（机械工程专业论文）提高真空抬包出铝能力的设计.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g t h e d e s i g nf o ri m p r o v i n g v a c u u mo f t a p p i n g c r u c i b l e b yh u a n gj i y u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r b ad e c h u n n o t h e a s t e r nu n i v e r s i t y o c t o b e r2 0 0 7 一， 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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签谢绎 日飙哆心月，邮 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。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 导师签名： 签字日期： r j ： r ， 口 0 呼f j t 了? 0 0 j 。 p f静女 0m耐雨、 -ij 东北人学硕士学位论文 摘要 提高真空抬包出铝能力的设计 摘要 气体喷射泵是一种利用高压气体抽吸低压流体的装置，它具有结构简单、没 有运动部件、费用低廉、维护方便等优点，并且对于被抽气体没有特殊要求，那 怕是有毒性、腐蚀性强、易燃易爆乃至可凝性气体都适用，加之抽气量大，工作 压力范围宽，因此广泛应用于能源动力、石油化工、钢铁冶金、轻工纺织、建筑、 制冷等各行各业。近年来，随着铝冶炼行业朝着大电流、电解槽大型化的发展， 单台电解槽的出铝量也有较大的增加，这也就要求单台出铝抬包的容量也必须要 增加，抬包真空发生装置的能力就显得非常重要。 中铝贵州分公司2 3 0 k a 电解槽于2 0 0 5 年投入生产，年产1 7 万吨电解铝。与之 配套的新型抬包也在进行相应的生产、制作、调试，它的容量为7 吨。在调试过 程中，发现真空达不到要求，根本不能把铝水吸进抬包里，不能满足生产工艺要 求。通过逐步分解系统设备组成，研究影响抬包真空度的因素，找出投入少、见 效快的解决方案。最后通过理论计算和试验，找到了合适的方案，完全满足生产 工艺要求。 关键词气体喷射出铝抬包真空度 - 1 ，ihyip， ，iil，lii， l | l ， 东北人学硕i ：学位论文 a b s t r a c t t h e d e s i g n f o ri m p r o v i n g t a p p i n g c r u c i b l e a bs t r a c t c u u m0 i n g a si n j e c t i o np u m pi s ad e v i c et h a ts u c k su pl o w - p r e s s u r ef l u i db yi n j e c t i n g h i g h - p r e s s u r e f l u i d i th a st h e a d v a n t a g e o f s i m p l e s t r u c t u r e ，n o n - k i n e t i c p a r t s ，i n e x p e n s i v ea n de a s yt om a i n t e n a n c e f u r t h e r m o r e ，n oa n ys p e c i a lr e q u e s tf o r t h es u c k e dg a s ，s u i t a b l ef o rt o x i cg a s ，c o r r o s i v eg a s ，i n f l a m m a b l eo re x p l o s i v eg a s ，a s w e l la sc o n d e n s i n gg a s m o r e o v e r ，d u et ot h em a s sq u a n t i t yo fs u c k e dg a s ，w i d er a n g e o fw o r k i n gp r e s s u r e ，t h eg a si n j e c t i o np u m pa p p l i e si nt h ef i e l d so fp o w e ra n d e n e