摘要：介紹了一種利用柴油機(jī)排出的廢氣流動(dòng)獲得真空的柴油機(jī)自吸泵組，包括離心泵、柴油機(jī)、離合器、文丘里管、消音器、排氣管等，柴油機(jī)的輸出軸由離合器和聯(lián)軸器與離心泵輸入軸連接，在柴油機(jī)的消音器的排煙口處安裝有閘閥；在消音器側(cè)面另外設(shè)置有排氣管，該排氣管連接文丘里管進(jìn)氣口，文丘里管的旁路接口與離心泵的泵腔的排氣口連接，并在該管路上安裝一閘閥和一真空單向閥，文丘里管排氣口上連接有出氣管。利用柴油機(jī)排出的廢氣進(jìn)入文丘里管排出，把離心泵泵腔和離心泵進(jìn)水管路內(nèi)的氣體抽出，形成真空，從而把低于離心泵進(jìn)水口的水吸進(jìn)泵腔，實(shí)現(xiàn)正常排水。

關(guān)鍵字：柴油機(jī)廢氣、渦輪增壓、文丘里管、自吸泵組

前言

柴油機(jī)泵組是以柴油機(jī)為動(dòng)力的供水水泵機(jī)組，廣泛應(yīng)用于排澇、農(nóng)業(yè)灌溉、消防和臨時(shí)調(diào)水等。柴油機(jī)泵機(jī)經(jīng)常使用在從低于水泵進(jìn)水口吸水的工況，目前，在這種工況下抽水經(jīng)常使用下面幾種方式：

01

在吸水池水泵進(jìn)口管路末端處加裝底閥：柴油機(jī)泵組啟動(dòng)前，往水泵腔內(nèi)灌水。把泵腔和水泵進(jìn)水管路內(nèi)的空氣排干凈后，啟動(dòng)柴油機(jī)泵組實(shí)現(xiàn)正常供水。由于底閥裝在水池底部，若底閥發(fā)生故障，檢修很不方便。而且對(duì)大流量柴油機(jī)泵組，由于水泵泵腔大、進(jìn)水管直徑大等，需大量灌水，自動(dòng)化程度低，使用起來(lái)很不方便。

02

柴油機(jī)泵組配備柴油機(jī)真空泵組：通過(guò)先啟動(dòng)柴油機(jī)真空泵組，將水泵泵腔和水泵進(jìn)水管路內(nèi)空氣抽出，從而產(chǎn)生真空，水源中的水在大氣壓作用下進(jìn)入水泵進(jìn)水管路和水泵泵腔內(nèi)，再啟動(dòng)柴油機(jī)泵組實(shí)現(xiàn)正常供水。這種吸水方式中的真空泵也需要柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且真空泵運(yùn)行還要配備汽水分離器，不但增加了設(shè)備的占用空間，更增加了設(shè)備成本。

03

采用自吸泵和柴油機(jī)配套：自吸泵的效率低、體積大，并且自吸泵的流量小、揚(yáng)程低，在很多情況下達(dá)不到使用要求。

為了降低柴油機(jī)泵組的設(shè)備造價(jià)，減少泵組的占用空間，擴(kuò)大柴油機(jī)泵組的使用范圍，充分利用柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的廢氣高速通過(guò)文丘里管[1]排出，離心泵泵腔和離心泵進(jìn)水管路中的氣體通過(guò)與離心泵泵腔排氣口連接的文丘里管的抽吸接口排出，離心泵泵腔和離心泵進(jìn)水管路內(nèi)產(chǎn)生真空，低于離心泵進(jìn)水口水源中的水在大氣壓的作用下進(jìn)入水泵進(jìn)水管路和離心泵泵腔，從而灌滿離心泵進(jìn)水管路和離心泵泵腔，然后啟動(dòng)離合器，把柴油機(jī)與離心泵接合，離心泵啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)正常供水。

