蒸汽喷射器的设计及CAD软件系统的开发.pdf

硕士学位论文 摘 要 蒸汽喷射器是一种利用高压蒸汽抽吸低压流体的流体机械。其结构简单、运 转费用低、维修方便，因此国内外在动力、石油化工、冶金、轻工纺织、制冷、 工业热工等领域应用越来越广。虽然蒸汽喷射器的结构简单，但其内部流动形态 非常复杂。工业设计中，大多采用查图表和经验估算的方法进行蒸汽喷射器的设 计，过程繁锁，且误差较大，设计出来的喷射器往往不能达到要求的工作性能。 为此，本文在研究蒸汽喷射器理论的基础上，开发了融设计计算与绘图于一体的 蒸汽喷射器计算机辅助设计（CAD）软件，不仅提高准确度，更能提高设计效率。 本文主要的研究工作有： （1）阐述了蒸汽喷射器结构设计的基本理论，结合设计标准，确定计算结 构尺寸的相关公式。 （2） ActiveX Automation 是完全面向对象的编程接口，使得许多面向对象 化编程语言能够操纵 AutoCAD 的许多功能。在本文中，对 ActiveX Automation 技术给予简要介绍，并说明 AutoCAD ActiveX 的对象模型。对象模型树清晰的 表明 AutoCAD 通过 ActiveX Automation 向外暴露的对象。列举了一些常用的以 VB 为开发语言的 ActiveX Automation 绘图实体的命令，为蒸汽喷射器 CAD 软 件开发做准备。 （3）编写蒸汽喷射器计算机辅助设计（CAD）软件。通过建立友好界面、 编写算法，实现蒸汽喷射器的结构设计；通过尺寸驱动的参数化设计实现蒸汽喷 射器零部件图的绘制；采用零件图拼装法实现装配图的生成；利用 ActiveX Automation 技术顺利实现了结构设计与参数化绘图的一体化。 并在本文中， 对蒸 汽喷射器 CAD 软件的各个模块及其具体的实现方法作了说明。 （4）在本文最后列举一工程实例，并根据设计的结果，建立数学模型，采 用计算流体动力学软件 Fluent 对数学模型进行数值模拟， 即利用数值模拟的方法 对实例进行验证，结果表明设计结果准确、可靠。 关键词关键词：蒸汽喷射器 计算机辅助设计 参数化设计 ActiveX Automation VB Fluent I 万方数据 Abstract ABSTRACT Steam ejector is one fluid machine that pumps low-pressure fluids with high-pressure steam. The range of application has broaden in many fields including power industry, petrochemical engineering, metallurgy, light or textile industry, refrigerating and heat engineering etc for its simple structure, low running cost and expediently maintenance. However, very complex conformation of internal fluids exists in despite of its simple structure. In industry designing, to refer to the diagram or to estimate empirically is in common use for designing steam ejector, and so the relative larger error is inevitable and the ejector using foregoing methods sometimes can not meet the required working performance. In the present dissertation, the author develops a set of CAD software for designing the steam ejector, which includes the mathematical calculating for designing and finishing schedule drawing automatically, based on the theory of steam ejector and object oriented programming consideration. The software can not only enhance the accuracy but also increase the designing efficiency. Main jobs in this dissertation include: (1) To expatiate basic theory for structure