Многосопловой газовый эжектор
MULTI-NOZZLE GAS EJECTOR

Предлагаемое изобретение относится к струйной технике, а именно, к газовым эжекторам со сверхзвуковыми соплами и сужающимися камерами смешения, и может быть использовано для организации выхлопа сверхзвковых аэродинамических труб, систем восстановления давления (СВД) сверхзвуковых химических лазеров (СХЛ), откачки лазерного газа из области низкого давления и его переноса во внешнюю среду, а также для откачки газов из плавильных котлов в металлургии и других областях техники.
Известны и широко используются классические эжекторы центральной и периферийной схемы [см. Г. Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика, Наука, Москва, 1976]. В центральных схемах осесимметричное сопло высоконапорного газа располагается по оси на входе в камеру смешения. При использовании периферийной схемы высоконапорный газ вытекает из кольцевого сопла, расположенного на обечайке камеры смешения (в начале канала по стенке камеры смешения). С точки зрения коэффициентов эжекции «n» (отношения расхода эжектируемого газа к расходу эжектирующего газа) разница для этих двух схем фактически отсутствует, но для периферийной схемы длину камеры смешения можно выбрать короче.  Для увеличения степени сжатия «ε» (отношение давлений в окружающем пространстве к полному давлению эжектируемого газа) применяют многоступенчатые эжекторы (системы многоступенчатых паровых эжекторов используют в металлургии).  Однако такие системы имеют большую длину и, в принципе, не могут быть использованы в качестве СВД для мобильных лазерных комплексов на базе СХЛ. Массогабаритные характеристики СВД во многом определяются эжектором и системой хранения компонент, необходимых для работы парогазогенератора, питающего эжектор. Поэтому для мобильных лазерных систем на базе СХЛ необходима разработка максимально эффективных эжекторов: с высокой степенью сжатия «ε», высоким коэффициентом эжекции «n» и камерой смешения минимальной длины. Для сравнения эффективности эжекторов разных геометрий удобно пользоваться интегральным параметром n⋅ε (для конкретного эжектора n⋅ε ≈ const). Эффективность работы эжектора определяется эффективностью организации процесса смешения высоконапорного эжектирующего и низконапорного эжектируемого газов в камере смешения. Для интенсификации смешения используют два подхода, которые можно определить, как пассивные и активные методы. В первом случае, используя разного рода насадки на сопло классического эжектора, искривляют поверхность смешения, т.е. увеличивают её и тем самым интенсифицируют процесс смешения (он происходит на меньшей длине, быстрее). Активные методы подразумевают создание распределенной подачи эжектирующего газа, при этом используют много малоразмерных сопел, чтобы получить развитую поверхность смешения, уменьшить характерный размер процесса, и тем самым организовать его на более короткой длине.
Примером реализации пассивного метода является следующее устройство. В известном эжекторе [см. авт. свид. СССР на изобретение № 317825, МПК F04F 5/14, заявл. 29.10. 1969 г., опубл. 07.012.1971 г.]  периферийное сопло продолжается цилиндрическим щелевым насадком длиной в два диаметра камеры смешения. Насадок перфорирован продольными щелями (вдоль образующих цилиндра). Увеличение поверхности смешения достигается за счет того, что часть высоконапорного эжектирующего газа вырывается из щелей, разворачивается к оси камеры смешения и перемешивание происходит вдоль развитой искривленной поверхности.  Однако, во-первых, при развороте потока в щелях происходят потери полного давления, а во - вторых, струи из щелей получаются направленными друг на друга, в связи с чем импульс эжектирующего потока теряется. В результате, коэффициенты эжекции такого эжектора очень низкие, параметр n⋅ε <0,5, что является большим недостатком известного технического решения.
Известен также газовый эжектор [см. патент РФ на изобретение № 2341691, МПК F04F 5/18 (2006/01); F04F 5/44 (2006/01), заявл. 09.01.2007, опубл. 20.12.2008], в котором предложено для эжектора центральной схемы размещать на кромке сопла вихреобразующие элементы – табы, которые могут иметь наклон к оси сопла эжектора до 10°. Это позволяет искривить и тем самым увеличить поверхность смешения. В указанном техническом решении удалось достичь увеличения коэффициента эжекции по сравнению с классической центральной схемой на 10-15%. Однако в известном эжекторе часть энергии сверхзвуковой струи эжектирующего газа расходуется на обтекание выступающих в поток табов, при этом заметного сокращения длины камеры смешения достигнуть не удается. Но для канала эжектора с оптимизированными по длине и степени поджатия камерой смешения и горлом было получено значение (n۰ε) около 2 [см. Соболев А.В., Запрягаев В.И., Мальков В.М. Применение насадок шевронов и табов для улучшения расходных характеристик газовых эжекторов// Теплофизика и аэромеханика, 2007, т.14, №2, с. 201-208].
