動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵設(shè)計(jì)研究

任建波，李 強(qiáng)，苗 超，張令品，謝春剛

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

蒸汽噴射泵是多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)中調(diào)節(jié)負(fù)荷、提高造水比、節(jié)約動(dòng)力蒸汽和降低運(yùn)營成本的核心設(shè)備。然而，傳統(tǒng)的固定結(jié)構(gòu)的蒸汽噴射泵工作蒸汽壓力、流量的調(diào)節(jié)變化范圍很小，必須在一定的范圍內(nèi)才能正常工作，否則蒸汽噴射泵的工作效率將會(huì)極大降低，甚至不能工作。

為改善蒸汽噴射泵可調(diào)節(jié)性能，國內(nèi)外研究人員對蒸汽噴射泵的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的探索研究。Wang等研究了噴嘴出口軸向位置(NXP)和面積比(AR)對噴射泵性能的影響，數(shù)值模擬結(jié)果表明，兩種可調(diào)節(jié)噴射泵的性能優(yōu)于固定結(jié)構(gòu)噴射泵[1]。Pei等研究了以氫氣為工作流體的寬工作范圍噴射器，結(jié)果表明最佳徑比取值范圍為3.00～3.54，較低的徑比有利于擴(kuò)大操作范圍[2]。Gu等提出了一種通過在主噴嘴中安裝主軸來調(diào)節(jié)面積比的噴射泵，與傳統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)噴射泵相比，平均引射系數(shù)提高1倍以上[3]。

雖然許多噴射泵在研究中具有良好的性能，但大多研究都是假設(shè)噴射泵在設(shè)計(jì)工況下工作的?；诖?，設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵，采用數(shù)值模擬的方法研究了變工況條件下蒸汽噴射泵的適應(yīng)性。

1 動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵設(shè)計(jì)

為滿足蒸汽噴射泵在工作蒸汽壓力變化工況下穩(wěn)定工作的要求，設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。與傳統(tǒng)蒸汽噴射泵相比，動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵在噴嘴入口處設(shè)置有針閥。針閥及其連桿由活動(dòng)軸和套筒結(jié)構(gòu)固定，前后運(yùn)動(dòng)由彈簧控制。套筒由三個(gè)支撐板固定，支撐板連接在噴嘴的內(nèi)壁上。

圖1 動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵結(jié)構(gòu)圖

噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)工作蒸汽壓力升高時(shí)，工作蒸汽推動(dòng)針閥的后部，彈簧發(fā)生軸向變形，使針閥朝著噴嘴喉部移動(dòng)，導(dǎo)致噴嘴喉部面積減小。當(dāng)蒸汽噴射泵的工作蒸汽壓力降低時(shí)，彈簧力減小，針閥向后移動(dòng)，噴嘴喉部面積增大。根據(jù)這一原理，蒸汽噴射泵的喉部面積比可以根據(jù)工作蒸汽的壓力變化自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)工作蒸汽壓力的波動(dòng)。針閥的向前和向后移動(dòng)由ΔL表示。當(dāng)針閥位于噴嘴喉部時(shí)，ΔL定義為0，向右移動(dòng)定義為正。蒸汽噴射泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。針閥內(nèi)角為9.5°，初始位置設(shè)置為0。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)圖

表1 噴射泵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵動(dòng)力學(xué)模型

2.1 網(wǎng)格劃分

Navid等分別基于二維軸對稱和三維方法建立了傳統(tǒng)蒸汽噴射泵的計(jì)算模型[4]，仿真結(jié)果表明，采用二維軸對稱模型得到的結(jié)果與整個(gè)三維模型的結(jié)果相似?；诖耍恼虏捎枚S軸對稱模型進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)保證相對較高的計(jì)算精度。

圖3是所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵計(jì)算域網(wǎng)格的示意圖。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用ICEM軟件實(shí)現(xiàn)了四邊形網(wǎng)格的區(qū)域劃分。經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，綜合考慮計(jì)算資源消耗和計(jì)算時(shí)間，計(jì)算精度能夠滿足準(zhǔn)確反映噴射泵內(nèi)部流場的計(jì)算要求。最終模型的網(wǎng)格數(shù)約為40 000個(gè)。

圖3 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

為簡化求解過程，文章做出以下假設(shè)：(1)蒸汽噴射泵中的流體為理想氣體；(2)蒸汽噴射泵的內(nèi)壁為絕熱邊界；(3)蒸汽噴射泵內(nèi)部是一個(gè)等熵過程；(4)工作蒸汽為過熱蒸汽；(5)流體的混合過程在混合室中完成。