二 文丘里管工作原理

文丘里管^[1]是利用流體來(lái)傳遞能量和質(zhì)量的真空獲得裝置，其常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，由工作噴嘴、吸氣區(qū)、混合室、喉管和擴(kuò)壓管等組成，是真空發(fā)生裝置的主要組件，是一種利用正壓流體源產(chǎn)生負(fù)壓的一種新型、高效、清潔、經(jīng)濟(jì)的真空元件。其獲取真空工作過(guò)程如下：

圖1 文丘里管結(jié)構(gòu)圖

01

點(diǎn)1截面到點(diǎn)3截面為動(dòng)力流體在工作噴嘴內(nèi)的增速階段。較高壓力的動(dòng)力流體在工作噴嘴入口處（點(diǎn)1截面）以較低的速度進(jìn)入文丘里管的工作噴嘴。在工作噴嘴的漸縮段流動(dòng)時(shí)（點(diǎn)1截面到點(diǎn)2截面），由流體力學(xué)可知，對(duì)于不可壓縮的流體的連續(xù)性方程^[2]，點(diǎn)1截面的動(dòng)力流體流量q₁與點(diǎn)2截面動(dòng)力流體的流量q₂的關(guān)系為q₁=q₂，即

a_1v1= a_2v2

式中a₁、a₂ — 點(diǎn)1截面與點(diǎn)2截面面積(m²）；

v₁、v₂ — 流經(jīng)點(diǎn)1截面與點(diǎn)2截面的流體流速，m/s。

由上式可知，截面增大，流速減?。唤孛鏈p小，流速增大。

對(duì)于水平管路，按不可壓縮流體的伯努里方程^[2]

p₁+（1/2）*ρv1²=p₂+(1/2)ρv2²

式中p₁，p₂ — 點(diǎn)1與點(diǎn)2截面處相應(yīng)的壓力(pa)

v1、v2 — 流經(jīng)點(diǎn)1與點(diǎn)2截面的流體流速(m/s)

ρ — 流體的密度(kg/m3)

由上式可知，動(dòng)力流體在點(diǎn)1截面到點(diǎn)2截面過(guò)程中，流速不斷增大，壓力不斷降低。當(dāng)v₂>v₁時(shí)，p₁>p₂，當(dāng)v₂增加到一定值（可達(dá)到音速），p₂將小于一個(gè)大氣壓，即點(diǎn)3截面處產(chǎn)生負(fù)壓。

動(dòng)力流體進(jìn)入工作噴嘴擴(kuò)張段，即點(diǎn)2截面到點(diǎn)3截面，動(dòng)力流體速度繼續(xù)上升，壓力繼續(xù)下降。當(dāng)動(dòng)力流體達(dá)到工作噴嘴出口截面（點(diǎn)3截面）時(shí)，動(dòng)力流體速度達(dá)到最大，可達(dá)超音速，此時(shí)，點(diǎn)3截面處的壓力達(dá)到最小，也就是真空度達(dá)到最大，可達(dá)90kpa。

02

點(diǎn)3截面到點(diǎn)5截面為動(dòng)力流體與被抽吸流體的混合階段。

動(dòng)力流體在工作噴嘴出口截面處（點(diǎn)3截面）所形成的高速流體會(huì)在工作噴嘴出口附近形成真空區(qū)域，這樣壓力相對(duì)較高的附近被抽吸流體就會(huì)在壓力差的作用下，被吸入到混合室內(nèi)。被抽吸流體在點(diǎn)9截面被吸入混合室，從點(diǎn)9截面流動(dòng)到點(diǎn)5截面過(guò)程中，被抽吸流體速度不斷增加，壓力在從點(diǎn)9截面到點(diǎn)3截面段過(guò)程中不斷下降到動(dòng)力流體在工作噴嘴出口截面處（點(diǎn)3）的壓力。

