СВЕРХЗВУКОВОЙ ГАЗОВЫЙ ЭЖЕКТОР

Полезная модель относится к эжекторам предназначенным для повышения полного давления в газовом потоке. Полезная модель может быть использована в авиационно-космической технике и технических системах общепромышленного назначения.
Рациональное проектирование эжектора сводится к выбору таких его геометрических размеров, чтобы при заданных начальных параметрах и соотношении расходов газов получить наивысшее значение полного давления смеси.
Известен газовый эжектор, содержащий сопло высоконапорного газа, сопло низконапорного газа, цилиндрическую камеру смешения (ИКС) 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., стр.171 - 235). 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 изобарический эжектор (Авт. свидет. СССР №1800135, 5 МПК F04F 5/18, 1991.06.28). Эжектор содержит соосно установленные сверхзвуковое высоконапорное сопло, расположенное концентрично ему кольцевое сопло низконапорного газа с наружной стенкой, камеру смешения и диффузор. Выходы сопел расположены в одной поперечной плоскости совпадающей с плоскостью входа в камеру смешения. Причем камера смешения выполнена изобарической и соединена входом с наружной стенкой кольцевого сопла, а выходом с входом диффузора. Однако наличие кольцевой застойной зоны с вихревым движением газа в камере смешения, на которое тратиться энергия потока, снижает эффективность этого эжектора.
В основу полезной модели положена задача достижения более высокой степени повышения полного давления смеси газов на выходе из эжектора, чем в прототипе и других известных аналогах.
Условиями достижения максимальной величины степени повышения полного давления в смеси газов на выходе из эжектора являются выполнение в нем изобарической камеры смешения (ИКС), отсутствие в камере смешения кольцевых застойных зон и выбор ключевых соотношений для геометрических и режимных параметров эжектора.
Основываясь на принципе изобаричности, т.е. когда взятый по внутреннему продольному контуру суживающейся части камеры смешения, интеграл
∫PdF=0
где Р - статическое давление потока газа;
dF - элементарная площадь сечения камеры смешения, записывают уравнение количества движения для поперечных сечений входа и выхода суживающейся части камеры смешения по соотношению
1
где G - расход высоконапорного газа;
1
w - скорость высоконапорного газа;
2
G - расход низконапорного газа;
2
w - скорость низконапорного газа;
3
G - расход смеси газов;
3
w - скорость смеси газов,
привлекают выражения для закона сохранения расхода и энергии и получают соотношение для степени повышения полного давления смеси газов в эжекторе
где - П(λ) - газодинамическая функция;
1
λ - приведенная скорость высоконапорного газа;
3
λ - приведенная скорость смеси газов.
(макс.)
(1опт.)
1
Для определения наивыгоднейшего режима работы эжектора, т.е. величины ε и соответствующего значения λ берут частную производную ε по λ и приравнивают ее нулю, т.е. выполняют условие
этим условием дают эжектору новый существенный признак
2
где F - площадь сечения сопла низконапорного газа на выходе;
3
F - площадь выходного сечения суживающейся части камеры смешения.
Найденное ключевое соотношение (4) свойственно только для эжектора с изобарической камерой смешения и является признаком его изобаричности. Характерной особенностью такого эжектора является то, что смешение газов на довольно протяженном начальном участке камеры смешения происходит при постоянном статическом давлении, равном статическому давлению на входе в камеру смешения.
(макс.)
При этом обеспечивают возможность получения максимальной степени повышения полного давления ε смеси газов предложенного эжектора по сравнению с эжекторами других схем.
Поставленная задача для газового эжектора решается тем, что сверхзвуковой газовый эжектор содержит осевое сверхзвуковое сопло высоконапорного газа с расположенным концентрично ему кольцевым соплом низконапорного газа с наружной стенкой. С соплами последовательно сопряжены камера смешения потоков газа и расширяющийся диффузор. Выходы сопел расположены в одной поперечной плоскости совпадающей с плоскостью входа в камеру смешения. Причем камера смешения выполнена изобарической и соединена входом с наружной стенкой кольцевого сопла, а выходом с входом диффузора.
Диффузор устанавливается на выходе из смесительной камеры в тех случаях, когда желательно повысить статическое давление смеси газов на выходе из эжектора или когда при заданном давлении на выходе из эжектора желательно получить низкое статическое давление в камере смешения и во входном сечении эжектора.
Новым в полезной модели является то что, камера смешения выполнена суживающееся - расширяющейся, а площадь выходного сечения суживающейся части камеры смешения равна площади выходного сечения кольцевого сопла низконапорного газа.
