CC BY
8ДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
УДК 533.697.5
ЭФФЕКТИВНЫЙ МНОГОСОПЛОВОЙ ЭЖЕКТОР:
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО КАНАЛА НА ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ
В. М. Мальков1'2, А. В. Емельянова2
1 Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург, Российская Федерация
2 НПП «Адвент», Санкт-Петербург, Российская Федерация
Аннотация. Рассматриваются многосопловые эжекторы, у которых вместо одного центрального сопла имеется несколько сопел, расположенных по обечайке камеры смешения, что позволяется интенсифицировать процесс смешения эжектирующего и эжектируемого потоков. Эффективность многосоплового эжектора существенно увеличена по сравнению с эжектором традиционной компоновки за счет улучшения расходных характеристик. Проведен детальный анализ влияния всех геометрических параметров рабочего канала на характеристики эжектора. Показана взаимосвязь между геометрическими параметрами канала течения многосоплового эжектора и его запускными, срывными и нагрузочными характеристиками. Даны рекомендации для выбора конструктивных решений при разработке многосоплового эжектора для различных установок.
Ключевые слова: многосопловой эжектор, система восстановления давления, степень сжатия, коэффициент эжекции, давление запуска эжектора, давление срыва, сопло, камера смешения.
Для цитирования: Мальков В. М., Емельянова А. В. Эффективный многосопловой эжектор: влияние геометрических параметров рабочего канала на его характеристики // Аэрокосмическая техника и технологии. 2023. Т. 1. № 1. С. 131-148.
EFFICIENT MULTI-NOZZLE EJECTOR: THE IMPACT OF WORKING CHANNEL CONFIGURATION ON ITS PERFORMANCE
V. М. Ма1коу1'2, А. V. Еше1уапоуа2
1 Baltic State Technical University "VOENMEH", Saint Petersburg, Russian Federation
2 Research and Production Enterprise "Advent", Saint Petersburg, Russian Federation
© Мальков B. M., Емельянова А. В., 2023
Abstract. This article deals with multiple-nozzle ejectors having several nozzles arranged around the mixing chamber shell instead of one central nozzle, thus intensifying the mixing process of ejector and ejected flows. The efficiency of the multi-nozzle ejector is significantly increased compared to the traditional ejector design due to improved flow characteristics. A detailed analysis of the influence of all geometric parameters of the working channel on the ejector characteristics has been performed. The correlation between the geometric parameters of the flow channel of the multi-nozzle ejector and its launch, drag and load characteristics is revealed. Guidelines are issued for the selection of design solutions when developing a multi-nozzle ejector for various installations.
Keywords: multi-nozzle ejector, pressure recovery system, compression ratio, ejection ratio, ejector start pressure, stall pressure, nozzle, mixing chamber.
For citation: Malkov V. M., Emelyanova A. V. Efficient multi-nozzle ejector: the impact of working channel configuration on its performance. Aerospace Engineering and Technology. 2023. Vol. 1. No. 1, pp. 131-148.
Введение
Эжектор (ЭЖ) был изобретен давно - первые аэродинамические трубы фактически являлись трубами эжекторного типа. Сегодня он не только является частью выхлопной системы аэродинамических труб и испытательных высотных стендов, но и широко используется в промышленности (например, сталеплавильные котлы вакуумируют с помощью пятиступенчатых паровых ЭЖ). Исследований на тему ЭЖ проводилось много [1], было выведено основное уравнение эжекции [2], изучены критические режимы работы ЭЖ [3, 4], получены эмпирические данные по выбору его геометрии. Теория ЭЖ была развита в рамках интегральных моделей. Провести регулярные параметрические исследования по оптимизации такого сложного в геометрическом плане устройства, как ЭЖ, в рамках одномерных моделей, конечно, нельзя.
Эжектор - это устройство, в котором полное давление эжектрируемого (низконапорного) газа Р02 увеличивается за счет смешения его с эжектирующим газом, имеющим более высокое полное давление Р01. То есть давление смешанного потока на выходе из ЭЖ Р03 выше, чем давление в эжектируемом газе перед ЭЖ Р02. Достигаемая степень сжатия s = Р03 /Р02 - одна из основных характеристик ЭЖ. При больших s расход эжектирующего газа G01 становится больше расхода эжектируемого G02, т. е. коэффициент эжекции n = G02/G01 < 1, значит n является другой основной характеристикой ЭЖ. Поскольку всегда нужно экономить высоконапорный газ (снижать G01), повышение эффективности ЭЖ можно определить, как увеличение n для заданной s при заданном расходе G02. Для сравнения различных ЭЖ часто используют произведение степени сжатия и коэффициента эжекции n ' s [5], поскольку для данного ЭЖ n ' s ~ const (обычные ЭЖ аэродинамических труб имеют n ' s ~ 1).
Существуют две классические схемы ЭЖ: центральная и периферийная [6]. В центральной схеме осесимметричное сопло высоконапорного газа располагается по оси на входе в камеру смешения (КС). В периферийной схеме высоконапорный газ вытекает из кольцевого сопла, расположенного на обечайке КС (в начале канала по стенке КС). С точки зрения коэффициента эжекции разница между классическими схемами ЭЖ фактически отсутствует, но для периферийной схемы длину КС можно выбрать короче. Для увеличения степени сжатия е применяют многоступенчатые ЭЖ [7], но они имеют очень большую длину.
