СВЕРХЗВУКОВОЙ ГАЗОВЫЙ ЭЖЕКТОР
SUPERSONIC GAS INJECTOR

Изобретение относится к эжекторам, предназначенным для повышения полного давления в газовом потоке. Изобретение может быть использовано в авиационно-космической технике и технических системах общепромышленного назначения.
Проектирование эжектора сводится к выбору его рациональной конструктивной схемы с получением наивысшего значения полного давления смеси и улучшенными массогабаритными характеристиками.
Известен газовый эжектор, содержащий сопло высоконапорного газа, сопло низконапорного газа, цилиндрическую камеру смешения (ЦКС) и выходной диффузор (Васильев Ю.Н. Теория сверхзвукового газового эжектора с цилиндрической камерой смешения. Кн. Сб. статей: Лопаточные машины и струйные аппараты, вып.2. Машиностроение, 1967 г., рис.1, стр.173). Недостатками этого эжектора являются большие потери на удар и на смешение газов ввиду большой разности скоростей смешиваемых потоков. Кроме того, «вялый» по этой же причине процесс смешения газов требует для своего завершения большей длины камеры смешения.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является многоступенчатый эжектор (см. Александров В.Ю., Климовский К.К. Оптимизация многоступенчатых газовых эжекторов // Теплоэнергетика, №9, 2009 г.). Эжектор содержит корпус с проточным трактом и последовательно установленные в проточном тракте на пилонах центральные сверхзвуковые сопла, кольцевые сопла, образованные поверхностями центральных сопел и корпуса эжектора, и цилиндрическую камеру смешения (ЦКС). Недостатком такого эжектора являются большие осевые габариты, увеличивающиеся по сравнению с одноступенчатым эжектором во столько раз, сколько ступеней в многоступечатом эжекторе. Кроме того, наличие пилонов в тракте создает дополнительные потери полного давления. Эжектор имеет также большие потери на смешение из-за значительной разницы скоростей смешиваемых газовых потоков.
В основу изобретения положены задачи достижения более высокого КПД (эффективности), уменьшение осевых габаритов и обеспечение регулирования коэффициента эжекции.
Поставленная задача для газового эжектора решается тем, что сверхзвуковой газовый эжектор содержит корпус с каналом низконапорного газа, сверхзвуковые сопла и каскады камеры смешения. Каждое из сопел сообщается на входе с каналом высоконапорного газа.
Новым в изобретении является то, что сверхзвуковые сопла выполнены кольцевыми. Камеры смешения объединены в одну двухкаскадную камеру с отдельным сверхзвуковым соплом в каждом каскаде. Канал низконапорного газа, сверхзвуковые сопла, а также первый каскад камеры смешения расположены соосно с вторым каскадом камеры смещения. Канал высоконапорного газа и сопло второго каскада расположены коаксиально снаружи первого каскада камеры смешения. При этом каскады камеры смешения выполнены суживающимися, а второй каскад камеры смешения соединен входом с выходами первого каскада и сопла второго каскада. Канал высококонапорного газа второго каскада перед соплом содержит регулирующий клапан.
При таком устройстве сверхзвукового газового эжектора:
- использование сверхзвуковых сопел высоконапорного газа позволяет при заданных начальных параметрах и расходах газов получить эжектор с меньшими площадями поперечного сечения;
- объединение камер смешения в одну двухкаскадную камеру и установка отдельного сопла в каждом каскаде эжектора обеспечивает сокращение осевых габаритов эжектора;
- выполнение сопел кольцевыми, расположение канала низконапорного газа, сверхзвуковых сопел, а также первого каскада камеры смешения соосно второму каскаду камеры смешения обеспечивает эжектирование низконапорного газа и смешение потоков с большей полнотой;
- расположение канала высоконапорного газа и сопла второго каскада коаксиально снаружи первому каскаду камеры смешения и соединение входа второго каскада камеры смешения с выходами первого каскада камеры смешения и сопла второго каскада обеспечивает уменьшение осевых габаритов эжектора;
выполнение каскадов камеры смешения суживающимися обеспечивает снижение потерь полного давления в тракте;
- установка в канале низконапорного газа второго каскада перед соплом регулирующего клапана позволяет настроить работу эжектора на оптимальный режим с максимально возможным при заданных условиях суммарной степенью повышения полного давления.
Развитие и уточнение совокупности существенных признаков изобретения для частных случаев выполнения эжектора даны далее.
Каскады камера смешения могут быть выполнены изобарическими (ИКС). Это обеспечивает минимальные потери на смешение потоков газа.
