混凝土射流泵裝置的理論設(shè)計

1、混凝土射流泵裝置的理論設(shè)計原作者：張昉 楊儉出處：【關(guān)鍵詞】平面勢流，混凝土射流泵,混合特性【論文摘要】基于平面勢流理論對混凝土射流泵裝置的主要參數(shù)進行了理論設(shè)計，提出了一種新的設(shè)計方法。該方法是通過流體的流動及混合特性計算岀混凝土射流泵的性能，具有一定的工程應(yīng)有價值。VP STYLE='TEXT-INDENT : 26'>Theoretical Desig n of the Con crete Jet PumpZha ng Fang et alAbstract:According to the theory of the plane

2、potential flow,main parameters are calculated for the concrete jet pump.A new desig n method put forward deals with the performa nee of the con crete jet pump through flow equati ons and mixing characteristics.The new method is valuable to egineering application.Keywords:plane potential flow,concret

3、e jet pump,mixing characteristics1 刖言射流泵是利用射流紊動擴散作用，來傳遞能量和質(zhì)量的流體機械。如圖1所示，有壓流體通過噴嘴射岀，在噴嘴口與周圍被吸流體發(fā)生動量交換，這兩股流體在喉管內(nèi)混合，并且速度漸趨一致，最后混合流體沿排出口輸送出去。圖1射流泵工作原理近年來，在隧道、礦山、大型峒室及鐵道護坡、鋼筋混凝土建筑施工中都大量使用混凝土噴射機，這種噴射機存 在著許多缺點，因此迫切需要設(shè)計開發(fā)一種新的混凝土輸送設(shè)備。筆者設(shè)想把射流泵應(yīng)用于混凝土輸送中，即混凝土 射流泵。這種泵是利用流體來傳遞能量和質(zhì)量，本身沒有運動部件，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，工作可靠，安裝維修方

4、便。2混凝土射流泵理論設(shè)計2.1 混凝土射流泵的組成混凝土射流泵由電機、高壓泵、噴嘴、混合腔、混凝土進料裝置、混凝土輸送管組成，如圖2所示。由于高壓水通過噴嘴射出，在噴嘴口與被吸混凝土發(fā)生動量交換，使其在喉管內(nèi)混合，并且速度漸趨一致，這樣混凝土沿排出口 輸送岀去。世就土進*4裝置2.2 噴嘴的設(shè)計(1) 噴嘴設(shè)計原理1噴嘴是流體射流的發(fā)生元件。它不但把靜壓能轉(zhuǎn)換為動壓，而且保證射流具有良好的流動特性和動力性能。為了 設(shè)計噴嘴內(nèi)壁面形狀和尺寸，必須求岀內(nèi)部流動微分方程的數(shù)值解，以便求岀噴嘴的幾何參數(shù)。因此，應(yīng)先分析普遍 應(yīng)用的收斂型噴嘴的內(nèi)部流動。總的看來，噴嘴內(nèi)部流動由兩部分組成：一是流動速度

5、大而橫向速度梯度和紊流度都 較小的核心區(qū)，通常近似地看作勢流核心區(qū)；另一部分則是流速小而橫向速度大的邊界層。由于描述這兩部分流動的 微分方程不同，必須列岀方程組，并求岀它們的數(shù)值解。(2) 噴嘴理論分析噴嘴內(nèi)核心區(qū)流動可按軸對稱平面勢流處理。根據(jù)流函數(shù)$ (x,r)定義可寫岀核心區(qū)流體的軸向速度ux及徑向速度ur :ux= $/斜(1)ur=|l |$/|&X(2)連續(xù)方程即下列的Laplace方程：生辿丄心卄宀廠式中 UXx軸向分速度urr徑向分速度根據(jù)預(yù)先給岀的噴嘴內(nèi)壁幾何條件，可用有限差分法求解式(3) : 2 采用下列諸方程分析噴嘴內(nèi)部的邊界層，即連續(xù)方程、動量方程和輸運方程分

6、別為:打世 ihdH ilRdx+2#+ dx=0=0(5)式中H形狀因子R噴嘴半徑，R=R(x)v噴嘴核心區(qū)的軸向速度 n軸對稱平均形狀因子 o邊界層動量厚度輸運參量Cf 壁面摩擦系數(shù)噴嘴內(nèi)部勢流核與邊界層的諸方程分別求解，再通過兩者結(jié)合邊界上的速度匹配，得岀一個完整的噴嘴內(nèi)部流動 特性13 。另外，根據(jù)上述諸方程，可以推岀噴嘴流量系數(shù)的理論公式。對于岀口圓柱段的噴嘴，流量系數(shù)$1為:14言中二I山 式中 di噴嘴岀口直徑5邊界層厚度基于該理論進行噴嘴設(shè)計。3計算實例設(shè)計一臺混凝土射流泵，要求該泵的揚程為16m,流量為6.5m3/h。3.1噴嘴幾何參數(shù)的確定如圖3所示，收斂型噴嘴的幾何參數(shù)主