r g y ，c h e m i c a li n d u s t r y a n dp e t r o l e u m ，i r o n s t e e lm e t a l l u r g y , t e x t i l ea n dl i g h t i n d u s t r y ，c o n s t r u c t i o ni n d u s t r y a n d r e f r i g e r a t i o n i n r e c e n t y e a r s ，w i t h t h e d e v e l o p m e n to ft h ea l u m i n i u m m e t a l e di nw a y so fb i g g e re l e c t r i cc u r r e n ta n d b i g g e rs i z e ，ap o tw i l lp r o d u c et h em o r ea l u m i n i u m ，i tr e q u i r e st h a tt h ec a p a c i t yo f t a p p i n gc r u c i b l em u s ti n c r e a s e ，a n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h ev a c u u mo ft h et a p p i n g c r u c i b l eb ef o u n d t h e2 3 0 k ap o ts u p e r s t r u c t u r ew a sb u i l tu pb yc h a i na l u i m i n i u mg u i z h o uc o i n2 0 0 5 o n e y e a r , i t c a np r o d u c e1 7 0t h o u s a n dt o ne l e c t r o l y s i s a l u m i n i u m f o rt h a ti t e m ，an e wk i n do ft a p p i n gc r u c i b l ew i l lb em a d e ，i tc a nb e f u l f i l l e dw i t h7t o na l u m i n i u mf l u i d i nc o u r s eo ft h ed e b u g ，w ef o u n dt h a tt h et a p p i n g c r u c i b l e sv a c u u md e g r e ed i dn o tr e a c ht h ed e s i g ng o a l i tc o u n dn o te x t r a c ta l u m i n i u m f l u i df r o mp o tc o m p l e t e l y , i td i dn o tf u l f i l lt h er e q u e s to ft e c h n i c sa l lt h ew h i l e b a s eo n 2 ，-_li 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s a s s e m b l i n gt h ec o m p o s i n go fs y s t e m ，t h ea r t i c l ea n a l y s e sv a r i o u sf a c t o ra b o u t a f f e c t i n gv a c u u md e g r e eo ft a p p i n gc r u c i b l e ，a n df i n do u tar a p i d l ya n di n e x p e n s i v e m e t h o dt os o l v ei t f i n a l l y , b yt h e o r yc a l c u l a t ea n de x p e r i m e n t ，f i n do u tag o o d d i m e n s i o n ，t h ed e s i g nf u l f i l l st h er e q u e s to ft e c h n i c sc o m p e t e n t l y k e yw o r d s ：g a s i n j e c t i n ot a p p i n gc r u c i b l e v a c u u md e g r e e 3 - ，；k0lp 碍lllf，l，|=r l 如 东北人学硕：j ：学位论义目录 目录 摘要1 目j 录4 第一章绪论6 1 1 概盍墨6 1 2 喷射理论的发展概况7 1 3 课题研究的意义8 1 4 本课题研究的内容9 第二章出铝抬包的组成1 0 2 1 传动机构。