ЭЖЕКТОР

Полезная модель относится к струйным аппаратам и может быть использована в энергетике и близких к ней областях техники: в авиации, в судостроении, в химической промышленности, в пожаротушении.
Известен эжектор, содержащий сопла высоконапорного и низконапорного потоков, камеру смешения и диффузор. Принцип работы эжектора заключается в передаче кинетической энергии высоконапорного потока низконапорному путем непосредственного контакта (смешения) (Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. 3-е изд., перераб.- М., Энергоатомиздат, 1989. -352 с.). Недостатками известного эжектора являются малое повышение давления низконапорного потока и невозможность регулирования этого повышения давления при отсутствии согласования характеристики эжектора и характеристики сети, расположенной за эжектором.
Известен также эжектор (патент RU №2354856, МПК F04F 5/30, опубл. 10.05.2009), содержащий подводящий и отводящий трубопроводы, отвод, патрубок подвода подсасываемого (низконапорного) продукта, скругляющую косынку и детали жесткости. В этом эжекторе сопло высоконапорного потока имеет криволинейные стенки, которые образуются вогнутой стенкой отвода, переходящей в прямолинейную стенку отводящей трубы, и частью цилиндрической скругляющей косынки. Из-за прямолинейности части контура одной из стенок на выходе высоконапорного сопла и прямолинейности контура отводящей трубы, в узком сечении сопла устанавливается поток с распределением скорости, близким к равномерному. Такое сопло не имеет никаких преимуществ по сравнению с любым соплом с равномерным профилем скорости на выходе. Низконапорный поток подводится через патрубок перпендикулярно к высоконапорному потоку, что должно привести к значительной потере напора и малому коэффициенту эжекции. Камерой смешения в данном изобретении является расширяющийся участок канала, расположенный за сечением подвода низконапорного потока. Такие камеры смешения работают неудовлетворительно из-за отрыва потока с неравномерным распределением скорости на входе в камеру, что приводит к малому повышению давления смешанного потока. Таким образом, несмотря на сложность конфигурации данного эжектора он не имеет преимуществ по сравнению с эжектором, описанным выше, и обладает теми же недостатками.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому и принятым за прототип является эжектор (авторское свидетельство СССР №123279, Кл. F04F5/30, опубл. 01.01.1959), Ю.Н.Васильев, «Газовый или паровой эжектор с криволинейной осью системы Ю.Н.Васильева». За счет криволинейности течения за соплами в этом эжекторе достигается большая скорость и низкое давление лишь с одной стороны струи - со стороны низконапорного потока. Средняя скорость высоконапорного потока получается существенно меньшей, что приводит к уменьшению потерь давления в камере смешения и в диффузоре и, соответственно, к увеличению повышения давления низконапорного потока. Однако известный эжектор отличается сложностью изготовления криволинейных сопел, недостаточной точностью изготовления, из-за малого размера сопла низконапорного потока, что приводит к большим погрешностям сборки, и невозможностью регулирования повышения давления при отсутствии или нарушении согласования характеристик эжектора и сети за эжектором.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении надежности работы эжектора, за счет обеспечения регулирования давления низконапорного потока, в повышении точности и технологичности изготовления сопла низконапорного потока и в упрощении конструкции, за счет изменения формы сопел.
Технический результат достигается тем, что в эжекторе, содержащем сопла высоконапорного и низконапорного потоков, последовательно расположенные камеру смешения с криволинейным начальным участком и диффузор, новым является то, что стенки сопел высоконапорного и низконапорного потоков выполнены прямолинейными, криволинейный начальный участок камеры смешения и сопло высоконапорного потока выполнены сужающимися, а на внешней стенке сопла высоконапорного потока установлен регулирующий элемент, с возможностью его перемещения внутрь сопла и изменения узкого сечения сопла.
Регулирующий элемент включает втулку с резьбой и винт, конец которого входящий в сопло имеет хорошообтекаемый профиль.
Сопло высоконапорного потока выполнено сужающимся - дозвуковым, или сужающее-расширяющимся - сверхзвуковым.
На фиг.1 представлен предлагаемый эжектор с дозвуковым соплом высоконапорпного потока. На фиг.2 - эжектор со сверхзвуковым соплом высоконапорного потока.
