環形射流泵自吸性能的實驗研究

0射流泵的自吸能力環形射流泵的吸入管、喉嚨管和擴壓管配置在同一軸上，噴嘴圍繞著吸收管的末端（如圖1所示）。對于傳輸流量，沒有必要改變參數。這種射流泵特別適合于抽吸含有大量固體顆粒的混合流體,能達到很高的真空度,并且如設計使用得當就具有自吸性能,因而在大口徑反循環鉆井和河道清淤等工程領域中應用前景廣闊。射流泵的自吸性能是指射流泵剛啟動時抽除吸入管中空氣的能力,抽吸空氣時射流泵實際上是液氣引射器,即工作介質是液體,引射介質是氣體。在射流泵安裝在地表的射流反循環裝置中,首先要求射流泵能抽除鉆孔液面以上的主動鉆桿、水龍頭及吸水膠管中的空氣,即首先要求射流泵能自吸。泵吸反循環所用砂石泵是不能自吸的,因此采用砂石泵進行泵吸反循環時,需另配備灌注泵或真空泵。一般認為射流泵具有較強的自吸能力,射流反循環裝置相對簡單。然而,并不是所有的射流泵都具有自吸能力,有些射流泵并不滿足自吸要求。因此要正確地設計反循環用環形射流泵和應用射流反循環技術就必須對環形射流泵的自吸性能有全面的了解。1環形射流泵自吸性能測量采用圖2所示的實驗裝置對環形射流泵的自吸性能進行實驗研究。試驗裝置模擬大口徑射流反循環的工況,射流泵為大面積比射流泵,面積比m=喉管橫截面面積/噴嘴出口截面積之和=18。實驗時,引射流體和工作流體都采用清水,混合流體直接排往水箱,即Pc=Pa(Pa為大氣壓力);工作壓力Pp、引射壓力Pc分別用壓力表和真空計測量并分別由閘閥和實驗井內水位變化調節;引射流量GH由三角堰測量,混合流量GC=GH+Gp(Gp為工作泵流量)由電磁流量計測量。在對環形射流泵的自吸性能進行實驗研究時,射流泵的同口與大氣相通,實驗井內的水位離射流泵中心線的垂直距離為9.82m。射流泵自吸性能的測量實際上就是測量射流泵抽吸空氣時吸入管中所能達到的真空度。真空度越高,射流泵的自吸性能就越強。通過實驗發現,大面積比的環形射流泵無自吸性能的主要原因是射流泵結構參數不合理,當射流泵抽吸空氣時發生了高速射流的附壁效應。通過合理選擇射流泵的一些結構參數或采取適當措施可提高它的自吸性能。2射流向非喉管內流動圖1是所實驗的環形射流泵結構示意圖。通過實驗和分析,在大面積比環形射流泵中,射流附壁原因和附壁形式為:射流從噴嘴中射入接受室后,便把接受室的空間分成中間部分a和靠壁部分b。若靠壁部分b較小,由于射流要帶走其四周的氣體,使b處的壓力比a處的壓力低,于是射流便會在接受室內附壁并沿喉管進口段的壁面進入喉管,接著又把喉管分成中間部分d和靠壁部分c。若c較小,射流又會沿喉管的壁面需流動。射流在喉管內靠壁流動時在喉管橫截面上的分布會出現如圖3所示的情況,中間是空氣,射流分布在四周。在喉管、擴壓管和排出管不很長的情況下,射流便不能充滿整個管道截面,外界的大氣就可沿管道中間倒流,射流泵吸入室的真空度就不可能提高。由此可見,射流在喉管內附壁是影響環形射流泵自吸性能的關鍵,要提高射流泵的自吸性能,就必須調節射流在進入喉管時與喉管壁面的相對位置,使射流在喉管內不附壁,要達到此目的,可合理選擇環形射流泵的有關結構參數。3環形射流泵的結構參數對射流泵的自吸性能的影響3.1射流泵的自吸性能隨的變化情況喉嘴距Lc=100mm=1.15d3,喉管進口角α分別為30°、45°、60°的三種射流泵進行了自吸性能實驗,實驗結果見表1(實驗時其他條件為:d3=87mm,m=18,β=12°,L=400mm,噴嘴個數n=4,工作壓力Pp=1.1MPa,水溫t=20℃)。由表1可見射流泵的自吸性能隨α的增大而增大,當α增大到45°時,吸入室的真空度可達740mmHg柱,射流泵具有較強的自吸性能。