1 2 2 2 喷射泵系统1 2 2 3 真空包系统1 2 第三章气体流动的基础理论1 3 3 1 连续性方程1 3 3 2 稳定流动能量方程1 4 3 3 绝热过程方程1 4 3 4 音速与马赫数1 5 3 5 喷管和扩张管中的定熵流动特性1 6 3 6 喷管截面的变化规律1 6 3 7 定熵滞止参数1 7 3 8 一维气流的基本方程1 8 3 9 激波理论1 9 3 1 0 流速的计算与临界压力比2 1 3 1 1 临界流速、临界压力及喷管选型2 1 3 1 2 流量的计算2 3 3 1 3 孔板节流的理论计算2 4 3 1 4 蒸汽喷射泵的设计计算2 6 第四章喷射泵的组成结构与工作原理3 0 4 1 抬包喷射泵的组成结构3 0 第五章抬包喷射泵的数学模型3 3 5 1 单级喷射泵抽气的数学模型3 3 5 1 1 射流的膨胀流动3 3 4 ；，i 东北人学硕士学位论文 目录 5 1 2 气体在混合室中的流动。3 3 5 1 3 在扩压器中的流动过程3 6 5 2 抬包喷射泵的数学模型4 0 第六章抬包喷射泵的设计计算和计算机程序4 5 6 1 抬包喷射泵的设计计算4 5 6 2 设计计算的计算机程序4 6 第七章影响抬包真空度问题分析与解决方案5 3 7 1 影响抬包真空度问题分析5 3 7 1 1 系统泄漏5 3 7 1 2 喷射泵抽真空能力不足5 3 7 2 影响抬包真空度解决方案5 4 7 2 1 更换材料，减少系统泄漏5 4 7 2 2 重新设计喷射泵。5 4 第八章结论。5 7 参考文献5 8 j g c谢6 0 5 ，?ty_nr 东北人学硕1 ：学位论文第一章绪论 1 1 概述1 1 第一章绪论 随着现代工业的高速发展，对产品质量的要求也越来越高。真空技术作为提 高产品产量和质量的必要手段，其应用范围不段扩大。目前，已在冶金、石油化 工、化工、煤炭、纺织、食品、轻工、医药等工业部门中都有应用。值得注意的 是，在某些生产过程中，若被抽气体是高温、含粉尘的腐蚀性气体时，若选用机 械式真空泵，则气体会加剧泵蚀，使泵油劣化变质，进而使泵的吸入压强和寿命 降低，达不到工艺所要求的真空度。若改用气体喷射式真空泵，则以上问题都能 较圆满的解决。 气体喷射泵出现于1 9 世纪末期，因吸气机理复杂，理论研究困难，故发展 缓慢直到二战末期，随着大容量钢包真空精炼炉的发展，才促使其成熟目前 9 9 的大容量钢液真空处理装置都是使用该泵作为真空获的设备，只有一些较小 精炼炉才采用机械真空泵我国于6 0 年代初开始进行喷射泵的系统研究，发展 到现在，喷射泵已实现高度自动化并建立起设备成套齐全的产品系列，其设计、 制造以及耗气量，体积和重量等指标均可与进口设备媲美。 国外喷射泵以德、日、美的产品较好。从总体上看，国外产品仪表配备齐全、 自动化程度较高，空气耗气量低，工艺参数计算精确，设计余量小。 我国现有出铝抬包的空气喷射泵近1 3 0 0 余台在工作，其主要有7 5 吨和5 吨两种规格。主要以5 吨的居多，7 5 吨的大概占1 0 左右。5 吨抬包喷射泵的 真空度理论设计值在0 0 5 2 - - 0 0 5 8 m p a ，7 吨抬包喷射泵的真空度理论设计值在 6 东北人学顾士学位论文第一章绪论 0 0 4 7 0 0 5 3 m p a 。 1 2 喷射理论的发展概况 喷射泵技术的发展已经有一百多年的历史，从十六世纪被开发，直到十九世 纪8 0 年代，德国学者佐伊纳和兰金的著作奠定了喷射泵设计的理论基础，基于 对于两股流体的混合动量方程的佐伊纳和兰金理论被广泛应用于后来的著作中， 并且用实验证实了。从6 0 年代起，气体喷射泵就广泛应用于金属冶炼、真空制 冷、采暖等工业行业中，这主要是因为喷射泵无机械运动部分，结构简单，重量 轻，工作可靠，使用寿命长：设备占用空间小；只要泵的结构材料选择适当，对 排出具有腐蚀性的气体、含有机械杂质的气体以及水蒸汽等场合极为有利乜1 。但 是，喷射泵中气体流动的热力过程是比较复杂，目前在这方面的理论还不完善。 有关它的研究应用文献在国内外刊物上不断涌现，在这些文献中，索可洛夫提出 了被抽气体和工作气体均为气体的喷射系数接近于最大喷射系数的气体喷射器 设计理论和气体喷射泵的设计计算方法口1 ，奥芳夫得出了被抽气体为空气，工作 气体为蒸汽( 绝热指数不变) 、在扩压器吼部有激波存在时的蒸汽喷射泵设计理 论n 1 ，魏仕英在前两种理论的基础上，提出了被抽气体为空气、工作气体为湿蒸 汽( 蒸汽在膨胀过程中的绝热指数变化) 、在扩压器喉部有激波存在时的更符合 蒸汽喷射泵实际运行情况的设计理论临儿蚰n 儿引。