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东北大学硕士学位论文 摘要 r h - t b 真空泵系统的理论与实验研究 摘要 r h t b 真空处理装置是1 9 9 8 年鞍钢从德国引进的钢水预处理设备，作为生产 高级别钢种的核心设备发挥着重要的作用。本文对鞍钢第二炼钢厂1 7 5 吨r h _ _ t b 真空处理装置中最关键的真空泵系统进行详细的理论分析和实验研究，并对制约 生产的关键环节进行了改进。 本文对蒸汽喷射泵的原理进行了分析，从气体动量微分方程出发，得出气流 参数随截面的变化规律；分析了拉法尔喷管的工作原理。从气体动力学函数出发， 得出真空泵任意截面处气流参数，建立了真空泵的数学模型。得出了在喷射泵工 作流体参数、引射流体参数以及压缩压力给定的情况下，确定喷射泵可达喷射系 数的方法。同时还给出了在喷射泵工作流体、引射流体参数以及喷射系数给定的 情况下，确定喷射泵可达压缩压力的公式。 通过实验，测试了各级真空泵在工况参数和真空泵系统的泄漏率及不同工作 状态下的性能参数，并对真空泵系统的工作性能进行了详细的研究。由实验数据 得出了鞍钢第二炼钢厂1 7 5 吨r h t b 真空泵系统的工作性能曲线，通过该曲线可 以定量的反映真空泵系统的抽真空能力。根据测定的工作参数同时结合理论计算 的方法，对蒸汽喷射泵的重要设备一喷嘴进行了国产化设计，并对真空泵的喷嘴 设计进行了探讨。本文还结合生产实际找出了影响真空泵系统的制约因素，并提 出了相应的解决方案，对重点部位进行了技术改进，从而保证了鞍钢二炼钢厂生 产高级别钢种的需要，取得明显的经济效益。 关键词：r h _ _ t b 真空泵拉法尔喷嘴实验研究 查些垄兰堕主堂堡垒查 垒! ! 堡竺! s t u d i e so nt h ev a c u u mp u m po fr h - t b a b s t r a c t r h t bv a c u u i t it r e a t m e n td e v i c ei sac r u d es t e e lp r e t r e a t m e n te q u i p m e n t i n t r o d u c e df r o mg e r m a n yt oa n g a n gi n1 9 9 8 ，i th a sp l a y e da l li m p o r t a n tr o l ei n p r o d u c i n gh i g hc l a s ss t e e lg r a d e t h i sa r t i c l ew i l lg i v ed e t a i lt h e o r e t i c a la n a l y s i s t ot h e v a c u u mp u m ps y s t e m ，t h ek e yp a r to f1 7 5t o nr h t bv a c u u mt r e a t m e n te q u i p m e n t i na n g a n gn o 2s t e e lm a k i n g sp l a n t ，a n dt h e ni m p r o v es o m el i n k st h a tb l o c kt h e p r o d u c t i o n t h i sa r t i c l ew i l la n a l y z et h ep r i n c i p l eo ft h es t e a mj e tp u m p ，s e t t i n go u tf r o mt h e g a sm o m e n t u md i f f e r e n t i a lf o r m u l a , g e t t i n gar e g u l a r i t yo ft h ec u r r e n tp a r a m e t e r c h a n g i n g 、v i t ht h es e c t i o n a n a l y z i n gt h ew o r kp r i n c i p l eo f “l a v a ln o z z l e ”s e t t i n go u t f r o mt h ea i rd y n a m