環(huán)形射流泵自吸性能的實(shí)驗(yàn)研究

環(huán)形射流泵自吸性能的實(shí)驗(yàn)研究

0射流泵的自吸能力環(huán)形射流泵的吸入管、喉嚨管和擴(kuò)壓管配置在同一軸上，噴嘴圍繞著吸收管的末端（如圖1所示）。對于傳輸流量，沒有必要改變參數(shù)。這種射流泵特別適合于抽吸含有大量固體顆粒的混合流體,能達(dá)到很高的真空度,并且如設(shè)計(jì)使用得當(dāng)就具有自吸性能,因而在大口徑反循環(huán)鉆井和河道清淤等工程領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣闊。射流泵的自吸性能是指射流泵剛啟動時抽除吸入管中空氣的能力,抽吸空氣時射流泵實(shí)際上是液氣引射器,即工作介質(zhì)是液體,引射介質(zhì)是氣體。在射流泵安裝在地表的射流反循環(huán)裝置中,首先要求射流泵能抽除鉆孔液面以上的主動鉆桿、水龍頭及吸水膠管中的空氣,即首先要求射流泵能自吸。泵吸反循環(huán)所用砂石泵是不能自吸的,因此采用砂石泵進(jìn)行泵吸反循環(huán)時,需另配備灌注泵或真空泵。一般認(rèn)為射流泵具有較強(qiáng)的自吸能力,射流反循環(huán)裝置相對簡單。然而,并不是所有的射流泵都具有自吸能力,有些射流泵并不滿足自吸要求。因此要正確地設(shè)計(jì)反循環(huán)用環(huán)形射流泵和應(yīng)用射流反循環(huán)技術(shù)就必須對環(huán)形射流泵的自吸性能有全面的了解。1環(huán)形射流泵自吸性能測量采用圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置對環(huán)形射流泵的自吸性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)裝置模擬大口徑射流反循環(huán)的工況,射流泵為大面積比射流泵,面積比m=喉管橫截面面積/噴嘴出口截面積之和=18。實(shí)驗(yàn)時,引射流體和工作流體都采用清水,混合流體直接排往水箱,即Pc=Pa(Pa為大氣壓力);工作壓力Pp、引射壓力Pc分別用壓力表和真空計(jì)測量并分別由閘閥和實(shí)驗(yàn)井內(nèi)水位變化調(diào)節(jié);引射流量GH由三角堰測量,混合流量GC=GH+Gp(Gp為工作泵流量)由電磁流量計(jì)測量。在對環(huán)形射流泵的自吸性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時,射流泵的同口與大氣相通,實(shí)驗(yàn)井內(nèi)的水位離射流泵中心線的垂直距離為9.82m。射流泵自吸性能的測量實(shí)際上就是測量射流泵抽吸空氣時吸入管中所能達(dá)到的真空度。真空度越高,射流泵的自吸性能就越強(qiáng)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),大面積比的環(huán)形射流泵無自吸性能的主要原因是射流泵結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理,當(dāng)射流泵抽吸空氣時發(fā)生了高速射流的附壁效應(yīng)。通過合理選擇射流泵的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)或采取適當(dāng)措施可提高它的自吸性能。2射流向非喉管內(nèi)流動圖1是所實(shí)驗(yàn)的環(huán)形射流泵結(jié)構(gòu)示意圖。通過實(shí)驗(yàn)和分析,在大面積比環(huán)形射流泵中,射流附壁原因和附壁形式為:射流從噴嘴中射入接受室后,便把接受室的空間分成中間部分a和靠壁部分b。若靠壁部分b較小,由于射流要帶走其四周的氣體,使b處的壓力比a處的壓力低,于是射流便會在接受室內(nèi)附壁并沿喉管進(jìn)口段的壁面進(jìn)入喉管,接著又把喉管分成中間部分d和靠壁部分c。若c較小,射流又會沿喉管的壁面需流動。射流在喉管內(nèi)靠壁流動時在喉管橫截面上的分布會出現(xiàn)如圖3所示的情況,中間是空氣,射流分布在四周。在喉管、擴(kuò)壓管和排出管不很長的情況下,射流便不能充滿整個管道截面,外界的大氣就可沿管道中間倒流,射流泵吸入室的真空度就不可能提高。由此可見,射流在喉管內(nèi)附壁是影響環(huán)形射流泵自吸性能的關(guān)鍵,要提高射流泵的自吸性能,就必須調(diào)節(jié)射流在進(jìn)入喉管時與喉管壁面的相對位置,使射流在喉管內(nèi)不附壁,要達(dá)到此目的,可合理選擇環(huán)形射流泵的有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。3環(huán)形射流泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流泵的自吸性能的影響3.1射流泵的自吸性能隨的變化情況喉嘴距Lc=100mm=1.15d3,喉管進(jìn)口角α分別為30°、45°、60°的三種射流泵進(jìn)行了自吸性能實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1(實(shí)驗(yàn)時其他條件為:d3=87mm,m=18,β=12°,L=400mm,噴嘴個數(shù)n=4,工作壓力Pp=1.1MPa,水溫t=20℃)。