Способ эжектирования потока и устройство для его осуществления
METHOD OF FLOW EJECTION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к струйной технике и может быть использовано во многих отраслях промышленности для повышения степени сжатия потока путем его эжектирования.
Широко известно, что при развороте потока, например, в изогнутой трубе, или при обтекании потоком препятствия, образуется каверна, которая способствует понижению давления в зоне ее соприкосновения со стенкой вследствие увеличения скорости за счет уменьшения поперечного сечения потока в этой зоне. В книге: Чупраков Ю.И. Гидропривод и средства гидроавтоматики: Учебное пособие для вузов по специальности «Гидропривод и гидроавтоматика». М. Машиностроение, 1979 - 232 с. рассмотрено течение потока в узком щелевом зазоре (малым по отношению к поперечному сечению сопла зазором между двумя стенками) при подаче потока в радиально-щелевой зазор через активное центральное сопло, расположенное под прямым углом к плоскостям стенок. Поток, вытекающий из активного сопла в радиально-щелевой зазор, образованный двумя стенками, из которых основная стенка содержит активное центральное сопло для подачи потока, а отражающая стенка расположена относительно основной с малым по отношению к поперечному сечению сопла зазором - сплошная, образует в этом зазоре течение расходящегося потока. Известно, что при развороте потока из активного центрального сопла в радиально-щелевой зазор при течении расходящегося потока за кромкой активного сопла образуется кольцевая зона разрежения. Течение потока в зазоре может быть, как отрывным, так и безотрывным. Однако в данном способе кинетическая энергия потока в узком щелевом зазоре не используется для эжектирования.
Известно течение потока в узком щелевом зазоре (Черепанов А.П. Струйно-логические устройства автоматической ориентации плоских деталей при сборке. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Иркутск 1993. - 158 с.). Исследования, проводимые при подаче потока под давлением через центральное сопло в малый по отношению к его поперечному сечению радиально-щелевой зазор между близко расположенными стенками, из которых отражающая стенка - сплошная, а основная стенка содержит центральное сопло для подачи потока и ряд отверстий для отвода потока из зазора, расположенных на разных радиусах от центрального сопла, показали, что избыточное давление расходящегося потока при его безотрывном течении в радиально-щелевом зазоре создает в нем чередующиеся кольцевые зоны разрежения и кольцевые зоны повышенного давления. Наличие разрежения и повышенного давления в чередующихся кольцевых зонах регистрировалось с помощью U-образных манометров.
Известны способы эжектирования потока (Авторское свидетельство СССР №338687, МКИ F04F 5/14, Опубл. 15.05.1972, Бюлл. №16) в которых эжектирующий поток подают в активное центральное сопло в основной стенке под давлением, смешивают его с эжектируемым потоком, подаваемым в полость низкого давления и отводят смесь через радиально-щелевой зазор, образованный между основной и отражающей стенками, величина которого приводит к пульсации давления в зоне смешения, ее снижают за счет конического участка выходного канала, сообщенного с полостью низкого давления, одноступенчатая подача эжектируемого потока не дает возможности увеличения разрежения.
Известны способы эжектирования потока (Патент US 1296567 A (Suczek) 04.03.1919) в которых эжектирующий поток подают в активное сопло под давлением, смешивают его с эжектируемым потоком, который подают через кольцевую зону и отводят смесь через радиально-щелевой зазор, образованный между стенками, причем, величиной зазора регулируют только подачу эжектирующего потока до входа в радиально-щелевой зазор, а эжектируемый поток подают в кольцевой канал одновременно с двух сторон, при этом предусмотрена только одноступенчатая подача эжектируемого потока, что не дает возможности увеличения разрежения.