i c sf u n c t i o n , w ec a l lg e tc u r r e n tp a r a m e t e ro fr a n d o ms e c t i o ni na v a c u u mp u m p ，a n dt h e nw eg a l le s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c sm o d e lo fv a g u u l np u m p w ec a ng e tt h em e t h o do f t h ej e tc o e f f i c i e n ti nt h ej e r r i n gp u m p ，i nc a s ec o n f i r m a t i o no f w o r k i n gf l u i dp a r a m e t e ra n d c o n d u c t i o nj e t t i n gf l u i dp a r a m e t e ra n dc o m p r e s s i o n p r e s s u r e a n d 谢t hc o n f i r m a t i o no fw o r k i n gf l u i dp a r a m e t e rb e f o r ej e t t i n gp u m pa n d c o n d u c t i o nj e t t i n gf l u i dp a r a m e t e ra n dc o m p r e s sp r e s s u r e ，w ec a l lc a l c u l a t et h e c o m p r e s s i o np r e s s u r eo fj e t t i n gp u m p p a s s i n gt h ee x p e r i m e n t , w eh a v et e s t e dw o r k i n gp a r a m e t e ro fa l ll e v e l sv a c u u n l p u m pa n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ri n d i f f e r e n tw o r k i n gm o o da n dl e a k i n gr a t eo f v a c u u mp u m ps y s t e m , a n dh a v eg i v e nd e t a i l e dr e s e a r c ha n dt e s t st ot h ew o r k i n g p e r f o r m a n c eo fv a c u n r np u m ps y s t e m f r o mt h e s ee x p e r i m e n td a t aw eh a v eg o tt h e w o r k i n gc u r v er h t bv a c u b i i lt r e a t m e n te q u i p m e n t ，a n df r o mt h i sc u r v ew eh a v e f o u n do u tt h ew o r ka b i l i t yo fr h t bv a c u u mt r e a t m e n te q u i p m e n t w eh a v e d e s i g n e dt h en a t i o n a lp r o d u c to ft h ei m p o r t a n tp a r to fs t e a mj e tp u m p j n o z z l e ”， a c c o r d i n gt ot h et h e o r i e sc a l c u l a t i o na n dt h em e a s u r e m e n to fw o r k i n gp a r a m e t e r , a n d w eh a v es t u d i e dt h ed e s i g no f n o z z l e c o m b i n i n gt h ep r o