designing of steam ejector and to determine the equations for calculating the structure configuration combining with the corresponding designing standard. (2) ActiveX Automation is the interface of object oriented programming (OOP), which makes many OOP statements control the relevant function in AutoCAD. In this article, the technology about ActiveX Automation and the object model of AutoCAD ActiveX are introduced in brief firstly. The object model tree can show the opening object function through the technology of ActiveX Automation in AutoCAD. Some major ActiveX Automation drawing commands using VB as the developing language are listed to prepare for the development of CAD software of steam ejector designing. (3) To program for the CAD software using Visual Basic. The structure designing of steam ejector are achieved by building friendly User Interface (UI) and compiling the algorithm routine. To realize each component drawing using the parameterization designing based on the structure configuration. To finish the II 万方数据 硕士学位论文 assembly diagram by integrate these components drawing. The ActiveX Automation technology realizes the integral program with structure designing and parameterization drawing. Each module and its detailed programming methods of the CAD software is also explained. (4) To verify, an engineering case is adopted for numerical modeling, which bases on the structure configuration from software designing and finishes the simulation by computational hydrodynamic code FLUENT. The results show that the designing results are reliable. Keywords: Steam ejector; CAD; Parametric design; ActiveX Automation; VB; Fluent III 万方数据 硕士学位论文 第 1 章 绪论 1.1 课题研究意义课题研究意义 蒸汽喷射器（或称喷射器、射流泵、引射器）如图 1-1，是一种利用高压流 体抽吸低压流体的流体机械。 它除了提高流体的压力而不用消耗机械能这一基本 的特征以外，它还具有结构简单、没有运动部件、运转费用低、操作维修方便等 优点，而且对于被抽吸流体没有严格的要求，对于有毒性、易燃易爆、腐蚀性强 及含有杂质或可凝性气体几乎都适用。加之抽气量较大，因此国内外在动力、石 油化工、冶金、轻工纺织、制冷、工业热工等领域应用越来越广。例如：在石油 炼制工业中，由于部分工艺需要靠蒸馏分解和提纯实现，因此需要蒸汽加热，在 此过程中形成大量的低温余热，为了不造成能源浪费或造成环境污染，绝大部分 工厂使用蒸汽喷射器来提高低品位热能的品位；在石油和化学工业中，蒸汽喷射 器用于某些特殊的工艺，如真空脱气、真空蒸发、真空结晶、真空干燥、真空提 纯等； 蒸汽喷射器还被用作核电厂在型沸水反应堆的流量再循环系统及核心冷却 装置。 