TW201516272A - 流體噴射裝置 - Google Patents

Abstract

本發明公開了藉由運動流體泵送介質的一種流體噴射裝置，其包含一殼體，具有供介質泵送的介質輸入管、供運動流體泵送的流體輸入管以及用於泵送運動流體和其夾帶介質的混合流體的出口；以及具有連接到出口的縮頸部及在遠離縮頸部的擴張部所組成的輸出管。其中用於運動流體的流體輸入管分成三段，第一區段沿運動流體流場的平均方向形成用於接收混合運動流體的接頭，第二區段沿運動流體流場的平均方向形成用於改變所述運動流體流場的通道，第三區段沿運動流體流場的平均方向形成用於沿輸出管的軸線實質同向地噴射所述運動流體的噴嘴。

Description

流體噴射裝置

本發明關於一種藉由運動流體泵送介質的流體噴射裝置。特別關於一種具有更高效率的流體噴射裝置。

噴射泵的雛型是由Henri Giffard發明於1858年。噴射泵泵利用文氏管效應藉由收縮-擴張的噴嘴將運動流體的壓力能量轉換為速度，其產生一個低壓區以吸引並且帶走待泵送的介質。運動流體與其夾帶介質的混合流體在收縮區段後被輸送到一喉部，混合流體的流速在此達到最大。接著，混合流體輸送到一擴張區段，混合流體在此膨脹並且產生壓降及減速。降速致使速度轉換回壓力能而再度壓縮混合流體。

噴射泵隨後被開發成各種設計和用途。如美國專利公告號US2275627為一個合適的例子， 其公開了用於以足夠的壓力供水的泵送系統。此泵送系統包括離心泵和噴射泵泵的組合藉以獲得更高的壓力。運動流體通過具有緊接噴嘴的彎曲管段的輸入管進入噴射泵。

另一個例子公開於美國專利公告號US2350401，其涉及一種直列式噴射泵，用於自一熔爐輸送燃燒的高溫（538℃至1093℃）氣態產物。

圖1所示為一個習知標準噴射泵的例子，且其公開了藉由運動流體泵送介質的一種典型噴射泵。此噴射泵通常被稱為直列式噴射泵，因為其運動流體噴射方向與被泵送的介質的流向相同。如現有技術的噴射泵的外殼提供用於泵送介質的輸入管以及用於運動流體流入的輸入管。其也提供一輸出管用於泵出被泵送介質和運動流體的混合的流體。

輸入管被分成三個區段。第一區段為一個接頭，其用於連通到一個輸出管系統和以接收初始的運動流體。在第二區段中，運動流體的方向藉由一個通道而被平順地改變約90度。此通道倒以平順圓角以降低流阻。第三區段包括一個噴嘴，其用於在輸出管的方向上噴射流動流體。

本發明的目的是提供一種具有增進效率的流體噴射裝置，即使用等量或近似量的運動流體能量，即能泵送更多的介質。

本發明有關於一種流體噴射裝置，其用於藉由一運動流體泵送一介質，且其包含一殼體及一輸出管，該殼體具有供介質泵送的一介質輸入管、供運動流體泵送的一流體輸入管以及供運動流體夾帶被泵送的介質混合成的一混合流體流出的一出口；該輸出管具有連接到出口的一縮頸部及在遠離縮頸部的一擴張部；其中，供運動流體流入的輸入管分成三區段，第一區段沿運動流體流場的平均流向形成一接頭用於接收運動流體，第二區段沿運動流體流場的平均流向形成一通道用於改變運動流體的流場，第三區段沿運動流體流場的平均流向形成一噴嘴用於沿輸出管的軸線實質同向地噴射運動流體；其中，第二區段的通道包含一後壁，實質上平直的後壁實質上平行於運動流體流場的平均流向，而且其中第二區段的通道在垂直運動流體流場的平均流向的橫截面沿該平均流向遞減。

此新的輸入管設計導致改進了約5-10％的效率。目前可知，當運動流體撞擊通道的實直上平直的後壁時被偏轉，其係由於流場內的流量增加所致，因此在通道的至少一部分造成更多紊流。至少部分為紊流的運動流體流場從噴嘴噴出時將夾帶更多被泵送的介質。

根據本發明所述，流體的平均流向被定義為在垂直於流場移動的一平面上的流場中心。因此，對於具有圓柱形體的通道而言，其中心是圓柱體的軸線。換言之，流體的平均流向可以被質心的運動所定義。

本說明書中及權利項中所述“實質上是平直的”或“實質上平行”意指在實際實施例中可以分別自平直和平行偏離10％或更少。 因此，通道的後壁可能會稍微不規則或彎曲，同時，實質上能得到本發明的改進的效果。舉例來說，在此通道的後壁為10cm，後壁可能自平直偏離1厘米或更少。