d u c i n gp r o c e s s ，w eh a v e f o u n do u tw h a ta f f e c t e dv a c u u l mp u m ps y s t e m ，a n dh a v ep u tf o r w a r dt h eh o m o l o g o u s 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s o l u t i o n ，a n dh a v ep r o c e e d e ds o m et e c h n i q u ei m p r o v e st ot h ep o i n tp a r t ，a n dh a v e o b t a i n e do b v i o u sr e s u l t w eh a v eg u a r a n t e e dt h ed e m a n do fp r o d u c i n gh i g h c l a s ss t e e l g r a d ei na n g a n g n o 2s t e e i m a k i n gp l a n t ，a n dh a v eo b t a i n e dt h eo b v i o u s l ye c o n o m i c p r o f i t s k e yp h r a s e ：r h t b ，v a c u u mp u m p l a v a ln o z z l e , e x p e r i m e n tr e s e a r c h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：冻智勇 日期： 工 5 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：阵姑勇 签字日期： 2 0 口岁 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 钢铁材料是世界上应用范围极广的原材料，随着科技的进步各行业对钢材质 量和使用性能提出了更高的要求。国际、国内钢材市场的竞争日益激烈，进行工 艺技术改造、改进产品质量和品种结构已成为各炼钢厂增强市场竞争力的重要措 施之一。真空冶金技术的开发主要源于钢水脱气的需要。在钢水凝固过程中，氢 在钢中的溶解度明显降低，氢气沉积并以分子形式存在，这种氢气沉积明显降低 了钢材的质量。钢液真空处理技术是生产低碳、超低碳和低含气量( 氢、氧) 钢种 的关键技术。为了适应市场对高质量钢材的需求，1 9 9 8 年初鞍钢引进了德国梅索 公司的r h t b 钢水真空处理技术。 鞍钢第二炼钢厂的r h - t b 真空处理装置于1 9 9 9 年1 2 月投产。该装置投产以 来生产了大量的深冲钢、i f 钢、超低碳钢，为鞍钢提高产品质量和开发高水平产 品起到了良好的作用。蒸汽喷射泵作为r h 真空精炼技术的心脏设备和关键技术， 对鞍钢二炼钢的正常生产具有十分重要的影响。该设备能否正常稳定运行，以及 工作性能的优劣将关系到炼钢生产能否均衡有序的进行，生产成本、时间的控制 和钢产品的最终质量能否得到保证。然而在实际炼钢环境下，各种内外因素的变 化和不稳定都会对真空泵的性能产生影响。例如：水蒸气、冷却水的压力、温度 的高低将直接影响泵的抽速，泵体的破坏和漏气将影响真空度。由此带来的危害 是，真空精炼强度不够导致钢水质量下降，精炼时间长导致能耗等生产费用增加。 被迫停机检修更是造成生产节奏混乱，生产作业率下降甚至影响到产品钢种的生 产。 因此掌握蒸汽喷射泵设计、工作原理、了解各种工艺参数对真空度影响，了 解真空泵的性能，特别是蒸汽喷射泵的实际排气量对保证真空处理装置的正常稳 定运行、合理开发新工艺具有重要意义。由于此套r h t b 装置是从德国梅索公司 引进的技术，出于技术保密的考虑德方对许多关键技术进行了封锁，特别是蒸汽 喷射泵的设计。其中蒸汽喷射泵的各级喷嘴是作为配套件提供的，而相关的图纸 东北大学硕士学位论文壁二主壁堕 和技术参数都没有提供。 我国的钢铁企业现有的真空处理装置如宝钢、本钢等也是从国外引进的技术。 消化先进技术完成全部国产化是技术工作者的责任。