影響蒸汽噴射真空泵的性能因素

文 //方錦輝 吳堅(jiān)華 鄭奮怡 寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司 寶山鋼鐵股份有限公司

蒸汽噴射真空泵是一種利用水蒸汽為能源介質(zhì)產(chǎn)生真空的真空泵，具有啟動(dòng)速度快、工作壓力范圍寬、抽氣量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、對(duì)高溫多塵氣體適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。且真空泵系統(tǒng)性能高、運(yùn)行可靠、維護(hù)費(fèi)用低，設(shè)備使用壽命，廣泛適用于工業(yè)領(lǐng)域，其中冶金鋼水真空精煉基本采用蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)。

1 蒸汽噴射真空泵基本原理

圖1為蒸汽噴射真空泵的抽氣機(jī)理及工作蒸汽和被抽氣體在蒸汽噴射真空泵中的壓力、速度變化情況。

從圖1可知，蒸汽噴射真空泵工作過(guò)程可分為蒸汽絕熱膨脹階段、蒸汽與被抽氣體混合階段和混合氣體壓縮階段三個(gè)階段。

蒸汽絕熱膨脹階段：工作蒸汽通過(guò)固定在外殼上的蒸汽噴嘴作絕熱膨脹，壓力蒸汽在蒸汽噴嘴入口處以U1速度進(jìn)入噴嘴，在蒸汽噴嘴漸縮段流動(dòng)時(shí)，其壓力不斷減小，速度不斷增加。在蒸汽噴嘴喉段，蒸汽速度達(dá)到音速，即馬赫數(shù)等于1。蒸汽在進(jìn)入蒸汽噴嘴漸擴(kuò)段，壓力繼續(xù)下降，氣流速度繼續(xù)增加，達(dá)到超音速狀態(tài)，在蒸汽噴嘴出口截面處，蒸汽壓力由P1降至Pa,速度由U1增至Ua，蒸汽壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

蒸汽與被抽氣體混合階段：在上圖混合室中，蒸汽與被抽氣體混合，并進(jìn)行能量交換，被抽氣體速度由U0增加到Uc，壓力由P0下降到蒸汽噴嘴出口截面處的壓力Pa,蒸汽攜帶著被抽氣進(jìn)入擴(kuò)壓器。

混合氣體壓縮階段：即在擴(kuò)壓器中，蒸汽與被抽氣體一邊繼續(xù)進(jìn)行能量交換，一邊逐漸壓縮升壓。混合氣體在擴(kuò)壓器收縮段壓力上升，速度下降，流入喉管時(shí)，會(huì)在喉管內(nèi)的某一截面(b點(diǎn))產(chǎn)生激波現(xiàn)象，激波會(huì)導(dǎo)致混合氣體壓力的陡升(從Pa升高到Pb)和混合氣體速度的陡降(從超音速Ub降到亞音速Ud)，當(dāng)混合氣體從喉管流入擴(kuò)壓管內(nèi)后，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，流速進(jìn)一步降低，使其壓力高于泵的出口背壓而被排出，從而達(dá)到抽氣的目的。

2 蒸汽噴射真空泵抽氣特性

從蒸汽噴射真空泵各壓力間的關(guān)系分析可知：①蒸汽噴嘴出口端的蒸汽壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被抽氣體壓力時(shí)，則不具備抽氣功能。②蒸汽噴嘴出口端蒸汽壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于被抽氣體壓力時(shí)，則破壞了蒸汽最大限度的膨脹增速作用，使蒸汽在蒸汽噴嘴內(nèi)的蒸汽流量小于蒸汽臨界流量，從而使被抽氣量下降直至停止。③若保持吸入室壓力不變，改變泵出口壓力，隨著出口壓力的降低，激波產(chǎn)生的位置向擴(kuò)壓器出口處移動(dòng)，泵的抽氣量逐漸增大。當(dāng)激波出現(xiàn)在擴(kuò)壓器喉部之后時(shí)，抽氣量不再增加，引射系數(shù)保持不變，此時(shí)引射系數(shù)為極限引射系數(shù)，對(duì)應(yīng)的出口壓力為極限反壓力或臨界反壓力，泵工作時(shí)擴(kuò)壓器的出口壓力應(yīng)低于極限反壓力，當(dāng)出口壓力在低于極限反壓力的范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，激波在擴(kuò)壓器喉部或其后產(chǎn)生，引射系數(shù)和入口壓力幾乎不變，抽氣量變化對(duì)入口壓力影響很小，噴射泵工作時(shí)就是處于這種狀態(tài)之中，因此，當(dāng)排氣壓力波動(dòng)時(shí)，只要不高于極限反壓力，就可視為對(duì)入口壓力無(wú)影響。

