动态自调节蒸汽喷射泵设计研究

任建波，李 强，苗 超，张令品，谢春刚

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

蒸汽喷射泵是多效蒸馏海水淡化系统中调节负荷、提高造水比、节约动力蒸汽和降低运营成本的核心设备。然而，传统的固定结构的蒸汽喷射泵工作蒸汽压力、流量的调节变化范围很小，必须在一定的范围内才能正常工作，否则蒸汽喷射泵的工作效率将会极大降低，甚至不能工作。

为改善蒸汽喷射泵可调节性能，国内外研究人员对蒸汽喷射泵的几何结构进行了大量的探索研究。Wang等研究了喷嘴出口轴向位置(NXP)和面积比(AR)对喷射泵性能的影响，数值模拟结果表明，两种可调节喷射泵的性能优于固定结构喷射泵[1]。Pei等研究了以氢气为工作流体的宽工作范围喷射器，结果表明最佳径比取值范围为3.00～3.54，较低的径比有利于扩大操作范围[2]。Gu等提出了一种通过在主喷嘴中安装主轴来调节面积比的喷射泵，与传统固定结构喷射泵相比，平均引射系数提高1倍以上[3]。

虽然许多喷射泵在研究中具有良好的性能，但大多研究都是假设喷射泵在设计工况下工作的。基于此，设计了一种动态自动调节蒸汽喷射泵，采用数值模拟的方法研究了变工况条件下蒸汽喷射泵的适应性。

1 动态自调节蒸汽喷射泵设计

为满足蒸汽喷射泵在工作蒸汽压力变化工况下稳定工作的要求，设计了一种动态自调节蒸汽喷射泵，整体结构如图1所示。与传统蒸汽喷射泵相比，动态自调节蒸汽喷射泵在喷嘴入口处设置有针阀。针阀及其连杆由活动轴和套筒结构固定，前后运动由弹簧控制。套筒由三个支撑板固定，支撑板连接在喷嘴的内壁上。

图1 动态自调节蒸汽喷射泵结构图

喷嘴内部结构如图2所示。当工作蒸汽压力升高时，工作蒸汽推动针阀的后部，弹簧发生轴向变形，使针阀朝着喷嘴喉部移动，导致喷嘴喉部面积减小。当蒸汽喷射泵的工作蒸汽压力降低时，弹簧力减小，针阀向后移动，喷嘴喉部面积增大。根据这一原理，蒸汽喷射泵的喉部面积比可以根据工作蒸汽的压力变化自动进行调节，以适应工作蒸汽压力的波动。针阀的向前和向后移动由ΔL表示。当针阀位于喷嘴喉部时，ΔL定义为0，向右移动定义为正。蒸汽喷射泵的结构参数如表1所示。针阀内角为9.5°，初始位置设置为0。

图2 喷嘴结构图

表1 喷射泵关键结构参数

2 动态自调节蒸汽喷射泵动力学模型

2.1 网格划分

Navid等分别基于二维轴对称和三维方法建立了传统蒸汽喷射泵的计算模型[4]，仿真结果表明，采用二维轴对称模型得到的结果与整个三维模型的结果相似。基于此，文章采用二维轴对称模型进行计算，同时保证相对较高的计算精度。

图3是所设计的动态自调节蒸汽喷射泵计算域网格的示意图。网格结构采用ICEM软件实现了四边形网格的区域划分。经过网格独立性验证，综合考虑计算资源消耗和计算时间，计算精度能够满足准确反映喷射泵内部流场的计算要求。最终模型的网格数约为40 000个。

图3 计算区域及网格划分

2.2 数值计算模型

为简化求解过程，文章做出以下假设：(1)蒸汽喷射泵中的流体为理想气体；(2)蒸汽喷射泵的内壁为绝热边界；(3)蒸汽喷射泵内部是一个等熵过程；(4)工作蒸汽为过热蒸汽；(5)流体的混合过程在混合室中完成。

