可调式水喷射泵的研制

石兆玉 史登峰 赵向龙 姜利民

摘要： 针对固定式热水喷射泵的缺点，研制了一种新型的可调式水喷射泵，经过供热系统的现场测试，基本上达到了设计性能指标。由于可调式水喷射泵的研制成功，还进一步分析了在供热系统中采用热水喷射泵连接方式的优越性。

关键词： 热水喷射泵 可调式水喷射泵 连接方式

一、引言

自从德国学者G.Zeuner于1860年提出射流理论以来，水喷射泵的应用与研究已得到了广泛，世界上一些集中供热比较发达的国家如前苏联，热用户与室外供热管网的连接，采用热水喷射泵连接方式者占85%^[1]，而用混水泵连接的只占9%。在我国热水喷射泵的应用，五、六十年代较为普遍。虽然喷射泵这种连接方式具有结构简单、运行等优点，但在我国不但没有进一步推广应用，反而进入七十年代以来，几乎已经淘汰。究其原因，主要是喷射泵的喷嘴直径固定不变，不能适应供热系统供热规模不断变化的需要。在供热系统运行初期，因水喷射泵的喷嘴直径（或混合比--进入喷射泵的回水流量与一次网的供水流量之比）与供热规模比较适应，供热效果一般都比较理想，但随着供热系统供热规模的不断扩大，要求喷射泵本身的混合比也随之变化，以满足喷射泵前的一次网设计流量变化的情况下，二次网的流量基本保持不变，但是喷射泵的喷嘴是固定不变的，上述要求无法实现，结果导致供热效果逐渐变坏，喷射泵以至致到了被淘汰的境地。

近几年来，随着供热规模的多层次发展，从技术上希望有更多类型的供热系统连接方式被应用，可调式水喷射泵就是在这样的背景下开始研制的。

二、可调式水喷射泵的结构设计

可调式水喷射泵的结构原理如下（图1）。其工作原理为：按照某一供热规模运行的喷嘴直径固定。当供热系统的供热规模增加时，假设原来二次网的供热面积不变，热力站的数目将增加。为了保证供热效果，一次网的供水温度得提高，此时调节喷针向内移动，使得喷嘴的流通截面减小，通过喷嘴的外网供水流量减小，而混合比增大，二次网的流量和供水温度基本保护不变，从而保证了二次网的供热量不变。当供热规模减小时，调节喷针向相反方向运动，即可适应变化后的供热要求。

图1 可调式水喷射泵结构原理图
1.引射水入口 2.调节喷针 3.引水室 4.被引射水口 5.混合室 6.扩散段 7.混合水出口

前苏联的可调式水喷射泵^[2]（如图2），它的外网水流入方向与喷嘴调节方向成90度角，而图1的结构是同一方向，因此阻力较小。此外，图2中的喷嘴出口与混合室入口间的距离是固定的，而图1中的是变化的，变化的间距可以提高水喷射泵的效率。

图2 带有可调节工作喷嘴出口截面的水喷射泵结构图
1.调节装置 2.喷口 3.引水泵 4.混合室 5.扩散段

三、可调式水喷射泵的性能

水喷射泵的性能方程采用索科洛夫方程^[2]：

　　　　　 （1）

上式中：

P_g 扩压管出口混合水压力，Pa；

P_o 工作水流体流经喷嘴时的压力，Pa；

P_h 被引射消耗引水室时的压力，Pa；

ΔP_g = P_g - P_h 水喷射泵所提供的扬程，等于克服供暖用户系统的压力损失值；

ΔP_p = P_o - P_h 工作水流经喷嘴时的压降，亦即热网供回水管的资用压差，Pa；

μ 混合比，μ= G_h / G₀

G_h 被引射水流体流量，kg/s；

G₀ 工作水流体流量，kg/s；

G_g 扩压管出口混合水流体流量，kg/s；

φ₁、φ₂、φ₃、φ₄ 分别为喷嘴出口、混合室、扩压管入口、混合室入口速度系数；

f_p 喷嘴出口截面积m2;