從圖2可知，在斷開(kāi)點(diǎn)上部，抽吸流量m0與抽吸壓力P0成正比。在吸入壓力不變時(shí)，蒸汽壓力增高，排氣壓力同步增加，抽氣量也同步增加，可達(dá)到的反向壓力由蒸汽噴嘴的尺寸或蒸汽壓力所決定，改變蒸汽壓力時(shí)僅對(duì)反向壓力有影響，而抽吸曲線基本不變，因此抽吸曲線的變化僅在改變擴(kuò)張器和噴射泵尺寸時(shí)才有可能變化。

3 影響蒸汽噴射泵應(yīng)用主要因素

影響蒸汽噴射泵應(yīng)用性能因素很多，對(duì)于單級(jí)水蒸氣噴射泵，主要是結(jié)構(gòu)因素，也就是各部尺寸，即蒸汽噴嘴、擴(kuò)壓器收縮段及擴(kuò)張段的形狀變化等相對(duì)位置布置及蒸汽噴射泵內(nèi)壁的表面質(zhì)量等。對(duì)于多級(jí)蒸氣噴射泵，影響因素主要是泵與泵間的壓強(qiáng)銜接、工作條件及操作方法等。噴射泵的工作介質(zhì)、使用環(huán)境等也對(duì)多級(jí)蒸汽噴射泵抽氣性能有一定的影響。

圖1 噴射泵抽氣機(jī)理

圖2 噴射泵抽氣特性

3.1 結(jié)構(gòu)因素

蒸汽噴射泵真空系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但其動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)參數(shù)相對(duì)復(fù)雜。泵噴嘴及擴(kuò)壓器的幾何尺寸基本是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算的，但某些尺寸參數(shù)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累得到的。在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，有個(gè)重要參數(shù)——引射系數(shù)，引射系數(shù)不僅是介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)，也是幾何形狀參數(shù)的函數(shù)，噴嘴擴(kuò)張段和擴(kuò)壓器收縮段錐角恰當(dāng)配合對(duì)提高引射系數(shù)是有利的，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通常單級(jí)泵的引射系數(shù)為0.2～0.35。噴嘴的擴(kuò)張段因氣流完全在超音速范圍內(nèi)工作，故必須考慮實(shí)際流動(dòng)時(shí)的摩擦損失和渦流損失。管道過(guò)長(zhǎng)，摩擦不可逆損失太大;而管道過(guò)短，則截面擴(kuò)張過(guò)大，會(huì)使氣流與管壁分離，產(chǎn)生渦流損失。噴嘴的喉口段是氣流從亞音速轉(zhuǎn)變?yōu)槌羲俚呐R界位置，是整個(gè)噴嘴設(shè)計(jì)中最為重要的部分,噴嘴喉口直徑d0是影響蒸汽噴射泵性能的關(guān)鍵尺寸。擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)也很重要，若在亞音速段的漸擴(kuò)管道中減速過(guò)急（管道張角過(guò)大），會(huì)導(dǎo)致邊界層分離而形成漩渦，使主流離開(kāi)壁面。而在超音段的漸縮管道中往往會(huì)出現(xiàn)激波，激波使邊界層急劇增厚，也常伴隨有流動(dòng)分離。

3.2 蒸汽壓力

蒸汽噴射泵工作，蒸汽壓力從理論上講：蒸汽壓力越高，噴射器極限反壓力也越高，工作特性曲線工作長(zhǎng)度有所加長(zhǎng)，泵的工作更趨穩(wěn)定，各抽氣量下的真空度有所下降，蒸汽耗量提高，冷凝器負(fù)荷加大，則在冷卻水量不變情況下出氣溫度升高。但是實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證明，在壓力超過(guò)1.5MPa后，效率提高已不明顯。同時(shí)蒸汽壓力提高太多，一系列不利因素也相繼出現(xiàn)，如：法蘭、墊片和閥門(mén)的耐壓等級(jí)需要提高，造成一次性投資成本增大；蒸汽閥門(mén)及控制系統(tǒng)的使用壽命降低；蒸汽系統(tǒng)泄漏及危險(xiǎn)性增加等。

蒸汽壓力高，有利于提高泵的抽氣能力，但要考慮蒸汽源的具體情況，主要關(guān)注長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。一般進(jìn)噴嘴處蒸汽壓力在0.4～1.6MPa （表壓）范圍內(nèi)選取，根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建議在選擇蒸汽噴射泵蒸汽壓力和溫度時(shí)要結(jié)合真空系統(tǒng)泵級(jí)數(shù)因素。工作真空度≈0.67mbar時(shí)，建議選擇方法如下：①六級(jí)泵系統(tǒng)：蒸汽壓力0.6～0.9 MPa（表壓）；②五級(jí)泵系統(tǒng)：蒸汽壓力0.8～1.3 MPa（表壓）；③四級(jí)泵系統(tǒng)：蒸汽壓力1.0～1.4 MPa（表壓）。

