DOI:10.12677/iae.2024.123041,PDF,HTML,XML,被引量下载: 25浏览: 39
作者:门洋帆,李玉超,李善成,曾广会：海军潜艇学院，山东 青岛
关键词:吸冲一体；射流泵；特性方程；Suction and Flushing Integration；Jet Pump；Characteristic Equation

文章引用：门洋帆, 李玉超, 李善成, 曾广会. 吸冲一体式射流泵特性方程及设计研究[J]. 仪器与设备, 2024, 12(3): 307-314. https://doi.org/10.12677/iae.2024.123041

1. 引言

随着我国不断地走向深海远海，深海遇险遇难的事故频率会逐步增加。当潜艇、飞机沉没于深海时，由于深海沉积物的作用，其往往会陷入海底淤泥中，这将严重影响失事装备的搜寻作业和打捞作业[1]，因此水下除泥是有效搜寻和打捞沉没海底沉物的必需手段之一。目前，打捞作业中水下除泥主要采用气升式吸泥装置，该装置使用的普通型吸泥管的最大内径为152毫米，加强型吸泥管的最大内径为254毫米。然而，随着走向远海深海，当水深较大时，由于管路吸泥管长度和管径较大，受水流影响大，使得水下的布设及操作使用困难，同时气升式深海供气需要压力较大，无法进行深海作业[2]。因此，气升式吸泥装置大深度下有效除泥作业能力极其薄弱，难以满足大深度水深条件下除泥作业的需要。综上，设计出一个能方便操作的清除大深度环境下沉积物附近泥沙并且可以稳定工作的水下冲泥吸泥装置是目前亟需解决的技术难题。目前，环形射流泵由于结构比较简单，操作方便，对沙粒等固体物质的运输性能较好，是适宜开展水下清除淤泥的装置之一。射流泵没有旋转部件，不会对打捞物造成二次伤害。但是往往水下淤泥粘性较大，导致了清淤难度加大，一种吸冲一体式环形射流泵可以很好地解决该问题。目前对于射流泵的设计理论已经十分成熟[3]-[5]，刘冰等利用射流泵理论探究了双喷嘴下射流泵的设计，并提出了双喷嘴射流泵的理论设计[6]。郭威研究了一种水下复合清淤工具，利用CFD研究了中心射流泵和冲泥复合下的装具的性能，但没有详细的理论说明[7]。因此，对于吸冲一体式环形射流泵的设计还处于空白，本文结合射流泵理论，开展了吸冲一体式射流泵的理论设计，并针对水下清淤设计了一种吸冲一体式射流泵。

2. 吸冲一体式环形射流泵的工作原理

环形射流泵的结构如图1所示，它包含环形喷嘴、喉管、扩散管。工作原理为高压的工作流体通过喷嘴射出，在喷嘴出口处速度较高，压力降低。这样被吸流体就会被吸入喉内，两股流体会在喉管内混合和能量交换，在扩散管混合液体流速降低，压力增大，从而使混合液排出需要的距离。射流泵没有运动旋转部件，具有结构简单、工作可靠、耐磨损、维护费用低、控制灵活方便等优点。目前射流泵在挖泥、疏浚和清淤方面已经有不少学者进行了相关研究[8]-[11]。

Figure 1.Ring jet pump

图1.环形射流泵

针对水下清淤作业，防止泥沙淤泥过厚无法进行吸泥作业，对环形射流泵进行了改进，增加了冲泥喷嘴，提升吸泥泵效率和效果。改进后如图2所示。

Figure 2.Working principle of suction and impulse integrated jet pump

图2.冲吸泥一体式射流泵工作原理

改进后的工作原理是：高压进流进入后分为两部分，一部分流体作为冲洗液由冲泥喷嘴射流喷出，冲击泥沙形成悬浮液。另一部分作为射流泵动力液由吸泥喷嘴射流喷出，在吸泥喷嘴与喉管之间的吸入室处，动力液的高压头转变为速度水头，从而使得吸入室(喉管)周围压力迅速降低，形成负压吸附区。在压差作用下，冲泥喷嘴处形成的泥沙悬浮吸入液进入喉管与动力液充分混合后。在此过程中，动力液失去动量和动能，而吸入液会相应地得到能量。混合液进入扩散管后的进入增压阶段，由于扩散管横截面积逐渐增大，会将速度水头转为压力水头，从而排出。