图 1-1 蒸汽喷射器结构图 Fig.1-1 Structual graph of steam ejector 蒸汽喷射器的结构简单，然而，其工作涉及到高速可压缩流的卷吸，超音速 混合，以及激波、边界层、剪切层的交互作用，流动形态异常复杂，对流动过程 的数学描述十分困难。工业设计中，大多采用查图表的方法确定喷射系数，采用 粗略的经验估算方法确定结构中的关键尺寸。 使用这种方法设计的喷射器经常达 不到理想的工作性能，甚至会出现真空度不稳定的情况，从而影响整个生产的连 续性、安全性。因此，蒸汽喷射器结构设计的好坏直接影响到整个生产工艺能否 正常、安全运行。 1 万方数据 第 1 章 绪论 本文作者在研究蒸汽喷射器理论的基础上， 开发了融设计计算与绘图于一体 的蒸汽喷射器计算机辅助设计（CAD）软件，不仅可以根据操作条件计算出蒸汽 喷射器的结构尺寸，而且能紧密配合 CAD 系统，绘出图样，实现人性化的蒸汽 喷射器的结构设计，设计速度快，结果准确，具有一定的社会经济价值。 蒸汽喷射器的应用涉及国民经济的各个部门， 其操作性能的好坏不但直接影 响生产的正常进行，并且涉及到产品质量、产量及节能等各个层面的问题。特别 是在竞争日益激烈的今天，企业要想获得生存和发展的空间，就必须提高生产效 率，降低生产成本和提高产器的质量，减少人力和材料的浪费。因此，如果能在 本研究工作的基础上，对蒸汽喷射器的结构设计实现计算机的辅助设计，就不仅 能提高工程设计的速度，而且能保证蒸汽喷射器在生产过程中的正常进行，实现 生产的高效、节能、可靠运行，创造客观的经济效益。 1.2 喷射器理论的研究发展喷射器理论的研究发展 在目前，还没有一个通用的喷射器的分类法，在一些文献中，同一类型的喷 射器的名称不一，例如：喷射器，压缩器，引射器，混水器和泵等。美国热交换 委员会(Heat Exchange Institute, HEI)提出的标准则依照工作流体与引射流体的名 称进行分类，如引射流体为水的蒸汽喷射泵命名为 steam-jet water ejector，再比 如 steam-jet steam ejector(蒸汽喷射蒸汽喷射器), gas-jet gas ejector(气体喷射气体 喷射器), water-jet air ejector(水喷射空气喷射器)等。尽管各种特定用途的喷射泵 所使用的介质多种多样，但其内在的规律大同小异，即工作流体通过拉伐尔喷嘴 加速形成高速射流，而引射流体则由于与工作流体间的剪切作用被卷吸至混合 室，而后两股流体不断进行质量、动量及能量交换，逐渐形成一股单一均匀的混 合流体， 经一扩散段减速增压至一定的背压后排出喷射泵。 为保持名称的一致性， 在本文中，统称喷射器。 喷射器至今已有 100 多年的发展历史。在 19 世纪 80 年代，俄国佐伊纳 （Zeuner）和兰金（Rankin）的著作奠定了喷射器的理论基础，基于对混合流体 的应用动量的佐伊纳和兰金的理论被广泛地费用于后来的著作中， 并用实验证明 了。 然而， 这个理论并不能解决喷射器设计过程中诸如如何选择适宜的剖面形状、 确定喷射器的纵向尺寸等问题。在此后的一段时间内，喷射器理论大多是在研究 和分析一定用途喷射器的计算方法中发展起来的。 2 万方数据 硕士学位论文 自从 1939 年德国的Flugel制造出第一台公认的喷射器1以来，喷射器得到了 极为广泛的应用，最初所有设计都是以实验结果为依据的。Keenan和Neumann2 首先在这基础上迈出了强有力的一步， 他们对一台无扩散段的简化的喷射器进行 了研究，认为喷射器的混合过程是一种等压过程，第一次对喷射器给出了完整的 理论分析和实验研究，形成了喷射器的一维基本理论。他们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 的壁面阻力，不计进出口的速度，在理想气体的基础上，采用一维的质量、动量 及能量守恒方程， 推导出具有最大压缩比或最大喷射系数的喷射几何参数的优化 设计公式，并把喷射器的效率定义为实际的喷射系数与理想的喷射系数之比。 定压混合广泛应用于喷射器的设计中， 同时定压混合理论被广泛应用于喷射 器的设计的同时也带来许多实际问题， 最主要的问题是混合阶段流动过程的复杂 性，确切地说是如何确定混合室形状，以保证定压混合过程的有效性和充分性。 Keenan等人忽略喷嘴和扩散器的效率是因为这样可以使问题简化， 况且当时也无 法知道喷嘴和扩散器的效率，同样，工作流体和引射流体的流动过程也忽略了速 度系数。前苏联热工研究所3考虑了喷嘴和扩散器的效率以及工作流体和引射流 体的速度系数，对混合室入口段各种不同剖面形状的研究表明：锥形入口段具有 最大的速度系数，因而一般采用这种形式。 Work, Headrich4以及Holton5等人的实验表明流体的分子量对喷射系数影 响很大，这也是Keenan等人所没有考虑的。Defrate和Hoerl6等人修正了Keenan 等人的理论，采用理想气体的分子式，考虑了工作流体和引射流体在喷射器内不 同位置比热容变化的影响， 开发了一个电算程序用来确定分子量和温度分布对喷 射器运行的影响，但由于当时无法知道喷射器里温度变化情况，比热容的变化也 就很难精确确定。 