但是，应用这些理论进行设计计算 计算量是很大的，并且在实际应用过程中，其中的一些参数、系数也缺乏足够可 靠的数据，致使理论计算与实际应用过程有较大差异。在这种情况下，我们希望 通过对现有的资料和参考数据的消化和泵体结构的研究，和对各种理论计算方法 在不同状态范围求得的计算值与实测值的比较研究，找到一个与实际相符比较较 7 东北人学硕：l 学位论文 第一章绪论 好的计算方法。 气体喷射泵作为真空获得设备，广泛地应用于工业生产各个领域。它具有抽 速大和环保等诸多优点。但迄今为止，对喷射泵的理论研究和喷射过程的深入探 索还很缺乏。文献州1 邮2 】介绍了喷射器设计的一维分析理论及方法。它对喷射 泵设计发挥了重要作用，但它解决不了对喷射器内流动过程的描述，不能分析影 响喷射流动的因素，其分析结果有很大局限性。作为一种研究流体流动的新方法， 计算流体动力学在各个工业领域得到越来越广泛的应用，目前，cfd 方法已开 始成为工程装置优化及放大的定量设计工具。它不仅能给出设备内大致的流场结 构，而且能提供一些实验不能或者很难测定的信息。喷射泵虽然简单，但喷射泵 及其超音速喷嘴内部流场十分复杂，尤其是包含激波、粘性干扰、分离涡、真实 气体效应等物理特性的多维湍流流场1 。 1 3 课题研究的意义 中铝贵州分公司自主开发了2 3 0 k a 预赔阳极电解铝生产技术，该技术通过6 台电解槽历时两年的生产实验取得了成功。其电流效率可达9 5 。因此中铝公司 于2 0 0 4 年6 月在贵州分公司投资新键了2 8 8 台、年产量达1 7 万吨的该类型电解 槽的四期工程。由于该技术一方面把阳极从原来2 8 块变为3 2 块，另一方面把电 解电流从1 8 0 k a 变为2 3 0 k a ，因此该电解槽日产铝量比1 8 0 k a 电解槽多2 5 0 k g 左 右。如果用以前的出铝抬包来对2 3 0 k a 的电解槽出铝，并出铝槽数一样，势必造 成原来的抬包装不下同样电解槽数所产的铝，所以必须增加单个抬包的容积。抬 包的容积增加了，贵阳铝镁设计院的设计方案是把原来使用的抬包的高度增加了 近3 0 c m ，而其它的设计基本没有改变，加工制造单位就按此设计订购了一百多 8 东北人学硕二t ：学位论文第一章绪论 万元的原材料以及备品备件，并加工制造了一台抬包来进行实验，结果在实验过 程中根本没法把铝液从电解槽中吸入抬包内。此时，贵阳铝镁设计院的变更方案 是增加抬包的直径而保持它的高度不变，这样就会直接经济损失近百万元，最后 加工单位找到我看有其它方案没有，最后我提出了保持现在已经制造成的抬包 外形尺寸不变，只需增加抬包上喷射管产生真空的能力，这样，改动少，损失也 少。 1 4 本课题研究的内容 针对7 5 吨原设计存在的问题，通过系统分析和考察，认为其根本问题在 于真空度达不到设计要求，而影响真空度的因素又是多方面的，所以本课题研究 的主要内容就是找出影响真空度提高的各种原因，并找出其主要原因和相应的解 决措施，通过相应的实验分析检验，直到解决问题，使之满足生产工艺的要求 研究的问题包括： ( 1 ) 气体流动的基础理论 ( 2 ) 喷射泵的组成结构与工作原理 ( 3 ) 抬包喷射泵的数学模型 ( 4 ) 抬包喷射泵的设计计算的计算机程序 ( 5 ) 影响抬包真空度问题分析与解决方案 t ， 0 j 东北人学硕士学位论文 第一二章出铝抬包的组成 图2 - 2 抬包组成图 f i g 2 - 2t a p p i n gc r u c i b l es t r u c t u r a ls k e t c h - 1 1 尊 i 东北人学硕j ：学位论文第二章i j i 铝抬包的组成 从上图中可以看出：出铝抬包主要由以下三个部分组成： 2 1传动机构 传动机构就是一个蜗轮蜗杆，它有的是人力的，有的是电动，还有些是气动 的，广泛应用的是人力的。 2 2 喷射泵系统 喷射泵系统包括引射管、拉发尔喷嘴、消音器和排气管。抬包所需真空就是 该系统产生，是抬包最为关键的装置。 2 3 真空包系统 真空包系统由两部分组成，即上部和下部，上部就是包盖，它有吸铝口和到 铝口；下部就是主包体。 1 2 东北人学硕士学位论文第三章气体流动的基础理论 第三章气体流动的基础理论【1 3 1 4 】 当气体流过喷嘴时，其速度提高，压力降低；当工作介质流过扩压管时，其 压力升高，速度降低。 研究气体在喷嘴和扩压管中流动规律并进行热工计算，就必须探讨气体流动 特性，流道截面的变化规律，外部条件对流动过程的制约及影响等。 