Известны способы эжектирования потока (Авторское свидетельство СССР №1019114, МКИ F04F 5/42, Опубл. 23.05.83, Бюлл. №19), в которых эжектирующий поток подают в активное сопло под давлением, смешивают его с эжектируемым потоком и отводят смесь через радиально-щелевой зазор, образованный между основной стенкой и отражающей стенкой, эжектирующий поток подают в камеру смешения, завихряют его в камере смешения, в которую через пассивный центральный канал всасывают эжектируемый поток и смешивают его с эжектирующим потоком. Смешанный поток через центральное сопло подают в радиально-щелевой зазор между основной и отражающей стенками для преобразования кинетической энергии смешанного потока в давление. Таким образом, в известном способе кинетическая энергия расходуется не только на эжектирование потока, но и на завихрение его в камере смешения и в центральном отверстии. Далее кинетическая энергия расходуется на снижение завихрения разделением (разрывом) потока кольцевым каналом в центральном отверстии, в который из радиально-щелевого зазора по трубопроводу дополнительно подают часть смешанного потока, преобразуют смешанный поток в давление в радиально-щелевом диффузоре между основной и отражающей стенками. В итоге кинетическая энергия потока затрачивается вначале на создание завихрения, а затем на его снижение в центральном канале и в радиально-щелевом диффузоре между основной и отражающей стенками. Одноступенчатая подача эжектируемого потока также не дает возможности увеличения разрежения.
Известны способы эжектирования потока (Патент US 4523894 А МКИ F04F 5/00, 18.06.1985) в которых эжектирующий поток подают в активное сопло под давлением, смешивают его с эжектируемым потоком, который подают через кольцевую зону и отводят смесь через радиально-щелевой зазор, образованный между стенками, причем кольцевая зона для отвода эжектируемого потока расположена только со стороны отражающей стенки, тогда как наибольшее разрежение, как известно, создает кольцевая зона, расположенная как можно ближе к центральному каналу со стороны основной стенки, поэтому одноступенчатая подача эжектируемого потока со стороны отражающей стенки не дает возможности увеличения разрежения.
Анализ показал, что ни в одном из известных способов эжектирования потока и устройствах для его осуществления не используются чередующиеся зоны разрежения, образующиеся при безотрывном течении потока между стенками радиально-щелевого зазора, поэтому данными способами не удается повысить разрежение эжектируемого потока.
В качестве прототипа принят наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату способ эжектирования потока и устройство для его осуществления (Патент US 5584668 A (Volkmann) МКИ F04F 5/16; F04F 5/22; F04F 5/00; F04F 005/00 17.12.1996), заключающийся в подаче эжектирующего потока под давлением через активное центральное сопло в радиально-щелевой зазор и смешивании с эжектируемыми потоками, которые всасывают в радиально-щелевой зазор через кольцевые каналы с отводом смешанного потока через радиально-щелевой зазор между основной и отражающей стенками за пределами последнего кольцевого канала. Известный способ имеет несколько зон смешивания нескольких эжектируемых потоков, что по сравнению с аналогами имеет преимущество. Однако в известном способе, при двухсторонней подаче эжектируемых потоков в радиально-щелевой зазор, кольцевые каналы, как на основной, так и на отражающей стенках располагают навстречу друг другу на равных расстояниях от центрального канала. Учитывая, что давление расходящегося потока в радиально-щелевом зазоре создает чередующиеся кольцевые зоны разрежения и кольцевые зоны повышенного давления, встречное расположение кольцевых каналов на одинаковых расстояниях от центрального канала питания неэффективно, поскольку там, где один из кольцевых каналов, например, со стороны основной стенки совпадает с кольцевой зоной разрежения, противоположно расположенный кольцевой канал со стороны отражающей стенки при этом совпадает с кольцевой зоной повышенного давления, которое препятствует эжектированию потока из этого кольцевого канала, поэтому, часть кольцевых каналов не задействована для создания разрежения. Кроме того, если смешанный поток на выходе из последней кольцевой зоны разрежения непосредственно за ее пределами попадает в зону повышенного давления, это также препятствует повышению разрежения.