后来， Khoury7等应用Defrate和Hoerl的理论分析结果与分别用 瓦斯气和正丁烷作为工作流体的实验结果相比较， 发现实验数据和理论分析结果 并不一致，他们认为这是由于工作流体为真实流体并且存在冷却现象所致。 Keenan等也没有考虑到阻力的影响， 他们当时认为： 在定压混合阶段工作流 体在很短的距离内加速至超音速，阻力的影响是可以忽略的；同样当超音速气体 流过截面相同的管道时，摩擦的影响是极为微小的。Francis和Hoggarth8试图考 3 万方数据 第 1 章 绪论 虑阻力的影响，对流动过程作细致的数学描述从而建立一个最优运行工况模型， 然而他们假定两股流体入口的滞止温度相同，正是这一点限制了在实际中的应 用。Owen9似乎退回到了Keenan等人最初所考虑的无扩散管的情形，尽管他提 出的方法可以使工作流体和被抽介质的温度存在差异， 但却并不适用于第二喉管 中出现壅塞的情形。 Keenan等人的方法可以避免使用一些经验常数， 但有时实际的压缩比和喷射 系数仅为计算值的 80%左右， 而当调整喷嘴到适当的位置后， 实际的喷射系数可 能为计算值的 120%。Hoggarth8在他的文章中指出，在非设计工况下适当改变 喷嘴与混合室的相对位置有可能改善喷射器的性能， 然而他并没有进一步提出一 种计算在给定工况下喷嘴出口与混合室入口距离的方法。 Dotterweich和Mooney10及徐海涛13等人建立了以流体的焓值变化为基础的 能量守恒表达式。由于不用考虑喷射器内的激波以及壅塞现象，这种计算方法大 为简化。Dotterweich假设混合过程中动量不变，然而这种模型未考虑混合过程中 的不可逆因素。徐海涛，桑芝富等在对蒸汽喷射器的工作过程进行深入分析的基 础上，建立了蒸汽喷射器喷射系数计算的理想模型、动量守恒模型及动能守恒模 型。采用IAPWSIF97 公式计算水蒸气热力参数，对喷嘴、混合段及扩散段的 效率对单级蒸汽喷射器的火用效率的影响做了分析。结果表明，动量守恒模型虽在 数学上与理想模型有一定的差异， 然而采用适当的效率系数可以取得与经验数据 满意的一致性；而动能守恒模型当所有效率等于 1 时能与理想模型相吻合，却很 难找到一组系数使之与经验值相拟和。他们指出：采用动量守恒模型计算喷射系 数及压缩压力，动能守恒模型分析喷射器的火用效率能取得令人满意的效果。 Gupta11和Pandu12等人对混合过程中动量守衡与动能守衡这两种模型进行 了比较，结果发现Dotterweich等人的模型与Power14-16，Ludwing17等人的实验 资料更为吻合。 Emanuel18基于Rayleigh-Pitot公式提出了一种用于优化喷射器性能的简化模 型，将总压与静压的比值表述成波前马赫数和比热比的形式，以此来计算喷射器 的压缩比。 这种模型显著的优点是其可以预测喷射器所能达到的最大压缩压力以 及混合段的喉管面积，然而它只能处理喷射系数小于 1 的情形。 Rice和Dandachi19则推导出了一条计算工作流体耗量的公式。他们将喷射系 4 万方数据 硕士学位论文 数u表达成PP/PH和PC/PH的函数，并通过与实验值相拟合的方法获取公式所需的 系数。这种方法在分析其它类型的喷射器时也颇具参考价值。 王权， 向雄彪20等人对索科洛夫的计算方法进行了简化处理， 推导出了一种 计算喷射系数的简便方法。 刘爱萍21在索科洛夫计算方法基础上， 运用变量全微 分的方法推导了工作流体压力， 引射流体压力及混合流体压力改变时对喷射器喷 射系数影响的具体表达式，并通过计算数据分析了这些因素的影响次序。 Grazzini22等人发展了一种设计多级水射流泵的计算程序，张于峰23则提出了一 种两相喷射器的数学模型， 并指出该模型要比经典热力学法和气体动力函数法来 得更为优越。再如Sorensen24设计了一种提取U3O8 的喷射器并对其热力过程进 行了模拟。王权，丁旭昌25等人对蒸汽喷射式热泵与电动、汽动热压缩热泵的功 效进行比较后指出：表面上看，蒸汽喷射式热泵供热系数比电动式热压缩热泵低 很多，但实质上效益不一定低，而且蒸汽喷射式热泵还可以灵活地按照工业余热 的数量、 品位来补充余热回收气量的不足， 使整个供热和余热回收系统达到平衡。 而蒸汽喷射式热泵与汽动热压缩热泵的功效差别不大， 但其造价仅为汽动热压缩 热泵的 1/5 左右。张少维26等人自主开发了新型整流喷嘴，和普通喷嘴相比，整 流喷嘴普通在喷嘴出口部位增加了一整流管，整流管深入到扩散管的混合段，通 过稳定混合段流体流动、改善激波系的分布、减少流体混合能量损失，从而提高 蒸汽喷射器的工作效率。其研究结果表明：在改变工作流体压力条件下，整流喷 嘴能有效的提高喷射器的工作效率，其平均喷射系数比普通喷嘴提高 30左右。 1.3 CAD（计算机辅助设计）的研究发展（计算机辅助设计）的研究发展 CAD 是计算机辅助设计（Computer Aided Design）的缩写。