在混合室段和喉管前段（點(diǎn)3截面到點(diǎn)6截面），動(dòng)力流體與被抽吸流體開(kāi)始混合，并進(jìn)行動(dòng)量和能量交換，把動(dòng)力流體由壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)變來(lái)的動(dòng)能傳給被抽吸流體，從而使動(dòng)力流體的速度逐漸降低，被抽氣吸體速度逐漸增高，兩者速度逐漸降低接近。最后，在點(diǎn)4截面處兩者速度達(dá)到一致，經(jīng)文丘里管的喉管和擴(kuò)壓管排出。

三 利用柴油機(jī)排出的廢氣流動(dòng)獲得真空的自吸泵組的組成及工作原理

柴油機(jī)尾氣是指柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒柴油后噴出的尾氣，屬于廢氣，但這種廢氣具有一定的熱量和壓力，經(jīng)過(guò)經(jīng)有關(guān)研究部門(mén)測(cè)試，配備渦輪增壓器[3]的柴油機(jī)排出的廢氣的壓力可到0.2mpa。從能源的有效利用、環(huán)境保護(hù)和降低運(yùn)行費(fèi)用的角度出發(fā)，把柴油機(jī)運(yùn)行排出的這種廢氣利用起來(lái)成為了一門(mén)研究的課題，渦輪增壓器[3]就是利用柴油機(jī)運(yùn)行排出的這種廢氣作為動(dòng)力運(yùn)行的部件，用于提高進(jìn)入柴油機(jī)氣缸空氣的壓力，使柴油燃燒更充分，達(dá)到提高柴油機(jī)動(dòng)力性、提高比功率、改善燃料經(jīng)濟(jì)性、降低噪聲的目的。下面介紹的就是一種利用柴油機(jī)運(yùn)行排出的廢氣作為動(dòng)力流體，通過(guò)文丘里管抽吸出離心泵泵腔和離心泵進(jìn)水管中的氣體，離心泵泵腔和離心泵進(jìn)水管路內(nèi)產(chǎn)生真空，低于離心泵進(jìn)水口水源的水在大氣壓的作用下進(jìn)入離心泵進(jìn)水管路和離心泵泵腔，從而灌滿離心泵進(jìn)水管路和水泵泵腔，啟動(dòng)離心泵，實(shí)現(xiàn)正常供水。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，運(yùn)行過(guò)程如下：

1.排煙口  2.閘閥  3.消音器  4.排氣管  5.排氣管  6.閘閥  7.離心泵  8.油箱  9.離合器  10.文丘里管  11.排氣管  12.柴油機(jī)  13.電池組

圖2  柴油機(jī)自吸泵組原理結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，離心泵進(jìn)水口與浸沒(méi)在低于水泵出水口水池的管道連接，出水口連接水泵出水閥門(mén)、管路。柴油機(jī)運(yùn)行前，離心泵出水口閥門(mén)關(guān)閉，打開(kāi)閘閥(6)，并通過(guò)離合器把離心泵與柴油機(jī)分離。柴油機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行正常后，關(guān)閉閘閥(2),柴油機(jī)排出的廢氣由消音器通過(guò)排氣管(4)進(jìn)入文丘里管，并由排氣管(11)排出。在此過(guò)程中，根據(jù)文丘里管原理，離心泵泵腔里的氣體通過(guò)閘閥和排氣管進(jìn)入文丘里管，與柴油機(jī)排出的廢氣混合后由排氣管排出。這樣離心泵泵腔和離心泵進(jìn)水口管路里形成真空，低于離心泵進(jìn)水口水源中的水在大氣壓的作用下通過(guò)離心泵進(jìn)水管進(jìn)人離心泵泵腔。當(dāng)離心泵泵腔和進(jìn)水管路中充滿水以后，關(guān)閉閘閥(6)，打開(kāi)閘閥(2)，并通過(guò)離合器把離心泵與柴油機(jī)接合，打開(kāi)離心泵出水口閥門(mén)，這樣柴油機(jī)泵組就開(kāi)始正常供水。經(jīng)測(cè)試，該柴油機(jī)泵組可以把低于離心泵進(jìn)水管2米的水吸人離心泵泵腔。

