影响蒸汽喷射真空泵的性能因素

文 //方锦辉 吴坚华 郑奋怡 宝钢工程技术集团有限公司 宝山钢铁股份有限公司

蒸汽喷射真空泵是一种利用水蒸汽为能源介质产生真空的真空泵，具有启动速度快、工作压力范围宽、抽气量大、结构简单、无运动部件、对高温多尘气体适应性强等特点。且真空泵系统性能高、运行可靠、维护费用低，设备使用寿命，广泛适用于工业领域，其中冶金钢水真空精炼基本采用蒸汽喷射真空泵系统。

1 蒸汽喷射真空泵基本原理

图1为蒸汽喷射真空泵的抽气机理及工作蒸汽和被抽气体在蒸汽喷射真空泵中的压力、速度变化情况。

从图1可知，蒸汽喷射真空泵工作过程可分为蒸汽绝热膨胀阶段、蒸汽与被抽气体混合阶段和混合气体压缩阶段三个阶段。

蒸汽绝热膨胀阶段：工作蒸汽通过固定在外壳上的蒸汽喷嘴作绝热膨胀，压力蒸汽在蒸汽喷嘴入口处以U1速度进入喷嘴，在蒸汽喷嘴渐缩段流动时，其压力不断减小，速度不断增加。在蒸汽喷嘴喉段，蒸汽速度达到音速，即马赫数等于1。蒸汽在进入蒸汽喷嘴渐扩段，压力继续下降，气流速度继续增加，达到超音速状态，在蒸汽喷嘴出口截面处，蒸汽压力由P1降至Pa,速度由U1增至Ua，蒸汽压力能转化为动能。

蒸汽与被抽气体混合阶段：在上图混合室中，蒸汽与被抽气体混合，并进行能量交换，被抽气体速度由U0增加到Uc，压力由P0下降到蒸汽喷嘴出口截面处的压力Pa,蒸汽携带着被抽气进入扩压器。

混合气体压缩阶段：即在扩压器中，蒸汽与被抽气体一边继续进行能量交换，一边逐渐压缩升压。混合气体在扩压器收缩段压力上升，速度下降，流入喉管时，会在喉管内的某一截面(b点)产生激波现象，激波会导致混合气体压力的陡升(从Pa升高到Pb)和混合气体速度的陡降(从超音速Ub降到亚音速Ud)，当混合气体从喉管流入扩压管内后，部分动能转化为压力能，流速进一步降低，使其压力高于泵的出口背压而被排出，从而达到抽气的目的。

2 蒸汽喷射真空泵抽气特性

从蒸汽喷射真空泵各压力间的关系分析可知：①蒸汽喷嘴出口端的蒸汽压力远远高于被抽气体压力时，则不具备抽气功能。②蒸汽喷嘴出口端蒸汽压力远远低于被抽气体压力时，则破坏了蒸汽最大限度的膨胀增速作用，使蒸汽在蒸汽喷嘴内的蒸汽流量小于蒸汽临界流量，从而使被抽气量下降直至停止。③若保持吸入室压力不变，改变泵出口压力，随着出口压力的降低，激波产生的位置向扩压器出口处移动，泵的抽气量逐渐增大。当激波出现在扩压器喉部之后时，抽气量不再增加，引射系数保持不变，此时引射系数为极限引射系数，对应的出口压力为极限反压力或临界反压力，泵工作时扩压器的出口压力应低于极限反压力，当出口压力在低于极限反压力的范围内变动时，激波在扩压器喉部或其后产生，引射系数和入口压力几乎不变，抽气量变化对入口压力影响很小，喷射泵工作时就是处于这种状态之中，因此，当排气压力波动时，只要不高于极限反压力，就可视为对入口压力无影响。

从图2可知，在断开点上部，抽吸流量m0与抽吸压力P0成正比。在吸入压力不变时，蒸汽压力增高，排气压力同步增加，抽气量也同步增加，可达到的反向压力由蒸汽喷嘴的尺寸或蒸汽压力所决定，改变蒸汽压力时仅对反向压力有影响，而抽吸曲线基本不变，因此抽吸曲线的变化仅在改变扩张器和喷射泵尺寸时才有可能变化。

3 影响蒸汽喷射泵应用主要因素

影响蒸汽喷射泵应用性能因素很多，对于单级水蒸气喷射泵，主要是结构因素，也就是各部尺寸，即蒸汽喷嘴、扩压器收缩段及扩张段的形状变化等相对位置布置及蒸汽喷射泵内壁的表面质量等。对于多级蒸气喷射泵，影响因素主要是泵与泵间的压强衔接、工作条件及操作方法等。喷射泵的工作介质、使用环境等也对多级蒸汽喷射泵抽气性能有一定的影响。