實驗中,在其它條件相同的情況下,當喉嘴距Lc增大到150mm=1.72d3時,不同α角的射流泵的真空度都達到了740mmHg柱。此時α角對自吸性能影響很小。出現上述現象的原因是由于在射流泵中(如圖1所示),當喉嘴距Lc較小時,射流與喉管進口段壁面之間的空間b就小,射流一般會沿著喉管進口段的壁面流入喉管,此時喉管進口角α越大,射流進入喉管時與喉管壁面之間的空間c就越大,射流在喉管內就越不容易附壁,射流泵和自吸性能就會越強。當Lc較大時,射流與接受室壁面之間的空間b就較大,射流就不會沿喉管進口段的壁面流動,會直接射向喉管,此時α角對射流泵的自吸性能影響就不大。3.2射流入喉管。在角較喉嘴距Lc較小時,射流會沿喉管進口段壁面流入喉管。因此,Lc較小時,射流泵的自吸性能與β角的關系不大而與α角的關系較大。喉嘴距Lc較大時,射流會從噴嘴中直接射入喉管,此時當β角較小時,射流射入喉管時離喉管壁面的距離就會小一些,就容易產生附壁效應;當β角較大時,射流射入喉管時離喉管壁面的距離就會大一些,甚至在未到達喉管之前,各股射流就相聚了,在喉管內射流就不會附壁。在實驗中,Lc=125mm,β為12°的射流泵不具備自吸性能,但當β增大到20°時,射流泵吸入室的真空度便可達到740mmHg柱(實驗時其他條件為:d3=87mm,m=18,n=4,L分別為200、300、400mm,α分別為30°、45°、60°,Pp=1.1MPa,水溫t=20℃)。3.3射流泵自吸能力與l當Lc或α較小時(Lc=100mm,α=30°),喉管長度L分別為200、300、400mm時的實驗結果如圖4所示。在圖4中,橫坐標是喉管長度,縱坐標是射流泵吸入室所達到的真空度。由圖4可以看出射流泵的自吸能力隨喉管長度L的增加而較顯著地增強。當Lc或α都較大時(Lc=125mm,α=45°),L分別為200、300、400mm時,射流泵吸入室的真空度都能達到740mmHg柱。說明Lc或α較大的射流泵,射流進入喉管時不會附壁,喉管長度的變化對自吸性能影響不大(實驗時其他條件為:d3=87mm,m=18,β=20°,Pp=1.1MPa,t=20℃)。3.4環形射流泵的自吸能力面積比m越小,噴嘴出口面積相對就越大,工作流體就越容易充滿整個喉管。對于環形射流泵,實驗表明,當面積比m≤13.5時,在其他結構參數可能選擇的范圍內,射流泵均具有很強的自吸能力。由以上實驗和分析可知,對于大面積比的環形射流泵,可通過合理選擇其結構參數使其具備強的自吸能力。4改進環形射流泵自吸性能的其他方法4.1射流泵的排出口也必須在其生長過程中去吸大氣,提高自吸能力,不前面所討論的環形射流泵的自吸性能實驗都是在圖2所示的裝置上進行。實驗時,射流泵的排出口都是與大氣相通的。筆者在實驗中發現,若將射流泵的排出口淹沒在水箱的水面以下時,各種結構參數的環形射流泵則都具有很強的自吸能力。筆者認為當射流泵的排出口淹沒在水面以下時,雖然抽吸空氣時射流泵中的射流同樣有可能附壁,但附壁的射流仍能卷吸其另一側的空氣,水箱起到了氣水分離的作用,吸入管路中的空氣只會不斷地被射流帶出,外界空氣不能倒流,因此射流泵吸入管路中的真空度仍會迅速提高。在射流反循環鉆井中,可以將射流泵的排出管放入泥漿池中來提高其自吸能力。然而在反循環鉆進實踐中,射流泵的排出口也可能必須與大氣相通,例如射流泵的排出管口有可能要通到泥漿振動篩。因此在設計環形射流泵時,還是應該使其在出口通大氣的情況下具備較強的自吸能力。4.2射流泵自吸原理當射流泵排出管口必須通大氣而其自吸能力又不強時,筆者在實驗中發現,提高這種射流泵自吸能力的簡單方法是在射流泵的排出口連接一段(長約1m左右)軟管,射流泵抽吸空氣時,軟管通過變形可以阻止外界空氣倒流,提高射流泵的自吸性能。5環形射流泵的