CC BY
77
________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ НАГИ
Т о м XI 19 80
М 4
УДК 629.7.015.3.036 : 533.697.4 5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЯГОВЫХ И РАСХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСТВОЛЬНЫХ НИЗКОНАПОРНЫХ ЭЖЕКТОРОВ
Ю. А. .Пашков, Е. А. Шумилкина
Приведены результаты экспериментального исследования тяговых и расходных характеристик низконапорных многоствольных эжекторов. Испытания проводились на осесимметричном эжекторе с различным числом активных сопл (я=1, 7 и 19) и общей цилиндрической камерой смешения. В широких пределах изменялись длина камеры смешения и отношение площадей эжектируемого и эжекти-руюшего газов. Исследованный эжектор может быть использован в качестве эжекторного увеличителя тяги, а также в качестве низконапорного струйного компрессора в различного рода газодинамических установках.
Оптимальная длина камеры смешения эжектора с одиночным центральным соплом высоконапорного газа равна, в зависимости от режима работы, 10—15 калибрам. На практике применение камеры смешения такой длины в ряде случаев оказывается невозможным. Сокращение же длины камеры смешения эжектора с одиночным центральным соплом может привести к существенному ухудшению характеристик эжектора. Поэтому исследование возможности снижения длины камеры смешения без ухудшения характеристик эжектора представляет несомненный практический интерес.
Одним из возможных путей снижения относительной длины камеры смешения является увеличение числа сопл эжектирующего газа. В этом направлении проводились определенные исследования [1, 2], однако они велись в сравнительно узком диапазоне изменения основных геометрических параметров эжектора. Так, в работе [1] подробно исследовано влияние длины камеры смешения на характеристики высоконапорного газового эжектора с одним и с семью сверхзвуковыми эжектирующими соплами (я = 1 и 7), но только при одном значении отношения площадей эжектируемого и эжектирующего газов а «=/]//' = 8,47. В работе (2] проведено исследование низконапорного газового эжектора с одним, тремя и семью сверхзвуковыми соплами эжектирующего газа в широком диапазоне изменения геометрического параметра я = 65 -г 642. Однако эти исследования велись лишь при достаточно большой относительной длине камеры смешения 7=8-*-13. В работе (3) был исследован эжектор с различным числом активных сопл (я = = 1, 2, 3, 4, 6, 8 и 12). Однако эти исследования велись только при одном значении параметра а = 12, 3 и одном значении относительного давления о = 3. В работе [4] были начаты систематические исследования расходных характеристик низконапорного газового эжектора с одним, семью и девятнадцатью активными соплами. В указанной работе были исследованы расходные характеристики низко-
напорного эжектора в широком диапазоне изменении относительной длины камеры смешения при изменении параметра а от 30 до 135.
В настоящей работе проведены исследования в более широком диапазоне изменения параметра а = 11 1000. Кроме того, в данной работе, наряду с рас-
ходными характеристиками, исследованы и тяговые характеристики эжектора, а также влияние гидравлических потерь на входе в эжектор на его тяговые характеристики.
I. Схема эжектора показана на рис. 1. Эжектор имел цилиндрическую камеру смешения диаметром 70 мм. Низконапорный воздух поступал в камеру смешения через мерный коллектор из атмосферы. Смешанный поток истекал также в атмосферу через выходной диффузор с углом раствора 6° и степенью расширения
па А-А
6 а\ 7 8
/ — дроссель. 2-мерное сопло. 3—тенэометрическая втулка. ■/ — распределительный коллектор. 5—мерный коллектор, б — сопловый блок. 7—камера смешения, « — диффузор
Рис. 1
/—2. При проведении испытаний относительная длина I камеры смешения могла изменяться от 0,2 до 15 калибров (/=//</, где <1 — диаметр камеры смешения). Относительная длина начального участка эжектора (до среза активных сопл) составляла 2,2 калибра.
Сопла эжектирующего газа были изготовлены из медной трубки и имели Г-образную форму. При я = 7 сопла были изготовлены из трубки с внешним диаметром 6мм и толщиной стенки 1мм. При л=19 сопла изготавливались из трубки 4>;0,5 мм. Характер расположения сопл по сечению камеры смешения показан на рис. 1. В односопловом варианте изменение площади среза сопла осуществлялось заменой конических насадков. При я =7 и 19 изменение площади среза сопла осуществлялось путем поджатия конца трубки. Таким способом осуществлялось изменение параметра а= уг~ где /—пл°ЩаДЬ поперечного
сечения камеры смешения, /' — суммарная площадь среза всех активных сопл. При я=1 параметр а определялся по геометрическим размерам, а при я = 7 и 19 — но величине расхода высоконапорного воздуха.
В процессе проведения испытаний измерялись расход (?, низконапорного воздуха (с помощью мерного коллектора), расход («)' высоконапорного воздуха (с помощью стандартного мерного сопла), реактивная тяга /?, развиваемая эжектором (с помощью тензорезисторных весов, на которых подвешивалась модель), а также полное давление р0 высоконапорного воздуха на срезе сопла. По измеренным параметрам определялись коэффициент эжекции к*=0)х!<3', относительное давление з=р01ра, где ра — атмосферное давление, а также относительная тяга /?=/?//?ид, где /?„д— тяга идеального сопла с расходом, равным измеренному расходу высоконапорного воздуха.
Отметим, что величина в вычислялась по давлению, измеренному насадком полного давления в центре активного сопла на его срезе. Для сопл без сужения
или с малым сужением из-за влияния пограничного слоя найденные таким образом значения в могут оказаться завышенными.