CAD 的最大应 用领域是电子工业和机械制造工业，此外，CAD 已广泛应用于建筑、桥梁、模 具、容器、家具以及家用电器等许多方面的结构设计以及石油煤气、上下水道的 管道设计、地图设计、服装原形设计等线路设计。 与传统的手工设计相比较，CAD 系统有以下明显的优点： 提高设计效率，缩短设计周期，增加产品的市场竞争力； 使设计者从繁重的设计计算和绘图中解放出来，更多的进行创造性研究； 有利于促进产品设计的标准化、 系列化， 从而加速产品的开发和投产过程； 有利于实现 CAD/CAM 一体化。 5 万方数据 第 1 章 绪论 CAD起源于 20 世纪 50 年代中期，当时美国麻省理工学院（MIT）开始实施 APT（Automatically Programmed Tools，刀具控制自动编程系统）的开发计划， 设想将设计图样直接转换为NC纸带，虽然这个计划没有成功，介却促进了计算 机绘图的发展27。1962 年，在麻省理工林肯实验室的I.E.Sutherland发表了 “sketchpad: 一个人机通信的图形系统”的博士论文，这是公认的“交互式的计 算机图形学”的开端28，也为CAD的发展奠定了基础。 60 年代中期，出现了许多商品化 CAD 设备。 70 年代，微电子工业飞速发展，大规模集成电路导致微型计算机诞生，计 算机的处理速度和存储能力以每年 40的比率上长，廉价的随机存储器、光栅 扫描显示器、图形输入板等多种图形设备，使得商品化的 CAD/CAM 系统的价 格为中小企业所接受。 80 年代，CAD 工作站销售量大增，CAD 软硬件向标准化、集成化和智能化 发展，人工智能和专家系统在 CAD 系统中的应用，使 CAD 又一次向自动设计 接近。 90 年代，计算机技术出现许多新成果，RISC 微处理器广泛用于工作站，图 形的并行处理，多媒体技术的崛起都赋于 CAD 技术以新内容。 传统的 CAD 绘图技术用固定的尺寸值定义几何元素，输入的每一条线都有 确定的位置，在修改编辑已有图形时，只能一个图元一个图元的修改，从某种意 思上讲，一般的 CAD 系统只是将制图人员的工作环境从图板上移到计算机上。 而以参数化设计为目的的 CAD 技术解决了这个问题。 参数化设计一般是指设计对象的结构形状比较定型， 可以用一组参数来约定 尺寸关系，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应，设计结果的修改受尺寸的 驱动。参数化思想以全新的思维方式进行产品的创建和修改，并以其强有力的草 图设计、尺寸驱动功能，成为初始设计，产品建模及修改、多方案比较和动态设 计的有效手段。参数化设计因有极为广阔的应用前景而受到 CAD 界的重视。 国外CAD/CAM公司纷纷推出一系列的参数化设计的产品，如SolidWorks、 Pro/Engineer、UG、CompterVision、Catia等等。在我国，也掀起了研究参数化设 计的高潮。李世芸等人29提出参数化约束设计的思想，设计核心关系是“样板图 +几何约束或参数变图” 。曾经梁 30、许锦泓31等人提出了基于尺寸驱动的参 6 万方数据 硕士学位论文 数化绘图方法，即几何图形的拓扑信息不变，以尺寸为变量，定义出关键点的坐 标，那么尺寸的变化也就可以驱动图形作相应的变化，实现用尺寸驱动图形的目 的。谭姝32使用AutoLISP语言为开发工具，设计了一套计算机辅助机械设计开 发系统，具有交互式绘图软件所有的二维绘图功能，还提供了常用的三维零件参 数化建模。郭占斌等人33以AutoCAD为平台，用VBA语言进行图形参数化程序 设计。 关于计算机辅助设计研究的文献还有很多，这里就不再继续罗列。 1.4 本文的主要工作本文的主要工作 本文以计算机技术为手段，结合蒸汽喷射器的知识，对蒸汽喷射器计算机辅 助设计技术加以研究与实践。主要工作包括： （1） 蒸汽喷射器的结构设计 蒸汽喷射器结构简单， 但由于内部流体流动复杂， 数学描述十分困难， 因此， 到目前为止，蒸汽喷射器结构设计标准还没有达成一致性。本文在对蒸汽喷射器 理论探讨的基础上，选择索科洛夫的计算方法和SH/T3118-2000石油化工蒸汽 喷射式抽空器设计规范 34作为蒸汽喷射器设计的理论依据，以VB为开发工具， 编制结构设计的软件。用户使用此软件时，只需要输入计算时要求的各参数，就 可以得到设计结果，而且结果准确可靠。 （2） 蒸汽喷射器参数化绘图 绘图是计算辅助设计的另一部分， 而参数化绘图是近年来随着计算机技术发 展起来的一种先进的设计与绘图技术。在本文中，将尺寸驱动的参数化思想应用 于蒸汽喷射器的零部件绘图，采用零件图拼装法实现装配图的生成。本文的参数 化思想也可用于其它的机械产品的参数化设计。 （3） ActiveX Automation 技术的应用 本文所有的设计和绘图程序都是用 VB 编写的，而最终需要生成一套 dwg 的图形文件。 