喷射式真空泵设计

1、 学校代码：11517 学 号：201250616232 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 毕业设计题 目 喷射式真空泵设计 学生姓名 许士祥 专业班级 机械设计制造及其自动化 1222 班 学 号 201250616232 系 （部） 机械工程学院 指导教师(职称) 郭 怡（副教授） 完成时间 2014 年 05 月 25 日 河南工程学院论文版权使用授权书河南工程学院论文版权使用授权书本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字

2、化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 论文作者签名： 年 月 日河南工程学院毕业设计原创性声明河南工程学院毕业设计原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任

3、由本人承担。论文作者签名：年 月 日 毕业设计任务书毕业设计任务书题目题目 喷射式真空泵设计 专业专业 机械设计制造及其自动化 学号学号 201250616232 姓名姓名 许士祥 主要内容：主要内容：本次设计通过对喷射式真空泵的原理和结构的了解，从而对泵的抽气量、工作蒸汽消耗量、抽气时间等主要性能参数进行了选择设计和计算，同时对拉瓦尔喷嘴和扩压器等零部件的几何尺寸进行了设计计算。本次设计选取了蒸汽作为喷射泵的工作介质，蒸汽喷射式真空泵具有结构简单、工作稳定、使用寿命长等优点，同时也大大地缩短了泵的抽气时间，提高了泵的工作效率。基本要求：基本要求：本设计要求是泵的实际工作工作压力为 10 1.

4、310 Pa，允许的极限压力54（极限真空度）不低于 6.510 Pa。主要性能参数为：泵的进口处压力为3P =0.075MPa，泵的排出压力 P =0.11 MPa，工作条件连续，工作寿命 10 年14（每年工作 300 天） ，两班制。主要参考资料：主要参考资料：1 余国琮. 化工机械工程手册（中卷）M. 化学工业出版社, 2003: 223-237.2 葛中民. 机械设计基础M. 北京：有色金属工业出版社, 1995: 51-60.3 高香院. 现代低温泵M. 西安: 西安交通大学出版社, 1990: 21-23.4 梅剑珊. 氧化铝生产工艺M. 北京: 有色金属工业出版社, 1990:

5、 55-59.5 杨惠霞. 泵用干气密封技术及应用研究J. 流体机械, 2005, 11(3): 24-29.6 陈立德. 机械基础课程设计指导书（第二版）M. 北京: 高等教育出版设, 2004: 16-23.7 刘应书, 杜雄伟, 赵华. 富氧空调的可行性J. 暖通空调, 2006: 11-14.完完 成成 期期 限：限： 2013.12-2014.5 指指导导教教师师签签名名： 专业负责人签名：专业负责人签名： 年年 月月 日日喷射式真空泵设计目 录摘 要.IABSTRACT.II1 前言.11.1 真空泵的发展历程及趋势.11.2 真空泵的分类.32 真空泵概述.72.1 蒸汽喷射式真

6、空泵的工作原理.72.2 蒸汽喷射式真空泵的结构组成.72.3 蒸气喷射真空泵的分类.82.4 蒸汽喷射式真空泵的特点.82.5 影响真空泵能力的主要因素分析.92.5.1 对工作蒸汽及其干度的分析.92.5.2 对循环冷却水要求的分析.92.5.3 对真空泵系统密封要求的分析.102.5.4 对喷嘴要求的分析.103 蒸汽喷射式真空泵性能参数的选定与计算.113.1 蒸汽喷射泵结构设计背景.113.2 真空泵的设计要求.123.3 设计计算的条件假定.133.4 设计条件.13喷射式真空泵设计3.5 设计计算.143.5.1 真空度计算.143.5.2 真空泵被抽气体量、膨胀比以及压缩比的计

7、算.153.5.3 喷射系数的确定.163.5.4 喷射泵工作蒸汽量的计算.163.5.5 喷射泵抽气时间的计算.174 蒸汽喷射式真空泵结构组成与计算.194.1 拉瓦尔喷嘴的结构.194.2 拉瓦尔喷嘴的材质.194.3 拉瓦尔喷嘴的使用与防护.204.4 喷嘴几何尺寸计算.214.5 扩压器几何尺寸计算.224.6 吸入混合式计算.245 蒸汽喷射式真空泵的安装、维护与检修.255.1 蒸汽喷射式真空泵的安装.255.2 蒸汽喷射泵的维护.255.3 蒸汽喷射真空泵的故障查找与消除.255.3.1 真空系统示意图.255.3.2 原因分析.265.3.3 故障查找及解决.27结 论.29

8、喷射式真空泵设计致 谢.30参考文献.31附 录.32喷射式真空泵设计喷射式真空泵设计摘 要喷射式真空泵是利用泵流动时流体的动能与静压能相互转化的原理来吸送流体的，工作介质可以是气体，也可以是液体。本设计采用的工作介质是水蒸气。蒸汽喷射式真空泵具有结构简单，性能稳定可靠，启动快，无污染等特点。本文介绍了蒸汽喷射式真空泵的工作蒸汽压力、极限压力、吸入气体量等性能参数、工作原理及结构组成等。并且针对喷射式真空泵的总体结构进行了基本设计，包括基本性能参数的选择计算，拉瓦尔喷嘴以及扩压器的尺寸设计计算。同时还给出了该泵使用时的安装方案，检修和排查故障方法以及后期维护措施等。通过严格设计计算，从而设计出

