氣體噴射壓縮器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

周良富++周立新+薛新宇+孔偉++張學(xué)進(jìn)

摘要：氣體噴射壓縮器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水利、化工、核工業(yè)等領(lǐng)域。主要從氣體噴射壓縮器關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算角度，理論分析最佳面積比、工作噴嘴位置與性能參數(shù)關(guān)系；研究了面積比、工作壓力、引射壓力對(duì)噴射壓縮器性能的影響。根據(jù)應(yīng)用工況計(jì)算出面積比為11.0，噴嘴距混合室距離25 mm的噴射器完全滿足設(shè)計(jì)要求，噴射器性能試驗(yàn)結(jié)果表明，面積比對(duì)氣體噴射壓縮器的噴射系數(shù)具有較大影響，不同面積比呈現(xiàn)出不同的性能特點(diǎn)，適當(dāng)增大面積比可提高噴射系數(shù)，但噴射器可達(dá)到的最大壓縮比會(huì)減?。徊煌ぷ鲏毫ο聡娚淦鞴ぷ黧w積流量基本不變，但是引射流量隨工作壓力增大而增大；在相同工作壓力和出口壓力下，噴射系數(shù)隨引射壓力增大而增大；在相同工作壓力和引射壓力下，噴射系數(shù)隨出口壓力增加而減少，為同類(lèi)型噴射器設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：噴射器；氣體壓縮器；面積比；噴射系數(shù)；壓縮比

中圖分類(lèi)號(hào)： S49文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）05-0196-03

氣體噴射壓縮器是指以氣體為工作介質(zhì)，來(lái)抽吸和壓送氣體的流體輸送設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)水利、化工、核工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)各類(lèi)噴射器開(kāi)展的研究主要包括以下3個(gè)方面：（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響。龍新平等研究了噴嘴位置對(duì)射流泵性能的影響[2-3]；Prabkeao等研究了射流泵喉管直徑、擴(kuò)散角度等對(duì)性能的影響[4]；Oumar等研究了面積比、噴嘴位置對(duì)射流式混藥裝置性能的影響，均認(rèn)為面積比與噴嘴位置是噴射器最主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)[5-6]，為本研究的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供依據(jù)。（2）內(nèi)部流場(chǎng)與相變過(guò)程分析。Yosr等分析了蒸汽噴射器、射流器二維與三維內(nèi)部流場(chǎng)[7-8]，為噴射器應(yīng)用工況參數(shù)選擇提供依據(jù)；嚴(yán)海軍等分別從試驗(yàn)數(shù)值和高速攝影等方面分析噴射器內(nèi)部流場(chǎng)及空化過(guò)程，認(rèn)為空化是噴射器特點(diǎn)工況下必然的物理現(xiàn)象[9-11]。（3）噴射器數(shù)學(xué)模型研究。Chen等從噴射器流體動(dòng)力學(xué)，結(jié)合2項(xiàng)流理論，分析噴射器一維的數(shù)學(xué)模型[12-13]，為噴射器設(shè)計(jì)與運(yùn)用提供依據(jù)。

目前的研究主要基于不可壓縮流體的噴射器，對(duì)于工作流體與引射流體均為可壓縮氣體的研究較少，且針對(duì)氣體噴射壓縮器的設(shè)計(jì)計(jì)算類(lèi)研究更少。本研究針對(duì)氣體噴射壓縮器特點(diǎn)與參數(shù)要求，設(shè)計(jì)符合要求的產(chǎn)品并試驗(yàn)研究面積比、工作壓力、引射壓力對(duì)其性能的影響。

1主要結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)

[JP2]氣體噴射壓縮器由工作噴嘴、接受室、混合室和擴(kuò)散管組成，具體如圖1所示。工作流體以一定壓力和速度進(jìn)入工作噴嘴，以大于臨界值的速度噴射到接受室內(nèi)，吸走接受室的氣體后進(jìn)入混合室，2股流體在混合室內(nèi)充分混合后以均勻的速度進(jìn)入擴(kuò)散管升壓后進(jìn)入管路系統(tǒng)或排出。該過(guò)程實(shí)現(xiàn)了工作流體的膨脹和引射流體的壓縮，內(nèi)部流體壓力和速度與噴射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，直接關(guān)系到噴射器的噴射效率。其中面積比m（混合室截面面積與工作噴嘴出口截面面積之比）和噴嘴與混合室的距離L是氣體噴射壓縮器最重要的2個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)。[JP]

1.2性能參數(shù)定義與設(shè)計(jì)要求

噴射器一般是利用高壓流體引射低壓流體后混合以一定壓力噴出，定義出口壓力與引射壓力之比為壓縮比；定義工作流體與引射流體之比為膨脹比；定義引射流量與工作流量之比為噴射系數(shù)。