上述利用柴油機(jī)排出的廢氣流動(dòng)獲得真空的柴油機(jī)自吸泵組有以下特點(diǎn)：

1、有效解決柴油機(jī)泵組自吸能力；

2、文丘里管體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，而其造價(jià)又低于常用真空泵系統(tǒng)，因此，這種結(jié)構(gòu)的柴油機(jī)泵組節(jié)省了設(shè)備占用空間和安裝費(fèi)，降低了工程造價(jià)。

3、這種結(jié)構(gòu)的柴油機(jī)泵組使柴油機(jī)泵組的使用更加廣泛，提高了柴油機(jī)泵組的使用范圍；

4、文丘里管操作簡(jiǎn)單、維修方便，不用專(zhuān)職人員管理，由于無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部分，所以噪聲低，不需消耗潤(rùn)滑油。

5、文丘里管構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)。

這種結(jié)構(gòu)的柴油機(jī)泵組之所以能夠把低于離心泵進(jìn)水口中的水吸進(jìn)來(lái)，充分利用柴油機(jī)運(yùn)行排出的廢氣高速流經(jīng)核心部件文丘里管，使本來(lái)不具備自吸功能的柴油機(jī)泵組具備了自吸功能。

四 提高柴油機(jī)泵組的吸水高度

前文介紹的柴油機(jī)自吸泵組是利用柴油機(jī)排出的廢氣流經(jīng)文丘里管獲得真空而具有自吸功能，但是，這種結(jié)構(gòu)柴油機(jī)泵組中的動(dòng)力流體為柴油機(jī)排出的廢氣，壓力比較低，因此，產(chǎn)生的真空度也比較低，限制了離心泵的吸水高度，也限制了泵組的使用范圍。如果要提高離心泵的吸水高度，就必須提高文丘里管吸氣區(qū)的真空度，根據(jù)文丘里管的工作原理，提高文丘里管吸氣區(qū)的真空度就要把文丘里管的工作噴嘴設(shè)計(jì)成音速?lài)姽苄?，甚至超音速?lài)姽苄停⑶疫€要提高流經(jīng)文丘里管的動(dòng)力流體的原始?jí)毫Α?/span>

圖3   渦輪增壓器原理結(jié)構(gòu)圖

提高柴油機(jī)泵組中流經(jīng)文丘里管動(dòng)力流體的原始?jí)毫?，可以在柴油機(jī)的廢氣排出管道中設(shè)置渦輪增壓器[3]。渦輪增壓器[3]是一種空氣壓縮裝置，它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來(lái)推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪帶動(dòng)同軸的葉輪，葉輪壓縮空氣，其結(jié)構(gòu)和工作原理圖見(jiàn)圖3。渦輪增壓器分高壓、中壓和低壓三種，其輸出壓縮氣體壓力分別為：高壓大于0.3mpa，中壓為0.1-0.3mpa，低壓低小于0.1 mpa，并且渦輪增壓器輸出的壓縮氣體的壓力相對(duì)穩(wěn)定。如果采用渦輪增壓器輸入的壓縮氣體作為文丘里管動(dòng)力流體，可以獲得更高的真空度，即增加了柴油機(jī)泵組的吸水高度。

五

結(jié)論

利用柴油機(jī)排出的廢氣流動(dòng)獲得真空的柴油機(jī)自吸泵組充分利用柴油運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的廢氣高速流動(dòng)、文丘里管和渦輪增壓技術(shù)，把離心泵泵腔和進(jìn)水管中的氣體抽出而產(chǎn)生真空，把低于離心泵水源的水吸入離心泵進(jìn)水管和泵腔，從而使柴油機(jī)泵組具有自吸作用。這種結(jié)構(gòu)的柴油機(jī)泵組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、造價(jià)低，提高柴油機(jī)泵組的使用范圍。

參考文獻(xiàn)^?

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