3 1 连续性方程 根据连续流动质量守恒原理，在稳定流动中，流道的任何截面上质量都相等， 并且不随时间而变化，即为定值。若以m 表示质量流量，f 表示截面积，以c 表 示该截面上的流速，以v 和p 分别表示该截面上的比容和密度，则： 朋鱼仲 l ， 由于m l = m 2 = = m = 常数 或： 一f l m 。丝。鱼。常数一i 一_ 一i 一币礓y f l c l p l f 2 c 2 p 2 一- f c p 对上式进行微分有： 微分形式： 或： d m m d ( f c v ) 2 d ( 弦p ) 望+ 生一业。o二+ u f c ， 1 3 ( 3 。1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 东北人学硕上学位论文 第三章气体流动的基础理论 塑+ 生+ 塑。o( 3 6 ) cp 该方程为连续性方程。它反映了流速c 、截面f 和比容v 或密度p 之间的相 互制约关系。 3 2 稳定流动能量方程 立。 稳定流动过程必然符合稳定流动能量方程。即： q - a h + 1 2 a c 2 + g a z + m 由g a z - 0 ，w s o ，q 一0 故： 或： 上式的微分形式为： j i l + 1 2 a c 2 0 1 2 ( c 2 2 一c 1 2 ) 一h l h 2 ( 3 7 ) 1 2 d c 2 一一d h 或c d c - 一d h 适用于一切不作轴动的绝热稳定流动且对任何工质的可逆不可逆过程均成 3 3 绝热过程方程 当气体在管道中进行任何可逆绝热流动时，其状态参数的变化符合理想 气体定熵过程方程： d ( p v k ) 0 p v k 常数 七尘+ 塑o l ，p 1 4 ( 3 8 ) 东北大学硕士学位论文 第三章气体流动的基础理论 以上三个方程，是对喷管或扩压管中流动的主要依据。 3 4 音速与马赫数 则： 音速是微分弱扰动在连续介质中的传播速度。 在定熵过程中，若气体状态为压力p 1 比容v 或密度p 以a 表示音速， 上式称为拉普拉斯方程，是在气体介质中因素的一般表达式。 对理想气体的定熵过程： 将( 詈) ，“詈代入上兢 qi 晒i 厕 显然音速与流体的性质及热力状态有关。 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 在研究流体流动的特性时，常以当地音速作为流体速度的比较标准，将 流体速度c 、当地音速a 的比值称为马赫数m 。 m ；三 口 m a 为超音速流动 m = iv = a 音速流动或临界流动 - 1 5 _ 东北火学硕士学位论文第三章气体流动的堪础理论 3 5 喷管和扩张管中的定熵流动特性 当工质流过喷管和扩张管时，可将其看作是一元稳定流动，且为可逆决热过 程，这样就可以根据上述各基本方程来分析喷管和扩压管中的定熵流动特性。 工质通过喷管和扩压管进行定熵流动的一般特性。 由c d c = d h 可知，在流动过程中工质速度提高，焓必下降；反之其速度降低 焓必增大。在喷管中d c o 。 得： 从式6q = d h - v d p ，对于定熵流动有6q = o ，所以d h = v d p ，将其代入c d c = - d h c d c 一一幽一一l ，罐l ， 上式表明，在流动过程中工质速度提高，压力必下降；反之速度降低，压力 必增大，在喷管中d c o 则d p o 、d v o ，那么，流速变化率生 0 ，比容变化率生 0 ，当 c ， d f o 喷管截面是见方形。 - 1 6 东北人学硕i ：学位论文 第三章气体流动的皋础理论 由式及一d v 。一譬及c 如，一呻有： l ， 肋 d _ v ；c ，d c 考虑到印y ；口z ， 肋y 则： 譬。似2 1 ) d c ( 3 1 1 ) r c 当m i 时，工质作亚音速流动，这时m2 1 0 ，但d c o 且 c 与f 均为正值，从而有d f 0 ，但d c o 且c 与f 均为 正值，从而有d f o ，即流动方向上喷管截面应渐扩的喷管。 生 f m i n ( m ，k ) 时，将 有两个m 值满足式f ( m ，k ) ，其中一个大于1 ，另一个小于1 ，大于1 的为 正激波上游的m ，小于1 的则为m ，而且m 1 越大m 2 越小。这就是说超声 速气流通过正激波后一定亚音速气流，如果我们用m 1 代表m 2 ，则式f ( m ， k ) 的解有二，其一为：m i = m 2 ，这是不存在正激波的情况；其二为： 酊- 端 这就是当马赫数为m 1 的超声速产生正激波后，下游唯一可能的马赫数。 