2.3 边界条件设置

蒸汽喷射泵工作蒸汽入口和引射蒸汽入口的边界类型设置为“压力入口”，喷射泵出口设置为“压力出口”。在求解控制方程和湍流模型的过程中，采用二阶迎风对对流项进行离散，采用SIMPLEC算法计算压力场。模拟过程中，当所有方程的残差小于10-7且计算的质量流量满足质量守恒方程时，计算被认为收敛并结束。

3 结果与讨论

为了研究动态自调节蒸汽喷射泵在系统变工况下的性能，拟合AR与针阀前后运动的函数关系：

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

(1)

根据弹簧弹性系数和虎克定律，弹簧的力与变形值(伸长或压缩)在弹性极限内成正比，公式：

F=k·ΔL

(2)

由此可得出弹簧弹性系数k与喷射泵工作蒸汽压力及AR之间的关系，从而可由下式得出选择弹簧弹性系数的依据。

(3)

3.1 工作蒸汽压力的影响

工作蒸汽压力对引射系数的影响如图4所示。当引射蒸汽压力为104Pa、喷射泵出口压力为3.5×104Pa时，工作蒸汽压力压力由2.5×105Pa逐渐增加到4×105Pa。

图4 工作蒸汽压力对引射系数的影响

由图4看出，工作蒸汽压力对蒸汽喷射泵性能有很大影响。当工作蒸汽压力小于3×105Pa时，采用较小压力可以获得较高引射系数。随着工作蒸汽压力的增大，大流量蒸汽喷射泵的性能逐渐提高。这一现象与蒸汽喷射泵的实际运行情况是一致的。随着工作蒸汽压力的增加，流体对弹簧施加向右的推力，推动针阀向右移动，从而增大工作蒸汽流量。在此过程中，蒸汽喷射泵的性能始终可以保持在较高的水平。动态自调节蒸汽喷射泵工作蒸汽压力变化时，引射系数先增大后减小。

3.2 与传统喷射泵的比较

对动态自调节蒸汽喷射泵与传统蒸汽喷射泵在变工况下的性能进行比较。针阀的位置和面积比随着工作蒸汽压力的增加而变化如图5所示。从图5可以看出，随着工作蒸汽压力的增加，针阀移动距离呈线性变化，面积比呈指数下降。

图5 工作蒸汽压力对喷嘴位置和面积比的影响

将动态自调节蒸汽喷射泵与传统蒸汽喷射泵设置相同的边界条件(喷射泵出口压力3.5×105Pa，引射蒸汽压力1×105Pa，工作蒸汽压力范围2.5×105Pa～4×105Pa)，对比结果如图6所示。

图6 动态自调节蒸汽喷射泵与传统蒸汽喷射泵对比

结果表明，动态自调节蒸汽喷射泵的引射系数在1.1～1.2的小范围内变化，而传统蒸汽喷射泵的引射系数在低压范围内由1降至0.7。主要原因是AR随工作蒸汽压力降低而增大时，针阀使喷射泵保持相对稳定的工作状态。动态自调节蒸汽喷射泵的平均引射系数为1.14，而传统蒸汽喷射泵的平均引射系数为0.84。因此，在工作蒸汽波动的工况下，动态自调节蒸汽喷射泵的性能和稳定性均优于传统蒸汽喷射泵。

4 结论

文章提出了一种动态自调节蒸汽喷射泵，在工作蒸汽波动的工况下，蒸汽喷射泵喷嘴喉部区域通过针阀的前后移动来实现更好的性能。

1)动态自调节蒸汽喷射泵的面积比与工作蒸汽压力波动相适应。随着工作蒸汽压力的增加，面积比值随着针阀正向移动而减小。相反，当工作蒸汽压力降低时，面积比值随着针阀反向移动而增大。在此过程中，蒸汽喷射泵始终可以保持在高性能工作区域。

2)工作蒸汽压力在2.5 ×105Pa～4 ×105Pa范围内波动的工况下，动态自调节蒸汽喷射泵的平均引射系数为1.14，而传统引射泵的平均引射系数为0.84，引射系数提高约1.6倍。