Эффективность работы ЭЖ определяется организацией процесса смешения высоконапорного эжектирующего и низконапорного эжектируемого газов в КС. Известны два подхода к интенсификации процесса смешения, которые формально можно классифицировать как пассивный и активный методы [5]. При пассивном методе, используя разного рода насадки на сопло классического ЭЖ [8], искривляют поверхность смешения, т. е. увеличивают ее и тем самым интенсифицируют процесс смешения (он происходит на меньшей длине, быстрее). Описанное в работе [9] периферийное сопло продолжается цилиндрическим щелевым насадком, в [10] приведен пример, когда на центральном сопле подачи эжектирующего газа размещены вихреобразующие элементы - табы, шевроны. В таких эжекторах удается достичь более развитой искривленной поверхности смешения. Однако при развороте в щелях почти на 90°, когда струи направлены друг на друга, или когда много струй со стенки КС подаются под большим углом [11], энергия эжектирующего потока теряется, и в результате параметр п ♦ е получается низким (п ' е < 0,5) [9, 11].
Активные методы подразумевают создание распределенной подачи эжектиру-ющего газа с использованием множества малоразмерных сопел так, чтобы получить развитую поверхность смешения, уменьшить характерный размер процесса и тем самым организовать его на более короткой длине. Реализацией подобного способа интенсификации смешения и является многосопловой эжектор. Исследовать работу такого многопараметрического устройства, как МЭЖ и ЭЖ с за-вихрителями, исключительно опытным путем на основании измерения полей давления в некоторых сечениях КС, чтобы разобраться в сути процесса и оптимизировать характеристики ЭЖ, вряд ли возможно (результат трактовки опытов может получиться неверным [12]). Сегодня результаты численного моделирования на основе 3D вязких уравнений позволяют получать реалистичную картину течения в любом сечении КС, в любом ракурсе, благодаря чему легко разобраться в деталях процесса смешения и улучшить работу ЭЖ за счет оптимизации геометрии канала [5].
В настоящей работе продолжены численные исследования работы МЭЖ, предложенного в [5, 13], где вместо одного большого центрального сопла используется несколько среднеразмерных сопел (с тем же общим расходом), расположенных по обечайке КС. Детально рассмотрено влияние всех параметров канала на характеристики ЭЖ. По сути рассмотрена технология проектирования
и реализации МЭЖ. Необходимость такой работы связана также с тем, что сегодня появился класс задач, требующих разработки высокоэффективных ЭЖ (c n ' s > 2). Речь идет о сверхзвуковых химических лазерах (СХЛ) как наиболее вероятных кандидатах для реализации автономных мобильных лазерных комплексов мегаваттного уровня мощности [14, 15]. В резонаторной полости СХЛ необходимо создание сверхзвукового потока при низком статическом давлении (Pst ~ 10 Торр при числах Маха потока М ~ 2). Поэтому для организации непрерывной работы СХЛ по открытому циклу (выхлоп в атмосферу) используют специальные выхлопные системы - системы восстановления давления (СВД). Основными частями СВД являются выхлопной диффузор и ЭЖ [14-17] (в нее могут входить также теплообменник и переходная емкость перед эжектором, где размещена система, обеспечивающая сход ЭЖ с рабочего режима [16]). СВД с системой хранения компонент для работы газогенераторов, питающих ЭЖ, во многом определяет массогабаритные характеристики всего лазерного модуля, состоящего из лазера и СВД. Задача уменьшения этих характеристик модуля - одна из ключевых при реализации мобильного комплекса. Наиболее заметно уменьшить массу и габариты модуля может повышение эффективности работы ЭЖ - снижение его расхода для заданной s. Данное обстоятельство и определяет актуальность задачи о разработке эффективного ЭЖ.
Для аэродинамических труб жестких требований к массогабаритным характеристикам систем выхлопа при их разработке не ставилось, но задача уменьшения расхода воздуха, высокого давления, используемого для работы ЭЖ, всегда стояла.
Численная модель
Разработка ЭЖ, как и любого сложного с конструктивной точки зрения устройства, проходит в несколько этапов. Сначала, на стадии эскизного проекта, выбираются основные характеристики и определяется первое приближении геометрии канала на основе полуэмпирических интегральных моделей. На следующем этапе проводится численное параметрическое исследование на основе трехмерного моделирования вязких течений. На этом этапе происходит поиск оптимальной геометрии, т. е. варьируются основные параметры канала ЭЖ, такие как степень поджатия (отношение входного диаметра КС к диаметру горла), длина КС, длина горла и др. Поэтому сегодня конструктор, приступая к разработке узлов устройства, уже имеет конкретные решения как для основных соотношений по геометрии, так и для способов организации газодинамических процессов в системе. Это способствует улучшению качества конструкторской проработки и ускоряет реализацию сложных газодинамических систем в целом.