3.3 蒸汽溫度

蒸汽的干度對(duì)真空泵性能也有較大影響, 其中含水會(huì)引起真空波動(dòng), 含水過(guò)多甚至?xí)椴黄鹫婵? 通常的作法是在汽包前加裝汽水分離器以獲得干度較高的工作蒸汽,同時(shí)對(duì)蒸汽管路進(jìn)行有效保溫。為取得最佳的工作效益, 為噴射真空泵提供的工作蒸汽應(yīng)為過(guò)熱5～10℃的過(guò)熱蒸汽。

3.4 冷卻水量

進(jìn)入冷凝器的冷卻水量如果逐漸減少，將使其排氣溫度逐步上升，從而使末級(jí)冷凝器的蒸汽量逐漸增多，從而使下一級(jí)噴射器被抽的混合物量增加，導(dǎo)致其吸入壓強(qiáng)上升。如果這個(gè)壓強(qiáng)升高未超過(guò)前級(jí)泵的極限反壓強(qiáng)時(shí)泵尚能工作，一旦這個(gè)升高的壓力超過(guò)其前級(jí)噴射器的極限反壓力，將引起前級(jí)泵的過(guò)載，從而導(dǎo)致整個(gè)泵的過(guò)載，使已建立起來(lái)的真空系統(tǒng)破壞。冷凝器的冷卻水有以設(shè)計(jì)合理值，過(guò)分增加水量，非但無(wú)益，而且有害，一方面增加了冷卻水的放氣量，更重要的是導(dǎo)致冷凝器阻力增加，降低噴射器的抽氣特性，甚至使前級(jí)噴射器過(guò)載，冷凝器的正常阻力一般為679-1359Pa.

3.5 真空泵系統(tǒng)的密封

要獲得設(shè)計(jì)的真空度，真空泵系統(tǒng)要保持完好的密封性，通常考慮系統(tǒng)泄漏的是真空泵安裝上的原因，如連接法蘭的墊片未裝、裝錯(cuò)或損壞，螺栓未擰緊、法蘭面損壞或焊縫有缺陷泄漏，壓力表或真空表的旋塞未裝好。此外考慮到系統(tǒng)在長(zhǎng)期使用后泵體會(huì)磨損引起泄漏，特別是泵體混合段、擴(kuò)壓器起始段和出口彎管等，可在設(shè)計(jì)中在易磨損處考慮用耐磨材料。

3.6 拉瓦爾噴嘴

蒸汽噴嘴是影響真空泵性能的重要部件之一，常見(jiàn)的問(wèn)題有：噴嘴裝錯(cuò)、堵塞、腐蝕和破損。噴嘴裝錯(cuò)通常發(fā)生在調(diào)試時(shí)或是備件更換時(shí)，而堵塞一方面是由于真空泵安裝時(shí)異物落入噴嘴或是蒸汽管道中殘余的鐵屑和焊渣會(huì)堵塞噴嘴；另一方面長(zhǎng)期間的真空泵系統(tǒng)停用后，蒸汽管道易生銹，在使用中銹斑脫落堵塞噴嘴。噴嘴堵塞時(shí)該級(jí)真空泵運(yùn)行會(huì)不正常，通常1級(jí)泵的噴嘴喉口直徑最小，所以也最易堵塞。此外因被抽氣體中通常會(huì)帶有一些腐蝕性的氣體，會(huì)對(duì)噴嘴造成腐蝕，長(zhǎng)時(shí)間使用后噴嘴易破損甚至脫落，所以噴嘴通常會(huì)使用不銹鋼等耐磨蝕的材料。

4 總結(jié)

蒸汽噴射真空泵研究和設(shè)計(jì)涉及到工程流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、實(shí)驗(yàn)理論等基礎(chǔ)理論。蒸汽噴射真空泵技術(shù)發(fā)展已有百年歷史，且蒸汽噴射真空泵結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)制造廠商眾多，但能設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出性能優(yōu)越的蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)廠商不多。其主要原因是影響蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)的因素很多、設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)偏差大，需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測(cè)進(jìn)行參數(shù)修正并指導(dǎo)產(chǎn)品升級(jí)。影響真空泵性能因素主要有引射系數(shù)、泵體結(jié)構(gòu)、蒸汽壓力、蒸汽溫度、冷卻水量、真空系統(tǒng)密封等，如何處理好這些參數(shù)是真空泵廠商和工程設(shè)計(jì)人員追求的工程應(yīng)用目標(biāo)。