Эжектор содержит сопло 1 высоконапорного потока (сужающееся дозвуковое - фиг.1. или сужающее-расширяющееся сверхзвуковое - фиг.2) и сопло 2 низконапорного потока, оси которых расположены вдоль друг друга, последовательно расположенную камеру смешения 3 с криволинейными стенками 4 и 5 начального участка и диффузор. Стенки 6, 7 и 8 сопел 1 и 2 соответственно высоконапорного и низконапорного потоков выполнены прямолинейными. Криволинейные стенки 4 и 5 начального участка камеры смешения 3 образуют сужающийся канал с широким входом низконапорного потока. Регулирующий элемент 9 закрепленный на внешней стенке сопла 1 высоконапорного потока включает втулку с резьбой и винт, конец которого входящий в сопло 1 имеет хорошообтекаемый профиль, например, сферической, что позволяет плавно менять площадь узкого сечения сопла высоконапорного потока 1.
Предлагаемый эжектор работает следующим образом.
Высоконапорный поток подводится к соплу 1 и истекает из него в виде криволинейной струи, изгибаемой внешней стенкой 4 начального участка камеры смешения 3. При искривлении изоэнтропной струи в ней устанавливается профиль скорости rCu=const, где r - радиус кривизны рассматриваемой линии тока, Cu - касательная (тангенциальная) составляющая скорости на этой линии тока. В результате, около внутренней границы высоконапорной струи скорость получается больше, а давление меньше, чем около внешней границы. Это приводит к увеличению эжектирования низконапорного потока при уменьшенной средней скорости высоконапорного потока, что позволяет, увеличить повышение давления низконапорного потока при заданном коэффициенте эжекции.
Неравномерное распределение давления, которое образуется в искривленной струе, передается со скоростью звука внутрь сопла высоконапорного потока 1 и на его выходе устанавливается распределение давления, соответствующее профилю скорости rCu=const, независимо от профиля стенок сопла. Это позволяет выполнять стенки 6, 7 и 8 сопел 1 и 2 наиболее простыми - прямолинейными, а внутренней стенке 5 камеры смешения 3 придавать форму, при которой получается сужающийся начальный участок камеры смешения 3 с увеличенной площадью входа и, соответственно, с увеличенными размерами сопла 2 низконапорного потока.
Распределение параметров в потоке в области поворота определяется отношением радиуса R внешней стенки начального участка камеры смешения к ширине среза ha сопла 1 высоконапорного потока.
В случае сверхзвукового сопла 1 высоконапорного потока (фиг.2) перераспределения параметров потока под действием поворота струи внутри сопла 1 не происходит, т.к. возмущения распространяются со скоростью звука, а скорость потока на срезе сверхзвукового сопла 1 превышает скорость звука. Однако в самой искривленной струе устанавливается неравномерный профиль скорости и давления из-за волн сжатия, идущих от внешней стенки 4, и волн разряжения, идущих от внутренней границы струи, как показано на фиг.2. Таким образом, и при сверхзвуковых течениях для получения потока с неравномерным профилем скорости можно применять простые сверхзвуковые сопла (сопла Лаваля) с равномерным или близким к равномерному профилем скорости на срезе.
Изменяя минимальное сечение сопла 1 высоконапорного потока с помощью регулирующего элемента узла 9, можно производить согласование эжектора и сети, расположенной после него, добиваясь требуемого давления (разрежения) в сопле 2 низконапорного потока.
2
2
Работоспособность предлагаемого эжектора подтверждена экспериментально на плоской модели с размерами поперечного сечения камеры смешения 16,9×14,6 мм и длиной основного (прямолинейного) участка камеры смешения 100 мм. Рабочим телом была вода. Повышение давления низконапорного потока получилось больше, чем для аналогичного прямолинейного эжектора на 20%. При работе эжектора с подсоединенным к нему трубопроводом получено изменение избыточного давления низконапорного потока от 2·10 Па до -6·10 Па (вакуум) за счет перемещения регулирующего элемента 9. При этом расчетное избыточное давление низконапорного потока составляло -50 Па.
Таким образом, предлагаемый эжектор позволяет регулировать повышение давления при отсутствии или нарушении согласования характеристик эжектора и сети за эжектором, что повышает надежность его работы, кроме того упрощается конструкция, что повышает точность и технологичность изготовления.