3. 基本方程的推导

射流泵的压力、流量与射流泵的几何尺寸之间的关系，反映了射流泵的工作部件对其性能的影响[12]。对于射流泵的工作特性参数，通常有无量纲压头比P、无量纲流量比M、无量纲面积比R以及无量纲流速比V。

3.1. 无量纲参数

1) 无量纲压头比P

$P=\left(p_2-p_3\right)/\left(p_1-p_2\right)$

无量纲压头比为被吸流体的压头增加值比上动力液的压头减少值，该值越大，表明被吸液获得的能量越大，泵的举升能力越强。

2) 流量比

$M_1=q_3/q_1$

$M_2=q_4/q_1$

式中：M₁为被吸液的流量q₃比上喷嘴动力液流量q₁；M₂为下喷嘴动力液的流量q₄比上喷嘴动力液流量q₁。

若M₁越大，表明较少的动力液可以抽吸较多的被吸液，泵的抽吸能力强；若M₂较大，表明泵的清洗作用大。从吸冲射流泵效率来看，冲泥喷嘴流量对射流泵举升能力基本没有贡献。但是在实际工作中往往可能由于泥沙过厚或者浓度过大导致射流泵效率比较低下，因此需要综合考虑流量的分配，使得射流泵吸泥效率处于最佳。

3) 面积比

$R=A_j/A_t$

式中： $A_j$为吸泥喷嘴的环形面积； $A_t$为喷嘴处横截面的面积，即喉管截面面积。

4) 密度比

$\rho ={\rho }_3/{\rho }_1$

式中： ${\rho }_1$为动力液密度； ${\rho }_3$为被吸液密度(为吸泥喷嘴的动力液与泥沙混合后的密度)。

3.2. 特性方程推导

射流泵工作时，其能量主要体现在动力液通过喷嘴时提供的能量 $E_j$、被吸液得到的能量 $E_s$、动力液与被吸液混合时的能量损失L、动力液通过吸泥喷嘴时的能量损失 $F_{j1}$、动力液通过冲泥喷嘴时的能量损失 $F_{j2}$、被吸液通过吸入管道时的能量损失 $F_s$以及混合液通过喉管和扩散管时的能量损失 $F_{td}$(沿程损失)。总的能量损失为：

$E_f=L+F_{j1}+F_{j2}+F_s+F_{td}$

动力液通过吸泥喷嘴后压力由p₁变为了p₂，通过冲泥喷嘴时动力液的能量由p₁最终变为了p₃，因此单位时间内，动力液提供的能量为：

$E_j=q_1\left(p_1-p_2\right)+q_4\left(p_1-p_2\right)$

单位时间内，被吸液得到的能量为：

$E_s=q_3\left(p_2-p_3\right)$

吸泥喷嘴的动力与被吸液最终进入喉管混合，速度差为0，根据洛伦兹混合损失模型[8]，动力液与被吸液在喉管中的混合能量损失为：

$L={\rho }_1{q}_1\frac{{\left(v_j-v_t\right)}^2}{2}+{\rho }_3{q}_3\frac{{\left(v_s-v_t\right)}^2}{2}+{\rho }_1{q}_4\frac{v_c^2}{2}$

式中： ${\rho }_1$为动力液密度； ${\rho }_{\text{3}}$为混合液密度； $v_j$为动力液在吸泥喷嘴处的速度； $v_t$混为合液在喉管断面的平均速度， $v_c$为动力液在冲泥喷嘴处的速度， $v_s$为吸入液在吸泥喷嘴处的速度。

