影響蒸汽噴射真空泵的性能因素

文 //方錦輝 吳堅華 鄭奮怡 寶鋼工程技術集團有限公司 寶山鋼鐵股份有限公司

蒸汽噴射真空泵是一種利用水蒸汽為能源介質產生真空的真空泵，具有啟動速度快、工作壓力范圍寬、抽氣量大、結構簡單、無運動部件、對高溫多塵氣體適應性強等特點。且真空泵系統(tǒng)性能高、運行可靠、維護費用低，設備使用壽命，廣泛適用于工業(yè)領域，其中冶金鋼水真空精煉基本采用蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)。

1 蒸汽噴射真空泵基本原理

圖1為蒸汽噴射真空泵的抽氣機理及工作蒸汽和被抽氣體在蒸汽噴射真空泵中的壓力、速度變化情況。

從圖1可知，蒸汽噴射真空泵工作過程可分為蒸汽絕熱膨脹階段、蒸汽與被抽氣體混合階段和混合氣體壓縮階段三個階段。

蒸汽絕熱膨脹階段：工作蒸汽通過固定在外殼上的蒸汽噴嘴作絕熱膨脹，壓力蒸汽在蒸汽噴嘴入口處以U1速度進入噴嘴，在蒸汽噴嘴漸縮段流動時，其壓力不斷減小，速度不斷增加。在蒸汽噴嘴喉段，蒸汽速度達到音速，即馬赫數(shù)等于1。蒸汽在進入蒸汽噴嘴漸擴段，壓力繼續(xù)下降，氣流速度繼續(xù)增加，達到超音速狀態(tài)，在蒸汽噴嘴出口截面處，蒸汽壓力由P1降至Pa,速度由U1增至Ua，蒸汽壓力能轉化為動能。

蒸汽與被抽氣體混合階段：在上圖混合室中，蒸汽與被抽氣體混合，并進行能量交換，被抽氣體速度由U0增加到Uc，壓力由P0下降到蒸汽噴嘴出口截面處的壓力Pa,蒸汽攜帶著被抽氣進入擴壓器。

混合氣體壓縮階段：即在擴壓器中，蒸汽與被抽氣體一邊繼續(xù)進行能量交換，一邊逐漸壓縮升壓。混合氣體在擴壓器收縮段壓力上升，速度下降，流入喉管時，會在喉管內的某一截面(b點)產生激波現(xiàn)象，激波會導致混合氣體壓力的陡升(從Pa升高到Pb)和混合氣體速度的陡降(從超音速Ub降到亞音速Ud)，當混合氣體從喉管流入擴壓管內后，部分動能轉化為壓力能，流速進一步降低，使其壓力高于泵的出口背壓而被排出，從而達到抽氣的目的。

2 蒸汽噴射真空泵抽氣特性

從蒸汽噴射真空泵各壓力間的關系分析可知：①蒸汽噴嘴出口端的蒸汽壓力遠遠高于被抽氣體壓力時，則不具備抽氣功能。②蒸汽噴嘴出口端蒸汽壓力遠遠低于被抽氣體壓力時，則破壞了蒸汽最大限度的膨脹增速作用，使蒸汽在蒸汽噴嘴內的蒸汽流量小于蒸汽臨界流量，從而使被抽氣量下降直至停止。③若保持吸入室壓力不變，改變泵出口壓力，隨著出口壓力的降低，激波產生的位置向擴壓器出口處移動，泵的抽氣量逐漸增大。當激波出現(xiàn)在擴壓器喉部之后時，抽氣量不再增加，引射系數(shù)保持不變，此時引射系數(shù)為極限引射系數(shù)，對應的出口壓力為極限反壓力或臨界反壓力，泵工作時擴壓器的出口壓力應低于極限反壓力，當出口壓力在低于極限反壓力的范圍內變動時，激波在擴壓器喉部或其后產生，引射系數(shù)和入口壓力幾乎不變，抽氣量變化對入口壓力影響很小，噴射泵工作時就是處于這種狀態(tài)之中，因此，當排氣壓力波動時，只要不高于極限反壓力，就可視為對入口壓力無影響。