压强比： 温度比： 丝竺m ：一生 一一，w 一一 p l k + 1 1 k + 1 寻志等(1-tl-坐叫(兰砰111)im 2k1一一l 一，w 一f w 瓦 ( 七+ 1 ) 22i八 一 1 由此可得密度比和流速比： 2 0 东北人学硕j ：学位论文第三章气体流动的基础理论 3 1 0 流速的计算与临界压力比 由绝热稳定流动能量方程c 。一4 2 ( h o - h , ) 其中：c ：喷管出口流速s ) h 。、h ：滞止焓和喷管出口截面的焓u 幻) 铲网翮；丽 ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) 从上式知c ：与工质性质，进口滞止参数及出口压力比p 。p ：有关。若工质一定， 进口状态一定时，出口速度仅与p ：p o 有关。p 2 p 。时c ：- 0 。出口速度c ：就增 加；邬：p o 时即出口流速有最大，即： c ：一露面 3 1 1 临界流速、临界压力及喷管选型 ( 3 2 6 ) 临界流速c 。是渐变喷管可能达到的最大出口速度，也是缩放型的喉部的速度。 对理想气体有： 2 1 毒 坐2 = u 一儿 = 如一n 东北人学硕士学位论文第三章气体流动的拱础理论 。一口。- 瓜- j 西乏亍了 显然，只有p c 已知才能相应求得瓦而求得临界流速c c 。 根据( 3 - 2 7 ) 、( 3 2 8 ) 式有： 旮瓦铲疋 将砭- 丁( ( 告) 竽 代入上式得： 时。而2 ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) 令卢一告，称为j 临界压力比。卢一( 南) 西上式表明临界压力比仅与绝缘指数七 有关，即只取决于工质的性质。 当堕2 且啮。p 。时应用渐缩型喷管。 p o 当堕墨f l 且p p 。sp c 时应用渐放型喷管。 p o 对于给定渐缩型喷管，若丛2f l 臣 i p 。p 。时，工质得到完全膨胀，则出口 p o 截面的流速不大于临界流速。假如工质在喷管中能完全膨胀，则出口截面的压力 应当等于背压有p ：一p 。，工质的焓降完全用于动能的提高；假如工质在喷管中 不能完全膨胀，则出口截面的压力应当大于背压有p ：乏p 6 ，那么从p ：到p 6 这段 压力降损失了。 2 2 - 东北入学硕一l ：学位论文 第三章气体流动的綦础理论 若堕。卢臣瞄。p c 时，由于渐缩喷管最多能将出口压力膨胀到临界压力， p o 其出口截面的压力p ：；p 6 且p ： - p 6 ，故而则出口截面的流速只能等于临界流 速，即：c 2 一c c 一口2 吵( 南广 3 1 2 流量的计算 在稳定流动中，流道的任何截面上质量都相等。 厂c ， ，打| 二三二 y 2 其中：，2 、c ：、 ，：分别为出口截面的面积、速度、比容。 虮叱带入上式( 一般习惯用最j 、截面积) 得： 即： 最大流量： 胁。 寺 y 。lp 。j 历= 厂2 2 3 ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) 东北大学硕：i ：学位论文第三章气体流动的皋础理论 所。，1 厂2 当卢。告。( 南) 卜1 时，气体流量她。最大值。 缩放喷管的流量一般按喉部截面积计算。 m 1 ，c 3 1 3 孔板节流的理论计算 假设节流件上游入口前的流速为v 。、密度p 。、静压力为p 。，流经节流件时 的流速、密度、静压分别为y ：、p ：、p ：，根据伯努力方程可写出下述能量关系 式。对于不可压缩性理想流体，其能量关系为： 22 丛+ l 。旦+ 坚 j d l 2 p 2 2 又流体的连续方程为： a v l p l1 口y 2 p 2 ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) 因是不可压缩性理想流体，所以可以认为节流件前后密度是不变的，即 p l p 2 = p 。并假设管道的直径为。a - 三。2 ) ，节流件开孔直径为 d ( 彳一；d2 ) ，并令卢_ 吾。由此可求出流体的平均速度v ：。 1 根据质量流量的定义，可以写出质量流量与压差印1p 。一p 2 的关系为： 2 4 ( 3 3 3 ) 东北人学硕士学位论文第三章气体流动的基础理论 ，肌叱p2 寿。嗣 3 4 ， | a e 再雨 式中e 一1 兰称为渐近速度系数。 1 一卢4 ( 3 3 4 ) 式为流量与压差间的理论公式。它是以理想流体，在节流过程中产生压 力损失为前提推导的。实际流体由于有粘性，流经节流件时必然产生压力损失， 亦即实际流量要比上式的计算值小，因此要引入流出系数c 进行修正。 即： m c 口e 厄万一伽厄万 ( 3 3 5 ) 式中口一c e ，称为流量系数。