Эжектор со смещенными вдоль оси соплами высоконапорного газа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Том XX

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 1989

№ 1

УДК 533.697.5

ЭЖЕКТОР СО СМЕЩЕННЫМИ ВДОЛЬ ОСИ СОПЛАМИ ВЫСОКОНАПОРНОГО ГАЗА

Е. Г. Зайцев, Г. М. Рябинков

Рассмотрено изменение газодинамических характеристик эжектора при затягивании критического режима в область более высоких коэффициентов эжекции путем изменения условий запирания. Приводятся результаты экспериментального исследования серии эжекторов, у которых изменение условий запирания достигается смещением вдоль оси сопл высоконапорного газа. Проведено сравнение с эжектором обычной схемы, показавшее, что на ряде режимов характеристики эжектора могут быть значительно улучшены. Определена оптимальная величина сдвига сопл.

Основы современной теории газового эжектора были разработаны С. А. Христиановичем [1]. В дальнейшем, использование газодинамических функций [2] позволило получить уравнения эжектора в удобной форме и обобщить их на случай смешения газов с различными свойствами. Результаты обширных экспериментальных исследований эжекторов при малых перепадах давления хорошо согласуются с данными теории.

При больших перепадах давления, когда скорость эжектирующего газа на входе в камеру смешения звуковая или сверхзвуковая, М. Д. Миллионщико-вым и Г. М. Рябинковым впервые было установлено существование критического режима работы сверхзвукового эжектора [3]. Ими было показано, что предельные режимы работы газового эжектора при больших перепадах давления определяются условиями запирания эжектируемой струи.

В широком диапазоне перепадов давления на начальном участке камеры смешения реализуется такое течение, когда при наступлении критического режима скорость струи низконапорного газа в сечении запирания достигает скорости звука. Сечение запирания при этом является минимальным сечением эжектируемой струи, а его величина и местоположение определяются величиной и местоположением максимального сечения недорасширенной струи высоконапорного газа. Наступление критического режима ограничивает дальнейшее повышение коэффициента эжекции и степени сжатия при заданном перепаде давления по сравнению с тем, что дают уравнения механики без рассмотрения вопроса о запирании эжектора. В связи с этим представляет интерес исследование различных методов воздействия на услов-ия запирания эжектора с целью затягивания критического режима в область возможно больших коэффициентов эжекции.

В работе [4] впервые проведен анализ изменения газодинамических характеристик эжектора при смещении сопл высоконапорного газа вдоль оси камеры смешения. Было показано, что смещение сопл, полученное методом введения продольных жестких стенок по струе высоконапорцого газа, позволяет реализовать максимально возможное значение степени сжатия эжектора с цилиндрической камерой смешения. В дальнейшем, в работах [5, 6] экспериментально исследовались эжекторы с такой организацией течения на начальном участке камеры смешения, которая приводит к изменению условий запирания низконапорной струи и улучшению газодинамических характеристик эжектора.

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию влияния на газодинамические характеристики эжектора изменения условий запирания путем смещения вдоль оси относительно друг друга периферийных сопл высоконапорного газа. Смещение сопл приводит к изменению площади сечения запирания. Очевидно, что при увеличении площади сечения запирания происходит затягивание критического режима в область больших коэффициентов эжекции, и газодинамические характеристики эжектора должны улучшаться.

1. Рассмотрим, как изменятся характеристики эжектора при затягивании критического режима в область больших коэффициентов эжекции, т. е. при увеличении А.1 (А,1 — приведенная скорость низконапорного газа во входном сечении камеры смещения). Для этого необходимо определить соответствующие производные да/дХ\, діі/вкі, де/дХ\, где а — перепад давления (отношение полного давления эжектирующего и эжектируемого газов), к — коэффициент эжекции (отношение расходов эжектируемого и эжектирующего газов), є — степень сжатия (отношение полного давления смеси к полному давлению эжектируемого газа). Будем рассматривать два случая: 1) а = сопз^ 2) & = сопзі В первом случае из общих уравнений эжекции при одинаковых параметрах смешиваемых газов

к-^17Т' т

г(П - к*«>, (2)

_ а</(>/| )(*+!)

(а+ !)</(>.") ’ ^

(А,( — приведенная скорость высоконапорного газа во входном сечении камеры

смешения, X" — приведенная скорость смеси газов, а — геометрический па-

раметр эжектора, равный отношению площади сечений низконапорной и высоконапорной струй на входе в камеру смешения; <7(Я), г{Х) — известные газодинамические функции), имеем:

и, _ 1 3</(М .

