Экспериментальное исследование сверхзвукового газового эжектора

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Т ом XX

1989

№ 4

УДК 533.697.5

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕРХЗВУКОВОГО

ГАЗОВОГО ЭЖЕКТОРА

Исследована работа сверхзвукового газового эжектора на критическом режиме. Для исследуемого эжектора получены зависимости коэффициента эжекции от отношения полных давлений и степени сжатия эжектора от коэффициента эжекции. Приведены зависимости скорости низконапорного газа и отношения статических давлений высоконапорного и низконапорного газов на входе в камеру смешения от отношения полных давлений смешиваемых газов. На критическом режиме для ряда значений отношения полных давлений газов измерены профили скорости смеси газов в конце камеры смешения. Полученные результаты указывают на существование неизвестного ранее механизма возникновения критического режима.

Существование критического режима в эжекторе с сужающимися насадками для подвода высоконапорного и низконапорного газов и цилиндрической камерой смешения впервые было обнаружено в работе [1]. В работах [2—4] экспериментально исследовался эжектор со сверхзвуковыми соплами для подвода высоконапорного газа в камеру смешения (здесь и далее рассматривается случай равных температур торможения и одинаковых физических характеристик эжектируемого и эжектирующего газов). Там же, а также в работе [5], указывалось на два возможных способа осуществления критического режима (когда используется понятие газодинамической величины в сечении, то имеется в виду осредненная по площади этого сечения величина):

1) когда статическое давление на срезе сопла высоконапорного газа меньше или равно статическому давлению в струе низконапорного газа в этом сечении, при этом ниэконапорный газ на срезе сужающегося насадка имеет звуковую скорость (рис. 1, а);

В. А. Маланичев

разделяющая линия лака звукоВая линия баяна, разрежения скачок уплотнения

а)р'^Рі

Юр'грі

Рис. 1

2) когда статическое давление на срезе сопла высоконапорного газа больше статического давления в струе низконапорного газа, при этом высоконапорный газ, расширяясь, поджимает струю низконапорного газа до звуковой скорости (рис. 1,6).

Принято считать [2—5], что в эжекторе заданной геометрии при увеличении отношения полных давлений первый из указанных выше механизмов возникновения критического режима сменяется вторым. Это должно происходить при таком значении отношения полных давлений а=р^/ро1 (штрихом отмечены параметры высоконапорного газа на входе в камеру смешения, единицей — параметры низконапорного газа на входе в камеру смешения, двумя штрихами — параметры смеси газов в конце камеры смешения), при котором я(1) = огя(М'), где я(М)—газодинамическая функция давления. Такая точка зрения изложена в монографии [6] и учебнике [7]. В работах [3] и [4] отмечалось, что наличие пограничного слоя на стенках сопл и конечная толщина кромок сопл несколько смещают значение отношения давлений от, при котором происходит переход от одного механизма возникновения критического режима к другому.

1. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2. Высоконапорный газ подавался в цилиндрическую камеру смешения из форкамеры через кольцевое профилированное сверхзвуковое сопло, рассчитанное на геометрическое число Маха М' = =2,07. Низконапорный газ всасывался из атмосферы через мерный участок и через сужающийся насадок поступал в камеру смешения. Мерный участок состоял из профилированного коллектора и конического дозвукового диффузора. Длина камеры смешения равнялась шести диаметрам (й=73 мм). Такая длина, по нашим оценкам и результатам работы [3], близка к оптимальной. За камерой смешения был установлен конический дозвуковой диффузор с полууглом раствора 3°. Отношение выходной и входной площадей диффузора равнялось 11,8. Полное давление смеси газов за диффузором регулировалось дросселем, через который смесь выбрасывалась в атмосферу. Отношение площадей поперечных сечений потоков низконапорного и высоконапорного газов на входе в камеру смешения равнялось а=Р1/Р'=0,77, толщина кромок сопла составляла 0,6 мм. Температуры торможения эжектирующего и эжектируемого газов были практически одинаковы (Т01 = Т0=288 К), в качестве обоих газов использовался воздух. Отношение полных давлений изменялось в диапазоне 2,00—7,83 с шагом 0,17.

В ходе эксперимента измерялись следующие величины: статическое давление низконапорного газа в минимальном сечении мерного участка, полное давление высоконапорного газа в форкамере, полное давление смеси газов в конце дозвукового диффузора перед выхлопным дросселем. При определении профилей скорости смеси газов в конце камеры смешения использовались приемники полного и статического давления, перемещаемые поперек сечения камеры смешения при помощи координат-ника. Измерения проводились образцовыми манометрами с дублированием датчиками ИКД.

По измеренным величинам находились следующие характеристики:

е(А)=Ро/Ро—зависимость степени сжатия эжектора от коэффициента эжекции

& (а) = 6/0' — зависимость коэффициента эжекции от отношения полных давлений, где О — расход газа (рис. 3);

М1 (а) —зависимость числа Маха низконапорного газа на срезе сужающегося насадка от отношения полных давлений (рис. 4), ///^(сг) =<тя(М')/л;(М1)—зависимость отношения статических давлений высоконапорного и низконапорного газов на входе в камеру смешения от отношения полных давлений (см. рис. 4).