流出系数c 和流量系数a 都是由实验决定的。 q = m 鼯 ( 3 3 6 ) 对于可压缩性流体，考虑到流体流经节流件时，由于时间很短，流体介质来不及 热交换，可认为其状态变化为等熵变化过程。这样，可压缩性流体的流量公式与 不可压缩性的流量公式就有所不同。但是，可以采用和不可压缩性流体相同的流 量系数口和公式形式，只是引入一个考虑膨胀的校正系数s ，并规定节流件时的 流体的密度为p 。于是可压缩性流体的流量与压差的关系为： 质量流量：m = 口觎f 历万 ( 3 3 7 ) 体积娓咖觎乒 3 8 ) 式中称为流束的膨胀系数。与卢、印p 、k 以及节流件形式等因素有关。 式( 3 3 2 ) ( 3 3 5 ) 为应用动压能与静压能转换方法测量的基本方程，它使用于 流体流经节流件时，流速小于声速的范围。两种公式基本相同，只是可压缩性流 体 w o ，故： 一f ：e , v d p - 譬 ( 3 4 0 ) ( 3 4 1 ) ( 3 4 2 ) 由于蒸汽在喷嘴中高速流动，很接近于绝热过程，即有p v - 常数，并将 其带入( 3 4 2 ) 得： 故 职= 巾- 击叶 上只圪 卜七 一f ，n y k 一1 。 ” 式中：k 绝热指数 因p v 一常数，故 2 7 ( 3 4 3 ) 东北人学硕：j ：学位论文第三帝气体流动的皋础理论 毒。时 将( 3 4 3 ) 、( 3 4 4 ) 代入( 3 3 9 ) ，则通过喷嘴出口处蒸汽质量为： 小e 耐 ( 3 4 4 ) ( 3 4 5 ) 该式不仅对于出口处j 而且喷嘴任意截面都是适用的，故将上式普化为： 式中：缈 l f 只、i t 。【百j m l f l f ， 由妒的表达式可知：当! e o 一。和专4 1 时，妒_ 。，可见l f ，有最大值，令 驯d - o ，婀求得压强比的l 临界值p 昂为 生(击)面(3-46)eo k 一1 在稳定流情况下有，f l f ，一常数，故对应于l f ，m a x 喷嘴有一个最小截面f ， f 即是临界截面，在拉法尔喷嘴中此截面即为喷嘴的喉部。将( 3 - 4 6 ) 式分别 代入( 3 4 3 ) 和( 3 4 5 ) 式，可求得临界流速和临界截面： 暇1 瞰- 又因t o v o 。- 只以故 i v i 扣试 2 8 ( 3 4 7 ) ( 3 4 8 ) 东北人学硕士学位论文 第三章气体流动的犟础理论 f = 三 ) 七 由此可得喷嘴喉部直径d 为： d 。 2 9 ( 3 4 9 ) ( 3 - 5 0 ) 东北人学硕：i ：学位论文第四章喷射泵的组成结构与工作原理 第四章喷射泵的组成结构与工作原理 4 1 抬包喷射泵的组成结构1 5 1 喷射泵系统包括引射管、拉发尔喷嘴、消音器和排气管。抬包所需真空就是该 系统产生，是抬包最为关键的装置。 其组成结构如图4 1 所示： 图4 - l 喷报离獭阁 f i g , 4 - 1e j c o o rm u m i a is k e t c h - 3 0 - n 川一 lii| 东北大学硕= ：学位论文第四章喷射泵的组成结构与工作原理 4 2 抬包喷射泵的工作原理n 6 1 为了更好地分析喷射泵的抽气特性，在理论上确定泵的压缩比与工作介质 参数、被抽气体量之间的关系十分重要。高压气体经过喷嘴加速后，获得超音 速气流，进入混合室，在混合室内造成低压，将被抽气体吸入，并与之进行动量 交换，进入扩压器。在扩压器收缩段，混合气体的压力上升，速度下降，达到扩 压器喉部时，混合气流的速度降至音速附近，在扩压器扩张段，速度进一步降至 接近于零。压力高于出口压力，从而达到抽气的目的。喷嘴端部的气源压力若远 远高于被抽气体压力，则工作气源会喷到距喷嘴很远处，此时不具抽气作用。如 果喷嘴端部气源压力比被抽气体压力低很多，那么工作气源被压缩，造成排气腔 与抽气腔“短路 ，此时，抽气作用停止。 喷射管的结构图4 1 如下图所示 从结构图上知道，喷射管的工作过程可分为三个阶段：第一阶段为绝热膨胀 阶段，即工作气体通过喷嘴绝热膨胀( 等熵膨胀) 的过程将压力能( 位能) 转化为速度能( 动能) ，以高速射出，压力由p 降至p 1 ，焓由i 降至1 1 ，热容由 v 剧增至v l ，速度u 剧增至u 1 ，( 超声速) ：第二阶段为混合阶段，工作气体与 被抽气流在混合室进行混合两股气流进行能量交换，被抽气体的速度由u ： 增加至u 。，工作气流携带着被抽气流进入扩压器：第三阶段为压缩阶段，即在扩 压器中工作气体与被抽气体一边继续进行能量交换，一边逐渐压缩，动能又转化 为位能，到扩压器的喉部完成了混合过程，达到同一速度u 3 ( 声速) ，压力也由 p 2 升至p 3 ，再经过扩散段速度降至u 4 ( 亚声速) ，压力进一步升至p 4 ，从而将 被抽气体排出喷射器。 