9、了与生产相匹配的蒸汽喷射泵，这与传统意义上的真空泵相比较，不仅提高了泵的产能和运转周期，而且还降低了泵的各项消耗。关键词: 喷射泵；原理；设计计算喷射式真空泵设计IJET PUMP DESIGNABSTRACTJet pump is used to suction fluid with the principle that the fluid static pressure energy can convert to the kinetic energy mutually when the pump flow, which the working media could be gas or l

10、iquid. Water vapor is selected as working media in this design. The steam jet vacuum pump has several advantages such as simple structure, reliable performance, start fast, no pollution and so on. In this article, the working principle, the structure and the performance parameters of steam jet vacuu

11、m pump like the working pressure of steam, the extreme pressure, the amount of gas inhalation and others are described. And the overall structure of jet pump is basic designed, include the selection and calculation of basic performance parameters, the size calculation of the Laval nozzle and the dif

12、fuser. At the same time, the installation program when the pump using, the maintenance and troubleshooting methods, and the later maintenance measures are given. The jet pump that matches the production is designed by rigorous calculation. This pump improves the production capacity and operating cyc

13、le, and also reduces the consumption by comparing with the vacuum pump in the traditional sense.KEYWORDS: Jet pump ;Principles;Design calculations喷射式真空泵设计01 前言真空泵的定义：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的装置。它是一种旋转式变容真空泵，真空泵须有前级泵配合方可使用，对被抽除气体中含有灰尘和水蒸汽不敏感，在较宽的压力范围内有较大的抽速。真空泵是一个量大面广的产品，产量很大，产值不高，但它确实是一个直接影响

14、到真空成套设备性能质量的必不可少的基础产品。真空泵的市场根据用户的需要而发生动态变化。市场增长的主要驱动力来自于半导体工业的迅速发展以及干泵和分子泵应用领域的日益扩大。真空泵广泛用于塑料机械、农药化工、染料化工、砖瓦机械、低温设备、造纸机械、医药化工、食品机械、工业电炉、电子行业、真空设备、化肥、冶金、石油、矿山、地基处理等领域1。1.1 真空泵的发展历程及趋势 从1643年托里斯利实测出大气压强，1650年葛克利进行著名的马德堡半球实验以来，真空技术起始到今天已有三百多年的历史，但最初的二百多年内，其发展是十分缓慢的。从1905年盖德发明机械泵起，近一个多世纪来才有了快速发展。1930194

15、5年间，真空技术突破了实验室的圈子，进入了前途十分辽阔的生产技术领域，第二次世界大战以后，真空技术已成为工业生产技术发展与尖端科学研究中的重要组成部分。真空应用的迅速发展，要求提供高才平的各种真空泵，大大促进了真空获得技术设备水平的提高和发展。现在真空技术作为一种重要的技术手段，已广泛地应用到许多工业部门和尖端科学领域。如:真空在电子管工业、电光源工业中的应用2。真空镀膜存光学、微电子学、电子计算机、超导方面的应用。真空冷冻干燥在食品工业、医药工业、电气工业中的应用。真空蒸馏在化学工业、金属工业中的应用。真空在冶金方面的应用。真空在焊接、铸造、热处理、包装、成型、运输方面的应用。真空在原子能、

16、可控热核反应、电子显微镜、质量分析仪、低温技术、表面物理、材料性能、宇宙模拟等尖端科学方面的应用等。所有这些充分说明真空技术在发展国民经济和尖端科学方面都发挥着重大作用，而且还有许多这样的例子，既各项工业技术发展到一定阶段遇到问题阻碍前进或感再提高不易，一经采用真空技术，往往突破关键，从而提高到新的境域。另一方面，随着这许多应用部门的发展喷射式真空泵设计1和他们不断提出的新要求，也就促使着真空技术不断地向前发展。历史上电子管工业、原子能研究、以及宇宙空间探索等三个部门曾给予真空技术设备的发展以巨大的推动力3，成为真空技术发展史的上三个飞跃阶段。真空应用设备种类繁多，但无论何种真空应用设备都有一

17、套排除被抽容器内气体的系统，便在真空容器内获得所需要的真空条件。举例来说：一个真空处理用的容器，用管道和阀门将它与真空泵连接起来，当真空泵对容器进行抽空时，容器上要有真空我国真空设备行业自改革开放的20多年来有了很大的发展和长足的进步，这不仅反映在产值、产量上的大幅度增长，而且在品种、规格还是在综合技术水平上都取得了可观的成绩。尤其是“十五”以来，行业各企业抓住机遇，调整产品结构，大力推进技术创新，取得了许多大行业级以及国家级的新产品、新技术成果，为我国的国民经济建设，科学技术的发展，国防高新技术的提升做出了贡献4。真空泵行业对我国市场来说，仍是一个备受关注的新兴行业，消费者对于真空泵的认知相

18、当贫乏，而真空泵时尚潮流的汹涌袭来，暗示了行业发展中的不少问题，特别在真空系统方面，面对冬季取暖的到来，真空泵市场正经历着质量的大考验。真空泵是一种旋转式变容真空泵须有前级泵配合方可使用在较宽的压力范围内有较大的抽速对被抽除气体中含有灰尘和水蒸汽不敏感广泛用于冶金、化工、食品、电子镀膜等行业。真空泵广泛用于塑料机械、农药化工、染料化工、砖瓦机械、低温设备、造纸机械、医药化工、理等领域。食品机械、工业电炉、电子行业、真空设备、化肥、冶金、石油、矿山、地基处真空应用设备种类繁多，但无论何种真空应用设备都有一套排除被抽容器内气体的抽气系统，以测量装置，这就构成了一个最简单的真空抽气系统。近年来，真空