7、要有：噴嘴的收斂角a,岀口直徑di,圓柱段長度丨，還有噴嘴長度 L及內(nèi)壁面粗糙度。通常噴嘴岀口直徑di取決于射流流量，是設(shè)計噴嘴的原始數(shù)據(jù)。計算得d1=4mm l=(2.5-3.0)d1，a =13.5 °。這些參數(shù)的最佳值還要靠實驗加以確定。圖3 噴嘴及喉管入口部3.2 喉管的設(shè)計喉管采用收縮半角a 1=20°，喉管入口與噴嘴之間距離11 > 10mm喉管直徑d2=15mm擴散管長度l2=130mm，岀口端直徑d3=32mm擴散角a 2=8°。3.3 進料裝置設(shè)計進料裝置主體為圓錐形，如圖4所示。下端直徑與吸入室直徑相同。上端直徑為360mm錐度1 : 2

8、，錐體高312mm進料裝置上部焊接一高度 160mm的圓筒，圓筒中裝一個傾斜20°的篩網(wǎng)，篩孔直徑 5mm防止粒徑大于 5mm碎石進入。特別是要防止各種異物進入泵內(nèi)，引起射流泵及管路的堵塞。圖4進料裝置3.4 混凝土成分4 混凝土由清水、水泥、細砂、碎石組成。水泥為普通硅酸鹽水泥，密度p c=3.10g/cm3，細砂粒徑小于1.6mm,表觀密度即自然狀態(tài)下的密度 p s=2.65g/cm3。碎石粒徑在1.65mm之間，表觀密度p G=2.70g/cm3,清水密度p 0=1.00g/cm3。3.5 噴岀混凝土參數(shù)混凝土配合比：W C： S： G=0.53 : 1 : 2 ：2(8)式中

9、 W 水質(zhì)量C水泥質(zhì)量G水泵質(zhì)量S細砂質(zhì)量0.40.6，混凝土強度隨 W/C增大而減小。W/C稱為水灰比，一般在 混凝土密度：(9)把數(shù)據(jù)代入式(9)計算得 ph =2.35g/cm3。3.6 射流泵的流量計算首先計算流量比5，即射流泵流量與工作流體流量之比：q=(C/ p c+S/ p s+G/p G+Wp 0)/(W/ p 0)(10)把數(shù)據(jù)代入式(10)計算得q=4.34。取工作流體流量為 1.5m3/h，則射流泵的流量qc=4.43 X 1.5=6.6m3/h。3.7 射流泵岀口壓力首先計算岀壓力比，即射流泵岀口壓力與工作流體壓力之比5，計算得h=0.054取工作流體壓力為 7.5MP

10、a，則射流泵的岀口壓力p=7.5 X 0.054=0. 405MPa射流泵揚程：Hc=p/(g p h)=17.6m滿足參數(shù)要求，根據(jù)參數(shù)選擇 3D-1.6/80 臥式三柱塞泵，并配有一個水箱。4 結(jié)論(1) 從計算結(jié)果可知， 按本文方法設(shè)計的混凝土噴射泵所配動力源的功率只有3.6kW ，與同樣功能混凝土噴射機相比，其功率小得多。(2) 本文提出的混凝土射流泵裝置的設(shè)計方法是一種有效的理論計算方法，為研究、開發(fā)、設(shè)計混凝土射流泵提 供了理論依據(jù)。作者單位：張昉，女， 35 歲，工學(xué)學(xué)士，講師，發(fā)表論文數(shù)篇，主要從事科研和教學(xué)工作。通訊簡介： 215600 江蘇 省張家港市沙工新村 10 幢 404 室。張昉 (沙洲工學(xué)院 )楊儉 (沙洲工學(xué)院 )參考文獻1，孫家駿 . 水射流切割技術(shù) . 中國礦業(yè)大學(xué)出版社， 19922， Lohn P D,Brent D A. Nozzle Design For Improved Water jet Cutting.3rd Intern.Symp on WJCT,Paper A3,