3 1 - 东北人学硕：l ：学位论文第p q 章喷射泵的组成结构与工作原理 混合室 - _ - - 一一 一一! 。一 12 i ，f 扩压器 后段 一 4 4 p 卜甜矗二j 二0 u 图：4 - 2 喷射器中工作蒸气和被抽气体的压力和速度 f i g 4 - 2p r e s s s u r ea n ds p e e do ft h ew o r k i n gs t r e a ma n dv a c u u m d eg a si nt h ee j e c t o r 3 2 ，、 q少；：h = ； 东北大学硕士学位论文第五章抬包喷射泵的数学模型 第五章抬包喷射泵的数学模型 5 1 单级喷射泵抽气的数学模型【1 7 1 5 1 1 射流的膨胀流动 工作介质由静压膨胀到，可近似地按等熵来处理，有： 鲁十等嘛2 西 其中：m 二工作介质膨胀到喷嘴端部时马赫数 k 二一水蒸汽绝热指数 s 1 2 气体在混合室中的流动 连续性方程： i g i r4 - i s 等小每小亭l t it ( 5 - 1 ) 式中i g ，r ，s ，气体总流量，水蒸汽流量，被抽气体流量 亭一等( 引射系数) 能量守恒定律： i t c r o t + i s c 茚t o , - l o c p 7 0 2 ( 5 2 ) 3 3 东北大学顺士学位论文 第五章抬包喷射泵的数学模型 c 一髟声等 。f ( 5 - 3 ) 其中： c 矿，c 茚，c p 工作蒸汽，被抽气体，混合气体的定压比热 而： r ，乙：工作蒸汽，被抽气体，混合气体滞止温度 c 广南。参 c p - 锵一宁。瓦丌。 可 m 气体摩尔质量 将c 矿，c 声，c p 的关系式( 5 4 ) ，( 5 5 ) 代入上式，并整理得： 动量守恒定律 被抽气体在与蒸汽混合前的速度w - 0 ，则由动量守恒： ，r w l ( ，r + ，5h 2 w l - ( 1 + 亭p ： 其中：w 。蒸汽在混合时的速度 w ：混合后混合气体的速度 3 4 ( 5 - 4 ) ( 5 - 5 ) ( 5 - 6 ) ( 5 - 7 ) 盈k 等 瓦 l 一 盈 盈鱼s筮冶 七一s一11堂曙 兰“ ，一 r堑 东北大学硕二i ：学位论文 第五章抬包喷射泵的数学模型 有( 5 - 7 ) 得： w 1 2 = ( 1 + 亭) 2 w 2 2 两端同除c 灯2 当一m 0 2 = 1 - 1 - 亭) 2 等 c i c r l u c i c r l = ( 1 + 亭) 2 m ：2 箸一彳2 m ；2 o k t 黼九坩荨 又： 令。 则： c x ：混合后气体的声速 2 k p 旦。垒2 ：! 生鱼 一墨一一 c 灯2 旦mt o r k 一+ 1 生吼生：k。，生；k：孕，fms 一1 s “乙r 2 k 1 4 p 一 九m ) 2 旦k p + 1 。老。等 k 一+ 1 其中：m p 混合气体平均摩尔质量 k p 混合气体平均绝热指数 且 m pi m t 1 + 亭 。mt + 声j 7m s 即百c p = 若鲁 3 5 - ( 5 - 8 ) ( 5 - 9 ) ( 5 - 1 0 ) ( 5 - 1 1 ) ( 5 - 1 2 ) 柚 i t 东北大学硕：i ：学位论文第五章抬包喷日t 泵的数学模型 将m p ，k ，带如上式并整理，得： 九等警搿 k4 - 1 铲坼等 5 i 3 在扩压器中的流动过程 有： 在扩压器喉部截面出有 毒- ( 1 _ 嚣 ( 5 - 1 3 ) ( 5 - 1 4 ) ( 5 - 1 5 ) 其中m ：( 1 ，当喉部为超声速时，将产生激波，流体压力由b 突变为b ， p 3 p 。 彬。罱 卜以等 k p 一1 1 1 一巴一_ - 洲，一 1 一上一m ：。k p 4 - 1 气流由只至最，有： 旦；，1 一生兰 i k p + 1 式中，m ；截面3 处的马赫数。 当有线性压缩冲击波时，有： 3 6 ( 5 - 1 6 ) ( 5 - 1 7 ) l 以 羔 、llll 2 2 fm l 以 砟 、lj 2 2 fm 东北人学硕士学位论文第五章抬包喷射泵的数学模型 m o m ；= 1 将( 5 - 1 7 ) 改写为： 乓只 一= 一 b只b 则压缩比： 其中，m ；) 1 压缩比计算式为： ( 5 - 1 8 ) ( 5 - 1 9 ) 生了毒蚴1 ( 1 一等彬) ( 1 - 筹封 2 。， ( 卜筹) k p - | 一翔 式( 5 - 2 0 ) 就是反映膨胀比、引射系数、压缩比三者关系的关系式。它可以 在不考虑喉径比的情况下，单独考察膨胀比、引射系数、压缩比三者之