МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ РАБОЧАЯ КАМЕРА ЭЖЕКТОРА И ЭЖЕКТОР (ВАРИАНТЫ)
MULTI-STAGE WORKING CHAMBER OF EJECTOR AND EJECTOR (VERSIONS)

Группа изобретений относится к области струйных устройств, используемых в частности, для создания водометных движителей для маломерных судов, а также летательных аппаратов для безаэродромной авиации. При этом заявленная группа изобретений относится к наиболее важному рабочему органу струйного насоса - его рабочей камере, предназначенной для создания потока активной текучей среды.
Известен относящийся к струйной технике эжектор, содержащий камеру завихрения с центральным пассивным и кольцевым активным соплами, камеру смешения и диффузор. В активном сопле расположены закручивающие элементы, на наружной поверхности пассивного сопла выполнена винтовая нарезка, выполняющая функции закручивающих элементов (SU 1333866).
Известен предназначенный к использованию в химической, нефтехимической и других отраслях вихревой струйный аппарат, состоящий из нескольких разъемных и/или неразъемных цилиндрических секций, содержащих рабочую камеру эжектора, включающую приемную камеру, кольцевое профилированное активное сопло и тангенциальный вводной штуцер. Активные сопла могут быть снабжены направляющими или проточками, или профилированными лопатками, например, лопатками типа паровых и газовых лопаток (RU 2076250).
Известна многоступенчатая рабочая камера эжектора, содержащая тороидальный сосуд с двумя соосными ему коническими патрубками. Сосуд снабжен профилированным кольцевым соплом, круговые рабочие кромки которого получены путем отсечения части внутреннего объема сосуда соосной конической поверхностью. Кольцевое сопло предназначено для отвода потока активной текучей среды, сформированного внутри сосуда, во внутренние объемы конических патрубков. Активная текучая среда поступает во внутренний объем тороидального сосуда при помощи устройства подачи, содержащего тангенциальные штуцеры подвода с профилированными активными соплами, каждое из которых создает струю активной среды, вектор скорости которой направлен по касательной к внутреннему контуру сечения сосуда меридианной плоскостью. В результате во внутреннем объеме тороидального сосуда возникает кольцевой вихревой поток активной текучей среды, воздействующий затем с помощью кольцевого сопла на пассивную текучую среду в конических патрубках. Предусмотрено, что суммарное приращение кинетической энергии потока пассивной текучей среды можно увеличить путем использования многоступенчатой рабочей камеры. (RU №2640871, прототип).
Недостатками известных эжекторов и рабочих камер эжекторов является ограниченность функциональных возможностей по эффективности воздействия на пассивную текучую среду и, следовательно, по формированию потока с заданным соотношением кинетической и потенциальной энергии потока, направляемого к исполнительному органу.
Технической проблемой, разрешаемой в результате настоящей группы изобретений, является создание энергоэффективной многоступенчатой рабочей камеры эжектора и эжектора с использованием такой рабочей камеры, а также расширение арсенала рабочих камер эжектора и эжекторов с использованием такой рабочей камеры.
Технический результат, обеспечивающий разрешение указанной технической проблемы при реализации многоступенчатой рабочей камеры эжектора и вариантов эжектора, связанных единым изобретательским замыслом, заключается в повышении эффективности воздействия на пассивную текучую среду, которым обусловлено улучшение энергетических характеристик устройств, содержащих эжекторы, а также в расширении компоновочных и функциональных возможностей по формированию потока с заданным соотношением кинетической и потенциальной энергии, направляемого к исполнительному органу.
Сущность изобретения в части многоступенчатой рабочей камеры эжектора заключается в том, что многоступенчатая рабочая камера эжектора содержит ступень, имеющую соосные конические входной и выходной патрубки и тороидальный сосуд со штуцером подвода активной среды, соединенный с патрубками кольцевым соплом, образованным рабочими кромками, одна из которых образована путем отсечения части внутреннего объема тороидального сосуда внутренней конической поверхностью входного патрубка, а другая - путем отсечения части внутреннего объема тороидального сосуда внутренней конической поверхностью выходного патрубка, при этом камера содержит несколько ступеней, имеющих каждая соосные конические входной и выходной патрубки и тороидальный сосуд со штуцером подвода активной среды, соединенный с патрубками кольцевым соплом, входные и выходные конические патрубки выполнены с непрерывным уменьшением поперечного сечения, выбранным из условия безотрывного течения потока, при этом выходной конический патрубок каждой предшествующей ступени является входным коническим патрубком последующей ступени, причем образующие указанных патрубков выполнены с разными углами наклона к оси камеры, а кольцевое сопло каждой ступени выполнено с рабочими кромками, одна из которых образована путем отсечения части внутреннего объема тороидального сосуда внутренней конической поверхностью входного патрубка этой ступени, а другая - путем отсечения части внутреннего объема тороидального сосуда внутренней конической поверхностью выходного патрубка этой ступени.