我国从6 0 年代后开始逐步对 引进的技术进行消化吸收和自主研制开发，但目前国内对蒸汽喷射泵的研究、设 计以及使用都处于初级阶段，对喷射器的工作过程的研究及蒸汽喷射泵的设计都 落后于先进国家，因此本科题对冶金行业的真空处理装置的大型蒸汽喷射泵进行 研究具有很大的工程价值和重大的现实意义。消化移植该项技术，使r h 真空处理 装置推广将有助于我国钢铁行业产品结构的调整。 蒸汽喷射泵除用于炼钢行业外，还可广泛应用于航空食品、化工、电子等行 业生产中，由于具有对被抽介质无选择性、抽气能力大、工作范围宽、无相对运 动件( 几乎无需维修) 等独特的优点，其它任何真空泵至今无法替代。同时研究蒸汽 喷射泵对应用于其他行业的喷射器也具有参考和借鉴价值。 1 ，2 真空精炼技术的发展1 1 】 低真空处理钢水在钢水预处理技术中占有很大的位置。最先采用真空冶炼技 术的是由钢铁冶炼的先锋h e n r yb e s s e m e r 于1 8 6 5 年提出。但在当时不具备先决技 术条件，特别是还没有发明有力的真空泵。当前5 0 年所有的钢水预处理技术提出 并结合新的思想时，已过去近百年。与钢水处理有关的第一次生产实践是在德国 的鲁尔河区域的b o c h u m 、d o r t m u n d 和h a t l i n g e n 。 钢液真空处理技术是生产低碳、超低碳和低含气量( 氢、氧) 钢种的关键技术。 该项技术起始于第二次世界大战，随着战争的升级，军火制造商对钢的质量要求 也越来越高。随后的2 0 年内，欧美等发达国家先后研发成功多种钢液真空精炼处 理方法，如： 1 ) 提升脱气法h 法) 2 ) 真空循环脱气法( r h 法) 3 ) 罐内钢桶脱气法( v d 法) 4 ) 真空吹氧脱碳法f v o d 法) 5 ) 桶炉搅拌脱气法( a s e a s k f 法) ( 1 ) 真空提升脱气法( d h ) 2 查! ! 垄主婴主堂堡垒查 笙二主j 量兰l 其名称来自德国“d o r t m u n d h o r d e r ”是借助于真空度降到1 3 3 6 6 7 p a 的真 空室的相对运动及驱动气体( 一般为氩气) 的作用，将钢液分批的通过插入管吸入到 真空室，进入真空室的钢液激烈沸腾，增大了钢液的脱气表面积，加速了脱气进程。 钢液脱气后真空室上升到规定位置，钢液返回钢包中。钢液经过多次的循环，即 可达到脱气的目的。 ( 2 ) 真空循环脱气法( r h ) r h 法与1 9 7 5 年由德国的r u h r s t a n h l 公司与h e r a e u s 公司首先采用。如图1 1 钢液的脱气是在有耐火材料的真空室内进行的。在真空室的下部有两个插入管即 上升管和下降管，在上升管中通有提升气体( 氩气) 。当真空室抽真空后，插入管 插入钢液中，同时上升管中通入提升气体氩气在上升管内瞬间产生大量的气泡， 钢液中的气体向氩气泡内扩散，气泡在高温的作用下体积增大，带动钢液喷向真 空室，钢液成雨滴状，此时钢液中的气体被抽出，脱气后的钢液汇集在真空室的 底部从下降管回到钢包中，钢液经过连续的循环，即可达到脱气的目的。 日本等国又在r h 法的基础上开发了r h ：t b ，r l _ - t b 法等，增加了r h 系统的功能，提升了真空处理装置的效能。 图1 1 循环真空脱气处理一r h f i g 1 1c i r c u l a t i o nv a c u u m sr e f i n e r h 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 真空吹氧脱碳法( v c d ) 法 v c d 法是原德国维顿特殊钢厂在梅森公司协助下研制成功的，与1 9 6 5 年投入 生产。v c d 法精炼的过程是：在转炉或电炉内将钢水进行吹氧降碳并调整成分和 温度，当达到指标时，钢水倒入钢包中置于真空室之中，此时从钢包顶部吹入氧 气，钢包底部通入氩气进行搅拌，同时抽真空，压力降到6 6 7 x1 0 3 p a 后开始吹炼 并逐渐提高真空度，在较高的真空度下利用碳氧的迸一步脱氧可获得高纯度的钢 ( 4 ) 钢包精炼法( a s k e _ 一s k f ) 该方法是1 9 6 5 年瑞典的轴承公司s k f 和佛斯特电炉制造厂a s e a 合作建成 了具有电磁搅拌功能的新装置，故称为a s e a s i 渖法。 目前上述几种方法仍是世界上钢液真空精炼处理的主流。