При таком устройстве сверхзвукового газового эжектора:
- использование осевого сверхзвукового сопла высоконапорного газа позволяет при заданных начальных параметрах и расходах газов получить эжектор с меньшими площадями поперечного сечения тракта камеры смешения;
- при сверхзвуковой скорости потока сужение камеры смешения на входе приводит к снижению потерь полного давления;
- выполнение камеры смешения расширяющейся после суживающегося участка компенсирует сужение поперечного сечения ее проточной части из-за нарастания на стенках камеры пограничного слоя и поэтому не тормозит поток газовой смеси, что привело бы к снижению расхода газа через нее в случае выполнения проточной части цилиндрической;
(макс.)
- равенство площадей выходного сечения суживающейся части камеры смешения и выходного сечения кольцевого сопла низконапорного газа обеспечивает достижение наибольшей степени повышения полного давления ε в получаемой смеси газов на выходе эжектора.
Развитие и уточнение совокупности существенных признаков полезной модели для частных случаев выполнения эжектора дано далее.
Угол раскрытия расширяющейся части камеры смешения может быть выполнен от одного до трех градусов.
Достаточно для завершения процесса смешения высоконапорного и низконапорного потоков газа, что длина расширяющейся части камеры смешения составляет до пяти - шести диаметров выходного сечения суживающеся части камеры смешения.
Кольцевое сопло низконапорного газа может содержать на выходе лопаточный завихритель газа.
Лопаточный завихритель газа также может содержать, расположенные на выходных кромках лопаток, наборы упругих стержневых элементов, причем выходная кромка каждой лопатки может иметь продольный паз, а отдельный стержневой элемент жестко закреплен одним концом в пазу.
Отдельный упругий стержневой элемент набора может быть выполнен в виде пластины или в виде куска проволоки.
Угол раскрытия расширяющейся части камеры смешения от одного до трех градусов определяется природой газа и режимом работы эжектора. При угле меньше одного градуса не обеспечивается компенсация уменьшения площади проточной части камеры смешения за счет нарастания толщины пограничного слоя на всех режимах работы эжектора. При угле раскрытия более трех градусов в проточной части камеры смешения создаются условия для отрыва пограничного слоя потока от стенок и уменьшение поперечной площади (сжатие) потока смеси газов.
Установка в кольцевом сопле низконапорного газа лопаточного завихрителя газа создает закрученное течение этого газа, которое более устойчиво, чем струйное течение и за счет поперечных пульсаций глубже проникает в осевой поток высоконапорного газа. Благодаря этому усиливается процесс смешения потоков высоконапорного и низконапорного газов. Однородность смеси газов достигается быстрее, чем в эжекторе с ЦКС, что сокращает достаточную длину расширяющейся части камеры смешения до пяти - шести диаметров выходного сечения суживающейся части камеры смешения.
Расположение на выходных кромках лопаток завихрителя газа наборов упругих стержневых элементов позволяет генерировать и наполнять закрученный поток низконапорного газа, а затем и поток смеси газов, пучками микровихрей с высокой интенсивностью турбулентности, что еще более интенсифицирует процесс смешения потоков высоконапорного и низконапорного газов.
Выбор отдельного упругого стержневого элемента в виде пластины или куска проволоки, закрепленных в пазах выходных кромок каждой отдельной лопатки, определяется характером работы эжектора и уровнем технологичности производства.
Таким образом решена поставленная в полезной модели задача. В предложенном сверхзвуковом газовом эжекторе достигается максимальная степень повышения полного давления смеси газов на выходе из эжектора по сравнению с прототипом и другими известными аналогами.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции сверхзвукового газового эжектора и способа его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1 - 7, где:
на фиг.1 изображен продольный разрез сверхзвукового газового эжектора;
на фиг.2 - вид А на фиг.1 по оси на сопла со стороны выхода эжектора;
на фиг.3-разрез Б-Б на фиг.2 цилиндрической поверхностью, развертываемой в плоскость, по лопаткам завихрителя кольцевого сопла низконапорного газа;
на фиг.4 - вид В на фиг.3 на лопатку завихрителя сопла низконапорного газа, где упругие элементы выполнены в виде пластин;
на фиг.5 - вид В на фиг.3 на лопатку завихрителя сопла низконапорного газа, где упругие элементы выполнены в виде кусков проволоки;
1
на фиг.6 - зависимость степени повышения полного давления ε(λ) в предлагаемом эжекторе с ИКС при ϑ=1.0, , к=var;
1
на фиг.7 - зависимость степени повышения полного давления ε(λ) в эжекторе с ЦКС при ϑ=1.0, , к=var.