Примером активной схемы служит газовый эжектор [см. авт. свид. СССР на изобретение № 1609250, МПК 5 F04F 5/16, заявл. 17.11. 1988 г., опубл. 07.09.1991 г.]. Известный газовый эжектор содержит камеру эжектирующего газа и концентрично установленную в ней расширяющуюся осесимметричную камеру смешения, патрубки подвода пассивного газа и патрубок отвода смеси газов, а также сопла подачи эжектирующего газа, размещенные по поверхности камеры смешения и установленные под углом к ее продольной оси. Образующая поверхности камеры смешения имеет форму однопериодной синусоиды, что способствует улучшению процесса смешения и уменьшению необходимого давления эжектирующего газа. Таким образом, в рассмотренном эжекторе организован спиральный ввод эжектирующего газа через большое количество малоразмерных сопел (отверстий), размещенных прямо в стенках камеры смешения и направленных под углом к оси камеры. При большом количестве малоразмерных сопел газодинамически схема становится похожей на периферийную схему: основная масса эжектирующего газа идет вдоль стенок камеры смешения. И поскольку угол вдува газа через эти сопла не является малым, то часть импульса эжектирующего потока теряется. И хотя в этом случае n⋅ε получается больше, чем для щелевого эжектора (см. аналог №1): n⋅ε ≥ 0,5 – все равно эта величина очень низкая. В принципе такая газодинамическая схема позволяет сократить длину камеры смешения, но слишком низкий коэффициент эжекции не позволяет использовать такой эжектор для СВД.  Недостатком является также то, что данная схема трудно реализуема для систем с высоким давлением и с горячим эжектирующим газом. Кроме того, так как камера эжектирующего газа для большого количества сопел имеет большую поверхность, возникают проблемы с прочностью конструкции.
Интересен еще один эжектор активной схемы [см. патент РФ на изобретение № 2019730, МПК 5 F04F5/14, заявл. 30.06.1993, опубл. 15.09.1994]. Известный эжектор состоит из форкамеры эжектирующего газа, камеры смешения и диффузора. Форкамера эжектирующего газа располагается внутри камеры смешения соосно с нею, образуя кольцевое проходное сечение для эжектируемого газа. Форкамера представляет собой набор последовательно соединенных сопловых блоков с дискретными соплами. Целью разработчиков этого эжектора было достижение универсальности: составная камера эжектирующего газа позволяет путем смены сопловых блоков настроиться на разные режимы работы эжектора и управлять интенсивностью процесса смешения. Однако для достижения максимальных характеристик эжектора при условии использования горячих газов данную конструкцию будет трудно реализовать на практике, что, несомненно, является недостатком рассмотренного аналога.
Известен также многосопловый газовый эжектор, который является наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению и выбранный в качестве прототипа [см. МальковВ.М., Киселев И.А., Шаталов И.В., Дук А.А., Емельянова А.В. «Эжекторы для системы восстановления давления сверхзвуковых химических лазеров». Теплофизика и аэромеханика, т. 24, 2017, №3, С. 445-461]. Известный газовый эжектор включает камеру смешения, 7 сверхзвуковых сопел эжектирующего газа расположенных по обечайке камеры смешения, горла и дозвукового диффузора.
В данном эжекторе используется распределенная подача эжектирующего газа, организованная посредством установки 7 сопел, расположенных равномерно и осесимметрично на обечайке камеры смешения, на удалении от ее стенок. При этом суммарный расход эжектирующего газа через эти сопла равен расходу газа через одно сопло в случае эжектора с центральным соплом. Использование нескольких крупных струй позволяет интенсифицировать смешение газов, за счет увеличения поверхности смешения, т.е. вместо поверхности взаимодействия двух струй эжектора центральной схемы, которая невелика, здесь перемешивание идет вдоль границ нескольких взаимодействующих крупных струй. Организация более эффективного смешения в данном эжекторе позволила сократить длину камеры смешения, но это только часть эжектора. И если говорить об эжекторе для СВД СХЛ необходимы эффективные эжекторы наименьших габаритов.