При расчете двух последних величин вводилась поправка порядка 2% на вытесняющее действие пограничного слоя, который развивается к срезу сужающегося насадка в низконапорном потоке. Величина поправки определялась из эксперимента при запирании низконапорного потока на срезе насадка и сохранялась постоянной в про-

(рис. 3);

Рис. 2

Рис. 4

цессе остальных расчетов. Также вводилась поправка на пограничный слой в сопле высоконапорного газа. Согласно данным работы [4], действительное число М в выходном сечении сопла высоконапорного газа принималось равным 2,00, отношение площадей — 0,81.

2. Экспериментальные характеристики исследованного эжектора приведены на рис. 3 и 4. Кроме того, на рис. 3 нанесены зависимости е(&) и <т(6), полученные в результате расчетов по одномерной теории [5]. В процессе расчета при заданной геометрии эжектора увеличивалось число М низконапорного газа на входе в камеру смешения от 0 до 1. В случае, если никакое значение Мі<1 не удовлетворяло условию возникновения критического режима [5], полагалось Мі=1. Сопоставление экспериментальных и расчетных зависимостей е(£) дало коэффициент суммарных потерь полного давления смеси газов у=вэксп/еТеор;»0,87.

Как отмечалось выше, согласно результатам работ [2—5] смена одного механизма возникновения критического режима другим для исследуемого эжектора должна происходить при 0о = 4,О8 (точка А0 на рис. 4). При этом значении отношения полных давлений статическое давление на срезе сопла высоконапорного газа становится равным статическому давлению низконапорного газа, движущегося со скоростью звука (с учетом наличия пограничного слоя в сопле высоконапорного газа). Из поведения кривых на рис. 4 видно, что течение низконапорного газа на срезе сужающегося насадка со скоростью звука разрушается при Оі=3,17 (точка Аі). При дальнейшем увеличении отношения полных давлений скорость низконапорного газа на входе в камеру смешения непрерывно уменьшается. Когда статические давлениия в потоках вы-

соконапорного и низконапорного газов на входе в камеру смешения выравниваются (02=6,33), скорость низконапорного газа соответствует значению М.^0,55 (точка А2). Возникновение критического режима в диапазоне отношений полных давлений 3,17<ст<6,33 не может происходить ни одним из двух путей, описанных ранее. Действительно, в этом диапазоне статическое давление низконапорного газа выше статического давления высоконапорного газа на входе в камеру смешения. Поэтому струя иизконапорного газа в начальном участке камеры смешения должна расширяться. Но скорость низконапорного газа на входе в камеру смешения дозвуковая, значит, в начальном участке камеры смешения она будет уменьшаться. Таким образом, на входе в камеру смешения или вблизи него низконапорный газ не может приобрести звуковую скорость. Обнаруженный эффект нельзя объяснить наличием пограничного слоя и конечностью толщины кромок сопла. При равных статических давлениях в потоках газов на входе в камеру смешения толщина пограничного слоя должна быть порядка 1 см, чтобы обеспечить число Маха низконапорного потока М1 = 0,55.

На рис. 5 приведены профили чисел М" смеси газов в конце камеры смешения для нескольких значений отношения полных давлений. Профили определялись при работе эжектора на критическом режиме. Из поведения кривых на рис. 5 следует, что возникающий критический режим не может быть объяснен запиранием камеры смешения, так как профили скорости практически всюду дозвуковые.

Выражаю глубокую признательность Г. М. Рябинкову за постоянное внимание к работе, и ряд ценных замечаний, высказанных при обсуждении результатов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Миллионщиков М. Д., Рябинков Г. М. Газовые эжекторы больших скоростей. — В сб. работ по исследованию сверхзвуковых газовых эжекторов. — БНИ ЦАГИ, 1961.

2. Таганов Г. И., Межиров И. И., Харитонов В. Т. Экспериментальное исследование газового эжектора при больших перепадах давления. — В сб. работ по исследованию сверхзвуковых газовых эжекторов. — БНИ ЦАГИ, 1961.

3. Харитонов В. Т. Характеристики эжектора с цилиндрической камерой смешения и сверхзвуковым соплом эжектирующего газа. —

В сб. работ по исследованию сверхзвуковых газовых эжекторов. — БНИ ЦАГИ, 1961.

4. Куканов Ф. А., Межиров И. И., Харитонов В. Т. Экспериментальное исследование эжекторов со сверхзвуковыми соплами эжектирующего газа. — В сб. работ по исследованию сверхзвуковых газовых эжекторов. — БНИ ЦАГИ, 1961.

5. Васильев Ю. Н. Теория сверхзвукового газового эжектора с цилиндрической камерой смешения. — В сб.: «Лопаточные машины и струйные аппараты», вып. 2.—М.: Машиностроение, 1967.

6. Соколов Е. Я., 3 и н г е р Н. М. Струйные аппараты. — М.: Энергия, 1970.

7. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. — М.: Наука, 1976.

Рукопись поступила 13/УШ 1987 г.