摘要：介紹了一種利用柴油機排出的廢氣流動獲得真空的柴油機自吸泵組，包括離心泵、柴油機、離合器、文丘里管、消音器、排氣管等，柴油機的輸出軸由離合器和聯(lián)軸器與離心泵輸入軸連接，在柴油機的消音器的排煙口處安裝有閘閥；在消音器側(cè)面另外設置有排氣管，該排氣管連接文丘里管進氣口，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。利用柴油機排出的廢氣進入文丘里管排出，把離心泵泵腔和離心泵進水管路內(nèi)的氣體抽出，形成真空，從而把低于離心泵進水口的水吸進泵腔，實現(xiàn)正常排水。

關(guān)鍵字：柴油機廢氣、渦輪增壓、文丘里管、自吸泵組

前言

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

01

在吸水池水泵進口管路末端處加裝底閥：柴油機泵組啟動前，往水泵腔內(nèi)灌水。把泵腔和水泵進水管路內(nèi)的空氣排干凈后，啟動柴油機泵組實現(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。而且對大流量柴油機泵組，由于水泵泵腔大、進水管直徑大等，需大量灌水，自動化程度低，使用起來很不方便。

02

柴油機泵組配備柴油機真空泵組：通過先啟動柴油機真空泵組，將水泵泵腔和水泵進水管路內(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入水泵進水管路和水泵泵腔內(nèi)，再啟動柴油機泵組實現(xiàn)正常供水。這種吸水方式中的真空泵也需要柴油機驅(qū)動，并且真空泵運行還要配備汽水分離器，不但增加了設備的占用空間，更增加了設備成本。

03

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

為了降低柴油機泵組的設備造價，減少泵組的占用空間，擴大柴油機泵組的使用范圍，充分利用柴油機運行時產(chǎn)生的廢氣高速通過文丘里管[1]排出，離心泵泵腔和離心泵進水管路中的氣體通過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水管路內(nèi)產(chǎn)生真空，低于離心泵進水口水源中的水在大氣壓的作用下進入水泵進水管路和離心泵泵腔，從而灌滿離心泵進水管路和離心泵泵腔，然后啟動離合器，把柴油機與離心泵接合，離心泵啟動，實現(xiàn)正常供水。

二 文丘里管工作原理

文丘里管^[1]是利用流體來傳遞能量和質(zhì)量的真空獲得裝置，其常見的結(jié)構(gòu)見圖1，由工作噴嘴、吸氣區(qū)、混合室、喉管和擴壓管等組成，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)生負壓的一種新型、高效、清潔、經(jīng)濟的真空元件。其獲取真空工作過程如下：

圖1 文丘里管結(jié)構(gòu)圖

01

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

a_1v1= a_2v2

式中a₁、a₂ — 點1截面與點2截面面積(m²）；

v₁、v₂ — 流經(jīng)點1截面與點2截面的流體流速，m/s。

由上式可知，截面增大，流速減??；截面減小，流速增大。

對于水平管路，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1與點2截面處相應的壓力(pa)

v1、v2 — 流經(jīng)點1與點2截面的流體流速(m/s)

ρ — 流體的密度(kg/m3)

由上式可知，動力流體在點1截面到點2截面過程中，流速不斷增大，壓力不斷降低。當v₂>v₁時，p₁>p₂，當v₂增加到一定值（可達到音速），p₂將小于一個大氣壓，即點3截面處產(chǎn)生負壓。

動力流體進入工作噴嘴擴張段，即點2截面到點3截面，動力流體速度繼續(xù)上升，壓力繼續(xù)下降。當動力流體達到工作噴嘴出口截面（點3截面）時，動力流體速度達到最大，可達超音速，此時，點3截面處的壓力達到最小，也就是真空度達到最大，可達90kpa。

02

點3截面到點5截面為動力流體與被抽吸流體的混合階段。

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

在混合室段和喉管前段（點3截面到點6截面），動力流體與被抽吸流體開始混合，并進行動量和能量交換，把動力流體由壓力勢能轉(zhuǎn)變來的動能傳給被抽吸流體，從而使動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4截面處兩者速度達到一致，經(jīng)文丘里管的喉管和擴壓管排出。