В частных случаях реализации многоступенчатая рабочая камера эжектора, выполненная в соответствии с изложенным выше, снабжена дополнительными ступенями, имеющими каждая соосные диффузорные входной и выходной патрубки, примыкающие к тороидальному сосуду, выполненному со штуцером подвода активной среды, дополнительные ступени выполнены с увеличением поперечного сечения, выбранным из условия безотрывного течения потока, причем выходной патрубок многоступенчатой рабочей камеры является входным патрубком первой дополнительной ступени.
Сущность изобретения в части первого варианта эжектора заключается в том, что эжектор снабжен корпусом с плоской поверхностью и с дополнительным объемом, а его многоступенчатые рабочие камеры выполнены в соответствии с изложенным выше, при этом патрубки всех камер выполнены с коллинеарными осями, их входные сечения расположены на плоской поверхности корпуса, а выходные сечения патрубков всех камер размещены с возможностью преобразования части кинетической энергии суммарного потока текучей среды в потенциальную энергию давления в дополнительном объеме.
Сущность изобретения в части второго варианта эжектора заключается в том, что эжектор снабжен корпусом со сферической внешней поверхностью и дополнительным объемом, а его многоступенчатые рабочие камеры выполнены в соответствии с изложенным выше, при этом патрубки всех камер выполнены с осями, пересекающимися в центре сферы корпуса, их входные сечения расположены на сферической поверхности корпуса, а выходные сечения патрубков проточных частей всех камер размещены с возможностью преобразования части кинетической энергии суммарного потока текучей среды в потенциальную энергию давления в дополнительном объеме.
На чертеже фиг. 1 изображена конструктивная схема многоступенчатой рабочей камеры эжектора, на фиг. 2 - конструктивная схема многоступенчатой рабочей камеры эжектора с дополнительными расширяющимися ступенями, на фиг. 3 - конструктивная схема первого варианта эжектора с входными сечениями патрубков проточных частей на внешней плоской поверхности корпуса, на фиг. 4 - конструктивная схема второго варианта эжектора с входными сечениями патрубков проточных частей на внешней сферической поверхности корпуса.
На чертежах фиг. 1 - фиг. 4 обозначены:
1 - входной патрубок;
2 - входное сечение входного патрубка;
3 - выходное сечение входного патрубка;
4 - тороидальный сосуд;
5 - рабочая кромка кольцевого сопла 7;
6 - рабочая кромка кольцевого сопла 7;
7 - кольцевое сопло;
8 - выходной патрубок с конической внутренней поверхностью;
9 - сопло штуцера подачи активной струи;
10 - штуцер подачи активной струи;
12 - выходное сечение последнего патрубка камеры;
11 - последний выходной патрубок камеры;
13 - тороидальный сосуд первой дополнительной ступени;
14 - тороидальный сосуд конечной дополнительной ступени;
15 - выходной патрубок конечной дополнительной ступени;
16 - выходное сечение конечной дополнительной ступени;
17 - плоская поверхность корпуса с патрубками входных ступеней камер;
18 - дополнительный объем суммарных потоков для плоской поверхности корпуса;
19 - сферическая поверхность корпуса с патрубками входных ступеней камер;
20 - дополнительный объем суммарных потоков для сферической поверхности корпуса.
Многоступенчатая рабочая камера эжектора содержит ступень, имеющую соосные конические входной патрубок 1 и выходной патрубок 8 и тороидальный сосуд 4 со штуцером 10 подвода активной среды, соединенный с указанными патрубками кольцевым соплом 7, образованным рабочими кромками 5, 6, одна из которых образована путем отсечения части внутреннего объема тороидального сосуда 4 внутренней конической поверхностью входного патрубка 1, а другая - путем отсечения части внутреннего объема тороидального сосуда 4 внутренней конической поверхностью выходного патрубка 8.
При этом многоступенчатая рабочая камера содержит проточную часть с несколькими ступенями, имеющих каждая соосные конические входной и выходной патрубки и тороидальный сосуд 4 с имеющим профилированное сопло 9 штуцером 10 подвода активной среды. Ось сопла 9 располагается в меридианной плоскости тороидального сосуда 4. Тороидальный сосуд 4 каждой ступени выполнен с возможностью формировать истекающий из него осесимметричный поток активной текучей среды.