從圖2可知，在斷開點上部，抽吸流量m0與抽吸壓力P0成正比。在吸入壓力不變時，蒸汽壓力增高，排氣壓力同步增加，抽氣量也同步增加，可達到的反向壓力由蒸汽噴嘴的尺寸或蒸汽壓力所決定，改變蒸汽壓力時僅對反向壓力有影響，而抽吸曲線基本不變，因此抽吸曲線的變化僅在改變擴張器和噴射泵尺寸時才有可能變化。

3 影響蒸汽噴射泵應用主要因素

影響蒸汽噴射泵應用性能因素很多，對于單級水蒸氣噴射泵，主要是結構因素，也就是各部尺寸，即蒸汽噴嘴、擴壓器收縮段及擴張段的形狀變化等相對位置布置及蒸汽噴射泵內壁的表面質量等。對于多級蒸氣噴射泵，影響因素主要是泵與泵間的壓強銜接、工作條件及操作方法等。噴射泵的工作介質、使用環(huán)境等也對多級蒸汽噴射泵抽氣性能有一定的影響。

圖1 噴射泵抽氣機理

圖2 噴射泵抽氣特性

3.1 結構因素

蒸汽噴射泵真空系統(tǒng)的設備結構并不復雜，但其動力學及熱力學參數(shù)相對復雜。泵噴嘴及擴壓器的幾何尺寸基本是通過實驗和數(shù)學模型來計算的，但某些尺寸參數(shù)是通過實驗和應用經驗積累得到的。在結構計算中，有個重要參數(shù)——引射系數(shù)，引射系數(shù)不僅是介質狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)，也是幾何形狀參數(shù)的函數(shù)，噴嘴擴張段和擴壓器收縮段錐角恰當配合對提高引射系數(shù)是有利的，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，通常單級泵的引射系數(shù)為0.2～0.35。噴嘴的擴張段因氣流完全在超音速范圍內工作，故必須考慮實際流動時的摩擦損失和渦流損失。管道過長，摩擦不可逆損失太大;而管道過短，則截面擴張過大，會使氣流與管壁分離，產生渦流損失。噴嘴的喉口段是氣流從亞音速轉變?yōu)槌羲俚呐R界位置，是整個噴嘴設計中最為重要的部分,噴嘴喉口直徑d0是影響蒸汽噴射泵性能的關鍵尺寸。擴壓器的設計也很重要，若在亞音速段的漸擴管道中減速過急（管道張角過大），會導致邊界層分離而形成漩渦，使主流離開壁面。而在超音段的漸縮管道中往往會出現(xiàn)激波，激波使邊界層急劇增厚，也常伴隨有流動分離。

3.2 蒸汽壓力

蒸汽噴射泵工作，蒸汽壓力從理論上講：蒸汽壓力越高，噴射器極限反壓力也越高，工作特性曲線工作長度有所加長，泵的工作更趨穩(wěn)定，各抽氣量下的真空度有所下降，蒸汽耗量提高，冷凝器負荷加大，則在冷卻水量不變情況下出氣溫度升高。但是實際經驗證明，在壓力超過1.5MPa后，效率提高已不明顯。同時蒸汽壓力提高太多，一系列不利因素也相繼出現(xiàn)，如：法蘭、墊片和閥門的耐壓等級需要提高，造成一次性投資成本增大；蒸汽閥門及控制系統(tǒng)的使用壽命降低；蒸汽系統(tǒng)泄漏及危險性增加等。

蒸汽壓力高，有利于提高泵的抽氣能力，但要考慮蒸汽源的具體情況，主要關注長期運行的經濟指標。一般進噴嘴處蒸汽壓力在0.4～1.6MPa （表壓）范圍內選取，根據(jù)以往的設計經驗，建議在選擇蒸汽噴射泵蒸汽壓力和溫度時要結合真空系統(tǒng)泵級數(shù)因素。工作真空度≈0.67mbar時，建議選擇方法如下：①六級泵系統(tǒng)：蒸汽壓力0.6～0.9 MPa（表壓）；②五級泵系統(tǒng)：蒸汽壓力0.8～1.3 MPa（表壓）；③四級泵系統(tǒng)：蒸汽壓力1.0～1.4 MPa（表壓）。