r h 真空精炼法是由 德国开发的，r i - t 是取r t t h r s f a h t 和h e r a e u s 的字首大写字母( 鲁尔河与先驱) 。进 行真空处理关键是要采用一个具有抽真空能力的真空泵，随着时间的推移，r h 系 统不断得到改进和完善，真空设备采用了蒸汽喷射泵具备了处理大量钢水的能力， r h 法逐渐发展为具有升温、化学加热、喷粉等多功能的r h - t b 或者r h - k t b 等 新型多功能炉外精炼装置。这些装置的核心设备都离不开真空泵。 1 3r h i b 真空精炼设备 二炼钢厂的1 7 5 吨r h t b 真空处理装置主要由以下几部分设备组成： ( 1 ) 基础自动化控制系统 用于基础自动化的电控和仪控采用两台西门予公司的可编程序控制器s 7 4 0 0 和作为操作站的两台工业p c 机。系统通讯采用工业以太网t c p i p ，操作台和现场 控制单元通过工业以太网联络，并以此实现与二级计算机通讯。p l c 系统收集现场 仪表设备传输来的各种原始信号，经c p o 处理后输出信号控制现场执行机构；同 时将现场设备运行状态信号和数据送至操作站监视。操作站在显示现场设备运行 状态和数据的同时，可以通过键盘和鼠标对现场设备和执行机构进行操作和控制。 操作站是人机联系接口设备，其彩色显示器可以进行7 种画面( 工艺流程画 面、分组画面、 回路调整画面、报警画面、故障事故画面、趋势画面、显示画面 菜单) 的显示和控制。操作者可以通过键盘和鼠标调动各种画面进行监视，也可 以通过键盘和鼠标下达操作命令，调节过程参数，选择手动和自动控制方式等。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 真空吹氧脱碳法( v c d ) 法 v c d 法是原德国维顿特殊钢厂在梅森公司协助下研制成功的，与1 9 6 5 年投入 生产。v c d 法精炼的过程是：在转炉或电炉内将钢水进行吹氧降碳并调整成分和 温度，当达到指标时，钢水倒入钢包中置于真空室之中，此时从钢包顶部吹入氧 气，钢包底部通入氩气进行搅拌，同时抽真空，压力降到6 6 7 1 0 3 p a 后开始吹炼 并逐渐提高真空度，在较高的真空度下利用碳氧的进一步脱氧可获得高纯度的铜 ( 4 ) 钢包精炼法( a s k e _ _ s k f ) 该方法是1 9 6 5 年瑞典的轴承公司s k f 和佛斯特电炉制造厂a s e a 合作建成 了具有电磁搅拌功能的新装置，故称为a s e a s k f 法。 目前上述几种方法仍是世界上钢液真空精炼处理的主流。r h 真空精炼法是由 德国开发的，p d - i 是取r u k r s f a h l 和h e r a e u s 的字首大写字母( 鲁尔河与先驱) 。进 行真空处理关键是要采用一个具有抽真空能力的真空泵，随着时间的推移，r h 系 统不断得到改进和完善，真空设备采用了蒸汽喷射泵具备了处理大量钢水的能力， r h 法逐渐发展为具有升温、化学加热、喷粉等多功能的r h - t b 或者r h - k t b 等 新型多功能炉外精炼装置。这些装置的核心设备都离不开真空泵。 1 3r h t b 真空精炼设备 二炼钢厂的1 7 5 吨r h - t b 真空处理装置主要由以下几部分设备组成： ( 1 ) 基础自动化控制系统 用于基础自动化的电控和仪控采用两台西门予公司的可编程序控制器s 7 4 0 0 和作为操作站的两台工业p c 机。系统通讯采用工业以太网t c p i p ，操作台和现场 控制单元通过工业以太网联络，并毗此实现与二级计算机通讯。p l c 系统收集现场 仪表设备传输来的各种原始信号，经c p i j 处理后输出信号控制现场执行机构；同 时将现场设备运行状态信号和数据送至操作站监视。操作站在显示现场设备运行 状态和数据的同时，可以通过键盘和鼠标对现场设备和执行机构进行操作和控制。 操作站是人机联系接1 2 设备，其彩色显示器可以进行7 种画面( 工艺流程画 面、分组画面、回路调整画面、报警画面、故障事故画面、趋势画面、显示画面 菜单) 的显示和控制。操作者可以通过键盘和鼠标调动各种画面进行监视，也可 以通过键盘和鼠标下达操作命令，调节过程参数，选择手动和自动控制方式等。 以通过键盘和鼠标下达操作命令，调节过程参数，选择手动和自动控制方式等。 