动力液通过吸泥、冲泥喷嘴能量损失 $F_{j1},F_{j2}$，被吸液经过吸入环道能量损失 $F_s$以及喉管与扩散管的摩擦损失 $F_{td}$分别为：

$F_{j1}={\rho }_1{q}_1{K}_{j1}{v}_j^2/2$

$F_{j2}={\rho }_1{q}_4{K}_{j2}{v}_c^2/2$

$F_s={\rho }_3{q}_3{K}_s{v}_s^2/2$

$F_{td}={\rho }_2{q}_2{K}_{td}{v}_t^2/2$

式中： $K_{j1}$、 $K_{j2}$分别为吸泥、冲泥喷嘴能量损失系数； $K_s$为被吸液管道能量损失系数； $K_{td}$为混合液在喉管、扩散管能量损失系数。

忽略喷嘴边缘厚度，由喷嘴截面处的面积关系可得：

$A_t=A_j+A_s$

因此，存在以下关系：

$\begin{array}{l}{v}_s=M_1{v}_j/\left(1-R\right)\\ v_t=R\left(1+M_1\right)v_j\end{array}$

由密度之间关系可知：

${\rho }_2={\rho }_1\left(1+\rho M_1\right)/\left(1+M_1\right)$

根据上式可知损失的总能量为：

$E_f=L+F_{j1}+F_{j2}+F_s+F_{td}=\xi {\rho }_1{q}_1{v}_j^2/2+\left(1+K_{j2}\right){\rho }_1{q}_4{v}_c^2/2$

式中：

$\xi =\left(1+K_{j1}\right)+\left(1+K_s\right)\rho M_1^3{\left(\frac{R}{1-R}\right)}^2+\left(1+K_{td}\right)R^2\left(1+\rho M_1\right){\left(1+M\right)}^2-2R\left(1+M_1\right)\left(1+\rho M_1^2\frac{R}{1-R}\right)$

在吸泥喷嘴处选一断面，分别由喷嘴入口断面和吸入液入口断面建立能量方程：

$\begin{array}{l}{p}_1=p_a+\left(1+K_j{}_1\right){\rho }_1{v}_j^2/2\\ p_3=p_a+\left(1+K_s\right){\rho }_3{v}_s^2/2\end{array}$

进而可得：

$v_j^2/2=\left(p_1-p_3\right)/\left(\eta {\rho }_1\right)$

式中：

$\eta =\left(1+K_{j1}\right)-\left(1+K_s\right)\rho M_{{}^1}^2{\left(\frac{R}{1-R}\right)}^2$

同理，由下喷嘴处建立能量方程可知：

$v_c^2/2=\left(p_1-p_3\right)/\left(1+K_{j2}\right){\rho }_1$

因此：

$E_f=\xi q_1\left(p_1-p_3\right)/\eta +q_4\left(p_1-p_3\right)$

根据能量守恒可知：

$E_f=E_j-E_s$

整理得：

$P=\left(\eta -\xi \right)/\left(\eta M_1+\xi \right)$

效率：

$E=\frac{E_s}{E_j}=\frac{P{M}_1}{1+M_2\left(1+P\right)}$

由上式可以看出，效率取决于无量纲压头比和无量纲流量比。该方程考虑了下喷嘴损失的能量以及上喷嘴动力与被吸液混合的能量损失。从公式可以看出M₂的增加会引起射流泵效率的降低，其对射流泵的压头比和效率没有贡献。但是实际M₂增加有利于降低被吸液的密度，从而密度比降低，能量损失会减少，从而会提升射流泵的效率，因此实际工作中需要考虑冲泥喷嘴的流量。

4. 射流泵的性能曲线

射流吸泥泵的设计在于其效率最高，取冲泥的流量与吸泥的流量比为 $M_2=\frac{1}{5}$，泥浆密度即 ${\rho }_3=2.65$，动力液为海水，密度为 ${\rho }_1=1.025$。根据文献[5]，取 $K_s=0.2$， $K_j=0.03$， $K_{td}=0.2$。根据上述理论绘制射流泵在不同面积比下的性能曲线以及效率顶点曲线和压力包络线，如图3和图4所示。