Таким образом, расположение кольцевых каналов на одинаковых расстояниях от центрального канала без учета чередующихся кольцевых зон разрежения и кольцевых зон повышенного давления в радиально-щелевом зазоре, известным способом и устройством для его осуществления не удается повысить разрежение и увеличить производительность эжектора.
Целью изобретения является повышение разрежения эжектируемого потока и увеличение производительности эжектора.
Технический результат изобретения достигается за счет размещения кольцевых каналов для эжектируемых потоков в чередующихся кольцевых зонах разрежения, образующихся при безотрывном течении потока между стенками радиально-щелевого зазора.
Описание рисунков:
Фиг. 1. Устройство для осуществления способа эжектирования потока.
Фиг. 2 - Основные размеры и параметры.
И
И
2
2
Фиг. 3 - Зависимость разрежения от величины зазора между стенками при избыточном давлении в центральном канале от Р=1 кг/см до Р=3 кг/см.
Способ эжектирования потока осуществляют подачей эжектирующего потока под давлением через активное центральное сопло в радиально-щелевой зазор, расходящийся эжектирующий поток в радиально-щелевой зазор подают при безотрывном течении, которое между стенками радиально-щелевого зазора коаксиально центральному соплу создает одну или несколько чередующихся кольцевых зон разрежения, эжектируемый поток подают непосредственно в область одной или нескольких образующихся коаксиально эжектирующему потоку чередующихся кольцевых зон разряжения так, что:
- в первом случае первый эжектируемый поток всасывают в первую кольцевую зону разрежения через первый кольцевой канал, расположенный на основной стенке;
- во втором случае второй эжектируемый поток всасывают во вторую кольцевую зону разрежения через второй кольцевой канал, расположенный на отражающей стенке и смешивают с предыдущим смешанным потоком;
- в третьем случае третий эжектируемый поток всасывают в третью кольцевую зону разрежения через третий кольцевой канал, расположенный в основной стенке и смешивают с предыдущим потоками;
- при дальнейшем течении потока последующие эжектируемые потоки всасывают в кольцевые зоны разрежения поочередно то на отражающей, то на основной стенке, через кольцевые каналы, расположенные поочередно то на отражающей, то на основной стенке и далее весь смешанный поток отводят из радиально-щелевого зазора за пределами последней кольцевой зоны разрежения.
Ширину чередующихся кольцевых зон разрежения в радиальном направлении изменяют, например, изменением давления эжектирующего потока, величиной радиально-щелевого зазора, который задают в пределах образования безотрывного течения потока в радиально-щелевом зазоре.
Безотрывное течение потока задают величиной радиально-щелевого зазора в пределах от 0,1 мм до 1,0 мм.
Проведенный анализ уровня техники показал, что в известных способах эжектирования потока и в устройствах для его осуществления не используются чередующиеся кольцевые зоны разрежения, образующиеся при безотрывном течении потока между стенками радиально-щелевого зазора, поэтому известными способами и устройствами для эжектирования потока не удается повысить разрежение эжектируемого потока.
Сравнением известного уровня техники установлено, что ни один из самых близких аналогов и прототип по совокупности признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, не обеспечивает повышения разрежения эжектируемого потока, что соответствует критериям «новизна». Результаты поиска известных технических решений показали, что отличительные признаки заявленного способа и его реализации не следуют явным образом из представленных аналогов, прототипа и известных технических решений в смежных областях техники. Из известного уровня техники также не выявлено существенных признаков предлагаемого решения, необходимых для достижения заявляемого технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Способ эжектирования потока поясняется на примере устройства для его осуществления.
