环形射流泵自吸性能的实验研究

环形射流泵自吸性能的实验研究

0射流泵的自吸能力环形射流泵的吸入管、喉咙管和扩压管配置在同一轴上，喷嘴围绕着吸收管的末端（如图1所示）。对于传输流量，没有必要改变参数。这种射流泵特别适合于抽吸含有大量固体颗粒的混合流体,能达到很高的真空度,并且如设计使用得当就具有自吸性能,因而在大口径反循环钻井和河道清淤等工程领域中应用前景广阔。射流泵的自吸性能是指射流泵刚启动时抽除吸入管中空气的能力,抽吸空气时射流泵实际上是液气引射器,即工作介质是液体,引射介质是气体。在射流泵安装在地表的射流反循环装置中,首先要求射流泵能抽除钻孔液面以上的主动钻杆、水龙头及吸水胶管中的空气,即首先要求射流泵能自吸。泵吸反循环所用砂石泵是不能自吸的,因此采用砂石泵进行泵吸反循环时,需另配备灌注泵或真空泵。一般认为射流泵具有较强的自吸能力,射流反循环装置相对简单。然而,并不是所有的射流泵都具有自吸能力,有些射流泵并不满足自吸要求。因此要正确地设计反循环用环形射流泵和应用射流反循环技术就必须对环形射流泵的自吸性能有全面的了解。1环形射流泵自吸性能测量采用图2所示的实验装置对环形射流泵的自吸性能进行实验研究。试验装置模拟大口径射流反循环的工况,射流泵为大面积比射流泵,面积比m=喉管横截面面积/喷嘴出口截面积之和=18。实验时,引射流体和工作流体都采用清水,混合流体直接排往水箱,即Pc=Pa(Pa为大气压力);工作压力Pp、引射压力Pc分别用压力表和真空计测量并分别由闸阀和实验井内水位变化调节;引射流量GH由三角堰测量,混合流量GC=GH+Gp(Gp为工作泵流量)由电磁流量计测量。在对环形射流泵的自吸性能进行实验研究时,射流泵的同口与大气相通,实验井内的水位离射流泵中心线的垂直距离为9.82m。射流泵自吸性能的测量实际上就是测量射流泵抽吸空气时吸入管中所能达到的真空度。真空度越高,射流泵的自吸性能就越强。通过实验发现,大面积比的环形射流泵无自吸性能的主要原因是射流泵结构参数不合理,当射流泵抽吸空气时发生了高速射流的附壁效应。通过合理选择射流泵的一些结构参数或采取适当措施可提高它的自吸性能。2射流向非喉管内流动图1是所实验的环形射流泵结构示意图。通过实验和分析,在大面积比环形射流泵中,射流附壁原因和附壁形式为:射流从喷嘴中射入接受室后,便把接受室的空间分成中间部分a和靠壁部分b。若靠壁部分b较小,由于射流要带走其四周的气体,使b处的压力比a处的压力低,于是射流便会在接受室内附壁并沿喉管进口段的壁面进入喉管,接着又把喉管分成中间部分d和靠壁部分c。若c较小,射流又会沿喉管的壁面需流动。射流在喉管内靠壁流动时在喉管横截面上的分布会出现如图3所示的情况,中间是空气,射流分布在四周。在喉管、扩压管和排出管不很长的情况下,射流便不能充满整个管道截面,外界的大气就可沿管道中间倒流,射流泵吸入室的真空度就不可能提高。由此可见,射流在喉管内附壁是影响环形射流泵自吸性能的关键,要提高射流泵的自吸性能,就必须调节射流在进入喉管时与喉管壁面的相对位置,使射流在喉管内不附壁,要达到此目的,可合理选择环形射流泵的有关结构参数。3环形射流泵的结构参数对射流泵的自吸性能的影响3.1射流泵的自吸性能随的变化情况喉嘴距Lc=100mm=1.15d3,喉管进口角α分别为30°、45°、60°的三种射流泵进行了自吸性能实验,实验结果见表1(实验时其他条件为:d3=87mm,m=18,β=12°,L=400mm,喷嘴个数n=4,工作压力Pp=1.1MPa,水温t=20℃)。由表1可见射流泵的自吸性能随α的增大而增大,当α增大到45°时,吸入室的真空度可达740mmHg柱,射流泵具有较强的自吸性能。