f₃ 圆筒形混合室截面积m2;

f₂ 被引射流体在混合室人口截面上所占的面积m²;

v_p、v_h、v_g 工作水、被引射水和混合水流体比容，m³/kg

笔者据此设计制造了两台可调式水喷射泵样机，其规格分别为Dg100和Dg80。实验台设在赤峰市热力公司的某一热力站，一次网所提供的供、回水资用压差P_p= P_O - P_h = 0.8MPa，供水温度t₀=60℃，二次网的供热面积为22000 m²;实验装置图如图3。

图3 可调式水喷射泵实验装置图
1.压力表 2.温度计 3.截止阀 4.除污器 5.调节阀 6.可调式喷射泵

可调式水喷射泵基本性能实验的目的是截面比f₃/ f_p，压降比ΔP_g / ΔP_p和混合比μ三者之间的关系，其结果如图4。

为了分析可调式水喷射泵的性能，先了解固定喷嘴的水喷射泵性能（如图5）。图5中下方的两条线分别表示在固定截面比3.75和5.86下，压降比与混合比之间的关系曲线，上方的一条线分别与下方的两条线相切的点为该截面比所对应的混合比下，水喷射泵在该截面比下的最高效率点。因此，上方的一条线为在任意截面比和混合比下，水喷射泵所能达到的最高效率点的包络线。

图4中曲线是由某一喷嘴出口速度系数φ₁下，某一截面比所对应的混合比下水喷射泵的最高效率点组成，从图4中可以得出，可调式水喷射泵在改变喷嘴截面时是沿着喷嘴出口速度系数φ₁为0.60～0.75间的水喷射泵最高效率点运行。从实验结果看，在喷嘴直径的调节过程中，混合比可在0.4～1.7之间变化（混合比还可以减小），亦即说明，在一定的供热规模下，二次网设计供、回水温度为95℃和70℃，当供热规模扩大时，二次网的流量不变，一次网的供水温度提高。如上设计的混合比可以使得一次网的供水温度在110～130℃之间变化，完全能满足供热要求。

图4 可调式水喷射泵基本性能实验曲线

　　　
图5 水喷射泵特性曲线图

笔者在实验中发现：影响可调式水喷射泵效率的主要因素是喷嘴出口速度系数φ₁，而喷嘴出口速度系数φ₁主要与喷嘴出口的阻力有关。因此，为了提高可调节水喷射泵的效率，在研制过程中，特别对喷嘴的形状、调节结构、加工精度等进行了重点设计。

四、供热系统中水喷射泵连接方式的适用范围

在技术条件许可的范围内，热水喷射泵在供热系统中连接较混水泵连接和间接连接有很大的优越性。除了水喷射泵结构简单、无转动部件、使用和维护都比较方便，以及低成本、低运行费用以外，还有一个很重要的优点：消耗供暖用户的"富余"压头，提高供热外网的水力稳定性，提高供暖末端用户的资用压差。笔者曾对板式换热器、混水泵和喷射泵三种连接方式进行了性比较，以总年费用（初投资折算到每一年报费用）为目标函数，采用遗传算法对不同的供热面积进行热力站数目的寻优（具体算法另文介绍）。其结果如表1，从表中可以得到：在技术许可的范围内，当总的供热规模小于70万平方米时，采用喷射泵连接比采用混水泵连接或间接连接的供热系统总年费用要小；喷射泵连接的供热系统，热力站最佳供热面积为2～3万平方米。 　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　三种连接方式经济比较结果

由于可调式水喷射泵的研制成功，供热系统中采用水喷射泵连接方式的因有优势得到了充分发挥。经分析，在供热面积70万平方米的供热规模范围内，采用水喷射泵连接方式具有明显的优越性。

[1]关于热水喷射泵在北京地区集中供热系统中的应用问题，安英华、李祥所《区域供热》1990，2

[2]《喷射器》，[苏]索科洛夫 出版社 1977年