В настоящей работе расчеты проводились в программном пакете ANS YS. Численная модель была верифицирована по результатам испытаний опытных образцов ЭЖ, в качестве модели турбулентности использовалась £-ю-модель. Под ве-
рификацией численной модели подразумевается не только сравнение результатов с данными эксперимента, но и подбор физических моделей для описания процесса, модели турбулентности, выбор областей сгущения сетки, исследования сходимости решения по сетке (подробнее о модели и ее верификации в [5,
Для конкретизации параметрических расчетов и сравнений был выбран ЭЖ из состава СВД для сверхзвукового лазера на молекулах фторида дейтерия (DF-НХЛ) [16]: ЭЖ центральной схемы с одним соплом подачи эжектирующего газа с числом Маха на выходе 4,55, у которого эжектирующий и эжектируемый газы имеют разные физические свойства. Эжектируемый (лазерный) поток после сверхзвукового диффузора имел параметры: давление торможения, оно же полное давление эжектируемого газа на входе в ЭЖ, Р02 = 50 торр, температура To2 = 600 К, молярная масса Ц2 = 6,43 г/моль, показатель адиабаты у2 = 1,422, расход Gi = 0,44 кг/с. Этот расход, на который рассчитывалась первоначальная геометрия ЭЖ, считался номинальным. Поток эжектирующего газа, полученного в парогазогенераторе, имел параметры: Poi = 25 атм, Toi = 1300 К, Ц1 = 24,7 г/моль, у1 = 1,33, G=5,5-6,5 кг/с. Верификация численной модели проводилась в том числе и на основе данных об испытании именно этого ЭЖ на лабораторном стенде, описанном в работе [16], поэтому он и был принят как основной.
Полученные в работе результаты по оптимизации геометрии канала ЭЖ имеют общий характер (не являются частным случаем). В [5] было экспериментально доказано, что для характеристик ЭЖ, работающего на разных газах, верной является обобщающая формула (ранее полученная в работе [18] на основе анализа одномерных уравнений):
В этом соотношении газодинамика и термодинамика «разделены»: под корнем записаны термодинамические параметры, а коэффициент эжекции п00 зависит только от геометрии канала, числа Маха сопла и давления в парогазогенераторе. Таким образом различие обычного для аэродинамики случая, когда активный и пассивный газы одинаковые (воздух-воздух), и наших данных по п сводится к постоянному коэффициенту (выражение под корнем).
МЭЖ представляет собой ЭЖ, где вместо одного центрального сопла расположены несколько крупных сопел по обечайке КС, при этом суммарный расход через эти сопла равен расходу через сопло ЭЖ центральной схемы. Основные параметры геометрии канала даны на рис. 1. Интенсификация смешения осуществляется за счет того, что вместо поверхности взаимодействия двух струй ЭЖ центральной схемы, которая невелика, в МЭЖ перемешивание идет вдоль границ нескольких взаимодействующих крупных струй, поэтому как видно из рис. 2, происходит быстрее.
16]).
Многосопловой эжектор
__1
1 со
1 1
Ей— с? в Сщ С)
Рис. 1. Геометрия исходного МЭЖ
МасЬ МитЬег
Рис. 2. Сравнение полей течения в КС МЭЖ и ЭЖ центральной схемы
Поиск оптимальной геометрии МЭЖ - это задача, для решения которой необходимо варьировать большое количество параметров. В настоящем исследовании рассматривается влияние на работу ЭЖ следующих параметров: количество сопел подачи эжектирующего газа; длина КС Ьи; длина горла Ьё; степень поджа-тия канала ЭЖ (диаметр горла угол наклона сопел к оси а; угол поворота сопел вбок 0; расстояние от сопел до оси ЭЖ В.
В качестве начальной геометрии канала была выбрана оптимизированная геометрия ЭЖ с центральным соплом [10]. Камера смешения не постоянного сечения, а сужающаяся, что обеспечивает лучшие характеристики ЭЖ [6, 19]. Такие каналы с поджатием имеют свои особенности - существует явление гистерезиса: запуск ЭЖ происходит при большем давлении в форкамере, чем срыв течения при снижении давления. А наиболее эффективный режим работы ЭЖ - это пред-срывной режим (с минимально возможным давлением перед соплом подачи эжектирующего газа), который позволяет экономить расход эжектирующего газа.
Количество сопел в МЭЖ
Для определения оптимального количества сопел сравнивались ЭЖ с 5, 7, 9, 13, 17 соплами подачи эжектирующего газа. На рис. 3 показаны нагрузочные характеристики для ЭЖ на предсрывном режиме. Нагрузочная характеристика -
это зависимость давления эжектируемого газа перед эжектором Р02 от коэффициента эжекции. В сравнении с классическим эжектором центральной схемы (линия «1 сопло» на рис. 3) выигрыш в коэффициенте эжекции п у МЭЖ при постоянной степени сжатия е составил 1,5 раза. Оптимальное количество сопел - семь, большее количество приближает результаты работы ЭЖ к результатам работы ЭЖ с периферийной схемой, а меньшее количество создает недостаточно развитую поверхность смешения.
P02, TOPP
Рис. 3. График нагрузочной характеристики: зависимость давления эжектируемого газа перед ЭЖ P02 от отношения расходов G2 / Gnom.
G2 - расход эжектируемого газа; Gnom - номинальный расход
Нагрузочная характеристика МЭЖ линейна и устойчива к срыву: в отличие от ЭЖ с одним соплом многосопловые ЭЖ могут работать при нагрузке (расходе эжектируемого газа), в два раза превышающей расчетную. При наличии ограничений по длине ЭЖ именно линейность нагрузочной характеристики позволяет уменьшить калибр МЭЖ и, следовательно, длину МЭЖ. Был проведен расчет МЭЖ, расчетный расход эжектируемого газа которого в два раза меньше, чем у исходного МЭЖ, а степень сжатия при этом выбирается увеличенной (уменьшенное Р02) в соответствии с рис. 3. Это позволяет получить МЭЖ, у которого входной диаметр КС Dk меньше и длины Lk и Lg тоже будут меньше, поскольку они выражаются в калибрах. Полученный МЭЖ может работать на двойной нагрузке (т. е. вернуться к изначальному расходу) и при этом обеспечит расчетную изначальную степень сжатия. Можно еще уменьшить длину выхлопной системы, использовав вместо одного канала двухканальную систему, т. е. для половинного канала Dk будет в 1,4 раза меньше и, следовательно, длина каждого канала в 1,4 раза короче.