实验中,在其它条件相同的情况下,当喉嘴距Lc增大到150mm=1.72d3时,不同α角的射流泵的真空度都达到了740mmHg柱。此时α角对自吸性能影响很小。出现上述现象的原因是由于在射流泵中(如图1所示),当喉嘴距Lc较小时,射流与喉管进口段壁面之间的空间b就小,射流一般会沿着喉管进口段的壁面流入喉管,此时喉管进口角α越大,射流进入喉管时与喉管壁面之间的空间c就越大,射流在喉管内就越不容易附壁,射流泵和自吸性能就会越强。当Lc较大时,射流与接受室壁面之间的空间b就较大,射流就不会沿喉管进口段的壁面流动,会直接射向喉管,此时α角对射流泵的自吸性能影响就不大。3.2射流入喉管。在角较喉嘴距Lc较小时,射流会沿喉管进口段壁面流入喉管。因此,Lc较小时,射流泵的自吸性能与β角的关系不大而与α角的关系较大。喉嘴距Lc较大时,射流会从喷嘴中直接射入喉管,此时当β角较小时,射流射入喉管时离喉管壁面的距离就会小一些,就容易产生附壁效应;当β角较大时,射流射入喉管时离喉管壁面的距离就会大一些,甚至在未到达喉管之前,各股射流就相聚了,在喉管内射流就不会附壁。在实验中,Lc=125mm,β为12°的射流泵不具备自吸性能,但当β增大到20°时,射流泵吸入室的真空度便可达到740mmHg柱(实验时其他条件为:d3=87mm,m=18,n=4,L分别为200、300、400mm,α分别为30°、45°、60°,Pp=1.1MPa,水温t=20℃)。3.3射流泵自吸能力与l当Lc或α较小时(Lc=100mm,α=30°),喉管长度L分别为200、300、400mm时的实验结果如图4所示。在图4中,横坐标是喉管长度,纵坐标是射流泵吸入室所达到的真空度。由图4可以看出射流泵的自吸能力随喉管长度L的增加而较显著地增强。当Lc或α都较大时(Lc=125mm,α=45°),L分别为200、300、400mm时,射流泵吸入室的真空度都能达到740mmHg柱。说明Lc或α较大的射流泵,射流进入喉管时不会附壁,喉管长度的变化对自吸性能影响不大(实验时其他条件为:d3=87mm,m=18,β=20°,Pp=1.1MPa,t=20℃)。3.4环形射流泵的自吸能力面积比m越小,喷嘴出口面积相对就越大,工作流体就越容易充满整个喉管。对于环形射流泵,实验表明,当面积比m≤13.5时,在其他结构参数可能选择的范围内,射流泵均具有很强的自吸能力。由以上实验和分析可知,对于大面积比的环形射流泵,可通过合理选择其结构参数使其具备强的自吸能力。4改进环形射流泵自吸性能的其他方法4.1射流泵的排出口也必须在其生长过程中去吸大气,提高自吸能力,不前面所讨论的环形射流泵的自吸性能实验都是在图2所示的装置上进行。实验时,射流泵的排出口都是与大气相通的。笔者在实验中发现,若将射流泵的排出口淹没在水箱的水面以下时,各种结构参数的环形射流泵则都具有很强的自吸能力。笔者认为当射流泵的排出口淹没在水面以下时,虽然抽吸空气时射流泵中的射流同样有可能附壁,但附壁的射流仍能卷吸其另一侧的空气,水箱起到了气水分离的作用,吸入管路中的空气只会不断地被射流带出,外界空气不能倒流,因此射流泵吸入管路中的真空度仍会迅速提高。在射流反循环钻井中,可以将射流泵的排出管放入泥浆池中来提高其自吸能力。然而在反循环钻进实践中,射流泵的排出口也可能必须与大气相通,例如射流泵的排出管口有可能要通到泥浆振动筛。因此在设计环形射流泵时,还是应该使其在出口通大气的情况下具备较强的自吸能力。4.2射流泵自吸原理当射流泵排出管口必须通大气而其自吸能力又不强时,笔者在实验中发现,提高这种射流泵自吸能力的简单方法是在射流泵的排出口连接一段(长约1m左右)软管,射流泵抽吸空气时,软管通过变形可以阻止外界空气倒流,提高射流泵的自吸性能。5环形射流泵的