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 蒸汽泵抽真空系统 如图1 2 所示二炼钢厂的真空泵系统是由四级蒸汽喷射真空泵和三个冷凝器 组成。图中的s 1 为一级泵，s 2 为二级泵可以产生一级泵的接通压力，s 3 a 、s 3 b 为并联的三级泵、s 4 a 、s 4 b 为并联的四级泵。六台蒸汽真空泵组成四级，并配用 c 1 、c 2 、c 3 三个喷水冷凝器， 废气排放管设置有温度、压力、流量检测；流量检测采用阿牛巴流量计。另 外还设有氧气、氧化碳和二氧化碳分析仪。浊环水设有温度和压力检测。 s 2s 3 as 3 b 图1 2 真空泵系统 f i g 1 2 v a c u u mp u m ps y s t e m ( 3 ) 钢水罐旋转和举升系统 钢水罐旋转和顶升系统由钢水罐旋转台装置和液压顶升装置组成，使装满钢 水的钢水罐连续进入处理位，液压顶升装置顶起，使钢水罐插入真空插入管。 ( 4 ) 机器冷却水系统 冷却水系统设为冷凝器和其他设备提供冷却水，冷凝器将喷嘴喷射出的蒸汽 冷凝成水，减轻泵的负担。冷却水总管设有温度和压力检测；顶枪冷却进出口水 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 温度都有检测和报警。 除以上几个系统外，真空处理还包括以下系统，由于与本课题所研究的关系 不大所以不进行详细的介绍。 ( 5 ) 顶枪吹氧气和吹煤气系统 ( 6 ) 真空室待机位加热系统 ( 7 ) 合金料称量投入系统 1 4 钢水真空处理的抽真空控制 在钢水罐尚未到达处理位置之前，蒸汽真空泵就要启动，对系统预抽真空。 首先，启动s 4 a 和s 4 b 两台真空泵，而后第二步再启动s 3 a 和s 3 b 两台真空泵， 真空度逐渐加深。第三步关闭s 4 b 和s 3 b 真空泵，同时启动s 2 真空泵，此时真空 泵系统的真空度已经相当深，绝对压力在0 1 k p a 以下。届时钢水罐已到处理位置， 并举升使钢水液面升到真空室浸渍管的中部。第四步打开真空主阀，并启动s 1 真 空泵，对钢水进行真空处理。在对钢水真空处理脱气期间，根据工艺要求对真空 度过程进行控制。生产时按程序开启真空泵，并根据检测的真空度控制回流气调 节蝶阀，从而保证真空度达到工艺的要求。 钢水真空处理时排出的废气进入烟道，在排放之前需进行气体分析。气体分 析装置配有采样抽气泵和气样净化设施，而后经磁氧分析仪和红外线分析仪，分 析得出废气中的吼、c 0 、c o 。浓度。浓度信号送往计算机，一方面送操作站c r t 进 行监视，同时此信号送往二级计算机并根据废气流量算出钢水脱碳的程度，以便 进行数模控制。 1 5 国内外的研究水平 本课题讨论研究的蒸汽喷射泵是喷射器中最重要的一类，他利用高压蒸汽作 为动力，可以造成较高的真空度。喷射器是利用流体流动速度的改变而产生的压 力变化的一类装置的总称。依其用途及进出口流体性质不同又可细分为若干类， 因此有许多不同的名称，如水喷射泵，蒸汽引射器，气体喷射器，蒸汽喷射压缩 器，蒸汽喷射真空泵等。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 蒸汽喷射器的基本原理早在十六世纪已被发现，到十九世纪的六十年代德国 学者g z e u m e n 根据动量守恒定理，提出了喷射器设计基本理论。1 8 7 0 年，他和 m r n n k i n 进一步发展完善了这个理论，但他们的理论还不能解决喷射器实际的计 算问题。直到本世纪三十年代，流体力学和空动力学的发展推动了喷射器的应用 和研究。随着计算流体力学和计算机技术的发展，喷射器工作过程理论也由一维 发展到多维。一维模型主要可归纳为定压混合理论和定常面积混合理论。 定压混合理论建立在一维流动基础上。定压混合理论假设：喷射器里工作流 体与引射流体混合的过程是压力不变的情况下进行的。 自从1 9 3 9 年f l u g e l 制造出第一台公认的喷射器以来，喷射器得到了广泛的应 用。k e e n a n 1 1 4 1 和e l r o d l 3 1 等人最先对喷射器作了比较全面的研究，认为喷射器的 混合过程是等压过程，第一次对喷射器给出了完整理论分析和试验研究，形成了 喷射器的基本理论。