動態自調節蒸汽噴射泵設計研究

任建波，李 強，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中調節負荷、提高造水比、節約動力蒸汽和降低運營成本的核心設備。然而，傳統的固定結構的蒸汽噴射泵工作蒸汽壓力、流量的調節變化范圍很小，必須在一定的范圍內才能正常工作，否則蒸汽噴射泵的工作效率將會極大降低，甚至不能工作。

為改善蒸汽噴射泵可調節性能，國內外研究人員對蒸汽噴射泵的幾何結構進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，數值模擬結果表明，兩種可調節噴射泵的性能優于固定結構噴射泵[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節面積比的噴射泵，與傳統固定結構噴射泵相比，平均引射系數提高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噴射泵在設計工況下工作的?；诖?，設計了一種動態自動調節蒸汽噴射泵，采用數值模擬的方法研究了變工況條件下蒸汽噴射泵的適應性。

1 動態自調節蒸汽噴射泵設計

為滿足蒸汽噴射泵在工作蒸汽壓力變化工況下穩定工作的要求，設計了一種動態自調節蒸汽噴射泵，整體結構如圖1所示。與傳統蒸汽噴射泵相比，動態自調節蒸汽噴射泵在噴嘴入口處設置有針閥。針閥及其連桿由活動軸和套筒結構固定，前后運動由彈簧控制。套筒由三個支撐板固定，支撐板連接在噴嘴的內壁上。

圖1 動態自調節蒸汽噴射泵結構圖

噴嘴內部結構如圖2所示。當工作蒸汽壓力升高時，工作蒸汽推動針閥的后部，彈簧發生軸向變形，使針閥朝著噴嘴喉部移動，導致噴嘴喉部面積減小。當蒸汽噴射泵的工作蒸汽壓力降低時，彈簧力減小，針閥向后移動，噴嘴喉部面積增大。根據這一原理，蒸汽噴射泵的喉部面積比可以根據工作蒸汽的壓力變化自動進行調節，以適應工作蒸汽壓力的波動。針閥的向前和向后移動由ΔL表示。當針閥位于噴嘴喉部時，ΔL定義為0，向右移動定義為正。蒸汽噴射泵的結構參數如表1所示。針閥內角為9.5°，初始位置設置為0。

圖2 噴嘴結構圖

表1 噴射泵關鍵結構參數

2 動態自調節蒸汽噴射泵動力學模型

2.1 網格劃分

Navid等分別基于二維軸對稱和三維方法建立了傳統蒸汽噴射泵的計算模型[4]，仿真結果表明，采用二維軸對稱模型得到的結果與整個三維模型的結果相似?；诖?，文章采用二維軸對稱模型進行計算，同時保證相對較高的計算精度。

圖3是所設計的動態自調節蒸汽噴射泵計算域網格的示意圖。網格結構采用ICEM軟件實現了四邊形網格的區域劃分。經過網格獨立性驗證，綜合考慮計算資源消耗和計算時間，計算精度能夠滿足準確反映噴射泵內部流場的計算要求。最終模型的網格數約為40 000個。

圖3 計算區域及網格劃分

2.2 數值計算模型

為簡化求解過程，文章做出以下假設：(1)蒸汽噴射泵中的流體為理想氣體；(2)蒸汽噴射泵的內壁為絕熱邊界；(3)蒸汽噴射泵內部是一個等熵過程；(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置為“壓力入口”，噴射泵出口設置為“壓力出口”。在求解控制方程和湍流模型的過程中，采用二階迎風對對流項進行離散，采用SIMPLEC算法計算壓力場。模擬過程中，當所有方程的殘差小于10-7且計算的質量流量滿足質量守恒方程時，計算被認為收斂并結束。

3 結果與討論

為了研究動態自調節蒸汽噴射泵在系統變工況下的性能，擬合AR與針閥前后運動的函數關系：

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

(1)

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

F=k·ΔL

(2)

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

(3)

3.1 工作蒸汽壓力的影響

工作蒸汽壓力對引射系數的影響如圖4所示。當引射蒸汽壓力為104Pa、噴射泵出口壓力為3.5×104Pa時，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。當工作蒸汽壓力小于3×105Pa時，采用較小壓力可以獲得較高引射系數。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。這一現象與蒸汽噴射泵的實際運行情況是一致的。隨著工作蒸汽壓力的增加，流體對彈簧施加向右的推力，推動針閥向右移動，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。動態自調節蒸汽噴射泵工作蒸汽壓力變化時，引射系數先增大后減小。

3.2 與傳統噴射泵的比較

對動態自調節蒸汽噴射泵與傳統蒸汽噴射泵在變工況下的性能進行比較。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，針閥移動距離呈線性變化，面積比呈指數下降。

圖5 工作蒸汽壓力對噴嘴位置和面積比的影響

將動態自調節蒸汽噴射泵與傳統蒸汽噴射泵設置相同的邊界條件(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)，對比結果如圖6所示。

圖6 動態自調節蒸汽噴射泵與傳統蒸汽噴射泵對比

結果表明，動態自調節蒸汽噴射泵的引射系數在1.1～1.2的小范圍內變化，而傳統蒸汽噴射泵的引射系數在低壓范圍內由1降至0.7。主要原因是AR隨工作蒸汽壓力降低而增大時，針閥使噴射泵保持相對穩定的工作狀態。動態自調節蒸汽噴射泵的平均引射系數為1.14，而傳統蒸汽噴射泵的平均引射系數為0.84。因此，在工作蒸汽波動的工況下，動態自調節蒸汽噴射泵的性能和穩定性均優于傳統蒸汽噴射泵。

4 結論

文章提出了一種動態自調節蒸汽噴射泵，在工作蒸汽波動的工況下，蒸汽噴射泵噴嘴喉部區域通過針閥的前后移動來實現更好的性能。

1)動態自調節蒸汽噴射泵的面積比與工作蒸汽壓力波動相適應。隨著工作蒸汽壓力的增加，面積比值隨著針閥正向移動而減小。相反，當工作蒸汽壓力降低時，面積比值隨著針閥反向移動而增大。在此過程中，蒸汽噴射泵始終可以保持在高性能工作區域。

2)工作蒸汽壓力在2.5 ×105Pa～4 ×105Pa范圍內波動的工況下，動態自調節蒸汽噴射泵的平均引射系數為1.14，而傳統引射泵的平均引射系數為0.84，引射系數提高約1.6倍。