2, Зависимости коэффициента эжекции к от относительного давления з для различных значений геометрического параметра а и числа сопл п при оптимальной длине камеры смешения приведены на рис. 2. Наблюдается закономерные рост коэффициента эжекции с увеличением геометрического параметра а.
П-Г , >/-2
Зависимости коэффициента эжекции от относительной длины камеры смешения k=f(l) и от геометрического параметра а для трех значений относительного давления и показаны на рис. 3. При работе эжектора с выходным диффузором со степенью расширения 7=2 оптимальная длина камеры смешения односоплового эжектора составляет примерно J0 калибров, при л = 7 /opt = 3, а при «=19 /ор{%1. Таким образом, увеличением числа активных сопл можно существенно сократить потребную длину камеры смешения. Следует отметить, что при неизменном выходном диффузоре оптимальная длина камеры смешения зависит как от относительного давления з, так и от геометрического параметра а. С увеличением значений а иг растет, как правило, и оптимальная длина камеры смешения. На рис. 3 для трех значений з приведены также зависимости коэффициента эжекции от параметра а при оптимальной длине камеры смешения для исследованных значений п. Видно, что многосопловые эжекторы (я=7 и 19) обладают примерно такими же расходными характеристиками, что и односопловой эжектор.
На рис. 4 для ряда значений а и п приведены зависимости относительной тяги R от относительного давления о. Видно, что эжекторы рассматриваемой схемы позволяют получить прирост тяги на месте порядка 40—50%. Следует отметить, что оптимальная по коэффициенту эжекции длина камеры смешения не всегда совпадает с оптимальной по тяге длиной камеры смешения. Особенно заметное различие наблюдается при /1=1. Отметим также, что применение диффузора с углом раствора 6', относительной длиной 7, = 3,8 и степенью расширения Т= 2 не дало улучшения тяговых характеристик по сравнению с характеристиками, полученными с более коротким диффузором, имеющим угол раствора
8°, /л= 1,45 и/= 1,44. Однако в последнем случае максимальные приросты тяги получались с более длинными камерами смешения.
' Для исследования влияния потерь полного давления в низконапорной струе на характеристики эжектора на входе в эжектор устанавливались сетки с различным гидравлическим сопротивлением. Зависимости относительной тяги & от величины потерь Лр полного давления во входном участке эжектора приведены
Рис. 4
на рис. 5. При больших значениях геометрического параметра (а - 65-т-190) тяговая эффективность эжектора резко падает с ростом потерь полного давления в низконапорной струе. Так, при з—6 потери полного давления низконапорного воздуха порядка 0,5—0,6% ликвидируют весь выигрыш в тяге. При г —2 прирост в тяге исчезает при потерях давления низконапорного воздуха около 0,1%. Отметим, что отрицательное воздействие потерь давления низконапорного воздуха усиливается с увеличением геометрического параметра а.
Потери полного давления в низконапорной струе приводят к снижению не только реактивной тяги, но коэффициента эжекции^однако их влияние на величину к менее сильное, чем на относительную тягу /?.
В заключение остановимся на вопросе о влиянии числа активных сопл на тяговые и расходные характеристики эжектора исследованной схемы. Проведен-
12—«Ученые записки» 4
157
ные исследования показали, что увеличение числа активных сопл позволяет существенно снизить оптимальную длину камеры смешения эжектора. Очевидно, что уменьшение длины проточной части эжектора при прочих равных условиях должно привести к снижению потерь на трение о стенки, а следовательно, к улучшению характеристик эжектора.
Анализ полученных результатов (см. рис. 3 и 4) показывает, что в действительности не наблюдается заметного улучшения характеристик эжектора с увеличением числа активных сопл. Этому, по-видимому, можно дать следующее объяснение. Конструкция исследованного эжектора была такова, что часть поперечного сечения проточной части в области расположения эжектирующих сопл затенялась последними. Это затенение увеличивалось с ростом числа сопл. Так, при и=1 оно составляло 12%, а при и = 7 и 19 — соответственно 17 и 21%.
и 7 * й Ч и 1 I ЛЦ,
Зависимость относительной тяги И от потерь полного давления 4р в низконапорном сопле (я = 7, /=3,2, 0=6”, /=2, Тх— 3,8)
Рис. 5
Увеличение степени загромождения проточной части, очевидно, приводит к росгу гидравлических потерь на сопловом блоке. В исследованной схеме эжектора положительный эффект уменьшения потерь на трение из-за снижения длины камеры смешения при увеличении числа сопл, по-видимому, компенсируется отрицательным эффектом увеличения гидравлических потерь на сопловом блоке с ростом числа сопл. Очевидно, что в конструкции эжектора с малым загромождением проточной части активными соплами увеличение (в разумных пределах) числа сопл может привести к улучшению расходных и особенно тяговых характеристик эжектора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Байков В. С., Васильев Ю. Н. Исследование газового эжектора с многоствольным сверхзвуковым соплом высокоиапорного газа. В сб. .Лопаточные машины и струйные аппараты". М., .Машиностроение", вып. 3, 1968.
2. Wright W. A., Shahrokhi F. Experimental and analitical investigation of high mass ratio multi-nozzle air ejector systems. AIAA Paper, N 70-579, 1970.
3. К ульпин Б. В. Влияние числа Рейнольдса на основные показатели работы одноступенчатого струйного компрессора. Труды КАИ. вып. ХХХУН, 1957.
4. Ж у л е в Ю. Г., Л а ш к о в Ю. А., Соловьев В. К., Шуми л к и н а Е. А. Экспериментальное исследование многоствольных низконапорных эжекторов. Труды ЦАГИ, вып. 1956, 1978.
Рукопись поступила 12 III 1979 г.