В каждой ступени камеры тороидальный сосуд 4 соединен с патрубками соответствующим кольцевым соплом 7, входные и выходные конические патрубки ступеней камеры от патрубков 1 и 8 до патрубка 12 выполнены с непрерывным уменьшением поперечного сечения, выбранным из условия безотрывного течения потока. При этом выходной конический патрубок каждой предшествующей ступени является входным коническим патрубком последующей ступени. Образующие конических поверхностей указанных патрубков 1-12 ступеней камеры выполнены с разными углами наклона к геометрической оси камеры, а кольцевое сопло 7 каждой ступени выполнено с рабочими кромками 5, 6. Одна из них, кромка 5 образована путем отсечения части внутреннего объема тороидального сосуда 4 внутренней конической поверхностью входного патрубка этой ступени, а другая кромка 6 - путем отсечения части внутреннего объема тороидального сосуда 4 внутренней конической поверхностью выходного патрубка этой ступени. Таким образом кромки 5, 6 сопла 7 каждой ступени образованы путем отсечения части внутреннего объема тороидального сосуда 4 этой ступени ее патрубками, имеющими каждый свой угол (т.е. разные углы) наклона образующих их конических поверхностей к геометрической оси камеры и, следовательно, к геометрической оси соосного патрубкам тороидального сосуда 4.
В частных случаях реализации многоступенчатая рабочая камера эжектора, выполненная в соответствии с изложенным выше, снабжена дополнительными ступенями, имеющими каждая соосные диффузорные (конические) входной и выходной патрубки, примыкающие к своему тороидальному сосуду (из которых на фиг. 2 обозначены тороидальные сосуды 13, 14 первой и конечной дополнительных ступеней), выполненному со штуцером подвода активной среды, дополнительные ступени выполнены с увеличением поперечного сечения, выбранным из условия безотрывного течения потока, причем выходной патрубок 11 многоступенчатой рабочей камеры является входным патрубком первой дополнительной ступени. Последняя (конечная) дополнительная ступень имеет выходной патрубок 15 с выходным сечением 16.
Эжектор по первому варианту реализации снабжен корпусом с плоской поверхностью 17 и с дополнительным объемом 18, а его многоступенчатые рабочие камеры выполнены в соответствии с изложенным выше, при этом патрубки всех камер выполнены с коллинеарными осями, их входные сечения 17 расположены на плоской поверхности корпуса, а выходные сечения патрубков всех камер размещены с возможностью преобразования части кинетической энергии суммарного потока текучей среды в потенциальную энергию давления в дополнительном объеме 18.
Эжектор по второму варианту реализации снабжен корпусом со сферической внешней поверхностью 19 и дополнительным объемом 20, а его многоступенчатые рабочие камеры выполнены в соответствии с изложенным выше, при этом патрубки всех камер выполнены с осями, пересекающимися в центре сферы корпуса, их входные сечения 2 расположены на сферической поверхности 19 корпуса, а выходные сечения патрубков проточных частей всех камер размещены с возможностью преобразования части кинетической энергии суммарного потока текучей среды в потенциальную энергию давления в дополнительном объеме 20.
Многоступенчатая рабочая камера в составе эжектора работает следующим образом.
Активная текучая среда поступает во внутренний объем тороидального сосуда 4 каждой ступени при помощи устройства подачи (не изображено), соединенного со штуцерами 10 подвода. Каждый штуцер 10 снабжен профилированным соплом 9, создающим струю активной среды. Поскольку ось сопла 9 располагается в меридианной плоскости тороидального сосуда 4, необходимо, чтобы вектор скорости активной струи был направлен по касательной к внутреннему контуру сечения тороидального сосуда 4 меридианной плоскостью. Каждая ступень имеет кольцевое сопло 7, предназначенное для отвода сформированного внутри тороидального сосуда 4 потока активной текучей среды во внутренние объемы конических патрубков от 1 до 11. Рабочие кромки 5,6 каждого кольцевого сопла образованы путем отсечения внутреннего объема тороидального сосуда соосными ему коническими поверхностями. Для каждой кромки 5,6 сопла 7 установлен свой угол наклона к оси сосуда 4 образующей секущей конической поверхности соответствующего патрубка. Секущие поверхности являются внутренними рабочими поверхностями конических патрубков. Выбором углов наклона образующих секущих поверхностей конических патрубков ступеней обеспечивается безотрывное обтекание потоком текучей среды внутренних рабочих поверхностей камеры при непрерывном уменьшении поперечного сечения суммарного потока вдоль по течению.
Каждое сопло 9 создает струю активной среды, вектор скорости которой направлен по касательной к внутреннему контуру сечения сосуда меридианной плоскостью. Так как рабочие кромки 5,6 каждого кольцевого сопла 7 образованы путем отсечения внутреннего объема сосуда 4 внутренними коническими рабочими поверхностями патрубков 1…11, образующие которых наклонены к оси камеры под разными углами, это обеспечивает непрерывное уменьшение площади поперечного сечения проточной части камеры в направлении потока, а также безотрывное обтекание всех ее элементов.