19、泵的市场越来越繁荣。据空调制冷大市场调查发现，现在我国的真空泵市场的销量呈现出逐年上涨的趋势，并且这种发展势头还在不断加速。随着环保力度的不断加大，原来一些用水环真空泵的企业或厂家因大量排出污水而被迫停止使用这种类型的真空泵，必须要选用无油的真空泵或闭式循环系统及 大型无油真空机组代替，比如立式无油往复泵和无油旋片泵，无油真空泵具有真空度高，抽速快，无污染的优点。由于无污水排放，所以WLW系列5无油立式真空泵特别适用于化工、医药和食品等行业，特别需要在清洁高真喷射式真空泵设计2空或者气体需洁净回收的环境中应用。WX型无油真空 泵的使用范围更广泛，应用于各种物品的吸收和输送，自动机械的物料供给设

20、备。通过对全球真空泵市场的分析我们可以看出，各类真空泵的市场及应用领域都在不断变化和发展。但特别应该指出的是，不断世事如何变化，环保是我们永恒的主题，作为机械设备的制造商，我们会谨遵这个主题，在不破坏环境的前提下，进行生产创新。目前，全球真空泵市场的年销售额约 20 亿美元，年增长率在 7%左右。我国生产真空泵的厂家很多，全部真空泵的年销售额大约在 1.5 亿元左右，仅相当于美国 Kinney 公司一家真空泵的年销售额。通过对全球真空泵市场的分析我们可以看出，各类真空泵的市场及应用领域都在不断变化和发展。我国真空泵制造业有着悠久的历史和雄厚的基础，国产真泵已经在各个不同领域得到应用并经过验证，

21、有些泵还出口国外，得到国外用户的认可并受到好评，应该说我国真空泵制造业在国内外市场仍然有着巨大的发展空间。 1.2 真空泵的分类(1) 水环真空泵水环真空泵内装有带固定叶片的偏心转子，将水（液体）抛向定子壁，水（液体）形成与定子同心的液环，液环与转子叶片一起构成可变容积的一种旋转变容积真空泵。虽然水环真空泵属于粗真空泵，但在我国的石油、化工、电力、轻纺、造纸、医药等领域仍然有着很大的市场。在国外，水环泵的销售额占全部真空泵市场的 14%，仅次于干泵，所以 NASH、SEIEMMS 和 KINNEY等公司都在我国投资建厂或建立销售网络，不断扩大在我国的市场份额。由于水环泵大部分是铸件，加工要求也

22、不高，属劳动密集型产品，所以国产水环泵在价格上有竞争优势，关键是要改进设计，缩小体积，减轻重量，提高效率，降低能耗。(2) 滑阀泵滑阀泵是油封式真空泵的一种。由于滑阀泵比较耐用、可靠，国内外各种真空炉、镀膜机以及干燥、浸渍等设备都是用滑阀泵作为前级泵，但是滑阀泵铸件重，加工工作量较大，所以国外各真空泵厂都在中国寻找合作伙伴。为了喷射式真空泵设计3使国产滑阀泵能够进入国际市场，必须进一步降低泵的振动噪声，杜绝喷油和漏油，提高滑阀泵长期运行的可靠性。(3) 直联旋片泵旋片式真空泵（简称旋片泵）是一种油封式机械真空泵6。其工作压强范围为 1013251.3310Pa，属于低真空泵。它可以单独使用，也

23、可以作为其它2高真空泵或超高真空泵的前级泵。它已广泛的应用于冶金、机械、军工、电子、化工、轻工、石油及医药等生产和科研部门。随着真空技术在各个应用领域的不断扩大，直联旋片泵的需求量越来越大。由于这种泵数量很多，加工装配工作量很大，价格又很低，所以有的国外真空泵厂商在中国建立专业厂。国产中小型直联旋片泵在技术上已经过关，价格又远比国外的泵便宜，所以国产泵仍然有竞争优势，关键是要解决轴封漏油以及旋片材料和真空泵油的性能质量问题，确保直联泵在高速、高温下性能稳定和运行可靠，同时还要进一步提高国产直联旋片泵抽除水蒸气的能力。(4) 罗茨真空泵从国外罗茨真空泵生产情况来看，国外几家大公司，如Leybol

24、d、Balzers、Alcatell、Edwards 和 ULVAC，他们各家罗茨泵的销售额占全球罗茨泵销售额的比例都没超过 5%，这 5 家总计才 20%，罗茨泵产量不大，但国外罗茨泵的价格远比国产泵要高得多。目前，国内外几乎所有大型或小型的高真空和中真空系统，为了缩短抽气时间、提高生产效率都配有罗茨泵。所以国产罗茨泵一定要在占领国内市场基础上设法进入国际市场，这样就必须进一步降低国产罗茨泵的振动噪声，彻底解决轴封漏油问题，改进泵的外观质量，提高泵内的光洁度和清洁度。另外，还要考虑到有些国家和地区的电源频率为60Hz，更要确保罗茨泵在提高转速的情况下长期运行的可靠性。目前，国内气冷式直排大气