И
B1
B2
B3
B1
B2
B3
Устройство для осуществления способа эжектирования потока содержит основную стенку 1 и отражающую стенку 2 (крепление стенок 1 и 2 между собой на рисунках фиг. 1 и фиг. 3 не показано). Стенки 1 и 2 установлены друг относительно друга неподвижно и образуют радиально-щелевой зазор 3, величина h которого выбирается так, чтобы между стенками 1 и 2 обеспечивалось безотрывное течение расходящегося в нем эжектирующего потока 5. Активное центральное сопло 4 расположено в основной стенке 1 и служит для подачи эжектирующего потока 5 под избыточным давлением Р в радиально-щелевой зазор 3. Для повышения скорости эжектирующего потока и создания безотрывного течения величина h радиально-щелевого зазора 3 выбирается меньше величины поперечного сечения активного центрального сопла 4. В данном устройстве использовано три эжектируемых потока P, P и P. Кольцевой канал 6 расположен в основной стенке 1 коаксиально активному центральному соплу 4 и соединен полостью 7 с отверстием 8 для всасывания эжектируемого потока P в радиально-щелевой зазор 3 через коммутационную панель 9. Кольцевой канал 10 расположен в отражающей стенке 2 коаксиально центральному активному соплу 4 и соединен полостью 11 с отверстием 12 для всасывания эжектируемого потока P в радиально-щелевой зазор 3 через коммутационную панель 13. Кольцевой канал 14 расположен в основной стенке 1 коаксиально активному центральному соплу 4 и соединен полостью 15 с отверстием 16 для всасывания эжектируемого потока P в радиально-щелевой зазор 3 через коммутационную панель 9. Таким образом, эжектируемые потоки соединены между собой размещенной со свободной стороны основной стенки 1 коммутационной панелью 9 и, размещенной со свободной стороны отражающей стенки 2 коммутационной панелью 13. Коммутационные панели 9 и 13 уплотнены кольцами 17, которые служат для герметизации полостей 7, 11, 15.
И
B1
B1
B2
B2
B3
B3
B1
B2
B3
Устройство для осуществления способа эжектирования потока работает следующим образом. При безотрывном течении между стенками 1 и 2 эжектирующий поток 5 под избыточным давлением Р при подаче в активное центральное сопло 4 на выходе из него отрывается от кромки 18, в радиально-щелевом зазоре 3 создается струя 19, которая ударяется о сплошную отражающую стенку 2, в центре струи 19 образуется зона пониженного давления 20. Давление в радиально-щелевом зазоре 3 ниже, чем давление эжектирующего потока 5, поэтому после его отрыва от кромки 18 в радиально-щелевом зазоре 3 образуется расходящееся безотрывное течение потока. В кольцевом сечении 21 скорость потока возрастает, образуется первое сужение потока 22 со стороны основной стенки 1 и создается первая кольцевая зона разрежения 23, которая через кольцевой канал 6 и полость 7 всасывает эжектируемый поток P из отверстия 8 в радиально-щелевой зазор 3, где эжектируемый поток P смешивается с эжектирующим потоком 5. Под воздействием первой кольцевой зоны разрежения 23 смешанный поток прижимается к основной стенке 1, образуется второе сужение потока 24 и со стороны отражающей стенки 2 создается вторая кольцевая зона разрежения 25, которая через кольцевой канал 10 и полость 11 всасывает эжектируемый поток P из отверстия 12 в радиально-щелевой зазор 3, где эжектируемый поток P смешивается с потоком в радиально-щелевом зазоре 3. Под воздействием второй кольцевой зоны разрежения 25 смешанный поток прижимается к отражающей стенке 2, образуется третье сужение потока 26. Со стороны основной стенки 1 создается третья кольцевая зона разрежения 27, которая через кольцевой канал 14 и полость 15 всасывает эжектируемый поток P из отверстия 16 в радиально-щелевой зазор 3, в котором эжектируемый поток P смешивается с потоком в радиально-щелевом зазоре 3. Таким образом эжектируемые потоки P, P и P, смешанные в трех кольцевых зонах 23, 25 и 27, образуют единый смешанный поток 28, который за последней кольцевой зоной разрежения выходит за пределы радиально-щелевого зазора 3.
