011.770.0660.3550.7050.18616.145.4813.390.1040.5010.4090.20710.687.6713.080.0920.4800.5860.19213.9610.2013.180.0780.3960.7740.19719.004.371.5514.190.0960.3270.1090.2934.514.4913.850.0840.3100.3240.27012.006.9613.850.0680.2860.5030.23615.505.0815.670.1040.4060.3240.25611.156.9415.690.0910.3890.4420.23413.479.0715.300.0710.3630.5930.19714.525.7017.630.1290.5160.3230.25010.7810.3417.450.0850.4570.5930.18513.4511.9617.100.0660.4350.6990.15212.58
图4 无旋射流泵装置性能
Fig.4 Device performance of irrotational jet pump
3.2 旋流式射流泵装置性能研究
对旋流式射流泵装置分别在面积比m=2.35,3.13,4.37下进行试验,得到试验数据如表2所示．旋流式射流泵在不同面积比和工作压力下的压力比和装置效率随流量比的变化特性曲线如图5所示．由图5可知,旋流式射流泵的最优面积比相对无旋射流泵的最优面积比有所减小,试验选用的面积比中,当m=2.35时旋流式射流泵的装置效率表现最优;同无旋射流泵一样,旋流式射流泵的压力比在面积比较小的情况下随着流量比的增大也减小更快,但由于在喷嘴内的工作流体产生旋转,在喷嘴内的堵塞现象明显减弱,能量损失减少,其抽取被吸流体的能力仍优于无旋射流泵,即压力比高于无旋射流泵;较无旋射流泵而言,旋流式射流泵的q-h曲线更符合线性关系,q-η曲线更符合二次关系,即旋流式射流泵的整体性能比无旋射流泵更稳定．
表2 旋流式射流泵m=4.37试验数据
Tab.2 Swirling jet pump experimental data of m=4.37
m试验结果Qs/(m3·h-1)Q0/(m3·h-1)ΔPc/MPaΔP0/MPaqhη/%4.371.797.220.0520.2800.2730.1866.243.207.000.0510.3000.4570.1709.394.306.950.0500.2960.6190.16912.605.137.490.0630.3910.6850.16113.176.077.800.0600.3870.7780.15514.287.547.750.0550.3800.9730.14416.418.408.000.0670.4861.0500.13716.729.268.500.0630.4681.0890.13416.819.358.430.0640.4691.1090.13517.383.135.009.900.0660.3030.5050.21914.123.9310.170.0720.3100.3860.23311.752.3511.360.0770.3180.2070.2446.672.6811.200.0970.4210.2390.2327.225.0411.250.0870.4050.4480.21612.316.7611.600.0810.3950.5830.20215.097.6412.700.0970.5000.6020.19514.536.2612.800.1070.5150.4890.20912.884.1012.900.1180.5310.3180.2229.052.351.5012.500.0930.3170.1200.2924.952.1013.200.0910.3210.1590.2826.263.6013.200.0880.3170.2730.27710.434.3613.500.1100.4150.3230.26411.615.6714.500.1020.4060.3910.25113.086.7714.600.0960.3970.4640.24114.747.3515.700.1210.5070.4680.23814.659.0016.700.1080.4890.5390.22015.245.6016.300.0980.4810.3440.2048.78
图5 旋流式射流泵装置性能
Fig.5 Device performance of swirling jet pump
在相同面积比下,旋流式射流泵的压力比随流量比的变化规律与无旋射流泵的对比如图6所示．
由图6可知，当m=4.37时,即面积比较大时,在相同流量比下,旋流式射流泵的压力比高于无旋射流泵,且随着流量比逐渐增大,旋流式射流泵的压力比下降更慢;当m=3.13时,此时无旋射流泵接近其最优面积比,相同流量比下只有当流量比q>0.6时，其压力比略高于旋流式射流泵的压力比;当m=2.35时,即在面积比较小的情况下,旋流式射流泵的压力比随流量比的增大而减小更慢,且只有在流量比小于0.3时,无旋射流泵的压力比高于旋流式射流泵,但是流量比太小在实际情况中应用较少．
图6 不同面积比下压力比的对比
Fig.6 Comparison of pressure ratio under different area ratios
由图6还可看出，当m=4.37时,即面积比较大时,旋流式射流泵装置效率明显高于无旋射流泵装置,且随着流量比的增加,旋流式射流泵装置效率增加更多;当m=3.13时,在流量比qq>0.6时二者效率接近;当m=2.35时,即在面积比较小的情况下,随着流量比逐渐增大,旋流式射流泵装置效率增加更快,在流量比q=0.55时,无旋射流泵装置效率已经达到最大值;在面积比偏大和偏小的情况下,旋流式射流泵装置的最佳效率点向大流量方向移动明显,增大了装置性能的高效区范围．