图1 喷射泵抽气机理

图2 喷射泵抽气特性

3.1 结构因素

蒸汽喷射泵真空系统的设备结构并不复杂，但其动力学及热力学参数相对复杂。泵喷嘴及扩压器的几何尺寸基本是通过实验和数学模型来计算的，但某些尺寸参数是通过实验和应用经验积累得到的。在结构计算中，有个重要参数——引射系数，引射系数不仅是介质状态参数的函数，也是几何形状参数的函数，喷嘴扩张段和扩压器收缩段锥角恰当配合对提高引射系数是有利的，根据实验数据，通常单级泵的引射系数为0.2～0.35。喷嘴的扩张段因气流完全在超音速范围内工作，故必须考虑实际流动时的摩擦损失和涡流损失。管道过长，摩擦不可逆损失太大;而管道过短，则截面扩张过大，会使气流与管壁分离，产生涡流损失。喷嘴的喉口段是气流从亚音速转变为超音速的临界位置，是整个喷嘴设计中最为重要的部分,喷嘴喉口直径d0是影响蒸汽喷射泵性能的关键尺寸。扩压器的设计也很重要，若在亚音速段的渐扩管道中减速过急（管道张角过大），会导致边界层分离而形成漩涡，使主流离开壁面。而在超音段的渐缩管道中往往会出现激波，激波使边界层急剧增厚，也常伴随有流动分离。

3.2 蒸汽压力

蒸汽喷射泵工作，蒸汽压力从理论上讲：蒸汽压力越高，喷射器极限反压力也越高，工作特性曲线工作长度有所加长，泵的工作更趋稳定，各抽气量下的真空度有所下降，蒸汽耗量提高，冷凝器负荷加大，则在冷却水量不变情况下出气温度升高。但是实际经验证明，在压力超过1.5MPa后，效率提高已不明显。同时蒸汽压力提高太多，一系列不利因素也相继出现，如：法兰、垫片和阀门的耐压等级需要提高，造成一次性投资成本增大；蒸汽阀门及控制系统的使用寿命降低；蒸汽系统泄漏及危险性增加等。

蒸汽压力高，有利于提高泵的抽气能力，但要考虑蒸汽源的具体情况，主要关注长期运行的经济指标。一般进喷嘴处蒸汽压力在0.4～1.6MPa （表压）范围内选取，根据以往的设计经验，建议在选择蒸汽喷射泵蒸汽压力和温度时要结合真空系统泵级数因素。工作真空度≈0.67mbar时，建议选择方法如下：①六级泵系统：蒸汽压力0.6～0.9 MPa（表压）；②五级泵系统：蒸汽压力0.8～1.3 MPa（表压）；③四级泵系统：蒸汽压力1.0～1.4 MPa（表压）。

3.3 蒸汽温度

蒸汽的干度对真空泵性能也有较大影响, 其中含水会引起真空波动, 含水过多甚至会抽不起真空, 通常的作法是在汽包前加装汽水分离器以获得干度较高的工作蒸汽,同时对蒸汽管路进行有效保温。为取得最佳的工作效益, 为喷射真空泵提供的工作蒸汽应为过热5～10℃的过热蒸汽。

3.4 冷却水量

进入冷凝器的冷却水量如果逐渐减少，将使其排气温度逐步上升，从而使末级冷凝器的蒸汽量逐渐增多，从而使下一级喷射器被抽的混合物量增加，导致其吸入压强上升。如果这个压强升高未超过前级泵的极限反压强时泵尚能工作，一旦这个升高的压力超过其前级喷射器的极限反压力，将引起前级泵的过载，从而导致整个泵的过载，使已建立起来的真空系统破坏。冷凝器的冷却水有以设计合理值，过分增加水量，非但无益，而且有害，一方面增加了冷却水的放气量，更重要的是导致冷凝器阻力增加，降低喷射器的抽气特性，甚至使前级喷射器过载，冷凝器的正常阻力一般为679-1359Pa.

3.5 真空泵系统的密封

要获得设计的真空度，真空泵系统要保持完好的密封性，通常考虑系统泄漏的是真空泵安装上的原因，如连接法兰的垫片未装、装错或损坏，螺栓未拧紧、法兰面损坏或焊缝有缺陷泄漏，压力表或真空表的旋塞未装好。此外考虑到系统在长期使用后泵体会磨损引起泄漏，特别是泵体混合段、扩压器起始段和出口弯管等，可在设计中在易磨损处考虑用耐磨材料。

3.6 拉瓦尔喷嘴

蒸汽喷嘴是影响真空泵性能的重要部件之一，常见的问题有：喷嘴装错、堵塞、腐蚀和破损。喷嘴装错通常发生在调试时或是备件更换时，而堵塞一方面是由于真空泵安装时异物落入喷嘴或是蒸汽管道中残余的铁屑和焊渣会堵塞喷嘴；另一方面长期间的真空泵系统停用后，蒸汽管道易生锈，在使用中锈斑脱落堵塞喷嘴。喷嘴堵塞时该级真空泵运行会不正常，通常1级泵的喷嘴喉口直径最小，所以也最易堵塞。此外因被抽气体中通常会带有一些腐蚀性的气体，会对喷嘴造成腐蚀，长时间使用后喷嘴易破损甚至脱落，所以喷嘴通常会使用不锈钢等耐磨蚀的材料。

4 总结

蒸汽喷射真空泵研究和设计涉及到工程流体力学、工程热力学、实验理论等基础理论。蒸汽喷射真空泵技术发展已有百年历史，且蒸汽喷射真空泵结构也很简单，国内外生产制造厂商众多，但能设计、生产出性能优越的蒸汽喷射真空泵系统厂商不多。其主要原因是影响蒸汽喷射真空泵系统的因素很多、设计参数数据和实测参数数据偏差大，需根据经验和实测进行参数修正并指导产品升级。影响真空泵性能因素主要有引射系数、泵体结构、蒸汽压力、蒸汽温度、冷却水量、真空系统密封等，如何处理好这些参数是真空泵厂商和工程设计人员追求的工程应用目标。