该理论假设，工作流体和引射流体具有相同的分子量和比热 容，工作流体和引射流体以及混合后的流体在任意横截面上具有均匀的物性分布， 喷嘴和扩散器里面的过程都是等熵过程，不计喷射器壁面阻力，在理想气体的基 础上，运用动量守恒、能量守恒、质量连续性方程计算工作过程，推导出具有最 大压缩比或最大喷射系数的喷射器几何参数的优化设计公式。 k e e n a n 等人不计喷嘴和扩散器的损失是因为这样可以使问题简化，而且当时 也无法知道喷嘴和扩散器内的能量损失情况，同样工作流体和引射流体的流动过 程也忽略了摩擦损失。前苏联热工研究所将各流动损失用喷嘴和扩散器的效率系 数以及工作流体和引射流体的速度系数来考虑，并研究了混合室形状对各系数的 影响。 w o r k 和h a e d r i c h 6 1 等人的试验表明流体的分子量对喷射系数是有很大的影响 的，这也是k e e n a n 等人所没有考虑的。d e f z a t e h e 和h o e l 等修正了k e e n a n 等人 的这个理论，考虑了理想气体的分子式，同时也考虑了工作流体和引射流体在喷 射器里不同位置的比热容的变化影响，但因为当时无法知道喷射器里的温度变化 情况，比热容的变化就很难精确确定下来。 另外一些学者提出了其它一维模型，如d o t t e r w e i c h 和m o o n e y 引入熵变的概 念，从能量守恒的角度进行分析，这些理论基本上都是以定压混合理论为基础的。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 定常面积混合理论是指喷射器的工作流体和引射流体的混合过程是在截面积 不变的情况下完成的。 k e e n a n 等人在研究定压混合理论的同时也研究了定常面积混合过程，研究表 明：利用定压混合理论设计的喷射器具有较好的工作特性，因此定常面积混合的 研究在一段时间内进展缓慢。 f a b f i 和s i e s t u n c k n 的研究发现一般的喷射器即m n i 1 图2 2 气体在喷嘴中的流动 f i g 2 2 a i rf l u x i n gi nt h ee j e c t o r 图2 2 表示气体在喷嘴中的流动情况。工作气体进入喷嘴之前，m 1 ，气体为超音速流动，且随着截面积的增大，流速进一步加快， 压力降低，当气体流出喷嘴时，气体达到相当高的超音速，此时压力很低。此时 在真空泵的接收室里可形成真空度，将引射气体吸入接受室。 ( b ) 混合室和扩散室中的气体流动情况： 一 m 1 m 1 m = l m 1m 0 ，d c o 1 ，随着引射气体的和工作气体的动量交换，速度降低，达到混合 室出口时，工作气体和引射气体混合均匀，混合气体以亚音速流入扩散起，肼 1 ， 随着管道截面积的增大，气体的速度进一步降低，压力升高，混合气体以较低的 流速和较高的压力排出真空泵。 由以上的分析可以得出蒸汽喷射真空泵的工作原理。工作气体流经拉法尔喷 嘴时气体的速度、密度发生变化气体由亚音速气流加速成超音速气流，速度增加， 气流密度减小，压力急剧降低，产生压力真空区，由于压差的原因将引射气体吸 入到混合室中。在混合室内工作气体与引射气体进行碰撞、能量交换、混合，混 合气体进入接收室速度降低，压力升高，经过接收室喉口后气体速度降为亚音速， 压力进一步升高在扩散器出口把气体排入下一级泵或排出泵外。 。，雩耋篡鬈：至雾黧三篓了罢鬈慧在计算时要解决如下两个问题： 粪銎二 3 t 建立真空泵数学模型的前提条件 工作掌麓絮理警配嘛懈啪 6 工作喷嘴 曰接牧室 e 一混合室d 扩敬器 。图3 1 真空泵原理图 f i g 3 l v a c u u mp u m pp r 9 l n 龇 堤台墒饿 东北大学硕士学位论文第三章蒸汽喷射真空泵的数学模型 气体在真空泵的实际流动过程十分复杂，为了简化推导过程作如下的假设 条件： 泵内气体的流动为理想气体的绝热可逆流动。 气体流动为连续介质的流动。 忽略气体的径向不均匀性，流动为一维稳定流动。 工作气体和引射气体进入混合室前，在和工作喷嘴出口界面相重合的 平面上与混合室入口截面的那一段上不相混合。 为了方便建立数学模型规定如下的符号： g 。工作流体的流量 g 。引射流体的流量 国。混合室入口截面上的工作流体速度 。：混合室入口截面上的引射流体速度 国，混合室出口截面上的混合流体的速度 匕混合室入口截面上的工作流体的静压力 只，混合室入口截面上的引射流体的静压力 b 混合室出口截面上的混合