ActiveX Automation 技术的出现， 使得 VB 和 AutoCAD 这二个独立 的软件系统能够紧密的连接在一起。ActiveX Automation 是微软公司的一个技术 标准，它使用了 OLE 的 Automation 技术。其宗旨是在 Windows 系统的统一管 理下协调不同的应用程序，准许这些程序之间进行相互沟通，相互控制。而每个 应用程序决定自己的哪些信息暴露出来， 这些暴露出来的信息可以被其它的应用 7 万方数据 第 1 章 绪论 程序操纵。ActiveX Automation 通过在两个程序间安排对话，达到一个程序控制 另一个程序的目的。但这个对话不是双向的。客户程序（Client）是开始要求对 话的应用程序， 服务程序 （Server） 是响应 Client 的应用程序。 ActiveX Automation 的代码在 Client 上运行，而这个代码所控制的动作由 Server 执行。从 AutoCAD R14 版本开始就对 AutoCAD 本身增加了 ActiveX 自动化服务功能（ActiveX Automation Server Capabilities） ，也就是说完全可以作为服务程序，用户可以从 其他 ActiveX 客户程序中操作 AutoCAD。AutoCAD 通过 ActiveX Automation 显 露对象，并且，每一个裸露对象，都可以用 C、C+、VB、Delphi 等来控制。 8 万方数据 硕士学位论文 第 2 章 蒸汽喷射器的结构设计 2.1 蒸汽喷射器结构设计的理论依据蒸汽喷射器结构设计的理论依据 蒸汽喷射器结构简单，但喷射器内流动形态异常复杂。由于流动过程的数学 描述十分困难，工业设计中，大多采用查图表的方法来确定喷射系数，采用粗略 的经验估算方法确定结构中的关键尺寸。 用这种方法设计出来的喷射器往往不能 达到要求的工作性能。于是，寻求最佳的结构设计方案是保证喷射器能够正常工 作的前提。 喷射器技术的研究和应用已有 100 多年的历史了。在这以前，喷射器的基本 原理，即两股流体的混合现象，在 16 世纪已被发现，到 19 世纪 80 年代，德国 的佐伊纳（Zeuner）和兰金（Rankin）奠定了喷射器设计理论的基础，基于对混 合流体的应用动量的佐伊纳和兰金的理论被广泛地费用于后来的著作中， 并用实 验证明了。然而佐伊纳和兰金的理论不能完全解决喷射器设计过程中，诸如选择 适宜的剖面形状、确定喷射器的轴向尺寸等这样的问题。 B.H.冈恰罗夫认为，只有在详细的研究喷射器里所发生的流体动力学现象， 才有建立喷射器理论的可能性。 1931-1940 年期间，在中央流体力学研究所、全苏热工研究所等一些机构的 共同研究下，整理了喷射器的计算方法，创造了一些足够完善喷射器的结构，并 创建了确定这些喷射器轴向尺寸方法， 推导出在变工况下喷射器工作的物性曲线 方程式。 1944-1948 年期间，在中央流体力学研究所和苏联学院，在 C.A.赫里斯季阿 诺维奇的领导下所完成的研究和分析喷射器的计算方法的著作， 大大促进了蒸汽 喷射压缩器和气体喷射压缩器理论的发展。在这些著作中，第一次考虑了在混合 室入口截面上工作流体和引射流体存在不同静压力的情况下工作流体为超临界 膨胀的喷射器的特点， 并且还作出了物理方面的解释和推导出计算这种类型的喷 射器的可能极限状态之一种（第二极限状态）的方程式。 在完善喷射器的计算方法方面， 在喷射器的吸入室中流动过程的物理解释方 面，在整理计算喷射器合理的轴向尺寸的工程关系式方面，起巨大作用的是自由 流束理论。 全苏热工研究所在索科洛夫的领导下， 对应用于实际中的多种类型的喷射器 9 万方数据 第 2 章 蒸汽喷射器的结构设计 进行了理论和实验的研究， 加工整理计算喷射器主要尺寸的方法和推导出描述喷 射器在变换状态下工作的物性曲线方程式。所作的研究表明，建立在理论基础上 的方程式所导致的结果和实验数据十分相符， 这就充分说明了此尺寸方法计算的 合理性。 自 70 年代以来，由于喷射器在各个行业中的广泛应用，国内外无数的专家 学者加强喷射器结构和性能方面的研究。 Nabil Beithou40等提出了计算蒸汽引射器的数学模型，从理论上很好的分析 了引射器的流动过程，但由于计算中有相当多的微分计算，计算相当麻烦。 Nahdi35等人所进行的一系列实验研究表明：喷射系数和压缩比（Pc /Ph）随面积 比的变化而变化，在所有这些条件中存在一最优面积比和最大的喷射系数。 Chang36等人采用了一种新型的花瓣型喷嘴来提高喷射器的效率，结果表明，对 于面积比较大的喷射器而言， 采用花瓣型喷嘴能获取高于采用普通锥型喷嘴的喷 射系数和压缩比。 Mastsuo37-38和Nahdi35等人则研究了混合室截面积与喷嘴截面 积之比对喷射泵操作性能的影响，其研究结果表明对应于一定的面积比，存在着 一最大喷射系数和最大压力比。虽然他们的研究结果一致认为，喷射器的结构对 喷射器的工作性能有很大的影响，但并没有提出喷射器结构设计的新方法。 