類似地，實質上是平直的後壁可以自平行於運動流體流場的平均流向偏離10°或更小。

為了獲得最好的結果，第一區段的接頭內的運動流體的初始平均流向與第二區段的通道的後壁之間的角度是100度至160度之間。當其角度太接近90°，運動流體將朝向噴嘴向下偏轉。當其角度太大，運動流體之流向將不會被明顯改變，則進入第三區段時變化將過於急劇。

在本發明的實施例中，在垂直第二區段的流道中的運動流體的平均流動方向的平面之橫截面上沿流向上減小。減小的橫截面面積增加了流場的壓力及/或增加了流場的速度。當流場進入第三區段時，平均流速的增加一般是設計用以增加紊流。

本發明的一個方面而言，第二區段的通道的實質上平直的後壁是環繞於垂直於運動流體流場平均流向。環壁加速了微流場，從而促進了紊流的形成。

在本發明的某些方面中，第二區段的通道的幾何形狀可通過一個母線的動作而描繪出。舉例而言，其幾何形狀可以是圓柱體、錐台形或多邊形。在一個具體的實施例中，其幾何形狀是具有合適的切面的錐體，藉以供連接第一區段以及第三區段。錐體的高度相較於鄰近第一區段的切面直徑可以是3到10倍的比例。母線和運動流體的流向之間的角度可以介於100度至160度之間。

本發明的一個方面而言，第二區段的通道和第三區段之間的接合處形成一個轉折。轉折造成運動流體的不連續流動，其將增強紊流流場。在本發明的某些方面中，實質上是平直的後壁之長度大於從前述接合處或轉折處至第三區段的尖端之距離。當運動流體離開噴嘴的前端，相對較短的第三區段長度產生一個持續的紊流，從而增加夾帶的介質的能力。

本發明的噴射泵可能被用於泵送任何的流體。由於此噴射泵沒有動件，因此其堅固的且不需要維護或只需要很少的維護。因此，可以泵送包含有砂和粉末的介質，如煤粉。包括污水和艙底污水等液體可被本發明被泵送。本發明的噴射泵也可用於運輸用燃料和或脫模用油品，係由於其可以降低或消除爆炸風險。其它類型的流體包括從壓載艙和貨艙中被泵送排出的水。

本發明的噴射泵可泵送的氣體包括煙霧、潛在爆炸性氣體和空氣。因此，如船舶的機房可以藉由吸出煙霧而保持通風，且壓載艙或液貨艙可以藉由抽氣而清空。由於不存在動件，即使易燃氣體也可泵送。

殼體和輸出管一般是金屬製。合適的材料包括青銅、鋁青銅、鑄鐵和不銹鋼。海上用途時，青銅一般建議避免過度腐蝕。噴嘴可以任何耐用材料製成。一般而言，噴嘴較佳地以不銹鋼製成。合適的不銹鋼包括AISI 329。

運動流體可以是液體或氣體。最常見的是利用水和空氣，少數是利用廢氣和其它氣體。如水一般的液體介質一般適用於泵送其它液體。基本上，噴射泵可藉由達到一定粘性程度以上的任何介質來驅動。

所述噴射泵可被設計為各種長度和容量。噴射泵的長度一般來說不小於40cm以獲得滿意的容量（立方米/小時）和效率。其長度基於現實考量通常不超過4.5米。其中最合適的長度介1m至3m之間。

下面結合附圖對本創作作進一步的說明：

圖2是作為本發明流體噴射裝置的一較佳實施例中的噴射泵1的剖視圖。前示斷面係沿圖4中所定義的AA剖線。噴射泵1包括兩個主要組件：一個殼體2和一個輸出管8。殼體2具有用於提供泵送介質的一個介質輸入管3、用於提供泵送運動流體的一流體輸入管4及一出口5。介質較佳地可以是液體，但本發明的裝置也可用於泵送氣體。介質通過一個未示出的管路而進入噴射泵1。此管路可藉由如鉚釘，螺釘和螺母，焊接等方式緊配連接到介質輸入管3。在圖2所示的實施例中，介質輸入管3設置有環繞介質輸入管3口緣的凸緣9。凸緣9上設置有穿孔（未示出）供螺釘和螺母鎖固管路。在凸緣9和管路之間可選撰性地使用墊片，以防止介質洩漏。