2.3 邊界條件設(shè)置

蒸汽噴射泵工作蒸汽入口和引射蒸汽入口的邊界類型設(shè)置為“壓力入口”，噴射泵出口設(shè)置為“壓力出口”。在求解控制方程和湍流模型的過程中，采用二階迎風(fēng)對對流項(xiàng)進(jìn)行離散，采用SIMPLEC算法計(jì)算壓力場。模擬過程中，當(dāng)所有方程的殘差小于10-7且計(jì)算的質(zhì)量流量滿足質(zhì)量守恒方程時(shí)，計(jì)算被認(rèn)為收斂并結(jié)束。

3 結(jié)果與討論

為了研究動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵在系統(tǒng)變工況下的性能，擬合AR與針閥前后運(yùn)動(dòng)的函數(shù)關(guān)系：

y=0.309 2x2-1.812 2x+8.895 5

(1)

根據(jù)彈簧彈性系數(shù)和虎克定律，彈簧的力與變形值(伸長或壓縮)在彈性極限內(nèi)成正比，公式：

F=k·ΔL

(2)

由此可得出彈簧彈性系數(shù)k與噴射泵工作蒸汽壓力及AR之間的關(guān)系，從而可由下式得出選擇彈簧彈性系數(shù)的依據(jù)。

(3)

3.1 工作蒸汽壓力的影響

工作蒸汽壓力對引射系數(shù)的影響如圖4所示。當(dāng)引射蒸汽壓力為104Pa、噴射泵出口壓力為3.5×104Pa時(shí)，工作蒸汽壓力壓力由2.5×105Pa逐漸增加到4×105Pa。

圖4 工作蒸汽壓力對引射系數(shù)的影響

由圖4看出，工作蒸汽壓力對蒸汽噴射泵性能有很大影響。當(dāng)工作蒸汽壓力小于3×105Pa時(shí)，采用較小壓力可以獲得較高引射系數(shù)。隨著工作蒸汽壓力的增大，大流量蒸汽噴射泵的性能逐漸提高。這一現(xiàn)象與蒸汽噴射泵的實(shí)際運(yùn)行情況是一致的。隨著工作蒸汽壓力的增加，流體對彈簧施加向右的推力，推動(dòng)針閥向右移動(dòng)，從而增大工作蒸汽流量。在此過程中，蒸汽噴射泵的性能始終可以保持在較高的水平。動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵工作蒸汽壓力變化時(shí)，引射系數(shù)先增大后減小。

3.2 與傳統(tǒng)噴射泵的比較

對動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵與傳統(tǒng)蒸汽噴射泵在變工況下的性能進(jìn)行比較。針閥的位置和面積比隨著工作蒸汽壓力的增加而變化如圖5所示。從圖5可以看出，隨著工作蒸汽壓力的增加，針閥移動(dòng)距離呈線性變化，面積比呈指數(shù)下降。

圖5 工作蒸汽壓力對噴嘴位置和面積比的影響

將動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵與傳統(tǒng)蒸汽噴射泵設(shè)置相同的邊界條件(噴射泵出口壓力3.5×105Pa，引射蒸汽壓力1×105Pa，工作蒸汽壓力范圍2.5×105Pa～4×105Pa)，對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵與傳統(tǒng)蒸汽噴射泵對比

結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵的引射系數(shù)在1.1～1.2的小范圍內(nèi)變化，而傳統(tǒng)蒸汽噴射泵的引射系數(shù)在低壓范圍內(nèi)由1降至0.7。主要原因是AR隨工作蒸汽壓力降低而增大時(shí)，針閥使噴射泵保持相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)。動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵的平均引射系數(shù)為1.14，而傳統(tǒng)蒸汽噴射泵的平均引射系數(shù)為0.84。因此，在工作蒸汽波動(dòng)的工況下，動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵的性能和穩(wěn)定性均優(yōu)于傳統(tǒng)蒸汽噴射泵。

4 結(jié)論

文章提出了一種動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵，在工作蒸汽波動(dòng)的工況下，蒸汽噴射泵噴嘴喉部區(qū)域通過針閥的前后移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)更好的性能。

1)動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵的面積比與工作蒸汽壓力波動(dòng)相適應(yīng)。隨著工作蒸汽壓力的增加，面積比值隨著針閥正向移動(dòng)而減小。相反，當(dāng)工作蒸汽壓力降低時(shí)，面積比值隨著針閥反向移動(dòng)而增大。在此過程中，蒸汽噴射泵始終可以保持在高性能工作區(qū)域。

2)工作蒸汽壓力在2.5 ×105Pa～4 ×105Pa范圍內(nèi)波動(dòng)的工況下，動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵的平均引射系數(shù)為1.14，而傳統(tǒng)引射泵的平均引射系數(shù)為0.84，引射系數(shù)提高約1.6倍。