Если ограничений по габаритам нет и ЭЖ планируется использовать для установок, в которых требуется обеспечить широкий диапазон нагрузок, МЭЖ с 9-11 соплами позволит работать на нагрузках, превышающих расчетную в три раза, а МЭЖ с 7 соплами - в два раза, в то время как ЭЖ с одним соплом позволяет осуществлять работу ЭЖ лишь с небольшими отклонениями от номинальной нагрузки.
Длины камеры смешения и горла МЭЖ
Были проведены исследования влияния длины КС (Ьщ и длины горла (Ьё) на работу ЭЖ. Расчеты для МЭЖ проводились для длин КС и горла от 4 до 12 калибров при фиксированной Ьё (10 калибров) в первом случае и Ь]{ (10 калибров) во втором случае. Под калибром принимают средний диаметр В = (0}1+/ 2.
47
42
37
32 -I
* 02' 1
1Ч-Ф 1
95
—■—5
1
lG НО) Юно - 0 „ = 1 щ
G ПНО , = 1 , 2
15
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Ьь калибр
0,5
1,5
2,5
G,/G„
1
2
3
Рис. 4. Зависимость давления эжектируемого газа Р02 от длины КС ^ для разных отношений расходов эжектируемого газа G2/Gnom (слева). Нагрузочные характеристики
для ЭЖ с разными ^ (справа)
Как видно на рис. 4, сокращение длины КС имеет небольшое влияние на нагрузочную характеристику ЭЖ. Для систем,на которые накладываются ограничения по габаритам (СВД СХЛ), использование укороченных КС длинной 4-5 калибров позволит работать эжектору при номинальной нагрузке по той же характеристике, что и при длине КС, выбранной в соответствии со стандартными рекомендациями (~ 10 калибров) [6]. Для установок, выхлопные системы которых должны обеспечить работу в широком диапазоне Gpass (аэродинамические трубы), наилучшей длиной КС будет Ь ~ 8 калибров (Р02 будет меньше, чем в случае ^ ~ 4, рис. 4 слева), что соответствует рекомендациям [6, 19]. Более длинные КС, как показывают расчеты, приводят к ухудшению срывной характеристики (срыв происходит раньше, рис. 4 справа: при нагрузке, превышающей расчетную на 50 %).
Длина горла напрямую связана со срывными характеристиками ЭЖ: чем короче длина горла, тем быстрее происходит срыв потока (рис. 5). С точки зрения
уменьшения массогабаритных размеров и неснижения эффективности работы МЭЖ Lg ~ 6 калибров является наиболее оптимальной. Диапазон нагрузки такого МЭЖ уменьшается, но достаточен для работы его в составе СВД СХЛ, так как СВД рассчитывается на один оптимальный режим работы лазера. Для аэродинамических труб, которые проектируются на работу в широком диапазоне чисел Маха и давления в форкамере (т. е. на большой диапазон расходов рабочего газа), лучше использовать для МЭЖ длинное горло с Lg ~ 10-12 калибров.
P02, тоРР
115 105 95 85 75 65 55 45 35 25 15
4калибра
5калибров
бкалибров
8 калибров
10калибров
12калибров
0 0,2 0,4 0,6 0,
1 1,2 1,4 1,6 1,:
2 2,2 2,4 2,6 2,
3 3,2
Рис. 5. Зависимость давления эжектируемого газа перед эжектором Р02 от отношения расходов G2/Gnom для разных длин горла
Степень поджатия горла МЭЖ
ЭЖ с сужающейся КС работают эффективнее, чем ЭЖ с КС постоянного сечения [5, 6, 19]. Выбор степени поджатия ЭЖ (отношение диаметра КС к диаметру горла А; /Оё) - это отдельная задача. Первое приближение по геометрии ЭЖ, в том числе по Dk Ю^ получают на основе интегральных невязких методик. В результате анализа системы уравнений [6] мы получаем решения, которые можно представить в виде поля кривых зависимости коэффициента эжекции от скорости потока на выходе из КС Х3 для разных степеней сжатия (рис. 6, данные для этого рисунка получены А. В. Савиным).
Рис. 6. Зависимость коэффициента эжекции п от скорости потока на выходе из КС Хэ для разных степеней сжатия
Существует оптимальный ЭЖ, т. е. эжектор, в котором будет реализовано оптимальное значение Хэ для достижения максимального коэффициента эжекции. Параметры и характеристики такого ЭЖ выбираются в первом приближении. Выбранная степень сжатия, соответствующая оптимальному эжектору, в действительности может быть завышена, так как интегральные методики не учитывают вязкость и такие явления, как пограничный слой.
