Экспериментальное исследование газовых эжекторов с обычным и перфорированным соплами при высокой температуре низконапорного газа

Том XXXVII

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

2 006

№ 4

УДК 533.6.071.4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВЫХ ЭЖЕКТОРОВ С ОБЫЧНЫМ И ПЕРФОРИРОВАННЫМ СОПЛАМИ ПРИ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ НИЗКОНАПОРНОГО ГАЗА

Ю. К. АРКАДОВ, Г. М. ЛИНЧИК

Проведено экспериментальное исследование влияния температуры низконапорного газа на предельные характеристики газовых эжекторов с обычным и перфорированным соплами высоконапорного газа нормальной температуры. Обнаружено, что до Т01 = 800 —

1000 К температура низконапорного газа влияет на относительные характеристики эжекторов обеих схем одинаково и легко учитывается через известный «эффективный» коэффициент эжекции &эфф = Ц/Г01/ТО . Далее при Т01 > 1000 К характеристики в обоих

случаях начинают заметно ухудшаться, однако причины и механизмы ухудшения характеристик эжекторов обеих схем отличаются. У эжектора классической схемы снижение эффективности происходит при неизменных предельных отношениях полных давлений на входе. У эжектора же с перфорированным соплом оно связано именно с уменьшением предельных отношений полных давлений смешиваемых газов. Эти отношения приближаются к значениям, характерным для классического эжектора. Высокая температура низконапорного газа ухудшает процесс внутри перфорированного насадка и уменьшает его положительное влияние на предельные отношения полных давлений смешиваемых газов. Однако за счет одновременного снижения температуры газа на выходе из насадка улучшается процесс смешения в основной

камере (за насадком), что благотворно влияет на характеристики эжектора. Влияние перфорации здесь аналогично влиянию впрыска воды в низконапорный тракт с горячим газом.

Исследования показали, что эжектор с перфорированным соплом является более экономичным, чем обычный эжектор, при всех исследованных температурах низконапорного газа.

Проведенные ранее исследования характеристик газового эжектора классической схемы при высокой температуре низконапорного газа показали, что его эффективность в ряде случаев резко падает [1]. Авторы объяснили это выравниванием физических скоростей смешиваемых газов в камере смешения и ухудшением самого процесса перемешивания потоков.

Газовый эжектор с перфорированными продольными щелями соплом при одинаковых температурах смешиваемых газов имеет более высокие характеристики, чем эжектор классической схемы [2]. Он был также успешно применен [3] в ряде аэродинамических труб с подогревом рабочего потока, в том числе в трубе с электродуговым подогревателем. Однако известно, что выигрыш в предельных характеристиках в эжекторе с перфорированным соплом обеспечивается за счет интенсивного смешения струй в перфорированном насадке. Выравнивание скоростей смешиваемых газов приводит к ухудшению смешения газов также и на этом участке, что должно влиять на выигрыш от применения перфорированного насадка.

В [2, 3] влияние высокой температуры низконапорного газа на работу эжектора с перфорированным соплом детально не исследовалось. В настоящей работе проведено

сравнительное экспериментальное исследование двух типов эжекторов в аэродинамической трубе с электродуговым подогревом низконапорного потока. Для исследования были специально изготовлены модели эжекторов с соплом классической схемы и перфорированным соплом.

Экспериментальная установка, объекты и методика испытаний. Схема экспериментальной установки дана на рис. 1. Установка состоит из дугового подогревателя (1), сопла установки (2), рабочей части (3), промежуточного диффузора (4) и расположенного за ним исследуемого эжектора (5). Последний имел сопло низконапорного газа диаметром 90 мм, камеру смешения диаметром 120 мм и короткий диффузор с полууглом раскрытия 4° (степень

расширения диффузора ^ = 1.96). Основной геометрический параметр (отношение площадей смешиваемых струй) ^1 /^' был равен 1.3, число М высоконапорного газа составляло 2.73, полная длина камеры смешения была равна 7.4 диаметра камеры.

На начальном участке камеры смешения (рис. 1) была установлена коническая перфорированная продольными щелями стенка длиной 218 мм с выходным диаметром 96.4 мм. Число щелей было равно 6, коэффициент проницаемости составлял 10%. Для сравнения полученных характеристик с аналогичными характеристиками эжектора классической схемы были проведены испытания газового эжектора с теми же самыми основными размерами, но без перфорированной стенки.

Исследуемый эжектор

Рис. 1

Испытания проводились следующим образом. В опытах с холодным низконапорным газом устанавливался постоянный расход последнего и дискретно изменялось давление высоконапорного газа. Тем самым обеспечивалась оптимальная настройка эжектора и определялась его максимальная степень сжатия на этом режиме.