Задачей, поставленной при разработке заявляемого изобретения, является создание эффективного газового эжектора с массогабаритными характеристиками, позволяющими использовать его для СВД СХЛ.
Технический результат при использовании предлагаемого технического решения проявляется в повышении степени сжатия при фиксированном коэффициенте эжекции многосоплового газового эжектора при одновременном уменьшении его массогабаритных характеристик, что в свою очередь обеспечивает возможность применения указанного эжектора для СВД СХЛ.
Технический результат достигается тем, что в многосопловом газовом эжекторе, включающем горло, дозвуковой диффузор,  сужающуюся камеру смешения,  коллектор, оснащенный перфорированной разделительной стенкой и 7 сверхзвуковых сопел, установленных симметрично относительно оси эжектора по обечайке камеры смешения, длина горла составляет 4 калибра, а сверхзвуковые сопла  установлены под определенным углом наклона, выбранным таким образом, чтобы оси  сопел пересекали основную ось на расстоянии 5 калибров, причем наклон  сопел  выполнен с помощью прокладок под кронштейны, установленные на стенке камеры смешения.
Предлагаемый многосопловой эжектор решает задачу увеличения степени сжатия и уменьшения длины эжектора при фиксированном коэффициенте эжекции, что позволяет улучшить расходные и массогабаритные характеристики эжектора, а значит и всего СВД. Поставленная задача достигается благодаря тому, что длина горла многосоплового эжектора за счет интенсификации смешения может быть сокращена без существенного влияния на эффективность процесса смешения в эжекторе. Сопла эжектирующего газа для интенсификации смешения наклонены к оси эжектора и конструкция предлагаемого эжектора позволяет варьировать угол наклона для нахождения его оптимального значения. Изменение угла наклона сопел происходит с помощью установки прокладок разной толщины между кронштейном и стенкой камеры смешения.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид многосоплового газового эжектора.
На фиг. 2 представлен продольный разрез камеры смешения эжектора.
На фиг. 3 представлен вид А на фиг. 2 (увеличено).
На фиг. 4 представлен продольный разрез камеры смешения эжектора в 3D.
На представленных фигурах:
1. – камера смешения;
2. – горло;
3. – дозвуковой диффузор;
4. – сверхзвуковое сопло;
5. – эжектируемый газ;
6. – эжектирующий газ;
7. – общий коллектор подачи;
8. – сильфоны;
9. – патрубок;
10. – кронштейн;
11. – перфорированная разделительная стенка;
12. – прокладка;
13. – фланец.
На фиг. 5 представлено распределение давления вдоль канала эжектора для разных длин горла (L менялось от 4 до 10 калибров).
Многосопловой газовый эжектор (см. фиг.1) состоит из камеры смешения 1, горла 2, дозвукового диффузора 3 и ряда сверхзвуковых сопел 4, расположенных по обечайке камеры смешения 1 симметрично оси эжектора. Камера смешения 1 (см. фиг.2 и фиг.4) снабжена общим коллектором подачи 7, внутри которого установлена перфорированная разделительная стенка 11.  Сверхзвуковые сопла 4 сообщены с общим коллектором подачи 7 посредством патрубков 9, оснащенных сильфонами 8 и закреплены на кронштейнах 10. Между кронштейнами 10 и стенкой камеры смешения 1 установлены прокладки 12 разной толщины (см. фиг.3). Фланец 13 может быть использован для присоединения парогазогенератора (не показан на фигурах), питающего многосопловой эжектор.