Figure 3.Efficiency curves under different area ratios

图3.不同面积比下的效率曲线

Figure 4.Pressure ratio curves under different area ratios

图4.不同面积比下的压力比曲线

从性能包络线曲线可以看出，在不同的面积比下，均存在随着流量比的增大，压力比减小；同时，射流泵的效率存在一个最大值，在设计时如果工作泵未知的情况下，选取最佳效率对应的面积比、流量比以及压力比。

5. 射流泵设计

在实际打捞作业中，只需要排出一定距离即可，无需将泥沙进行举升。因此，要求射流泵深水扬程10 m，排泥量30 m³/h，为了满足潜水员或者水下潜器进行水下操作使用，因此射流泵外径不大于100 mm，这里取100 mm，即喉管的直径为D= 100 mm。根据性能曲线方程，当效率最大时为0.1566，面积比为0.22，最佳流量比为0.62；压力比为0.32，此时最大效率为0.1566。

1) 上喷嘴流量q₁

$q_1=q_3/M_1=48.4{\text{m}}^{\text{3}}/\text{h}$

2) 下喷嘴流量q₄

$q_4=q_1\ast M_2=17.3{\text{m}}^{\text{3}}/\text{h}$

3) 上喷嘴的环形内管直径

$d=\sqrt{\left(1-R\right)D^2}=88.3\text{mm}$

4) 喉管长度

喉管长度即混合室长度，喉管过短会导致吸入液与动力液混合不均匀，导致扩散损失较大；喉管过长，会引起较大的流动损失。一般喉管的长度 $L_2=\left(3.5-4\right)D$，这里取350 mm。

5) 扩散管

扩散管参数有扩散角、扩散管长度。一般扩散角角度为8˚~13˚，这里取8˚；当扩散管角度为8˚时，扩散管长度为：

$L_3=\left(3.5-4\right)D=380\text{mm}$

6) 射流入口扬程

$H_0=10/0.34=29.5\text{m}$

7) 下喷嘴直径等效直径

$d_2=\sqrt{\frac{4q_4}{3.14\left(1-k_j\right)\sqrt{2g\frac{p_1-p_3}{{\rho }_1}}}}=12.5\text{mm}$

下喷嘴一般布置6个环形喷嘴，则每个直径大小为：

$d_3=d_2/\sqrt{6}=5.1\text{mm}$

若考虑到大深度一般为水下100 m以上进行排泥作业，工作泵安装在船上，取管路长度为120 m，管路直径为100 mm，则由达西公式，沿程局部阻力为：

$H_f=\lambda \frac{l}{d}\frac{V_g^2}{2g}=18.6\text{m}$

因此，工作泵的扬程为：

$H=H_f+H_0=48.1\text{m}$

工作泵的流量为：

$Q=q_1+q_2=65.7{\text{m}}^3$

工作泵的输出功率为：

$P_t=\rho g{Q}_0{H}_0=8.8\text{kW}$

如果工作泵效率为60%，则输出功率为 $P_t=15\text{kW}$。故工作泵选型如下：离心式潜水泵，排口直径为50 mm，流量为120 m³/h，扬程为100 m，功率为34 kW可满足设计要求。

综上：射流泵的设计参数如表1所示。

Table 1.Jet pump design parameters

表1.射流泵设计参数

进水管直径/mm	吸泥管直径/mm	喷嘴直径/mm	喉管长度/mm	扩散管角度/˚	扩散管长度/mm	冲泥嘴直径/mm
50	88.3	100	350	18	380	5.1

6. 总结

本文针对大深度水下除泥作业难度大，传统的气升式除泥装置已经难以满足大深度除泥作业，采用了环形射流泵为核心的一种水下冲吸泥一体装置，该装置结构简单，操作方便，可满足潜水员水下单人操作，亦可结合水下ROV进行更深水深的除泥作业。结合射流基本理论，给出了水下冲洗泥射流泵的具体参数。

为了全面分析冲吸泥一体射流泵冲刷、流动、混合、扩散的性能参数，下一步将结合CFD工作，开展水下冲吸泥中的泥沙冲刷、射流泵内部流场分布规律等研究，进一步优化冲吸泥一体射流泵，以提高水下冲吸泥效率，实现更好的水下除泥作业。

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