Сверхзвуковой газовый эжектор содержит (см. фиг.1) осевое сверхзвуковое сопло 1 высоконапорного газа с расположенным концентрично ему кольцевым соплом 2 низконапорного газа с наружной стенкой 3, последовательно сопряженные с соплами 1 и 2 камеру смешения 4 потоков газа и расширяющийся диффузор 5. Выходы сопел 1 и 2 расположены в одной поперечной плоскости Г, являющейся к тому же плоскостью входа в камеру смешения 4. Камера смешения 4 выполнена с переменной по длине площадью поперечного сечения и соединена входом в плоскости Г с наружной стенкой 3 кольцевого сопла 2, а выходом в плоскости Д с входом диффузора 5. Камера смешения 4 выполнена суживающееся - расширяющейся. Площадь выходного сечения в плоскости Е суживающейся части 6 камеры смешения 4 равна площади выходного сечения кольцевого сопла 2 низконапорного газа.
Угол раскрытия расширяющейся части 7 камеры смешения 4 выполнен от одного до трех градусов.
Длина расширяющейся части 7 камеры смешения 4 составляет до пяти - шести диаметров выходного сечения суживающейся части 6 камеры смешения 4 в плоскости Е.
Кольцевое сопло 2 низконапорного газа содержит на выходе лопаточный завихритель газа 8.
Лопаточный завихритель газа 8 (см. фиг.1, 3) также включает, расположенные на выходных кромках 9 лопаток 10, наборы 11 упругих стержневых элементов. Выходная кромка 9 каждой лопатки 10 (см. фиг.4, 5) имеет продольный паз 12. Отдельный стержневой элемент каждого набора 11 жестко закреплен одним концом в пазу 12.
Отдельный упругий стержневой элемент набора 11 может быть выполнен в виде пластины 13 (см. фиг.4) или в виде куска проволоки 14 (см. фиг.5).
1
Сравнение эффективности предлагаемого эжектора с ИКС и широко применяемого и считающегося наиболее эффективным эжектора с ЦКС проводят по ключевым безразмерным газодинамическим параметрам (к,ϑ,λ),
где ϑ - характерное отношение теплосодержаний;
- приведенная скорость высоконапорного газа;
к - коэффициент эжекции.
1
(макс.ИКС)
(макс.ЦКС)
Анализ расчетных зависимостей представленных на фиг.6 и фиг.7 показывает, что для всех сочетаний параметров (к, ϑ, λ) имеется преимущество по степени повышения полного давления смешиваемых газов на выходе предлагаемого эжектора с ИКС перед известным эжектором с ЦКС, т.е. ε>ε.
Возможные режимы работы сверхзвукового газового эжектора с изобарической камерой смешения задают путем изменения давления на выходе из эжектора при неизменных параметрах состояния смешиваемых газов и их физических свойств. Высоконапорный газ (воздух) подают со сверхзвуковой скоростью (см. фиг.1) из сопла 1 в суживающуюся часть 6 камеры смешения 4. Одновременно в суживающуюся часть 6 через (см. фиг.1, 3) лопастной завихритель 8 с наборами 11 пластин 13 (см. фиг.4) или кусков проволок 14 (см. фиг.5) на лопатках 10 и сопло 2 эжектируют с дозвуковой скоростью низконапорный закрученный поток газа (воздуха) с высокой интенсивностью турбулентности и там смешивают его с высоконапорным газом из сопла 1.
Ввиду наличия поперечных пульсационных компонентов скорости газа, свойственных турбулентному движению, потоки внедряются друг в друга, образуя постепенно уширяющуюся зону смешения - пограничный слой струи. В пределах пограничного слоя происходит изменение параметров газовой смеси от значений их в высоконапорном эжектирующем потоке газа до значений в низконапорном эжектируемом потоке газа. Благодаря этому разность скоростей потоков газов из сопел 1 и 2 уменьшается. Уменьшаются и потери на смешение газов. Полученную смесь газов из сужащейся части 6 направляют в расширяющуюся часть 7 камеры смешения 4. В расширяющейся части 7 камеры процесс смешения и выравнивания скоростей потоков газов завершается. Далее смесь газов через расширяющийся диффузор 5 отводят в атмосферу или потребителю. На выходе из эжектора полное давление смеси газов повышается до уровня, превышающего уровень полного давления смесей газов в известных аналогах эжекторов.
Режимы, при которых расходы смешиваемых газов не зависят от противодавления реализуются, если давление на выходе из эжектора меньше некоторого предельного значения, при этом в выходном сечении горловины камеры смешения устанавливается сверхзвуковое или звуковое течение смеси.
Предельными критическими режимами и предельными режимами запирания камеры смешения являются режимы, при которых течение в расширяющимся диффузоре сплошь дозвуковое, а на выходе из горловины камеры смешения смесь газов имеет соответственно сверхзвуковую или звуковую скорости.
Режимы, при которых с изменением противодавления раходы смешиваемых газов изменяются реализуются тогда, когда давление на выходе из эжектора больше предельного значения.