25、罗茨泵进展很快，技术上已经成熟。由于这种泵在排气口的下面装有气体冷却器，其中一部分被冷却的气体通过管道返回泵腔以冷却转子，从而使压缩热得到平衡，所以这种泵可以直排大气。为了满足不同极限真空度的要求，这种泵可以串联使用，一般前面加一台气冷式直排大气罗茨泵，所达到的极限真空要比前级泵高一个数量级。这种泵由于在泵腔内没有工作介质，实际上也是属于干泵。目前，这种气冷式直排大气罗茨泵及机喷射式真空泵设计4组已经在石油、化工、塑料、农药、汽轮机转子动平衡、航空航天空间模拟等装置上得到了长期运行的考验，所以应该在国内大力推广和应用6。(5) 分子泵分子泵在国外半导体领域里的许多工艺场合是用来代替低温泵，尤其

26、是溅射、刻蚀和 LCVD 等装置都采用复合分子泵和牵引泵作为主泵。由于分子泵对水蒸气的抽速仅为同口径低温泵抽速的四分之一，所以分子泵的排气时间比低温泵长。为了提高抽速，国外在分子泵的入口侧装一个的低温冷板7，称之为低温分子泵，水蒸气被低温板捕获，其130150ooCC他气体则由分子泵抽走。这种低温分子泵在真空镀膜装置上应用，既提高了生产效率又改善了膜层质量。随着我国半导体工业、薄膜产业和科学研究事业迅速发展，分子泵应该是我国真空泵制造业发展的重点。首先，分子泵要从小到大建立完整系列，并研究开发各种复合分子泵、牵引泵和低温分子泵，以满足不同场合的需要。(6) 干式机械真空泵国外干式机械真空泵市场

27、的不断增长，其主要驱动来自于半导体行业、化学工业、薄膜产业的迅速发展。在日本，半导体行业已全部用干式真空泵代替油封式机械泵8，欧美半导体行业 45%以上用干式真空泵代替了油封式机械泵，大大提高了产品的性能和质量。为了满足不同应用领域和不同工况的要求，国外有多级罗茨真空泵、多级爪式真空泵、螺杆式真空泵、涡旋式真空泵、往复式活塞真空泵以及涡轮式无油真空泵等。极限压力从，抽速从21010PaPa。据统计，目前国产干式真空泵的应用还不足 1%，国内半3320/ 500/mhmh导体工业用的干式真空泵全部从国外进口，其价格十分昂贵。所以，我国应大力研究开发干泵，使干式真空泵成为我国真空工业新的经济增长点

28、。(7) 蒸汽喷射真空泵蒸汽喷射真空泵是一种结构简单、性能稳定可靠的真空获得设备，广泛应用于石油、化工、油脂、制药、冶金、轻工、纺织、食品、制糖、制盐等行业的真空蒸发、蒸馏、精馏、升华、干燥、结晶、浓缩、脱臭、脱色、脱水、过滤、真空输送物料、化学吸收、除气、除氧、制冷等工艺9。蒸汽喷射泵有一喷射式真空泵设计5定压强的工作，蒸汽通过拉瓦尔喷咀，减压增速（蒸汽的势能转变为动能）以超音速喷入混合室，与被抽介质混合，进行能量交换，混合后的气体进入扩压器，减速增压（动通转化为压强能），为了减少后级泵的抽气负荷，配置冷凝器，通过有一定温差的两种介质对流，进行热交换，达到冷凝高温介质目的，排到大气压。工作特

29、点是低位安装，不需要大气腿；适用于系统体积大，要求抽空时间短的场合；适用于系统不凝性气体量特别大的场合；可用于工作蒸汽含水率较高的场合以及用于工作蒸汽压力不稳定或低于 0.4MPaA 的场合10。喷射式真空泵设计62 真空泵概述2.1 蒸汽喷射式真空泵的工作原理蒸汽喷射式真空泵（以下简称喷射泵）是利用流体流动时的静压能与动能相互转换的气体动力学原理来形成真空11。具有一定压力的水蒸汽通过拉瓦尔喷嘴喉径时达到声速，到喷嘴的扩散部时,静压能全部转化为动能，达到超声速，同时喷嘴出口处形成真空，被抽气体在压差的作用下，被抽入吸入室和以超声速的蒸汽一边混合一边进入文丘里管，然后以亚声速从文丘里的扩散管排

30、出，同时混合的气体速度逐渐降低，压力随之升高，而后从排出口排出。如果将几个喷射泵串联起来使用，泵与泵中间加入冷凝器使蒸汽冷凝,便可得到更高的真空度。整台蒸汽喷射真空泵由若干级泵体与冷凝器两大部分组成。各级泵体均由喷嘴、入室及扩压器组成,喷嘴可以是单只，也可以是多只，喷嘴一般采用不锈钢材料，吸入室和扩压器等其它部件可采用不锈钢、铸铁及碳钢等材料12。图 2-1 蒸汽喷射泵工作原理图2.2 蒸汽喷射式真空泵的结构组成喷射式真空泵设计7图 2-2 为蒸汽喷射式真空泵的结构示意图13，该泵由工作蒸汽进入室、气体吸入室、拉瓦尔喷嘴和扩压器等相连组成。拉瓦尔喷嘴和扩压器两部件组成了一条断面变化的特殊气流通