Во втором каскаде камеры смешения за первым каскадом может быть размещен лопаточный венец, установленный на консольной оси с возможностью свободного вращения. Это обеспечивает дополнительное выравнивание параметров потока на меньшей длине второго каскада камеры смешения.
Таким образом решена поставленная в изобретении задача.
В предложенном сверхзвуковом газовом эжекторе достигается более высокий КПД (эффективность), уменьшаются осевые габариты и обеспечивается «тонкое» регулирование коэффициента эжекции по сравнению с прототипом и другими известными аналогами.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции сверхзвукового газового эжектора и способа его работы со ссылкой на чертеж, где изображен продольный разрез сверхзвукового газового эжектора.
Сверхзвуковой газовый эжектор содержит корпус 1 с каналом 2 низконапорного газа, сверхзвуковые сопла 3 и 4, каскады 5 и 6 камеры смешения потоков газа. Сопло 3 сообщается на входе с каналом 7 высоконапорного газа, а на выходе - гидравлически через камеру смешения 5 с каналом низконапорного газа 2. Сопло 4 сообщается на входе с каналом 8 высоконапорного газа. Сверхзвуковые сопла 3 и 4 выполнены кольцевыми. Каскады 5 и 6 камеры смешения объединены в одну двухкаскадную камеру 9 с отдельными сверхзвуковыми соплами 3 и 4 в каждом каскаде. Канал 2 низконапорного газа, сверхзвуковые сопла 3 и 4, а также первый каскад 5 камер смешения расположены соосно со вторым каскадом камеры смешения 6. Канал 8 высоконапорного газа и сопло 4 второго каскада расположены коаксиально снаружи первого каскада 5 камеры смешения. При этом каскады 5 и 6 камеры смешения выполнены суживающимися. Второй каскад 6 соединен входом с выходами первого каскада 5 камеры смешения и сопла 4 второго каскада. Причем канал 8 высоконапорного газа второго каскада перед соплом 4 содержит регулирующий клапан 10. Каскады камеры смешения 5 и 6 выполнены изобарическими. Кроме того, во втором каскаде 6 камеры смешения размещен лопаточный венец 11, установленный на консольной оси 12 с возможностью свободного вращения.
1
2
При работе эжектора высоконапорный газ подают в каскад 5 камеры смешения через канал 7 и сопло 3 первого каскада, а в каскад 6 через канал 8 и сопло 4 в разных массовых долях φ, задаваемых регулирующим клапаном 10. Низконапорный газ эжектируют из канала 2 в каскад 5 камеры смешения высоконапорным газом, который подают в каскад 5 через сопло 3 в количестве массовой доли φ. Образовавшийся при перемешивании в каскаде 5 камеры общий поток с увеличенным (в сравнении с низконапорным потоком) полным давлением эжектируют далее в каскад 6 камеры смешения высоконапорным потоком, истекающим из сопла 4 в количестве массовой доли φ. Поступившую из каскада 5 смесь в каскаде 6 смешивают с высоконапорным газом, истекающим в каскад 6 из сопла 4. Новую смесь из каскада 6 камеры смешения направляют потребителю.
(макс)
Для настройки работы эжектора на режим с максимально возможной при заданных условиях суммарной степенью повышения ε полного давления, которая может быть достигнута посредством перераспределения долей высоконапорного газа между соплами 3 и 4, а также для корректировки (изменения) основных режимных параметров эжектора: коэффициента эжекции К и величины ε - изменяют положение регулирующего клапана 10. Такой способ регулирования является более «тонким», так как связан с воздействием только на один поток, а не на всю смесь, как это обычно принято на практике.
Следует отметить, что подача высоконапорного газа с периферии, движущегося со сверхкритической скоростью из сопел 3 и 4, образует сверхзвуковое кольцо потока газа, внутри которого заключен поток низконапорного газа, истекающего из канала 2. Это обеспечивает эжектирование низконапорного газа с большей полнотой в сравнении со случаем подачи высоконапорного газа из осевого сопла.
Таким образом предложенное изобретение позволяет:
- повысить эффективность эжектора (величину ε и КПД) за счет использования ИКС и оптимального распределения массовых долей высоконапорного газа по кольцевым соплам;
- сократить осевые габариты эжектора благодаря рациональному расположению смесительных каскадов ИКС;
- обеспечить тонкое регулирование режимов работы эжектора путем воздействия лишь на один поток - посредством дросселирования внешнего контура двухкаскадного эжектора.