由表1可見射流泵的自吸性能隨α的增大而增大,當(dāng)α增大到45°時,吸入室的真空度可達(dá)740mmHg柱,射流泵具有較強(qiáng)的自吸性能。實(shí)驗(yàn)中,在其它條件相同的情況下,當(dāng)喉嘴距Lc增大到150mm=1.72d3時,不同α角的射流泵的真空度都達(dá)到了740mmHg柱。此時α角對自吸性能影響很小。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是由于在射流泵中(如圖1所示),當(dāng)喉嘴距Lc較小時,射流與喉管進(jìn)口段壁面之間的空間b就小,射流一般會沿著喉管進(jìn)口段的壁面流入喉管,此時喉管進(jìn)口角α越大,射流進(jìn)入喉管時與喉管壁面之間的空間c就越大,射流在喉管內(nèi)就越不容易附壁,射流泵和自吸性能就會越強(qiáng)。當(dāng)Lc較大時,射流與接受室壁面之間的空間b就較大,射流就不會沿喉管進(jìn)口段的壁面流動,會直接射向喉管,此時α角對射流泵的自吸性能影響就不大。3.2射流入喉管。在角較喉嘴距Lc較小時,射流會沿喉管進(jìn)口段壁面流入喉管。因此,Lc較小時,射流泵的自吸性能與β角的關(guān)系不大而與α角的關(guān)系較大。喉嘴距Lc較大時,射流會從噴嘴中直接射入喉管,此時當(dāng)β角較小時,射流射入喉管時離喉管壁面的距離就會小一些,就容易產(chǎn)生附壁效應(yīng);當(dāng)β角較大時,射流射入喉管時離喉管壁面的距離就會大一些,甚至在未到達(dá)喉管之前,各股射流就相聚了,在喉管內(nèi)射流就不會附壁。在實(shí)驗(yàn)中,Lc=125mm,β為12°的射流泵不具備自吸性能,但當(dāng)β增大到20°時,射流泵吸入室的真空度便可達(dá)到740mmHg柱(實(shí)驗(yàn)時其他條件為:d3=87mm,m=18,n=4,L分別為200、300、400mm,α分別為30°、45°、60°,Pp=1.1MPa,水溫t=20℃)。3.3射流泵自吸能力與l當(dāng)Lc或α較小時(Lc=100mm,α=30°),喉管長度L分別為200、300、400mm時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。在圖4中,橫坐標(biāo)是喉管長度,縱坐標(biāo)是射流泵吸入室所達(dá)到的真空度。由圖4可以看出射流泵的自吸能力隨喉管長度L的增加而較顯著地增強(qiáng)。當(dāng)Lc或α都較大時(Lc=125mm,α=45°),L分別為200、300、400mm時,射流泵吸入室的真空度都能達(dá)到740mmHg柱。說明Lc或α較大的射流泵,射流進(jìn)入喉管時不會附壁,喉管長度的變化對自吸性能影響不大(實(shí)驗(yàn)時其他條件為:d3=87mm,m=18,β=20°,Pp=1.1MPa,t=20℃)。3.4環(huán)形射流泵的自吸能力面積比m越小,噴嘴出口面積相對就越大,工作流體就越容易充滿整個喉管。對于環(huán)形射流泵,實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)面積比m≤13.5時,在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)可能選擇的范圍內(nèi),射流泵均具有很強(qiáng)的自吸能力。由以上實(shí)驗(yàn)和分析可知,對于大面積比的環(huán)形射流泵,可通過合理選擇其結(jié)構(gòu)參數(shù)使其具備強(qiáng)的自吸能力。4改進(jìn)環(huán)形射流泵自吸性能的其他方法4.1射流泵的排出口也必須在其生長過程中去吸大氣,提高自吸能力,不前面所討論的環(huán)形射流泵的自吸性能實(shí)驗(yàn)都是在圖2所示的裝置上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時,射流泵的排出口都是與大氣相通的。筆者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),若將射流泵的排出口淹沒在水箱的水面以下時,各種結(jié)構(gòu)參數(shù)的環(huán)形射流泵則都具有很強(qiáng)的自吸能力。筆者認(rèn)為當(dāng)射流泵的排出口淹沒在水面以下時,雖然抽吸空氣時射流泵中的射流同樣有可能附壁,但附壁的射流仍能卷吸其另一側(cè)的空氣,水箱起到了氣水分離的作用,吸入管路中的空氣只會不斷地被射流帶出,外界空氣不能倒流,因此射流泵吸入管路中的真空度仍會迅速提高。在射流反循環(huán)鉆井中,可以將射流泵的排出管放入泥漿池中來提高其自吸能力。然而在反循環(huán)鉆進(jìn)實(shí)踐中,射流泵的排出口也可能必須與大氣相通,例如射流泵的排出管口有可能要通到泥漿振動篩。因此在設(shè)計(jì)環(huán)形射流泵時,還是應(yīng)該使其在出口通大氣的情況下具備較強(qiáng)的自吸能力。4.2射流泵自吸原理當(dāng)射流泵排出管口必須通大氣而其自吸能力又不強(qiáng)時,筆者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),提高這種射流泵自吸能力的簡單方法是在射流泵的排出口連接一段(長約1m左右)軟管,射流泵抽吸空氣時,軟管通過變形可以阻止外界空氣倒流,提高射流泵的自吸性能。5環(huán)形射流泵的