При работе с горячим низконапорным газом испытания проводились по следующей методике:

— в исследуемый эжектор подавался высоконапорный газ, причем давление последнего устанавливалось выше критического значения, определенного в предыдущих испытаниях;

— в форкамеру подогревателя подавался холодный газ, затем создавалась электрическая дуга и изменением силы тока устанавливалась требуемая температура низконапорного газа в исследуемом эжекторе;

— при постоянных параметрах газа в дуговом подогревателе дискретно снижалось давление высоконапорного газа до его оптимального значения и далее до разрушения критического режима;

— после опыта отключалась электрическая дуга и труба охлаждалась до первоначальной температуры подачей холодного воздуха по всему тракту.

Для изменения температуры низконапорного газа в широком диапазоне (от 500 до 1500 К) в дуговом подогревателе применялись различные электроды.

При испытаниях измерялись:

1) полное давление воздуха перед мерным соплом на входе в подогреватель рмс = 5 — 200 ата (для определения расхода низконапорного газа);

2) статическое давление низконапорного газа на входе в эжектор рі = 0.05 — 0.3 ата (для измерения использовались четыре датчика типа ИКД6ТДа с диапазонами 50, 100, 250 и 400 мм рт.

3) давление высоконапорного газа в форкамере эжектора p¿ = 1 — 8 ата;

4) температура низконапорного газа на входе в исследуемый эжектор Т01 (измерения проводились термопарой вольфрам-рений).

По этим измеренным параметрам вычислялись следующие относительные характеристики эжектора:

— степень сжатия в = ра/ p01 , где ра — атмосферное давление;

— коэффициент эжекции k = Gi/G' (отношение расходов);

— отношение полных давлений с = p0i;

— приведенный расход низконапорного газа на входе в эжектор q(A,i).

Результаты испытаний. Результаты испытаний представлены в виде зависимостей степени сжатия в и отношения полных давлений смешиваемых газов с от приведенного расхода низконапорного газа q(A,i), коэффициента эжекции k и «эффективного» коэффициента эжекции

^фф = WWT0 . Указанные относительные параметры эжектора определялись по

первоначальным экспериментальным данным следующим образом:

пропорционален приведенному расходу низконапорного газа ^(А). Последний является важным характерным параметром эжектора с перфорированным продольными щелями соплом, так как при д(А,1) = 1 перфорация в эжекторе теоретически перестает работать из-за отсутствия на ней перепада статических давлений. Кроме того, параметр д(А,1) характеризует режим работы всех эжекторов в практических приложениях, например, в схеме аэродинамической трубы. В связи с этим многие экспериментальные данные представляются здесь как его функции. Выигрыш в ^(А^) означает такой же процентный выигрыш в коэффициенте эжекции к и «эффективном» коэффициенте эжекции кэфф, поскольку температуры смешиваемых газов заданы.

1. Классический эжектор (эжектор без перфорированного сопла). Зависимость для критических режимов степени сжатия в от приведенного расхода холодного низконапорного газа ^(А^) дана на рис. 2. Она, кстати, удовлетворительно согласуется с расчетной кривой (непоказанной на рисунке), получаемой по уравнениям Ю. Н. Васильева [4], если принять коэффициент восстановления полного давления в диффузоре V = 0.85(в = втеор у).

На рис. 2 приведены также характеристики эжектора классической схемы при различных повышенных температурах низконапорного газа. Видно, что относительно небольшое повышение температуры низконапорного газа (до 600 — 800 К) слабо влияет на характеристику «степень сжатия эжектора в — приведенный расход низконапорного газа д^)». При дальнейшем увеличении Т01 степень сжатия начинает уменьшаться: при Т01 = 1000 К примерно на 13%, а при Т01 = 1500 К — уже на 25 — 30%. Одновременно с уменьшением степени сжатия и примерно в той же пропорции увеличивается оптимальное давление высоконапорного газа.

На рис. 3 приведены критические значения отношений полных давлений с = /[^(А^)]

эжектора без перфорированной стенки при нормальной температуре низконапорного газа (линия 1). Они удовлетворительно согласуются с расчетной кривой (линия 2), полученной по

ст.);

в_ РаР(^1) . Ь _ ? Р1

«Эффективный» коэффициент эжекции

при постоянных сив

12

10

со

р

и

О

0

1 • т01 = 300 к — Тм = 600 к Т01 = 800 К — тт = 1000 к Тт = 1300 к ты = 1500 К

X

70

60

а 50

40

30

£ 20

10

о

—__ V —\ V ч   А ♦ Ж Т01 = 600 * Т01 = 800 * Т01 = 1000 Г0, = 1500 т01 = 300 * Расчет по к к Васильеву Ю. Н. [4]

“5

Ч5ч, >

0.2

0.4

0.6

0.8

I

Приведенный расход низконапорного газа д

Рис. 3

0.2 0.4 0.6 0.8 1

Приведенный расход низконапорного газа

Рис. 2

уравнениям Ю. Н. Васильева [4]. На рис. 3 приведены также зависимости с = / [д^)] для критических режимов при повышенных температурах низконапорного газа. Видно, что повышение температуры низконапорного газа даже до 1500 К достаточно слабо влияет на предельные режимы эжектора классической схемы.