В каналах с поджатием наблюдается явление гистерезиса - давление запуска превышает давление срыва. Запуск эжектора происходит при повышении давления эжектирующего газа, что приводит к падению давления перед эжектором. Эжектор считается запущенным, когда давление эжектирующего газа повысилось настолько, что в определенном сечении КС (сечение «запирания») сформировалось сверхзвуковое течение и Р02 резко упало. На рис. 7 представлена запускная кривая МЭЖ со степенью поджатия 1,33. При 3Э-моделировании МЭЖ может не запускаться или запускаться с некоторыми допущениями, тогда как в эксперименте при тех же условиях запуск возможен. Срывные характеристики ЭЖ в отличие от запускных численно моделируются лучше.
В настоящей работе проводились расчеты для МЭЖ с постоянным входным диаметром КС, но с разными диаметрами горла. Полученные результаты позволяют судить о срывных характеристиках ЭЖ. МЭЖ с широким горлом работает эффективнее, чем ЭЖ с узким горлом (рис. 8, Р02 меньше), но при этом пред-срывное давление эжектирующего газа для широкого горла (кривая срыва МЭЖ со степенью поджатия 1,33, рис. 7) существенно выше, чем для узкого (кривая срыва МЭЖ со степенью поджатия 1,75, рис. 7). То есть для рабочего режима МЭЖ с широким горлом необходимо будет подавать эжектирующий газ под
большим давлением, что увеличивает расход эжектирующего газа и габариты системы хранения компонентов. Использование МЭЖ с узким горлом (с большей степенью поджатия) предпочтительнее для ЭЖ, работающих в любых установках.
P0, атм
1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
II
кривая запуска для 1.33 Кривая срыва для 1.33 Кривая срыва для 1,56
-*-
-*- Кривая срь 1ва для 1,75
РаФ атм
10
20
30
40
50
60
70
Рис. 7. Зависимость давления на входе в ЭЖ от полного давления эжектирующего газа при запуске и срыве для разных степеней поджатия
Р0Ъ тоРР
55
50
45
40
35
är\- -▲
-■
■- t ,7
* ,2
Dk /Dg
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
Рис. 8. Зависимость давления эжектируемого газа P02 от степени поджатия Dk/Dg для разных отношений расходов эжектируемого газа G2 /Gnom
Угол наклона сопел к оси МЭЖ
Сопла подачи эжектирующего газа МЭЖ имеют два угла наклона: к оси ЭЖ и в сторону. Исследования проводились для МЭЖ с углом сужения КС ао =1,75.
1
Рассматривались МЭЖ с разными углами наклона сопел к оси ЭЖ (угол наклона сопел к оси ЭЖ состоял из ао и угла наклона от стенки КС Да).
Как показали расчеты, угол наклона сопел к оси ЭЖ значительно влияет на процесс запуска ЭЖ. МЭЖ запускается, когда струи эжектирующего газа сходятся друг с другом на оси ЭЖ на расстоянии около 3-4,5 калибров от входа в КС. Другими словами, существует относительно небольшой диапазон выбора угла наклона, при котором МЭЖ возможно запустить, - в пределах 3°. Выбор конкретного угла наклона сопел зависит от многих факторов, таких как степень поджатия ЭЖ, длина КС и расстояние от сопел до стенки КС. Поэтому конструкция МЭЖ должна включать устройство изменения угла наклона для отладки запуска ЭЖ. При этом выбор угла наклона в указанном диапазоне слабо влияет на эффективность работы ЭЖ (рис. 9).
^ торр
Рис. 9. Зависимость давления эжектируемого газа Р02 от угла наклона сопел от стенки Да для разных отношений расходов эжектируемого газа G2/Gnom (Да = а - ао) (слева). Нагрузочные характеристики для ЭЖ с разными углами наклона сопел
от стенки (справа)
Было исследовано взаимное влияние таких параметров, как степень поджатия горла и угол наклона сопел подачи эжектирующего газа на запускные характеристики ЭЖ (рис. 10). При моделировании реальных условий запуска ЭЖ с широким горлом (малой степенью поджатия канала) ЭЖ запускается в диапазоне угла наклона сопел в 3,5-4°. При небольшом увеличении степени поджатия диапазон угла наклона сопел, при котором возможен запуск, заметно сокращается -до 2°. А ЭЖ со степенью поджатия канала больше 1,42 не запускается.
Р01, атм
67 65 63 61 59 57 55
•
\ \
\ \
\в -Л i
* л
Да,
4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8
8,5
Рис. 10. Зависимость давления эжектирующего газа в момент запуска от угла наклона сопел от стенки КС Да = а - ао для разных степеней поджатия горла Dk/Dg
Среди рассмотренных вариантов ЭЖ запуск происходил всегда, когда струи эжектирующего газа сходились друг с другом на оси ЭЖ на расстоянии в 3 калибра от входа в КС. А ЭЖ с меньшей степенью поджатия запускаются и при схождении струй эжектирующего газа на оси ЭЖ на расстоянии в 5 калибров от входа в КС. То есть ЭЖ с малой степенью поджатия горла запускаются при более широком угле раскрытия струй эжектирующего газа, чем ЭЖ с большей степенью поджатия горла. При этом давление эжектирующего газа для ЭЖ в пределах одной степени поджатия и с разными углами наклона сопел не одинаково: при минимально допустимом для запуска угле наклона сопел давление запуска выше, чем для максимально допустимого угла наклона сопел.