輸入的待泵送介質通過介質輸入管3進入殼體2。殼體2內徑急擴張，因此致使介質進入殼體2後壓降。在初段擴張之後的殼體2中段，殼體2的內徑轉變為定徑。

所述殼體2的流體輸入管4伸入到殼體2內的擴張段及其中段。用於運動流體的流體輸入管4可以被分成三個區段。第一區段11中設有一接頭用於自一個適當的供應源接收運動流體。此供應源可以是離心泵或能夠提供運動流體必要壓力以供以一需求速度抽吸待泵送介質的類似泵。一般來說，運動流體以2至12巴的壓力輸入本發明的噴射泵1。流體輸入管4設置有一凸緣10用於緊配流體輸入管4與連接到流體噴射泵1合適的管路。凸緣10可以設置有孔洞用供鎖附螺釘和螺母而緊配。流體輸入管4接頭以其內壁直接接觸運動流體藉以限定運動流體的平均流向。在具體實施例中，運動流體與被泵送介質實真上相互垂直地輸入。第一區段11鄰近第二區段的一部分壁面可以略微彎曲。

流體輸入管4的第二區段中設有一通道12用於改變運動流體的流向。第一區段11和第二區段的通道12可相連接，從而形成一個轉折，藉此在運動流體中形成不連續的流動。如圖示的實施例中，運動流體的平均流向與通道12之間的角度其在運動流體流場的外圍為125度，其在運動流體流場的中心為135度。通道12包括一個後壁13，其實質上平直地平行於運動流體流的平均流向。通道12上接觸運動流體流場中心部分的壁面14為平直的，其用於縮減被引導通道的運動流體的橫截面。在運動流體的流向上縮減橫截面致使運動流體升壓。

在第三區段15中設有一噴嘴16。第三區段15和所述第二區段的通道12可以相連接以形成一個轉折，藉此在運動流體中形成不連續的流動。在第三區段15中可以設置可更換的噴嘴16，其可以因磨損或因應特定的流體調整而更換。噴嘴16的尖端匯流入殼體2的一收斂部17。從噴嘴16的尖端噴射出的運動流體流在此尖端的周圍造成壓降。壓降產生抽吸效果，使得待泵送的介質被夾帶進入輸出管8。

輸出管8包含連接前述出口5的一個縮頸部（也稱為喉部）6和一擴張部7，擴張部7也被稱為擴散器。縮頸部分主要是一個定徑的圓柱體。縮頸部6的長度可以變化，其提供穩定混合流體流量的功能。輸出管8的縮頸部6連接到擴散部7，其橫截面面積的沿流向漸增。擴散部7的端部的橫截面面積大約等同於介質輸入管3的橫截面面積。

圖3所示為殼體的俯視圖。流體輸入管4的內部結構顯示了通道12的內壁。應注意的是，通道12具有垂直於運動流體的平均流向的一環壁。同樣應注意的是，此結構形成第一區段11與第二區段之間的轉折。

圖4公開了其中可見噴嘴16的殼體2前視圖。噴嘴16與輸出管8同軸配置，藉以供運動流體噴射入輸出管8的縮頸部6。

例1

參閱表1,本發明相較於如圖1所示的一個現有的直列式噴射泵，現有的直列式噴射泵長986mm，現有的直列式噴射泵之數據經由計算得到，而本發明的直列式噴射泵的測試數據經由物理測試得到。