31、道，工作蒸汽通过拉瓦尔喷嘴将压力能转变成动能进行抽气，而混合气流通过扩压器又将动能转变成压力能进行排气。工作蒸汽压 P0 和扩压器出口压力 P4 间的压力差，使工作蒸汽得以在管道中流动。1.吸入室 2.工作蒸汽进入室 3.拉瓦尔喷嘴 4.混合室 5.扩压器 6.压缩器 A被抽气体入口 B工作蒸汽入口 C混合气体出口图2-2 蒸汽喷射式真空泵结构简图2.3 蒸气喷射真空泵的分类单级喷射泵的压缩比（即排气压力与进气压力之比）一般不超过 1014，为了获得更低的极限压力，就要采用多级泵。表为不同级数喷射泵的性能。多级泵的每级喷射器所喷射出的混合气体为被抽气体与工作蒸汽的混合物，除末级排入大气外，都被

32、后一级抽除，这就会增加后一级的负载或使泵的工作性能变坏。因此,多级泵常在两级喷射器间安装中间凝汽器14，使混合气体中大部分可凝气体冷凝。若被抽气体中含有大量可凝性气体，而其分压又远高于凝汽器进水温度下的饱和蒸汽压，则在第一级入口处安装一级凝汽器。为回收末级混合气体的余热和消除气流噪声，可安装末级凝汽器。凝汽器的结构有混合式、表面式和喷射式等，设计时可按不同情况和要求选用。对于工作压力低于700 帕的喷射器，因蒸汽膨胀比大（喷嘴入口处与出口处的蒸汽压力比），出口处温度低于 0,为了防止结霜，必须在扩散器收缩段上设置加热套15。带有混合式凝汽器的喷射泵安装高度在 11 米以上，目的是使凝汽器的回水

33、能够靠自重排出泵外并保持泵的密封。这种泵称为高架式真空泵。为了降低土建投资，用水泵抽出回水可以降低安装高度，这种泵称为低架式真空泵。低架式泵的可靠性受水泵影响，而且，维修费用增加，故一般不采用。喷射式真空泵设计82.4 蒸汽喷射式真空泵的特点蒸汽喷射式真空泵是由一级或多级蒸汽喷射泵与高效冷凝器组成的，一定压力的饱和或过热蒸气通过拉瓦尔喷嘴减压增速后进入蒸汽喷射器的混合室，使混合室产生真空，被抽介质被抽吸进混合室与工作蒸汽混合，混合后的流体通过扩散管，速度下降，压力升高，直至达到下一级吸入口压力后排入下一级蒸汽喷射器。冷凝器前面的蒸汽喷射器排出的混合流体进入高效冷凝器后，可凝性汽体被冷却成液体与

34、不凝性气体一起随冷却水排出冷凝器外（见新型高效蒸汽喷射真空泵工艺流程图）。它可以实现任意高度安装，适合于抽吸的介质中不凝性气体量相对较小，大部分为可凝性汽体的工艺，代替传统的多级蒸汽喷射真空泵可以节约工作蒸汽 60%以上16。另外蒸汽喷射式真空泵启动快、工作压力范围宽、抽气量大、可抽吸含尘、易燃易爆气体，除水泵外无运动零部件，工作可靠，但耗水量大。作为泵引射用的动力有：水蒸气、油蒸汽、空气和水等，其中以水蒸气居多，其次是空气，少数情况用水用油作为单独喷射泵极少应用。2.5 影响真空泵能力的主要因素分析2.5.1 对工作蒸汽及其干度的分析蒸汽压力偏低及压力波动均对真空泵的能力有较大影响，因此蒸汽

35、压力不应低于要求的工作压力，但所用真空泵结构设计已定型，过多提高蒸汽压力并不会增加抽气量及真空度。另外，要确保锅炉供给的蒸汽压力稳定，最好用一台锅炉专门给蒸汽喷射泵提供工作蒸汽，这样蒸汽压力就不会出现波动，真空泵性能稳定。蒸汽的干度对真空泵的性能也有较大影响,其中含水会引起真空波动17，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 510的过热蒸汽。特别是五级泵，对蒸汽的品质要求非常高，含微量水分都可能引起喷嘴的冰塞，造成开第五级喷射器真空度反而下降或没有作用。2.5.2

36、对循环冷却水要求的分析 喷射式真空泵设计9冷却水供量不足，冷凝器会发热，气流声音变大,真空度迅速下降，甚至蒸汽会返入抽气管。对于列管间冷式冷凝器，应保证供水压力为 0.2MPa，供水量应比实际的用量稍微大一点，这样用水的波动会比较平稳。另外，为避免供水量不稳定而引起真空波动，最好采用单独的循环水系统对真空泵的冷凝器进行供水。冷却水温太高真空泵能力会下降，有时甚至抽不起真空，一般不超过 32。另外，冷却水温越高，耗用的蒸汽量越多。冷却水质对真空泵能力的影响也是一个不可忽视的因素，如果水质差，硬度高，会造成冷凝器积垢甚至堵塞，严重影响热交换性能，使蒸汽难于冷凝，从而影响真空度。所以应保证循环冷却水

37、为纯净的软化水。2.5.3 对真空泵系统密封要求的分析真空泵处于极限状态时，第 1 级排出的水很少，有时甚至没有。因此,第 1级泵有大量水排出，可以认为是系统有泄漏。 通常的漏气原因有:垫片没装、装错或损坏、螺栓拧紧、法兰面损坏、焊缝有沙眼，接头(压力表、真空表等)未装好。 最通用的查漏方法是整个系统通入带压空气,用肥皂水涂在各处。如有漏,漏点会有气泡，有时甚至能听到泄漏的声音。检验是否漏气的最终要求是：用0.2MPa 压缩空气对真空系统(包括泵体和大气腿)进行气密性试验，24 小时压力下降量不超过 4.8%18。2.5.4 对喷嘴要求的分析喷嘴是影响真空泵性能的重要部件，存在的问题有：喷嘴装