Угол поворота сопел влево (сторону) МЭЖ
При повороте сопел подачи влево (в сторону) МЭЖ (0) возможно организовать спиральный ввод эжектирующего газа, т. е. закрутку потоков. Рассматривались ЭЖ с углом поворота в сторону от 0 до 3°. При увеличении угла поворота срыв ЭЖ происходит все раньше, т. е. предсрывное давление эжектирующего газа МЭЖ с углом поворота 3° значительно выше, чем у МЭЖ без закрутки потока. При этом ЭЖ с углом в 3° работает только на 30 % от расчетного расхода, дальше происходит срыв потока (рис. 11). При сравнении нагрузочных характеристик видно, что ЭЖ без закрутки потока работает эффективнее. Следовательно, можно говорить о существовании чувствительности МЭЖ к несимметричности течения потока в канале ЭЖ, которая в данном случае образована за счет закрутки потока.
□
р02,торр
Рис. 11. Зависимость давления эжектируемого газа на входе в ЭЖ Р02 от угла наклона сопел в сторону 0 для разных отношений расходов эжектируемого газа 02/0,
Расположение сопел МЭЖ
Сопла подачи эжектирующего газа имеют еще один важный геометрический параметр - расстояние до оси симметрии ЭЖ (В), т. е. насколько близко или далеко от обечайки КС их следует располагать. Сравнивались варианты МЭЖ с разным расстоянием сопел подачи эжектирующего газа до оси ЭЖ, при этом было сохранено одинаковое для всех вариантов расстояние до горла, на котором сходятся оси симметрии сопел подачи эжектирующего газа. Получено, что наиболее оптимальная конструкция МЭЖ та, в которой сопла подачи эжектирующего газа максимально приближены к стенке КС: при таком расположении площадь смешения потоков максимальна. Если сопла приближать к оси симметрии МЭЖ, то струи эжектрирующих потоков будут сливаться и тем самым уменьшать площадь, по которой происходит перемешивание потоков.
В литературе существуют две различные точки зрения о наиболее эффективной конструкции ЭЖ: с длинной КС или с длинным горлом. В ходе настоящего исследования были рассмотрены МЭЖ, которые имели одинаковую общую длину, но разные соотношения длины КС и горла (рис. 12, где длины горла и КС представлены в процентах от их общей длины). Численные расчеты показали, что эффективность работы ЭЖ больше зависит от длины КС и мало зависит от длины горла. Но при этом ЭЖ по варианту схемы с максимальной КС и минимальным горлом хоть и имеет лучшую, чем у других вариантов, нагрузочную характеристику (Р02 на рис. 12), очень быстро срывается - что неприемлемо. Таким образом, если существуют ограничения по длине, предпочтение при распределении калибров длин стоит отдать КС, но при этом длину горла не рекомендуется выбирать минимальной. Если необходим широкий диапазон нагрузок и ограничений по длине нет, ЭЖ следует выбирать с горлом и КС длиной в 8-10 калибров.
Pn
100%
о?
80%
я
4 60%
<D
s
§ 40%
ч
ё 20% ä
0%
J J
2 !r Zy Y; У /—
1 п ГГ
торр 44,6
44,4
44,2
44
43,8
43,6
43,4
43,2
12 3 4
Камера смешения iiiii Горло А Р,
02
P02, торр
62 52 42
32
0,7
1,3
G2/Gnom
Рис. 12. Звисимость давления эжектируемого газа перед МЭЖ Р02 от распределения длин КС и горла в процентах от общей длины (слева), где 1, 2, 3, 4 - различные варианты ЭЖ. Нагрузочные характеристики для четырех вариантов ЭЖ (справа)
Заключение
1
В МЭЖ значительно улучшено смешение потоков газов, что позволяет достичь наилучших нагрузочных характеристик в сравнение с ЭЖ классических схем: центральной и периферийной. Выбор оптимальной геометрии всегда зависит от конкретных условий задачи. По результатам проведенных исследований можно дать следующие рекомендации для конструктивных решений рабочего канала МЭЖ.
1. Оптимальное количество сопел подачи эжектирующего газа - девять.
2. Сопла располагаются у стенки КС, оси сопел имеют наклон к оси КС, обеспечивая схождение эжектирующих струй в точке на оси КС в плоскости на расстоянии 3 калибров от выходного сечения КС.
3. Конструкция крепления сопел должна иметь регулировку угла наклона (запускные характеристики зависят от угла наклона сопел к оси КС).
4. Не допускается отклонение оси сопел в сторону от радиальных сечений вдоль образующих стенок КС (характеристики МЭЖ чувствительны к асимметрии потока).
5. При использовании МЭЖ в установках, рассчитанных на работу в широком диапазоне изменения нагрузки - расхода эжектируемого газа (аэродинамические трубы), следует использовать КС длиной 8-10 калибров и горло 10-12 калибров.
6. При использовании МЭЖ в специальных установках, рассчитанных на один режим, когда особенно важны массогабаритные характеристики выхлопной системы (СВД сверхзвуковых лазеров), можно применять укороченные КС (до 4-5 калибров) и укороченные горла (5-6 калибров).
7. Укороченные горла снижают диапазон допустимых нагрузок, при этом характеристика МЭЖ (ход зависимости давления перед эжектором от нагрузки) не меняется.
8. При длинных КС диапазон допустимых нагрузок понижен, но характеристика МЭЖ немного улучшена.
Библиографический список
1. Сборник работ по исследованию сверхзвуковых газовых эжекторов. - М.: ЦАГИ, 1961. -327 с.
2. Христианович С. А. О расчете эжектора // Промышленная аэродинамика: Сб. статей. -М.: ЦАГИ, 1944. - С. 3-17.