Таким образом, от ступени к ступени происходит возрастание средней скорости суммарного потока в проточной части камеры, благодаря взаимодействию вихрей в сосудах 4 ступеней и непрерывному уменьшению площади поперечного сечения потока. В выходном сечении 12 выходного патрубка 11 многоступенчатой рабочей камеры, входящей в состав многофункционального эжектора, кинетическая энергия суммарного потока текучей среды имеет максимальную величину и может быть использована полностью или частично. В случае частичного использования кинетической энергии может возникнуть необходимость преобразования оставшейся ее части в потенциальную энергию давления. В простейшем варианте суммарный поток текучей среды направляется в дополнительный объем проточной части эжектора, где и происходит указанное преобразование, которое не всегда бывает достаточно эффективным.
В связи с этим может быть реализовано подключения вниз по потоку дополнительных ступеней камеры, как изображено на фиг. 2. В проточной части каждой новой дополнительной ступени имеется тороидальный сосуд, снабженный устройством подачи активной текучей среды, к сосуду примыкают входной диффузорный патрубок и выходной диффузорный патрубок. В проточной части дополнительных ступеней площадь поперечного сечения суммарного потока возрастает, следовательно, средняя скорость потока уменьшается, давление возрастает. В условиях безотрывного обтекания описанный выше процесс протекает с минимальными потерями. При работе многоступенчатой рабочей камеры эжектора, совмещенной с дополнительными ступенями, представленной на фиг. 2, поток пассивной текучей среды попадает во входной патрубок 1 камеры эжектора через входное сечение 2. Затем через выходное сечение 3 того же патрубка пассивная текучая среда попадает к кольцевому соплу 7 и смешивается с потоком активной текучей среды, выходящим из тороидального сосуда 4. Суммарный поток покидает многоступенчатую камеру через выходное сечение 12 выходного патрубка 11. Этот патрубок является, в свою очередь, входным патрубком для тороидального сосуда 13 первой дополнительной ступени. Тороидальный сосуд 14, патрубок 15 с выходным сечением 16 входят в состав конечной дополнительной ступени.
Может быть реализован вариант конструктивного выполнения эжектора по фиг. 3, при котором оси нескольких многоступенчатых рабочих камер в общем корпусе коллинеарны. Схематическая конструкция эжектора, содержащего в своем корпусе несколько однотипных многоступенчатых рабочих камер, оси которых расположены коллинеарно, а также предлагаемый вариант их оптимального совместного размещения представлены на фиг. 3. На внешней плоской поверхности корпуса 17 размещены входные сечения 2 входных патрубков всех многоступенчатых камер эжектора. Через выходные сечения выходных патрубков камер суммарный поток текучей среды поступает в дополнительный объем 18 проточной части эжектора, где и происходит преобразование части кинетической энергии суммарного потока в потенциальную энергию давления.
В иных случаях может быть реализован вариант конструктивного выполнения эжектора по фиг. 4, при котором входные сечения входных патрубков нескольких многоступенчатых рабочих камер расположены на поверхности 19 общего корпуса сферической формы, в центре которой пересекаются оси всех камер эжектора. Схематическая конструкция эжектора, содержащего в своем составе несколько однотипных многоступенчатых рабочих камер, а также предлагаемый вариант их оптимального расположения в сферическом корпусе представлены на фиг. 4. Входное сечение 2 входного патрубка каждой камеры расположено на внешней сферической поверхности 19 корпуса эжектора. Оси камер пересекаются в одной точке - в центре указанной сферической поверхности. Преобразование части кинетической энергии суммарного потока текучей среды в потенциальную энергию давления происходит в дополнительном объеме 20 проточной части эжектора.
Основные варианты применения предлагаемой многоступенчатой рабочей камеры эжектора и вариантов эжектора, а также различные комбинации унифицированных узлов и деталей проточной части открывают перспективу создания номенклатуры многофункциональных эжекторов. Изготовление отдельных узлов и деталей можно осуществить путем механической обработки на металлорежущих станках либо при помощи других технологий (литье, штамповка, SD-печать и т.д.). Таким образом, применение предлагаемого изобретения открывает дополнительные возможности формирования потоков текучей среды. Традиционные области применения эжекторов могут быть расширены, например, их использованием при создании водометных движителей для маломерных судов. Хорошие перспективы имеет также применение многофункциональных эжекторов в области создания летательных аппаратов для безаэродромной авиации.