38、错、装歪、堵塞、损坏、腐蚀和泄漏，不管采取何种预防措施,喷嘴的堵塞在所难免。一方面由于安装蒸汽管道时，管道中残存的铁屑及焊渣会堵塞喷嘴；另一方面，真空泵系统停用时,蒸汽管道易生锈，锈斑在使用时掉落堵塞喷嘴。一般来说，第1、2 级喷嘴孔径较大，不易堵塞，最易堵塞的是第 3、4、5 级的喷嘴。喷嘴是否堵塞可通过触摸泵头和冷凝器的温度来确认19。喷射式真空泵设计103 蒸汽喷射式真空泵性能参数的选定与计算3.1 蒸汽喷射泵结构设计背景蒸汽喷射泵结构简单，但喷射泵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

39、寸。用这种方法设计出来的喷射泵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泵能够正常工作的前提。喷射泵技术的研究和应用已有100多年的历史了。在这以前，喷射泵的基本原理，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）奠定了喷射泵设计理论的基础，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泵设计过程中，诸如选择适宜的剖面形状、确定喷射泵的轴向尺寸等这样的问题。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

40、构的共同研究下，整理了喷射泵的计算方法，创造了一些足够完善喷射泵的结构，并创建了确定这些喷射泵轴向尺寸方法，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泵的计算方法的著作，大大促进了蒸汽喷射压缩泵和气体喷射压缩泵理论的发展。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泵的特点，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泵的可能极限状态之一种（第二极限状态）的方程式。在完善喷射泵的计算方法方面，在喷射泵的吸入

41、室中流动过程的物理解释方面，在整理计算喷射合泵理的轴向尺寸的工程关系式方面，起巨大作用的是自由喷射式真空泵设计11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泵进行了理论和实验的研究，加工整理计算喷射泵主要尺寸的方法和推导出描述喷射泵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，由于喷射泵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泵结构和性能方面的研究。Nabil Beithou等提出了计算蒸汽引射泵的数学模型10，从理论上很好的分析了引射器

42、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。Nahdi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。Chang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。Mastsuo20和Nahdi20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，喷射泵的结构对喷射泵的工作性能有很大的影响，

43、但并没有提出喷射泵结构设计的新方法。国内的王权等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泵喷射系数的影响；毋俊生等21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泵设计的领域中，占有着不可取代的地位。本设计就是以索科洛夫15的计算方法为依据，并结合化工机械工程手册喷射式真空泵设计12来实现蒸汽喷射式真空泵的结构设计

44、。3.2 真空泵的设计要求 本设计的要求为真空泵的级数为一级，工作介质为水蒸气。主要技术指标为：极限压力（极限真空度）不小于 6.510 Pa,工作压力为 10 1.310 Pa。354工作条件连续，工作寿命 10 年（每年工作 300 天） ，两班制。表 3-1 水蒸气喷射式真空泵级数与极限压力级数123极限压力/Pa6.51031.31031.3102工作压力/Pa10 1.310542.610 42.61033.910 33.9102级数456极限压力/Pa1.3101.31.3101工作压力/Pa6.510 26.5101.310 26.51.3106.5101数据来源：2003 年

45、1 月化工机械工程手册 （中卷）余国琮 主编3.3 设计计算的条件假定(1) 喷嘴与扩压器喉部以临界状态工作。(2) 引射系数按参考文献 1 的数据选取。(3) 设计参数确定后，按下面的近似公式进行核算 2 ：P =（D/D ） (1+U ) P (3-1)4kp32n0式中 P 泵出口排出压力，Pa；4 P工作蒸汽压力，Pa；0 D喷嘴喉部直径，mm； kp喷射式真空泵设计13D 扩压器喉部直径，mm。3(4) 该计算方法许可被抽气体分子量 1950，温度为 1050 。3.4 设计条件(1) 工作蒸汽压力：工作蒸汽压力对蒸汽喷射泵真空泵的影响很大，在实际运行过程中也最常见。根据不同的情况合

46、理调节工作蒸汽压力，既可以保证蒸汽喷射泵的正常运行，又可以降低蒸汽消耗。一般工作蒸汽压力不要低于 2.710N/m 表压，否则喷射泵的经济性很差，蒸汽压力愈高，喷射泵应用于生产就52愈经济。必须指出，工作蒸汽不能带水，否则将引起真空度的波动，甚至破坏其真空，一般采用饱和蒸汽或稍微过热的蒸汽。本设计中选定工作蒸汽压力P =0.6MPa。0(2) 吸入真空度：吸入真空度设计过高，不但使喷射设备复杂化，而且很不经济。相反，如果设计过低就会影响生产。应该按照被抽吸收、生产系统所需要的实际真空度或稍高 5%进行设计。(3) 吸入气体量：吸入气体量往往由可凝性气体和不可凝性气体二者组合。吸入气体量必须准确