3. Миллионщиков М. Д. Газовые эжекторы больших скоростей / М. Д. Миллионщиков, Г. М. Рябинков // Сборник работ по исследованию сверхзвуковых газовых эжекторов. - М.: БНИ ЦАГИ, 1961. - С. 5-32.
4. Никольский А. А. Критические режимы газового эжектора больших перепадов давления / А. А. Никольский, В. И. Шустов // Сборник работ по исследованию сверхзвуковых газовых эжекторов. - М.: БНИ ЦАГИ, 1961. - С. 41-47.
5. Эжекторы для системы восстановления давления сверхзвуковых химических лазеров / В. М. Мальков, И. А. Киселев, И. В. Шаталов [и др.] // Теплофизика и аэромеханика. - 2017. -Т. 24. - № 3. - С. 445-461.
6. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1969. - Гл. IX. - С. 450-463.
7. Урюков Б. А. Теория дифференциального эжектора // ПМТФ. - 1963. - № 5. - С. 41-47.
8. Соболев А. В. Одноступенчатый эжектор большой степени сжатия / А. В. Соболев,
B. И. Запрягаев, В. М. Мальков // Теплофизика и аэромеханика. - 2005. - Т. 12. - № 1. -
C. 149-158.
9. Аркадов Ю. К. Газовый эжектор с соплом, перфорированным продольными щелями // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. - 1968. - № 2. - С. 71-74.
10. Соболев А. В. рименение насадок шевронов и табов для улучшения расходных характеристик газовых эжекторов / А. В. Соболев, В. И. Запрягаев, В. М. Мальков // Теплофизика и аэромеханика. - 2007. - Т. 14. - № 2. - С. 201-208.
11. Аркадов Ю. К. Компактный газовый эжектор большой степени сжатия с расположением сопел по спирали // Ученые записки ЦАГИ. - 1984. - Т. XV. - № 6. - С. 35-42.
12. Аркадов Ю. К. Новые газовые эжекторы. - М.: Физматлит, 2001. - 336 с.
13. Патент № 2750125 РФ. Многосопловой газовый эжектор / С. Я. Чакчир, В. М. Мальков, Н. В. Спасский, А. В. Емельянова. - Заявл. 26.12.2020. - Опубл. 22.06.2021. - Бюл. № 18.
14. Проблемы создания автономных мобильных лазерных установок на основе непрерывного химического DF-лазера / Б. П. Александров, А. С. Башкин, В. Н. Безноздрев [и др.] // Квантовая электроника. - 2003. - Т. 33. - № 1. - С. 25-30.
15. Koop G. Airborne laser flight-weighted laser module (FLM) and COIL modeling support / G. Koop, J. Hartlov, C. Clendening, P. Lohn // AIAA paper. - 2000. - № 2000-2421. - 10 p.
16. Система восстановления давления HF/DF-лазера большой мощности: опыт реализации / А. С. Борейшо, С. Л. Дружинин, В. М. Мальков [и др.] // Теплофизика и аэромеханика. - 2007. - Т. 14. - № 4. - С. 591-607.
17. Мальков В. М. Система восстановления давления химического кислород-йодного лазера на базе активного диффузора / В. М. Мальков, И. А. Киселев, А. Е. Орлов, И. В. Шаталов // Теплофизика и аэромеханика. - 2011. - Т. 18. - № 3. - С. 397-411.
18. Искра А. Л. Эжектор с разными эжектирующим и эжектируемым газами // Сборник работ по исследованию сверхзвуковых газовых эжекторов. - М.: БНИ ЦАГИ, 1961. - С. 303-321.
19. Цегельский В. Г. К теории газовых эжекторов с цилиндрической и конической камерами смешения // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2012. - № 2. -С. 46-71.
Дата поступления: 16.02.2023 Решение о публикации: 28.02.2023
Контактная информация:
МАЛЬКОВ Виктор Михайлович - д-р техн. наук, профессор (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1); главный научный сотрудник (НПП «Адвент», Российская Федерация, 190020, Санкт-Петербург, Набережная Обводного канала, д. 227, к. 1), v.m.malkov@mail.com
ЕМЕЛЬЯНОВА Анастасия Викторовна - конструктор (НПП «Адвент», Российская Федерация, 190020, Санкт-Петербург, набережная Обводного канала, д. 227, к. 1), nastyaj ane@yan-dex.ru
References
1. Sbornik rabot po issledovaniju sverhzvukovyh gazovyh ejectorov [Collection of Works on research of ultrasound gas ejectors]. Moscow: TsAGI, 1961, 327 p. (In Russian)
2. Xristianovich S. A. O raschete jezhektorov [On Calculation of jezhektors]. Promyshlennaya aerodinamika: Sb. statej [Industrial Aerodynamics: Collection of articles]. Moscow: TsAGI, 1944, pp. 3-17. (In Russian)
3. Millionshhikov M. D., Ryabinkov G. M. Gazovye jezhektory bol'shih skorostej [Gas engine of high speeds]. Collection of Works on research of ultrasound gas ejectors. Moscow: TsAGI, 1961, pp. 5-32. (In Russian)
4. Nikol'skij A. A., Shustov V. I. Kriticheskie rezhimy gazovogo jezhektora bol'shih perepadov davlenija [Critical modes of gas jezhektors of large pressure drops]. Collection of Works on Research of Ultrasound Gas Ejectors. Moscow: TsAGI, 1961, pp. 41-47. (In Russian)
5. Malkov V. M., Kiselev I. A., Shatalov I. V. [et al.] Jezhektory dlja sistemy vosstanovlenija davlenija sverhzvukovyh himicheskih lazerov [Ejectors for pressure recovery systems of supersonic chemical lasers]. Thermophysicsand Aeromechanics. 2017. Vol. 24. No. 3, pp. 445-461. (In Russian)
6. Abramovich G. N. Prikladnaya gazovaya dinamika [Applied Gas Dynamics]. Moscow: Nauka, 1969. Ch. IX, pp. 450-463. (In Russian)
7. Uryukov B. A. Teoriya differencial'nogo jezhektora [Theory of differential ejector]. PMTF. 1963. No. 5, pp. 41-47. (In Russian).