本研究所要求的設(shè)計(jì)參數(shù)：工作壓力為0.6 MPa；引射壓力為0.074 MPa；混合氣體壓力為0.105 MPa；設(shè)計(jì)溫度 50 ℃；設(shè)計(jì)流量為0.013 5 kg/s（壓力為0.074 MPa，溫度為323 K時(shí)，其比容為1.236 5 m3/kg）；噴射系數(shù)為0.7；介質(zhì)為壓縮空氣。

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1面積比對(duì)性能的影響

面積比為7.6、11.0、17.5的噴射器性能曲線如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，面積比為7.6和11.0時(shí)，噴射器最大壓縮比可達(dá)1.44，此時(shí)相應(yīng)的噴射系數(shù)分別為0.31和0.41；而面積比為17.5時(shí)，噴射器最大壓縮比只能達(dá)到1.38，而且此時(shí)噴射系數(shù)只有0.38，但是該噴射器噴射系數(shù)隨壓縮比衰減更慢。面積比為7.6、11.0、17.5的噴射器的最大噴射系數(shù)分別為0.69、0.96、1.76。由圖3可知，面積比對(duì)氣體噴射壓縮器的噴射系數(shù)具有較大影響，不同區(qū)間面積比呈現(xiàn)出不同的性能特點(diǎn)，適當(dāng)增大面積比可提高噴射系數(shù)，但噴射器可達(dá)到的最大壓縮比會(huì)減小。因此，須要根據(jù)設(shè)備的應(yīng)用工況對(duì)噴射系數(shù)和最大壓縮比的側(cè)重要求選擇適當(dāng)?shù)拿娣e比。

4.2工作壓力對(duì)性能的影響

[JP2]工作壓力是氣體噴射壓縮器最主要的工作參數(shù)之一，在實(shí)際運(yùn)用中需要驗(yàn)證噴射器對(duì)工作參數(shù)的敏感性。面積比為11.0的氣體噴射壓縮器在 0.4、0.5、0.6 MPa工作壓力下試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同工作壓力下噴射器工作體積流量基本不變，在0.4、0.5、0.6 MPa，工作流體體積流量為14.5 m3/h，但是其引射流量隨出口壓力的增大而降

0.4 MPa工作壓力下性能對(duì)壓縮比更敏感，但該工況最大噴射系數(shù)達(dá)到1.42，主要是相應(yīng)的工作流體質(zhì)量流量較??；當(dāng)壓縮比低于一定范圍時(shí)，噴射系數(shù)急速下降，甚至不能正常工作，因此設(shè)計(jì)時(shí)須保證噴射器出口壓力低于臨界壓力值；較高工作壓力所允許的出口壓力范圍較寬，即適當(dāng)?shù)靥岣吖ぷ鲏毫?，使噴射器出口壓力可以在較大范圍內(nèi)變化，有利于噴射器工作性能的穩(wěn)定。

4.3引射壓力對(duì)性能的影響

引射壓力是影響噴射器效率的主要工作參數(shù)之一，為評(píng)價(jià)氣體噴射壓縮器的可適應(yīng)的工作參數(shù)，本試驗(yàn)研究了引射壓力為0.090、0.085、0.080、0.074 MPa 下噴射器的噴射系數(shù)與壓縮比關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同引射壓力下噴射器的性能曲線基本相似，但不同引射壓力下所能達(dá)到的最大噴射系數(shù)與最大出口壓力是不同的，0.090、0085、0.080、0.076 MPa的引射壓力下最大的噴射系數(shù)分別為0.95、0.88、0.83、0.75，而最大出口壓力分別為0.130、0125、0.120、0.115 MPa。由圖5可知，在相同工作壓力和出口壓力下，噴射系數(shù)隨引射壓力增大而增大；在相同工作壓力和引射壓力下，噴射系數(shù)隨出口壓力增加而減少；由圖5-b可知，噴射器的最大壓縮比隨引射壓力增加而減小，引射壓力增加有助于增大噴射器在低壓縮比區(qū)域性能的穩(wěn)定性。[FL）]

5結(jié)論

面積比對(duì)氣體噴射壓縮器的噴射系數(shù)具有較大影響，不同區(qū)間面積比呈現(xiàn)出不同的性能特點(diǎn)，適當(dāng)增大面積比可提高噴射系數(shù)，但噴射器可達(dá)到的最大壓縮比會(huì)減小。

不同工作壓力下噴射器工作體積流量基本不變，是其引射流量隨出口壓力的增大而降低。

在相同工作壓力和出口壓力下，噴射系數(shù)隨引射壓力增大而增大；在相同工作壓力和引射壓力下，噴射系數(shù)隨出口壓力增加而減少。

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