三 利用柴油機排出的廢氣流動獲得真空的自吸泵組的組成及工作原理

柴油機尾氣是指柴油發(fā)動機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)過經(jīng)有關(guān)研究部門測試，配備渦輪增壓器[3]的柴油機排出的廢氣的壓力可到0.2mpa。從能源的有效利用、環(huán)境保護和降低運行費用的角度出發(fā)，把柴油機運行排出的這種廢氣利用起來成為了一門研究的課題，渦輪增壓器[3]就是利用柴油機運行排出的這種廢氣作為動力運行的部件，用于提高進入柴油機氣缸空氣的壓力，使柴油燃燒更充分，達到提高柴油機動力性、提高比功率、改善燃料經(jīng)濟性、降低噪聲的目的。下面介紹的就是一種利用柴油機運行排出的廢氣作為動力流體，通過文丘里管抽吸出離心泵泵腔和離心泵進水管中的氣體，離心泵泵腔和離心泵進水管路內(nèi)產(chǎn)生真空，低于離心泵進水口水源的水在大氣壓的作用下進入離心泵進水管路和離心泵泵腔，從而灌滿離心泵進水管路和水泵泵腔，啟動離心泵，實現(xiàn)正常供水。其結(jié)構(gòu)見圖2，運行過程如下：

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  13.電池組

圖2  柴油機自吸泵組原理結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，離心泵進水口與浸沒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、管路。柴油機運行前，離心泵出水口閥門關(guān)閉，打開閘閥(6)，并通過離合器把離心泵與柴油機分離。柴油機啟動運行正常后，關(guān)閉閘閥(2),柴油機排出的廢氣由消音器通過排氣管(4)進入文丘里管，并由排氣管(11)排出。在此過程中，根據(jù)文丘里管原理，離心泵泵腔里的氣體通過閘閥和排氣管進入文丘里管，與柴油機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水口管路里形成真空，低于離心泵進水口水源中的水在大氣壓的作用下通過離心泵進水管進人離心泵泵腔。當離心泵泵腔和進水管路中充滿水以后，關(guān)閉閘閥(6)，打開閘閥(2)，并通過離合器把離心泵與柴油機接合，打開離心泵出水口閥門，這樣柴油機泵組就開始正常供水。經(jīng)測試，該柴油機泵組可以把低于離心泵進水管2米的水吸人離心泵泵腔。

上述利用柴油機排出的廢氣流動獲得真空的柴油機自吸泵組有以下特點：

1、有效解決柴油機泵組自吸能力；

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

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

4、文丘里管操作簡單、維修方便，不用專職人員管理，由于無機械傳動部分，所以噪聲低，不需消耗潤滑油。

5、文丘里管構(gòu)造簡單，使用壽命長。

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

四 提高柴油機泵組的吸水高度

前文介紹的柴油機自吸泵組是利用柴油機排出的廢氣流經(jīng)文丘里管獲得真空而具有自吸功能，但是，這種結(jié)構(gòu)柴油機泵組中的動力流體為柴油機排出的廢氣，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計成音速噴管型，甚至超音速噴管型，并且還要提高流經(jīng)文丘里管的動力流體的原始壓力。

圖3   渦輪增壓器原理結(jié)構(gòu)圖

提高柴油機泵組中流經(jīng)文丘里管動力流體的原始壓力，可以在柴油機的廢氣排出管道中設置渦輪增壓器[3]。渦輪增壓器[3]是一種空氣壓縮裝置，它是利用發(fā)動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪帶動同軸的葉輪，葉輪壓縮空氣，其結(jié)構(gòu)和工作原理圖見圖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力流體，可以獲得更高的真空度，即增加了柴油機泵組的吸水高度。

五

結(jié)論

利用柴油機排出的廢氣流動獲得真空的柴油機自吸泵組充分利用柴油運行時產(chǎn)生的廢氣高速流動、文丘里管和渦輪增壓技術(shù)，把離心泵泵腔和進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水管和泵腔，從而使柴油機泵組具有自吸作用。這種結(jié)構(gòu)的柴油機泵組結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、造價低，提高柴油機泵組的使用范圍。

參考文獻^?

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[2].劉鶴年.流體力學.中國建筑工而已出版社.2001

[3].陸家祥.柴油機渦輪增壓技術(shù).機械工業(yè)出版社.2018

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