Слабая зависимость характеристики с = / [д^)] от температуры и ее хорошее совпадение с теоретической кривой [4] не являются случайными. Теория [4], также как и многие другие теории [5, 6], предполагает отсутствие смешения и теплообмена газов до сечения запирания на начальном участке камеры смешения. Настоящие испытания являются подтверждением справедливости этого предположения, впервые сформулированного в [5]. Некоторые полученные ранее экспериментальные данные о существенном отклонении зависимостей с = /[д^)] или с = /[£эфф ] от теоретической зависимости при повышении Тоь по-видимому, неточны. Они

могли быть следствием трудностей вывода экспериментальных эжекторов на критический режим в связи со снижением их степени сжатия и в связи с ростом потребного (критического) давления высоконапорного газа.

Таким образом, исследования показали, что уменьшение эффективности эжектора классической схемы при увеличении температуры низконапорного газа происходит при неизменных значениях с, а значит, только за счет ухудшения перемешивания струй за начальным участком камеры смешения. Ранее в работе [1] это было правильно объяснено тем, что происходит выравнивание физических скоростей смешиваемых газов на входе в эжектор. Действительно, при Т01 ~ 1000 К скорость звука в низконапорном газе становится уже равной скорости эжектирующего газа в ис-

следуемом эжекторе. Это заметно уменьшает напряжение турбулентного трения на границе смешиваемых потоков и ухудшает процесс перемешивания струй в камере смешения эжектора.

2. Испытания эжектора с перфорированным соплом. На рис. 4 и 5 приведены характеристики эжектора с перфорированным соплом при работе с холодным низконапорным газом. Характеристики имеют вид, аналогичный характеристикам классического эжектора, приведенным также и здесь, но лежат значительно выше последних. Так, при д (А,1) = 0 степень сжатия

классического эжектора составляет 11, а степень сжатия эжектора с перфорированным соплом более чем в два раза выше (в = 23). Повышение предельных отношений давления (рис. 5) и степеней

Степень сжатия є Степень сжатия є

Рис. 4

Приведенный расход низконапорного газа

Рис. 6

сжатия (рис. 4) для эжектора с перфорированным соплом наблюдается на всех режимах, включая большие приведенные расходы низконапорного газа.

При увеличении температуры

низконапорного газа до 500 — 800 К характеристики эжектора с перфорированным соплом (рис. 6) изменяются незначительно. При температуре 1000 К в области больших приведенных расходов низконапорного газа наблюдается некоторое снижение степени сжатия в, а при Т0і = 1300 — 1500 К снижение эффективности эжектора с перфорированным соплом становится уже значительным на всех режимах работы.

Для выяснения причин рассмотрим предельные отношения давлений С = /[д(^і)], приведенные на рис. 7. При температурах Т01 = 500 — 800 К подогрев практически не влияет на характеристики с = / [д(А,1)]. Однако при температурах Т01 = 1000 — 1500 К линии предельных режимов эжектора с перфорированным соплом лежат уже значительно ниже линии предельных режимов при холодном низконапорном газе.

Таким образом, в эжекторе с перфорированным соплом при увеличении температуры низко-напорного газа происходит одновременное снижение и степени сжатия (рис. 6), и предельного отношения полных давлений смешиваемых газов (рис. 7). Более того, снижение степени сжатия является следствием уменьшения предельного отношения полных давлений смешиваемых газов.

Зависимости предельных характеристик от температуры низконапорного газа для эжекторов обеих схем даны на рис. 8. Степень сжатия в (рис. 8, а) при Т01 = 500 — 800 К почти постоянна, а при дальнейшем увеличении Т01 заметно уменьшается. Особенно заметно снижение у эжектора с перфорированным соплом. Предельные отношения полных давлений смешиваемых газов с (рис. 8, б) у классического эжектора постоянны при всех температурах низконапорного газа, а у эжектора с перфорированным соплом уменьшаются: при Т01 = 500 — 800 К — слабо, а далее — очень заметно. Первопричиной уменьшения предельных отношений давлений при увеличении температуры низконапорного газа является выравнивание скоростей смешиваемых газов. Действительно, эжектор с перфорированным соплом имеет лучшие по сравнению с классическим эжектором предельные характеристики из-за смешения струй до сечения запирания [2]. При выравнивании физических скоростей становится менее интенсивным также и смешение газов внутри перфорированного насадка.