综上,由试验数据分析得出,旋流式射流泵的压力比最高能够提高0.01,相当于无旋射流泵压力比的5%～10%;旋流式射流泵的效率最高能够提高4%,相当于无旋射流泵效率的25%左右．
4 结 论
通过对无旋射流泵和有旋射流泵装置性能的对比试验研究,得到以下结论:
1) 设计了一种新型的旋流式射流泵并提出了设计原理,此种旋流式射流泵比其他类型的旋流式射流泵的结构更简单．
2) 旋流式射流泵的最优面积比有减小趋势,且其压力比曲线呈负线性特性,效率曲线呈抛物线特性,吻合度比无旋射流泵更好,装置整体性能比无旋射流泵更稳定．
3) 相比无旋射流泵,旋流式射流泵的压力比随流量比的增大而下降更慢,尤其当面积比偏大和偏小时对比明显,当面积比接近无旋射流泵最优面积比时,其压力比下降稍快,但相同流量比下其压力比仍高于无旋射流泵．
4) 相比无旋射流泵,旋流式射流泵装置效率随流量比的逐渐增大而升高更快,且相同流量比下旋流式射流泵装置效率更高,其中当面积比和流量比都很小的情况下,无旋射流泵装置效率虽高于旋流式射流泵装置效率,但实际情况中应用较少;同时,旋流式射流泵装置的最佳效率点向大流量方向移动,将增大装置性能的高效区范围．
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(责任编辑 盛杰)
Experiment study on device performance of swirling jet pump
WANG Haiqu, LI Hong, ZOU Chenhai
(National Research Center of Pumps, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)
Abstract：In order to enhance the performance of swirling jet pump device, a new swirling jet pump device was designed.Three different area ratio swirling jet pumps and corresponding non-rotating jet pumps were chosen as the study object, by changing the flow ratio, changing characteristics of the swirling jet pump device performance with jet pump area ratio and flow ratio was studied. The results show that the optimal area ratio of the swirling jet pump is less than that of the irrotational jet pump. Compared with the irrotational jet pump,when the swirling jet pump′s area ratio is bigger or smaller, its pressure ratio and device efficiency are obviously superior to the irrotational jet pump′s; while its area ratio is close to irrotational jet pump′s, its pressure ratio and device efficiency are a little better than the irrotational jet pump′s. Compared with the irrotational jet pump device, the best efficiency points of swirling jet pump device move to big flow ratio direction, which will increase the efficient district range of device performance. Swirling jet pump device′s pressure ratio can increases 0.01 at most, equivalent to 5%-10% of irrotational jet pump device′s;while its efficiency can increases 4% at most, equivalent to about 25% of irrotational jet pump device′s.
Key words：swirling jet pump;pressure ratio;efficiency;experimental research;device
doi：10.3969/j.issn.1674-8530.16.0170
收稿日期：2016-07-19;
网络出版：时间： 2017-04-01
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20170401.1017.004.html
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51279068)
作者简介：王海渠(1992—)，男，四川渠县人，硕士研究生([email protected])，主要从事流体机械及工程研究. 李红(1967—)，女，江苏镇江人，研究员，博士生导师(通信作者，[email protected])，主要从事流体机械及工程研究.
王海渠
中图分类号：S277.9; TH311
文献标志码：A
文章编号：1674-8530(2017)04-0283-06