Многосопловой эжектор работает следующим образом. Эжектирующий горячий газ 6 из парогазогенератора, присоединенного к фланцу 13 под большим давлением подают в сверхзвуковые сопла 4 через общий коллектор подачи 7. Для обеспечения равномерной раздачи газа в сопла 4 в общем коллекторе подачи 7 установлена перфорированная разделительная стенка 11. Во избежание деформаций в конструкции предусмотрены сильфоны 8, которые компенсируют расширение при нагреве патрубков 9, соединяющих общий коллектор подачи 7 и сверхзвуковые сопла 4. Чтобы предотвратить, отрыв патрубков 9 с сверхзвуковыми соплами 4 от стенок камеры смешения 1 в момент подачи газа, сверхзвуковые сопла 4 фиксируют дополнительными кронштейнами 10. Для улучшения запуска эжектора угол наклона сверхзвуковых сопел 4 варьируют в пределах 3-5º, путем установки между кронштейном 10 и стенкой камеры смешения 1 прокладок 12. Толщину прокладок подбирают таким образом, чтобы обеспечить оптимальный угол наклона, при котором оси сопел пересекают основную ось на расстоянии 5 калибров. Сверхзвуковые струи эжектирующего газа 6, истекающие из сверхзвуковых сопел 4, поступают в камеру смешения 1, в которой они смешиваются с дозвуковым эжектируемым газовым потоком 5, выходящим из сверхзвукового диффузора или теплообменника, которые обычно устанавливают перед эжектором.  В процессе смешения газы обмениваются импульсом и энергией. В результате давление эжектируемого газа 5 повышается вдоль канала эжектора и на выходе может достигать атмосферного, что необходимо для СВД СХЛ на мобильных носителях.
02
01
Поиск оптимальной геометрии многосоплового эжектора осуществляли с помощью численных параметрических исследований. Исследования проводили на основе трехмерного моделирования вязких течений с использованием расчетного модуля CFX. Численная модель была верифицирована по результатам испытаний опытных образцов эжекторов, в качестве модели турбулентности использовалась k-ω модель. Выводы об оптимальности данной геометрии эжектора делали по результатам расчетов коэффициента эжекции. Конкретные параметры газов для вычислений выбирали в соответствии с условиями работы СВД в составе установки совместно с реальным сверхзвуковым лазером на молекулах фторида дейтерия (DF-НХЛ) [см. А.С. Борейшо, В.М.Мальков и др. Система восстановления давления HF/DF – лазера большой мощности: опыт реализации. Теплофизика и аэромеханика, 2007, т.14, №4]. Лазерный (эжектируемый) поток после сверхзвукового диффузора имел параметры: давление торможения P=50 торр, температура T = 600 К, молярная масса μ=6.43 г/моль, показатель адиабаты γ=1,422, расход G = 0.44 кг/с. Этот расход, на который рассчитывалась первоначальная геометрия эжектора, считался номинальным. Поток эжектирующего газа, полученного в парогазогенераторе, имел параметры: P=25 атм, T=1300К, μ=24,7 г/моль, γ=1,33, G=5,5-6,5 кг/с.
Исследования подтвердили, что многосопловой эжектор допускает сокращение длины горла в 3 раза. На фиг. 5 показана картина течения в эжекторе, где последовательно сокращалась длина горла. При длине горла 4 калибра эжектор при номинальной нагрузке (расчетном расходе лазера на рабочем режиме) работает по такой же характеристике, при этом сокращается лишь диапазон допускаемой нагрузки. Для большинства задач это допустимо, так как расчет ведется на определенный диапазон нагрузки. В частности, для СВД СХЛ это приемлемо, потому что она рассчитывается на один оптимальный режим работы лазера.
Проведенные исследования подтвердили, что в сравнении с прототипом предлагаемый многосопловой эжектор на номинальном (расчетном) режиме работы позволяет увеличить степень сжатия на 4% при одновременном уменьшение длины горла в 3 раза.
С точки зрения величины давления запуска схема многосоплового эжектора оказалась чувствительной к углу наклона сопел по отношению к оси эжектора. Существует относительно небольшой диапазон выбора угла наклона сопел, при котором эжектор возможно запустить. При этом угол наклона сопел определяется расстоянием, на котором ось сопла подачи эжектирующего газа пересекает ось эжектора. Эжектор запускается, когда расстояние до пересечения оси сопла и основной оси эжектора составляет около 5 калибров. Точное значение угла зависит от диаметра камеры смешения, степени поджатия и расстояния от сопел до стенки камеры смешения. Поэтому в каждом конкретном случае угол наклона нужно подстраивать (при этом величина угла наклона, в принципе, небольшая и составляет ≈ 3 – 5°).
Многосопловый газовый эжектор может быть реализован и в других вариантах конструкции, которые будут удовлетворять требованиям, приведенным в формуле предлагаемого изобретения.