混凝土射流泵装置的理论设计

1　前言

　　射流泵是利用射流紊动扩散作用，来传递能量和质量的流体机械。如图1所示，有压流体通过喷嘴射出，在喷嘴口与周围被吸流体发生动量交换，这两股流体在喉管内混合，并且速度渐趋一致，最后混合流体沿排出口输送出去。

图1　射流泵工作原理

　　近年来，在隧道、矿山、大型峒室及铁道护坡、钢筋混凝土建筑施工中都大量使用混凝土喷射机，这种喷射机存在着许多缺点，因此迫切需要设计开发一种新的混凝土输送设备。笔者设想把射流泵应用于混凝土输送中，即混凝土射流泵。这种泵是利用流体来传递能量和质量，本身没有运动部件，结构简单，制造成本低，工作可靠，安装维修方便。

2　混凝土射流泵理论设计

    2.1　混凝土射流泵的组成
　　混凝土射流泵由电机、高压泵、喷嘴、混合腔、混凝土进料装置、混凝土输送管组成，如图2所示。由于高压水通过喷嘴射出，在喷嘴口与被吸混凝土发生动量交换，使其在喉管内混合，并且速度渐趋一致，这样混凝土沿排出口输送出去。

图2　混凝土射流泵示意图

    2.2　喷嘴的设计
　　(1)喷嘴设计原理
　　喷嘴是流体射流的发生元件。它不但把静压能转换为动压，而且保证射流具有良好的流动特性和动力性能。为了设计喷嘴内壁面形状和尺寸，必须求出内部流动微分方程的数值解，以便求出喷嘴的几何参数。因此，应先分析普遍应用的收敛型喷嘴的内部流动。总的看来，喷嘴内部流动由两部分组成：一是流动速度大而横向速度梯度和紊流度都较小的核心区，通常近似地看作势流核心区；另一部分则是流速小而横向速度大的边界层。由于描述这两部分流动的微分方程不同，必须列出方程组，并求出它们的数值解。
　　(2)喷嘴理论分析
　　喷嘴内核心区流动可按轴对称平面势流处理。根据流函数φ(x,r)定义可写出核心区流体的轴向速度ux及径向速度ur：

ux=φ／r　　(1)

ur=φ／x　　(2)

　　连续方程即下列的Laplace方程：

　　(3)

式中　ux——x轴向分速度
　　　ur——r径向分速度
　　根据预先给出的喷嘴内壁几何条件，可用有限差分法求解式(3)［2］。
　　采用下列诸方程分析喷嘴内部的边界层，即连续方程、动量方程和输运方程分别为：

　　(4)

　　(5)

　　(6)

式中　H——形状因子
　　　R——喷嘴半径，R=R(x)
　　　v——喷嘴核心区的轴向速度
　　　η——轴对称平均形状因子
　　　θ——边界层动量厚度
　　　ψ——输运参量
　　　Cf——壁面摩擦系数
　　喷嘴内部势流核与边界层的诸方程分别求解，再通过两者结合边界上的速度匹配，得出一个完整的喷嘴内部流动特性［1～3］。
　　另外，根据上述诸方程，可以推出喷嘴流量系数的理论公式。对于出口圆柱段的喷嘴，流量系数φ1为：

　　(7)

式中　d1——喷嘴出口直径
　　δ——边界层厚度
　　基于该理论进行喷嘴设计。

3　计算实例

　　设计一台混凝土射流泵，要求该泵的扬程为16m，流量为6.5m3/h。

    3.1　喷嘴几何参数的确定
　　如图3所示，收敛型喷嘴的几何参数主要有：喷嘴的收敛角α，出口直径d1，圆柱段长度l，还有喷嘴长度L及内壁面粗糙度。通常喷嘴出口直径d1取决于射流流量，是设计喷嘴的原始数据。计算得d1=4mm，l=(2.5-3.0)d1，α=13.5°。这些参数的最佳值还要靠实验加以确定。

图3　喷嘴及喉管入口部

    3.2　喉管的设计
　　喉管采用收缩半角α1=20°，喉管入口与喷嘴之间距离l1＞10mm，喉管直径d2=15mm，扩散管长度l2=130mm，出口端直径d3=32mm,扩散角α2=8°。

    3.3　进料装置设计
　　进料装置主体为圆锥形，如图4所示。下端直径与吸入室直径相同。上端直径为360mm，锥度1∶2，锥体高312mm。进料 装置上部焊接一高度160mm的圆筒，圆筒中装一个倾斜20°的筛网，筛孔直径5mm，防止粒径大于5mm碎石进入。特别是要防止各种异物进入泵内，引起射流泵及管路的堵塞。

图4　进料装置

   3.4　混凝土成分
　　混凝土由清水、水泥、细砂、碎石组成。水泥为普通硅酸盐水泥，密度ρc=3.10g/cm3，细砂粒径小于1.6mm，表观密度即自然状态下的密度ρs=2.65g/cm3。碎石粒径在1.6～5mm之间，表观密度ρG=2.70g/cm3，清水密度ρ0=1.00g/cm3。

    3.5　喷出混凝土参数
　　混凝土配合比：

W∶C∶S∶G=0.53∶1∶2∶2　　(8)

式中　W——水质量
　　　C——水泥质量
　　　G——水泵质量
　　　S——细砂质量
　　W/C称为水灰比，一般在0.4～0.6，混凝土强度随W/C增大而减小。
　　混凝土密度：

　　(9)

　　把数据代入式(9)计算得　ρh=2.35g/cm3。

    3.6　射流泵的流量计算
　　首先计算流量比，即射流泵流量与工作流体流量之比：

q=(C/ρc+S/ρs+G/ρG+W/ρ0)/(W/ρ0)　　(10)

　　把数据代入式(10)计算得q=4.34。
　　取工作流体流量为1.5m3/h，则射流泵的流量qc=4.43×1.5=6.6m3/h。

    3.7　射流泵出口压力
　　首先计算出压力比，即射流泵出口压力与工作流体压力之比［5］，计算得h=0.054
　　取工作流体压力为7.5MPa，则射流泵的出口压力p=7.5×0.054=0.405MPa
　　射流泵扬程：
　　Hc=p/(gρh)=17.6m
　　满足参数要求，根据参数选择3D-1.6/80卧式三柱塞泵，并配有一个水箱。

4　结论

　　(1)从计算结果可知，按本文方法设计的混凝土喷射泵所配动力源的功率只有3.6kW，与同样功能混凝土喷射机相比，其功率小得多。
　　(2)本文提出的混凝土射流泵装置的设计方法是一种有效的理论计算方法，为研究、开发、设计混凝土射流泵提供了理论依据。

选自《流体机械》