該測試之進行方式首先選擇運動流體的壓力。接著，以一閥體控制調整噴出的流體量直到介質上達到一預定壓力。最後，介質的體積流量Q被測得，並且計算出其效率。

如實驗數據所示，本發明的直列式噴射泵的相較於現有的直列式噴射泵具有5-10％左右的效率提升。表1.現有的直列式噴射泵的計算值數據與本發明直列式噴射泵實驗所得的數據進行比較。<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 直列式噴射泵測試 </td></tr><tr><td></td><td> 介質 </td><td> 運動流體 </td><td> 總和 </td></tr><tr><td></td><td> 壓力P(BarG) </td><td> 流量Q(m³/h) </td><td> 壓力P(BarG) </td><td> 流量Q(m³/h) </td><td> 壓力P(BarG) </td><td> 流量Q(m³/h) </td></tr><tr><td> 計算值 </td><td> 0.3 </td><td> 32.0 </td><td> 3 </td><td> 52 </td><td> 1.0 </td><td> 84 </td></tr><tr><td> 測試值 </td><td> 0.3 </td><td> 34.0 </td><td> 3 </td><td> 54 </td><td> 1.1 </td><td> 88 </td></tr><tr><td> 效率變化(%) </td><td></td><td> 6.3 </td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> 計算值 </td><td> 0.3 </td><td> 40.0 </td><td> 5 </td><td> 66 </td><td> 1.6 </td><td> 106 </td></tr><tr><td> 測試值 </td><td> 0.3 </td><td> 44.0 </td><td> 5 </td><td> 69 </td><td> 1.7 </td><td> 113 </td></tr><tr><td> 效率變化(%) </td><td></td><td> 10.0 </td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> 計算值 </td><td> 0.5 </td><td> 35.0 </td><td> 5 </td><td> 66 </td><td> 1.7 </td><td> 101 </td></tr><tr><td> 測試值 </td><td> 0.5 </td><td> 37.0 </td><td> 5 </td><td> 69 </td><td> 1.7 </td><td> 106 </td></tr><tr><td> 效率變化(%) </td><td></td><td> 5.7 </td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> 計算值 </td><td> 0.7 </td><td> 40.0 </td><td> 5 </td><td> 66 </td><td> 1.7 </td><td> 106 </td></tr><tr><td> 測試值 </td><td> 0.7 </td><td> 44.0 </td><td> 5 </td><td> 67 </td><td> 1.6 </td><td> 111 </td></tr><tr><td> 效率變化(%) </td><td></td><td> 10.0 </td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> 計算值 </td><td> 0.25 </td><td> 60.0 </td><td> 5.5 </td><td> 67 </td><td> 1.45 </td><td> 127 </td></tr><tr><td> 測試值 </td><td> 0.26 </td><td> 64.0 </td><td> 5 </td><td> 67 </td><td> 1.6 </td><td> 131 </td></tr><tr><td> 效率變化(%) </td><td></td><td> 6.7 </td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr></TBODY></TABLE>

1‧‧‧噴射泵

2‧‧‧殼體

3‧‧‧介質輸入管

4‧‧‧流體輸入管

5‧‧‧出口

6‧‧‧縮頸部

7‧‧‧擴張部

8‧‧‧輸出管

9‧‧‧凸緣

10‧‧‧凸緣

11‧‧‧第一區段

12‧‧‧第二區段的通道

13‧‧‧後壁

14‧‧‧壁面

15‧‧‧第三區段

16‧‧‧噴嘴

17‧‧‧收斂部

圖1是習知的噴射泵。

圖2是本發明流體噴射裝置的剖視圖。

圖3是本發明之殼體俯視圖。

圖4是本發明之殼體前視圖。

1‧‧‧噴射泵

2‧‧‧殼體

3‧‧‧介質輸入管

4‧‧‧流體輸入管

5‧‧‧出口

6‧‧‧縮頸部

7‧‧‧擴張部

8‧‧‧輸出管

9‧‧‧凸緣

10‧‧‧凸緣

11‧‧‧第一區段

12‧‧‧第二區段的通道

13‧‧‧後壁

14‧‧‧壁面

15‧‧‧第三區段

16‧‧‧噴嘴

17‧‧‧收斂部

Claims (6)

1. 一種流體噴射裝置，用於藉由一運動流體泵送一介質，包含： 一殼體，具有泵送所述介質的一介質輸入管、用於泵送所述運動流體的一流體輸入管以及一出口，該出口供泵送所述運動流體及夾帶的所述介質混合而成的一混合流體；及 一輸出管，具有連接到該出口的一縮頸部及在遠離該縮頸部端的一擴張部； 其中，供所述運動流體流入的流體輸入管分成三區段，一第一區段沿所述運動流體流場的一平均流向形成一接頭用於接收所述運動流體，一第二區段沿所述運動流體流場的該平均流向形成一通道用於改變所述運動流體的流場，一第三區段沿所述運動流體流場的該平均流向的形成一噴嘴用於沿該輸出管的軸線實質同向地噴射所述運動流體； 其中，該第二區段的該通道包含一後壁，該後壁實質上平直地平行於所述運動流體流場的該平均流向； 其中，該第二區段的該通道在垂直所述運動流體流場的該平均流向的橫截面沿該平均流向遞減。
2. 如請求項1所述的流體噴射裝置，其中該第一區段的該接頭內初始的所述運動流體的該平均流向及該第二區段的該通道的該後壁之間的夾角介於100度至160度之間。
3. 如請求項1或2所述的流體噴射裝置，其中該第二區段的該通道的該後壁實質上環繞所述運動流體的該平均流向的垂直方向。
4. 如請求項3所述的流體噴射裝置，其中該第二區段的該通道的幾何形狀可被一母線的運動所限定。
5. 如請求項4所述的流體噴射裝置，其中該母線及所述運動流體的該平均流向之間的夾角介於100度至160度之間。
6. 如請求項5所述的流體噴射裝置，其中該第二區段及該第三區段交接處形成一轉折。