47、无误。同时，必须说明吸入气体中每一组成的重量及其该组成的分子量。吸入气体的温度愈低，对喷射泵的操作特性就愈有利。(4) 大气压力：了解当地的大气压力，以便准确的计算各种绝对压力值。本设计的选定大气压为标准大气压强。(5) 喷射式真空泵在进口处的压力为 P =0.075MPa，喷射泵排出压力 P =0.11 14MPa，被抽气体温度为 30。(6) 设定喷射式真空泵在进口处压力为 0.075MPa 时的体积流量为q=3000m /h。33.5 设计计算3.5.1 真空度计算真空度即处于真空状态下的气体稀薄程度，通常用真空度表示。若所测设备内的压强低于大气压强，其压力测量需要真空表。从真空表所读得

48、的数值称真空度。真空度数值是表示出系统压强实际数值低于大气压强的数值。喷射式真空泵的真空度取决于大气压力和绝对压力，即：真空度=大气压力喷射式真空泵设计14-绝对压力。在本设计中，选定大气压力为 101KPa，绝对压力即是泵的吸入压力为 75KPa。由此可知： 真空度=大气压力绝对压力 (3-2) =101KPa75KPa=26 KPa根据不同的真空度可将真空区域分为低真空、中真空、高真空和超高真空。划分细则如下：（单位 torr） 。注：1torr133.322Pa表 3-2 真空泵真空级别与真空度值范围划分真空级别真空度值范围低真空7601中真空10.001高真空0.0010.000000

49、1超高真空低于 0.0000001数据来源：2003 年 1 月化工机械工程手册 （中卷）余国琮 主编本设计中的真空度为 26 KPa，经单位换算得真空度值为 195torr。根据表 3-2 可以看出本设计中真空泵的真空级别为低真空。3.5.2 真空泵被抽气体量、膨胀比以及压缩比的计算水蒸气喷射式真空泵的工作性能不仅与被抽气体量有关，还与膨胀比和压缩比有关，它们是反应真空泵性能的重要指标。被抽气体量 G 的计算公式1为：h G = q=3000m /h0.81Kg/ m (3-2)h33=2430Kg/h式中：q真空泵的体积流量，m /h；3 饱和水蒸气密度，Kg/ m ，取 0.81;3 G

50、 喷射泵被抽气体量，kg/h。h膨胀比即喷嘴处工作蒸汽压力和吸入压力的比值，喷射泵的工作压力越低则气膨胀比就会增大。其计算公式1为： E= P / P (3-3)01=0.6/0.075喷射式真空泵设计15 =8 取 10。式中：E膨胀比 ； P 工作蒸汽压力；MPa；0 P 喷射泵吸入压力；MPa。 1压缩比：单级喷射泵的压缩比（即排气压力与进气压力之比）一般不超过 10。其计算公式1为： K= P / P (3-4)41=0.11/0.075 =1.467 取 1.4。式中：K压缩比； P 喷射泵的吸入压力，MPa；1 P 喷射泵的排出压力，MPa。4注：压缩比 K 值，理论上 K=110

51、 之间，实际使用中经济压缩比值为 16 之间。3.5.3 喷射系数的确定喷射泵被吸入气体量与工作蒸汽量之比值称为喷射系数。也可以根据膨胀比E 与压缩比 K 确定。由上面计算得的膨胀比与压缩比，根据下图喷射系数图表可确定喷射系数20=1.73。喷射式真空泵设计16图 3-2 喷射系数确定图表3.5.4 喷射泵工作蒸汽量的计算蒸汽喷射式真空泵的工作蒸汽量即真空泵单位时间的蒸汽耗量（单位：Kg/h） 。它是被抽气体量与喷射系数的比值，其计算公式1为： (3-2)/0hGG =2430/1.73=1040kg/h式中：G工作蒸汽消耗量，kg/h；0 G 被抽空气量，kg/h；h 喷射系数。3.5.5

52、喷射泵抽气时间的计算抽气时间不仅与运行设备的容积有关，还与设备的真空度以及真空机组的漏气量等有关。其计算公式为18：t=(3-6)273)()(14TaQGppavah喷射式真空泵设计17式中：V被抽容积，m ；3 P 泵吸入压力，Pa；1 P 泵排出压力，Pa；4 G喷射泵被抽气体量，kg/h；h Q 真空机组漏人的空气量，kg/h；a T被抽气体温度，； a系数，对各级抽气量基本恒定时，末级 a 按表 3 选取，其他级可取a=1。表 3-2 按真空系统容积进行的泄漏量的估算容积/ m30.11.035102550100200空气平均泄漏量/kg.h10.10.50.51.012243648

53、5108201030数据来源：化工工艺设计手册（上册）中国石化集团上海工程有限公司编真空机组的泄漏量可按照表 2 进行估算。本毕业设计中，所要求的机组设备容积为 10 m ，依据上表 2 所给的参照数据，可大致估算空气平均泄漏量为336 kg.h。此次设计中，对真空系统的漏气量有较高的要求，故选择漏气量1为 3 kg.h。其中，系数 a 的选择可依据表 3 进行选择。1图 3-3 相对于压缩比 K 的 a 值喷射式真空泵设计18 毕业设计任务书中，所要求设计的真空泵的级数为 1 级，故系数 a 可依据表 3 进行选择。由上面数据算得压缩比 K=1.4，再根据表 3 确定系数 a 的数值为 0.