B1
B2
B3
а
Максимальное разрежение эжектируемого потока создается тогда, когда эжектируемые потоки P, P и P из кольцевых каналов 6, 10, 14 полностью всасываются в кольцевых зонах разрежения 23, 25, 27. Для этого в радиальном направлении ширина с кольцевого канала 6, 10, 14 должна быть меньше ширины b сопряженной с ним кольцевой зоны разрежения 23, 25, 27, расстояния  между смежными кольцевыми каналами 6, 10, 14 примерно равны ширине b смежных с ними кольцевых зон разрежения 23, 25, 27 (фиг. 2).
В радиальном направлении длина L и ширина b кольцевых зон разрежения 23, 25, 27 могут изменяться по ряду причин, например, при неоднородности эжектирующей и эжектируемых сред, изменении давления эжектирующего потока, или при подборе оптимальной величины h радиально-щелевого зазора 3 для создания в нем безотрывного течения расходящегося потока, поэтому ширину с кольцевых каналов 6, 10, 14 следует задавать не более ширины b соответствующей кольцевой зоны разрежения 23, 25, 27 (фиг. 2).
И
И
И
2
2
2
2
2
На фигуре 3 в качестве примера показано какую величину h радиально-щелевого зазора 3 при безотрывном течении потока можно подбирать для достижения требуемого разрежения эжектора в зависимости от давления в центральном канале 4. График (фиг. 3) показывает, что безотрывное течение расходящегося эжектирующего потока создается при величине h от 0,1 до 1,3 мм радиально-щелевого зазора 3, которое задается относительным положением стенок 1 и 2 и величиной избыточного давления в канале питания 4. Например, при зазоре h=0,3 мм и избыточном давлении Р=1,0 кг/см величина разрежения составляет 0,37 кг/см, а при избыточном давлении Р=3,0 кг/см величина разрежения составляет 0,45 кг/см. Значит, с увеличением избыточного давления в канале питания 4 разрежение в кольцевых зонах разрежения 23, 25, 27 возрастает. Как видно из графика, если радиально-щелевой зазор 3 становится более h>1,3 мм, то при избыточном давлении Р=1,0 кг/см разрежение в кольцевых зонах 23, 25, 27 снижается до нуля. При дальнейшем увеличении зазора безотрывное течение потока переходит в отрывное, и в кольцевых зонах 23, 25, 27 разрежение меняется на избыточное давление.
Таким образом, величину разрежения эжектируемого потока в кольцевых зонах разрежения 23, 25, 27 можно регулировать (понижать или повышать) одним или несколькими приемами, в том числе:
И
- изменением (снижением или увеличением) избыточного давления Р потока 5 в активном центральном сопле 4;
- изменением (снижением или увеличением) площади поперечного сечения центрального сопла 4;
- изменением (снижением или увеличением) площади сечения радиально-щелевого зазора 3 за счет увеличения радиуса R основной 1 и отражающей 2 стенок;
- изменением (снижением или увеличением) величины h радиально-щелевого зазора 3 в пределах обеспечения в нем безотрывного течения потока;
- изменением (снижением или увеличением) количества кольцевых зон разрежения и соответствующего им количества эжектируемых потоков и кольцевых каналов в пределах от 1 до n.
Для снижения сопротивления всасыванию эжектируемого потока кольцевой канал 6 в основной стенке и кольцевые каналы 10, 14 в отражающей стенке в радиальном направлении могут быть, например, наклонными, как кольцевой канал 14, или криволинейными, как кольцевой канал 10, как показано на рисунке (фиг. 2).
Испытание и сравнение предложенного способа эжектирования потока и устройства для его осуществления с известным одноступенчатым эжектором на основе сопла Лаваля, при равных диаметрах активных сопел и равных избыточных давлениях потока воздуха показало, что предложенные способ и устройство с одной кольцевой зоной разрежения создают в этой кольцевой зоне разрежение в 4 раза выше известного эжектора.
Предлагаемые способ эжектирования потока и устройство для его осуществления позволяют снизить потери кинетической энергии, повысить разрежение эжектируемого потока и увеличить производительность эжектора.