国内的王权等41从热力学的角度出发， 以索科洛夫计算方法为基础， 推导出 一种计算喷射系数的简便方法； 刘爱萍21在索科洛夫计算方法的基础上， 运用变 量全微分的方法推导了工作流体压力、 引射流体压力和混合流体压力对喷射器喷 射系数的影响；毋俊生等42在索科洛夫计算方法的基础上编制了一套计算软件， 并用此软件对德国Korting公司的一套乙二醇蒸汽喷射真空系统进行核算， 表明最 大误差不超过 10。 因此，目前为止，索科洛夫的计算方法在喷射器设计的领域中，占有着不可 取代的地位。 本论文就是以索科洛夫3的计算方法为依据，并结合SH/T3118-2000石油 化工蒸汽喷射式抽空器设计规范34来实现蒸汽喷射器结构设计的。 10 万方数据 硕士学位论文 2.2 蒸汽喷射器的工作原理与基本假设蒸汽喷射器的工作原理与基本假设 2.2.1 蒸汽喷射器的工作原理蒸汽喷射器的工作原理 蒸汽喷射器是利用射流紊流扩散作用， 来传递能量和质量的流体机械和混合 反应设备。图 2-1 为表示单级蒸汽喷射器简图。它由蒸汽喷嘴（Steam Nozzle） 、 吸入室（Suction Chamber） 、混合室（Mixing Chamber）和扩散器（Diffuser）等 四个部分组成，其中混合室又分为混合段（Mixing Section） 、喉管段（Throat Section）等二个部分。 图 2-1 单级蒸汽喷射器简图 Fig.2-1 Schematic of single-stage steam ejector 蒸汽喷射器的工作原理是：高压蒸汽（称为工作流体，Primary Fluid）通过 喷嘴将压力能转换为动能，在喷嘴出口处形成高速射流，被抽流体（称为引射流 体，Entrained Fluid）由于与工作流体之间极强的剪切作用而被引射入吸入室。 射流边界层的紊动扩散作用使得两股流体发生质量、动量及能量的交换，于是工 作流体的速度不断减小，而引射流体的速度不断增大，并在混合室的某处形成单 一均匀的混合流体(Mixed Fluid)。在扩散器中的动能转化为压能，混合流体减速 增压到一定的背压后排出喷射器外。 由此可见，蒸汽喷射器的工作过程大体可分为三个阶段： （1）工作流体形成 高速射流，将压力能转化为动能。 （2）工作流体与引射流体的混合阶段使两种流 体进行能量交换， 引射流体速度被提高， 工作流体携带引射流体进入扩压器。 （3） 压缩阶段，即在扩压器中两种流体一边继续进行能量交换，一边逐渐压缩，将动 能再转化为压力能，将引射流体排出喷射器。 2.2.2 基本假设 基本假设 蒸汽喷射器在工作时，工作蒸汽通过喷嘴产生超音速流体，在射流紊流的作 用下带动引射流体一起进入混合室， 在超音速流动的气体与引射流体混合的过程 11 万方数据 第 2 章 蒸汽喷射器的结构设计 中，会在混合段上形成形状各异的冲击波，流动的微观结构异常复杂，为解决对 流动的数学描述， 根据流动的特点， 采用宏观的处理方法， 提出如下的简化假设： （1） 流体为连续介质流动； （2） 忽略流体的径向不均匀性，流动为准一维稳定流动； （3） 工作蒸汽与引射流体在某截面上完全混合，在该截面以前各自保持独 立流动； （4） 混合过程为定压混合； （5） 喷射器内壁光滑、无摩擦，流体与外界无热交换，因此，近似认为喷 射器内为理想气体，绝热可逆。 2.3 蒸汽喷射器的设计参数蒸汽喷射器的设计参数 2.3.1 工作蒸汽的参数工作蒸汽的参数 包括压力；温度；比容；绝热指数：干饱和蒸汽的绝热指数为 1.13，过热蒸 汽的绝热指数为 1.30；热焓。 （1） 压力 蒸汽喷射器常用的工作蒸汽压力为 0.4、0.6、1.0MPa（表压） 。一般来说， 设计蒸汽压力增高时，所用蒸汽及冷却水耗量相应减少，喷射器的设计指标趋于 经济，这一点对单级和双级喷射器尤为明显。但当压力高于 2.5MPa 时，减少的 蒸汽量变得微不足道，而设备费等都相应提高较大，所以通常采用 0.31.6MPa 表压的工作蒸汽，宜采用 0.81.2MPa。 由于存在喷嘴抽速不低于额定值的要求，为保证喷嘴器稳定操作，工作蒸汽 压力必须维持在某一最小值以上， 否则会使操作不稳定， 以至造成吸气压力上升， 所以通常以 0.25MPa 的压强作为工作蒸汽压力的下限。 对于常用的固定抽气量的喷射器，提高蒸汽压力并不会增加抽气量，这是因 为在扩压中增加了额外的蒸汽量， 反而会减少喷射器的抽气量， 当工作蒸汽压力、 引射压力和混合流体压力一定时，工作蒸汽耗量与被抽气体量成正比。 （2） 温度 工作蒸汽一般应选择干饱和蒸汽或稍微过热（1020）的过热蒸汽。采用 高度过热蒸汽或湿蒸汽都没有好处，这是因为对高度过热蒸汽来说，蒸汽可用能 量的增加被蒸汽密度的降低抵消，而采用湿蒸汽时又会使蒸汽有效热能变小，并 12 万方数据 硕士学位论文 且还因水滴存在会造成喷嘴的侵蚀和堵塞，致使系统真空度产生波动。为防止干 饱和蒸汽变成湿蒸汽，应注意蒸汽管道的保湿或采用稍微过热的蒸汽。除上述这 外，为防止工作蒸汽带入机械杂质堵塞喷嘴，在供气系统上还要装设旋风分离器 或其他过滤装置。 （3） 比容 工作蒸汽的比容应按照蒸汽压力和温度从水和水蒸汽热力性质图表中查 得。 2.3.2 引射流体的参数引射流体的参数 包括压力；温度；吸入气体量包括每一组分的质量流量；吸入气体特征包括 每一组分的分子量、定压比热和绝热指数。 （1） 压力 被抽流体的压力为引射压力。蒸汽喷射器的引射压力由其级数来决定。当抽 气量为零时，喷射器在稳定状态下达到的最低引射压力称为极限压力，随抽气量 的增加，喷射器引射压力亦随之升高。 （2） 其它：已知条件给出。 2.3.3 排出气体的参数排出气体的参数 喷射器的排出压力依真空系统的布局而变化。对于向大气排放的情况，其排 气压力随大气压力而变化，一般为 1.051.1105Pa，对于向某一封闭系统排气 的喷射器，其排气压力要依据系统的操作压力而定。当排气压力达到某一值时， 喷射器便不能排出气体，此时对应的排气压力称为喷射器的极限反压力，当排气 压力达到极限反压力时，引射压力在此瞬间也急剧上升。极限反压力是喷射器的 重要参数这一，它与喷射器工作的稳定性直接有关。 2.4 气体动力函数气体动力函数 在计算喷射器的时候，应用气体动力函数是很方便的。下面对常用的气体动 力函数3进行简要的介绍。 折算等熵速度（）气体在等熵（绝热）流动时的速度与临界速度 之比： a w * a * a wa = （2-1） 13 万方数据 第 2 章 蒸汽喷射器的结构设计 式中： a w 等熵速度（） ； sm/ * a临界速度（） 。 sm/ 气体的临界速度是一种等于当地声速的实际速度，可用一式来确定： * a 000* 1 2 1 2vp k k RT k k a + = + = （2-2） 式中： 0 p 滞止压力（） ； 2 /mN R 气体常数（KkgJ/） ； 0 v 滞止状态下气体的比容（） ； kgm / 3 0 T 滞止温度（K） ； k绝热指数。 相对压力)(在给定截面上等熵流动气体静压力P与滞止压力之 比： 0 P 1 2 0 1 1 1 + = k k k k P P （2-3） 相对温度)(在给定截面上等熵流动的气体的绝对温度T与滞止温度 之比： 0 T 2 0 1 1 1 + = k k T T （2-4） 相对密度)(在给定截面上等熵流动流体的密度与滞止流体 0 的密 度之比： 1 1 2 0 ) 1 1 1 ( + = k k k （2-5） 折算质量速度)(q在给定截面上等熵流动的质量速度w与临界截面 14 万方数据 硕士学位论文 上这种流体的质量速度 * w之比： 1 1 2 1 1 * 0 0* 1 1 1 2 1 + + = kk k kk a w w w q （2-6） 当气体的速度等熵降到零时，气体的绝对温度、压力、密度和比容叫做滞止 参数、 0 T 0 P 0 、； 0 v 当气体的折算等熵速度等于临界速度时，即当1=时，气体动力函数具有 下列值： 1 2 0 * * + = kT T （2-7） 1 0 * * ) 1 2 ( + = k k kP P （2-8） 1 1 0 * * ) 1 2 ( + = k k （2-9） 当气体速度等于临界速度时，气体的绝对温度、压力、密度和比容叫做临界 参数、 * T * P * 、。 * v 主要气体动力函数相互关系如下： k k 1 max 1 = （2-10） 1 2) 1 1 1 ( + = k k k k （2-11） 1 1 2 max 2 1 1 )1 () 2 1 ( + = kk k q （2-12） 1 1 max + = k k （2-13） 15 万方数据 第 2 章 蒸汽喷射器的结构设计 2.5 蒸汽喷射器的性能计算蒸汽喷射器的性能计算 2.5.1 喷射系数 喷射系数 蒸汽喷射器的工作性能用喷射系数来表示。喷射系数是表示在一定的工况 下，单位质量工作流体通过喷射器时所能抽吸的引射流体（被抽气体）的量，它 在数值上等于引射流体的质量流量与工作流体的质量流量之比，即： u P H G G u = （2-14） 式中： H G 引射流体的流量（） ； skg/ P G 工作流体的流量（） 。 skg/ 2.5.2 喷射系数的计算喷射系数的计算3 图 2-2 流通部分的形状及轴线压力分布 Fig.2-2 Shape of Running Section and presure distribution along the axis 图 2-2 概括的画出蒸汽喷射器流通部分的形状，并给出一些主要符号。假设 喷嘴出口截面和混合段的入口截面重合； 同时假设在喷嘴出口截面所在平面与渐 缩管入口截面之间的那一段上，工作与引射流体各自流动而不混合。由混合室的 入口与出口截面组成的动量方程可以写成如下的形式： +=+ 3 2 2222333222 )()( f f HHPPHPHHPP fPfPPdffPwGGwGwG（2-15） 式中： p G、工作流体和引射流体的质量流量（） ； H Gskg/ 16 万方数据 硕士学位论文 2P w 、混合室入口截面