3.3 蒸汽溫度

蒸汽的干度對真空泵性能也有較大影響, 其中含水會引起真空波動, 含水過多甚至會抽不起真空, 通常的作法是在汽包前加裝汽水分離器以獲得干度較高的工作蒸汽,同時對蒸汽管路進行有效保溫。為取得最佳的工作效益, 為噴射真空泵提供的工作蒸汽應為過熱5～10℃的過熱蒸汽。

3.4 冷卻水量

進入冷凝器的冷卻水量如果逐漸減少，將使其排氣溫度逐步上升，從而使末級冷凝器的蒸汽量逐漸增多，從而使下一級噴射器被抽的混合物量增加，導致其吸入壓強上升。如果這個壓強升高未超過前級泵的極限反壓強時泵尚能工作，一旦這個升高的壓力超過其前級噴射器的極限反壓力，將引起前級泵的過載，從而導致整個泵的過載，使已建立起來的真空系統(tǒng)破壞。冷凝器的冷卻水有以設計合理值，過分增加水量，非但無益，而且有害，一方面增加了冷卻水的放氣量，更重要的是導致冷凝器阻力增加，降低噴射器的抽氣特性，甚至使前級噴射器過載，冷凝器的正常阻力一般為679-1359Pa.

3.5 真空泵系統(tǒng)的密封

要獲得設計的真空度，真空泵系統(tǒng)要保持完好的密封性，通常考慮系統(tǒng)泄漏的是真空泵安裝上的原因，如連接法蘭的墊片未裝、裝錯或損壞，螺栓未擰緊、法蘭面損壞或焊縫有缺陷泄漏，壓力表或真空表的旋塞未裝好。此外考慮到系統(tǒng)在長期使用后泵體會磨損引起泄漏，特別是泵體混合段、擴壓器起始段和出口彎管等，可在設計中在易磨損處考慮用耐磨材料。

3.6 拉瓦爾噴嘴

蒸汽噴嘴是影響真空泵性能的重要部件之一，常見的問題有：噴嘴裝錯、堵塞、腐蝕和破損。噴嘴裝錯通常發(fā)生在調試時或是備件更換時，而堵塞一方面是由于真空泵安裝時異物落入噴嘴或是蒸汽管道中殘余的鐵屑和焊渣會堵塞噴嘴；另一方面長期間的真空泵系統(tǒng)停用后，蒸汽管道易生銹，在使用中銹斑脫落堵塞噴嘴。噴嘴堵塞時該級真空泵運行會不正常，通常1級泵的噴嘴喉口直徑最小，所以也最易堵塞。此外因被抽氣體中通常會帶有一些腐蝕性的氣體，會對噴嘴造成腐蝕，長時間使用后噴嘴易破損甚至脫落，所以噴嘴通常會使用不銹鋼等耐磨蝕的材料。

4 總結

蒸汽噴射真空泵研究和設計涉及到工程流體力學、工程熱力學、實驗理論等基礎理論。蒸汽噴射真空泵技術發(fā)展已有百年歷史，且蒸汽噴射真空泵結構也很簡單，國內外生產制造廠商眾多，但能設計、生產出性能優(yōu)越的蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)廠商不多。其主要原因是影響蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)的因素很多、設計參數(shù)數(shù)據(jù)和實測參數(shù)數(shù)據(jù)偏差大，需根據(jù)經驗和實測進行參數(shù)修正并指導產品升級。影響真空泵性能因素主要有引射系數(shù)、泵體結構、蒸汽壓力、蒸汽溫度、冷卻水量、真空系統(tǒng)密封等，如何處理好這些參數(shù)是真空泵廠商和工程設計人員追求的工程應用目標。