8. Sobolev A. V., Zapryagaev V. I., Mal'kov V. M. Odnostupenchatyj jezhektor bol'shoj stepeni szhatija [Single-stage ejector with high compression ratio]. Thermophysics and Aeromechanics. 2005. Vol. 12. No. 1, pp. 149-158. (In Russian)
9. Arkadov Yu. K. Gazovyj jezhektor s soplom, perforirovannym prodol'nymi shheljami [Gas ejector with nozzle perforated by longitudinal slots]. Statute of Scientific Journals of the Academy of Sciences of the USSR. Fluid Dynamics. 1968. No. 2, pp. 71-74. (In Russian)
10. Sobolev A. V., Zapryagaev V. I., Mal'kov V. M. Primenenie nasadok shevronov i tabov dlja uluchshenija rashodnyh harakteristik gazovyh jezhektorov [Improvement of gas-jet ejector discharge characteristics with heads, chevrons, and tubs]. Thermophysics and Aeromechanics. 2007. Vol. 14. No. 2, pp. 201-208. (In Russian)
11. Arkadov Yu. K. Kompaktnyj gazovyj jezhektor bol'shoj stepeni szhatija s raspolozheniem sopel po spirali [Compact gas ejector of large compression ratio with spiral nozzle arrangement]. TsAGI Scientific Notes. 1984. Vol. XV. No. 6, pp. 35-42. (In Russian)
12. Arkadov Yu. K. Novye gazovye jezhektory [New gas ejectors]. Moscow: Fizmatlit, 2001, 336 p. (In Russian)
13. Patent No. 2750125 RF. Mnogosoplovoj gazovyj jezhektor [Patent No. 2750125 RF. Multi-nozzle gas ejector] / S. Ya. Chakchir, V. M. Mal'kov, N. V. Spasskij, A. V. Emel'yanov. Appl. 26.12.2020. Publ. 22.06.2021. Bull. No. 18. (In Russian)
14. Aleksandrov1 B. P., Bashkin1 A. S., Beznozdrev V. N. [et al.]. Problemy sozdaniya avtonom-nyh mobil'nyh lazernyh ustanovok na osnove nepre-ryvnogo himicheskogo DF-lazera [Problems in the development of autonomous mobile laser systems based on a cw chemical DF laser]. Quantum Electronics. 2003. Vol. 33. No. 1, pp. 25-30. (In Russian)
15. Koop G., Hartlov J., Clendening C., Lohn P. Airborne laser flight-weighted laser module (FLM) and COIL modeling support. AIAA paper. 2000. No. 2000-2421, 10 p.
16. Boreysho A. S., Druzhinin S. L., Malkov V. M. [et al.] Sistema vosstanovlenija davlenija HF/DF-lazera bol'shoj moshchnosti: opyt realizacii [Pressure recovery system for a high-power
HF/DF laser: implementation practice]. Thermophysics and Aeromechanics. 2007. Vol. 14. No. 4, pp. 591-607. (In Russian)
17. Malkov V. M., Kiselev I. A., Orlov A. E., Shatalov I. V. Sistema vosstanovlenija davlenija himicheskogo kislorod-jodnogo lazera na baze aktivnogo diffuzora [A pressure recovery system for chemical oxygen-iodine laser based on an active diffuser]. Thermophysics and Aeromechanics. 2011. Vol. 18. No. 3, pp. 397-411. (In Russian)
18. Iskra A. L. Jezhektor s raznymi jezhektiruyushchim i jezhektiruemym gazami. [Gas Engine swith different ejector and ejected gases]. Collection of Works on Research of Ultrasound Gas Ejectors. Moscow: TsAGI, 1961, pp. 303-321. (In Russian)
19. Tsegel'skiy V.G. K teorii gazovyh jezhektorov s cilindricheskoj i konicheskoj kamerami smeshenija [On the theory of gas ejectors with cylindrical and conical mixing chamber]. Proceedings of Higher Educational institutions. Machine Building. 2012. No. 2, pp. 46-71. (In Russian)
Date of receipt: February 16, 2023 Publication decision: February 28, 2023
Contact information:
Viktor M. MALKOV - Doctor of Technical Sciences, Professor (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1); Chief Researcher (Research and Production Enterprise "Advent", Russian Federation, 190020, Saint Petersburg, Naberezhnaya Obvodnogo Kanala, 227, building 1), , v.m.malkov@mail.com
Anastasiya V. EMELYANOVA - Designer (Research and Production Enterprise "Advent", Russian Federation, 190020, Saint Petersburg, Naberezhnaya Obvodnogo Kanala, 227, building 1), nastyaj ane@yandex.ru