54、9。根据上面所给抽气时间公式及涉及的参量可算得：t = (3-7)273)()(14TaQGppavah =)30273()39 . 02430(10)075. 011. 0(109 . 060.43h=26min4 蒸汽喷射式真空泵结构组成与计算4.1 拉瓦尔喷嘴的结构本次设计选用了节流减压型拉瓦尔喷嘴，这种喷嘴是一个收缩一扩张型喷嘴，一般由稳定段、收缩段、喉口、扩张段四部分组成（如图 4-1 所示） 。喷射式真空泵设计19图 4-1 拉瓦尔喷嘴的结构(1) 稳定段。稳定段又称为安定段，其目的是使进入喷嘴的气流均匀或降低紊流度，稳定段的长度理论上是喉口直径的 10 倍左右。(2) 收缩段。收

55、缩段的作用是将气流从低速加速到音速，同时保证收缩段的出口气流均匀稳定，其性能取决于收缩段的进口面积和出口面积的比值及收缩段曲线形状。收缩段的半锥角一般选取比较大，为 30左右，同时从收缩段到喉口过渡部分用同一个大致不变的曲率半径，稍大于喉口半径，这样过渡比较光滑。(3) 喉口。喉口是气流从亚音速转变为超音速的过渡段，理论上讲，只要喉口上游和下游的截面积变化足够平缓，喉口的长度可以为 0。为了便于加工，一般横截面喉口的长度不超过喉口直径。(4) 扩张段。扩张段圆锥角一般采用 FD 左右。因为扩张角太大，在喷嘴出口处产生的激波比较严重，导致射流扩张比较快；扩张角太小，则超音速通道很长，附面层过厚和

56、产生压力损失。从喉口到扩张段的过渡应该非常光滑和平缓，从扩张段到喷嘴端面相交处有一小的曲率半径，而大的曲率半径会使射流不稳定。4.2 拉瓦尔喷嘴的材质拉瓦尔喷嘴从外观表面看，其稳定段、收缩段、扩张段三部分分别由钢板卷成形后焊接而成，各部分的金属外观也有差别见图 4，分别对三部分的化学成分、金相组织进行分析，其化学定量分析结果列于表 4。用线切割方法在喷嘴的三个部分上截取试样，将试样经过粗磨、精磨和抛光。扩张段的金相组织为奥氏体、铁素体；收缩段的金相组织为奥氏体；稳喷射式真空泵设计20定段的金相组织为铁素体、珠光体。根据金相检验和化学成分分析可以得出，2RH 喷嘴的扩张段和收缩段的材料为奥氏体类

57、的不锈钢，近似于我国的1Cr18Ni9Ti，稳定段的材料为 Rst34-2,相当于 Q215A。本设计中喷嘴的材质为1Cr18Ni9Ti。表 4-1 化学成分实测值CSPSiMnCrMoNiCuVTi扩张段0.0740.00820.0170.621.7316.020.648.930.0310.0870.47收缩段0.0890.00340.0500.411.4316.270.2610.280.0320.0430.56稳定段0.1100.01400.0170.140.460,0890.070.0380.0300.010 数据来源：2004 年上海宝钢股份公司炼钢厂发布的拉瓦尔喷嘴在蒸汽喷射泵中的应

58、用4.3 拉瓦尔喷嘴的使用与防护根据拉瓦尔喷嘴所接触的介质环境条件，选材必须是既耐磨，又耐蚀的材料。在常见的金属元素中 Mn 元素能提高钢的强度和显著提高钢的淬透性，经过冷加工后具有高的耐磨性；Cr 元素能提高钢的强度，提高韧性和耐磨性，含Cr 量高的钢，能增大抗腐蚀能力，与 Ni 元素配合能进一步提高抗腐蚀性；Ti元素能减少晶间腐蚀。因此选用奥氏体不锈钢作为喷嘴的材料。在众多的奥氏体不锈钢中，1Cr18Ni9Ti 是最经济易得的,而且原用喷嘴的收缩段和扩张段使用的就是近似于 1Cr18Ni9Ti 材料，使用效果还是相当不错的。喷嘴原用钢板卷曲后焊接成型，奥氏体不锈钢焊接的焊缝附近容易发生晶间

59、腐蚀，所以焊接后必须进行固溶处理和稳定化处理，但这种热处理难以实现，只有通过合适的焊接工艺降低晶间腐蚀倾向，但不能消除，所以现改用1Cr18Ni9Ti 不锈钢棒料通过冷加工制作而成。喷射式真空泵设计214.4 喷嘴几何尺寸计算图 2 为喷嘴尺寸示意图，喷嘴几何尺寸计算如下。图 4-2 喷嘴尺寸示意图(1) 喷嘴喉部直径 D18的计算kpD=1.6 (4-1)kp50010PG =1.65610106 . 01404=24.5mm取 D=25mm。kp(2) 喷嘴出口直径 D181 已知：C=0.612.52 B= P / P =10，喷嘴出口直径 D 计算公式18为：011 D =CB D (

60、4-2)110kp=0.612.521024.510=37.66mm 取 D =40mm。1(3) 喷嘴入口直径 D ，其计算公式18为：0喷射式真空泵设计22D =（34）D (4-0kp3) =325=75mm(4) 喷嘴喉部长度 L ，其计算公式18为：0 L =（12）D (4-4)0kp =125=25mm(5) 喷嘴锥度 K喷嘴渐缩段锥度 K =11.21喷嘴渐扩段锥度 K =144对于喷嘴的渐缩圆锥角锥度 K ，其数值应选定为 11.2 或者设计为圆弧进1口。此处渐缩圆锥角锥度 K 选定为 K =11.2。同时，在喷嘴渐扩段锥度 K11的选取时，对气体喷射泵 K =1413，但是