120

Приведенный расход низконапорного газа <'/

Рис. 5

0.2 0.4 0.6 0.8 1

Приведенный расход низконапорного газа (¡0-,) Рис. 7

На рис. 8, в показано, как увеличение температуры низконапорного газа влияет на оптимальное (критическое) давление высоконапорного газа эжекторов обеих схем. Если в классическом эжекторе увеличение температуры низконапорного газа увеличивает оптимальное давление низконапорного газа (за счет уменьшения только степени сжатия), то в эжекторе с перфорированным соплом увеличение температуры низконапорного газа напротив — уменьшает его. Оптимальное давление высоконапорного газа, являющееся отношением величин с и в, изменяется мало при их одновременном снижении, хотя наблюдается тенденция к его снижению.

Сравним величины степеней сжатия эжектора с перфорированным соплом со степенями сжатия обычного эжектора при высоких температурах низконапорного газа (рис. 8, а). При всех Т01 < 1500 К эжектор с перфорированным соплом имеет большую степень сжатия. Как показывают прямые измерения, на входе в систему эжекторов в обычных аэродинамических трубах даже с дуговым подогревателем за счет теплоотдачи температура газа не превышает 1000 К. Этим и объясняется успешное применение эжектора с перфорированным соплом

в аэродинамических трубах с подогревом рабочего потока.

В заключение рассмотрим

экономические характеристики испытанных эжекторов: «степень сжатия — коэффициент эжекции» в = Д^зфф). На рис. 9 приведены указанные характеристики для критических режимов эжектора обычной схемы (без перфорации). Видно, что увеличение температуры низконапорного газа заметно снижает экономичность эжектора. Например, при в = 4 и повышении температуры от нормальной до 1500 К «эффективный» коэффициент эжекции уменьшился с 0.13 до 0.084, т. е. более чем на 35%. Большее падение экономичности, чем степеней сжатия в обычном эжекторе, объясняется

12

а )

б)

в)

10

тт = 300 к тох = 1000 к Т01 = 1500 К

0.1

0.2

0.3

Эффективный коэффициент эжекции к

эфф

Рис. 8

Рис. 9

одновременным увеличением при росте 7о1 потребных давлений высоконапорного газа (рис. 8, е).

На рис. 10 приведены зависимости степени сжатия от критического коэффициента эжекции при различных температурах низконапорного газа для эжектора с перфорированным соплом. Увеличение Т(Л уменьшает приведенный коэффициент эжекции на всех режимах работы и данного эжектора. Например, при в = 4 и изменении температуры в указанном диапазоне приведенный коэффициент эжекции снизился с 0.16 до 0.11, т. е. на 31%.

Сравним экономические характеристики эжекторов с перфорированным и обычным соплами при 7о1 = 1500 К (рис. 10). Видно, что и при этой температуре низконапорного газа

3 эжектор

с перфорированным соплом является более экономичным (приблизительно на 25%). Это имеет место, несмотря на заметное снижение в этой области предельных отношений полных давлений,

и связано с лучшей организацией перемешивания струй в перфорированном насадке, чем в цилиндрической камере смешения. Подача холодного высоконапорного воздуха через щелевую перфорацию в низконапорный тракт также повышает эффективность эжектора, как и впрыск в него воды для испарения и охлаждения низконапорного газа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Куканов Ф. А., Межиров И. И. Работа газового эжектора при неодинаковых физических параметрах смешиваемых газов // Ученые записки ЦАГИ. — 1970. Т. I, № 4.

2. Аркадов Ю. К. Новые газовые эжекторы и эжекционные процессы. — М.:

Физматлит. — 2001.

3. Аркадов Ю. К., Линчик Г. М., Потапов К. П. Экспериментальное исследование трехступенчатого эжектора с соплом первой ступени, перфорированным продольными щелями // Труды ЦАГИ. — 1970. Вып. 1291.

4. Васильев Ю. Н. Теория сверхзвукового газового эжектора с цилиндрической камерой смешения // Лопаточные машины и струйные аппараты. Вып. 2. — М.: Машиностроение. — 1967.

5. Миллионщиков М. Д., Рябинков Г. М. Газовые эжекторы больших скоростей // Сб. работ по исследованию сверхзвуковых эжекторов. — БНИ ЦАГИ. — 1961.

6. Никольский А. А., Шустов В. И. Критические режимы газовых эжекторов больших перепадов давления // Сб. работ по исследованию сверхзвуковых эжекторов. —

БНИ ЦАГИ. — 1961.

Рукопись поступила 26/1У 2005 г.

Эффективный коэффициент ТЖСКЦИИ {

Рис. 10