~~ ЖУ ^

ч

где

дк/дкх _ де/ЗА.,

К — , 11 , Є — “ 1

Величина dA/'/dA,, определяется из уравнения (2):

дк"

дк,

дА(Х1)/дк1

[-

л(М 1

V^2(X,)-4j’

где

Л(^)

af(kl) + af(k\) aq(X,) +

f(k)=q(k)z(X).

Первоначально производится расчет критического режима работы эжектора по теории Ю. Н. Васильева, а затем по формулам (4) — (6) определяются соответствующие производные. Результаты расчета приведены на рис. 1, а и б. Видно, что в рассматриваемом случае наиболее значительное увеличение коэффициента эжекции имеет место при малых А,|, т. е. при больших перепадах давления. Характер изменения степени сжатия зависит от скорости эжектирующего газа. При к\ = 1 степень сжатия во всем диапазоне изменения перепадов давления уменьшается, а при M>1 в диапазоне малых значений а происходит увеличение степени сжатия. Отметим, что при изменении условий запирания относительная величина прироста коэффициента эжекции значительно превосходит относительное уменьшение степени сжатия.

В случае к — const при изменении условий запирания будем иметь

1 т

0Л |

(8)

где

- / да/дX,

а

Величина дк"/дк 1 определяется согласно уравнению (6). Результаты расчета по уравнениям (7) — (8) приведены на рис. 1, а и б. В данном случае происходит увеличение степени сжатия во всем диапазоне изменения перепадов давления. Наибольшее увеличение имеет место при малых скоростях низконапорного газа (большие перепады давления). Видно также, что относительное увеличение степени сжатия практически совпадает с относительной величиной увеличения перепада давления.

2. Экспериментальные исследования проводились на эжекторной установке с периферийным подводом высоконапорного газа. Камера смешения имела прямоугольное поперечное сечение площадью 87X100 мм . Высоконапорный газ поступал из газгольдеров через трубопровод с задвижкой в форкамеру и затем через звуковые сопла в камеру смешения. Относительная длина камеры смешения 1"{1” = 1"/(1 о, с1о—гидравлический диаметр камеры смешения) во время исследований не менялась и была равна 18,3. На выходе из дозвукового диффузора с углом раствора 3° на сторону и степенью расширения /=6,9 помещался дроссель, с помощью которого можно было изменять давление смеси. Полное давление эжектирующего газа . изменялось от 2 - 105 до 8- 105 Па. Низконапорный газ поступал через дроссель из атмосферы в низконапорный тракт и далее в камеру смешения.

Такая схема установки позволяла получать по известной методике [3] дроссельные характеристики эжектора, а по ним — предельные критические характеристики типа к {а) и г{к).

Рис. 1

Начальный участок камеры смешения эжекторной установки показан на рис. 2. Во входном сечении камеры смешения геометрические параметры эжектора при Д/ = 0 (А1 = М/й'о) следующие: Мр=1,0; а = 5,4.

В процессе исследований измерялись статическое р\ и полное давление ро\ низконапорного газа в мерном коллекторе, полное давление высоконапорного газа ро, полное давление смеси ро и температуры торможения низконапорного Г01 и высоконапорного То газов. По измеренным параметрам определялись коэффциент эжекции &, степень сжатия е и перепад давления о. Все измерения и вычисления проводились с помощью системы автоматического сбора и обработки информации.

Эксперименты проводились при восьми значениях величины смещения сопл (Д/= 0,50, ..., 350 мм). Так как случай Д/ = 0 соответствует эжектору обычной схемы, то полученные результаты позволяют легко судить о преимуществах и недостатках эжектора со смещенными соплами.

Предельные характеристики эжектора при нескольких значениях величины А/ приведен^ на рис. 3. Видно, что смещение сопл высоконапорного газа приводит к увеличению коэффициента эжекции практически во всем диапазоне изменения перепадов давления (ст>4,0). Увеличение степени сжатия имеет место при сравнительно небольших коэффициентах эжекции (/г<0,6). В области больших коэффициентов эжекции при смещении сопл степень сжатия даже несколько уменьшается по сравнению с эжектором обычной схемы, что связано с дополнительными потерями на трение при удлинении

одной из створок сопла. Видно также, что как и было показано выше, наибольшее влияние на газодинамические характеристики эжектора изменение условий запирания оказывает при малых значениях Я|. Так, при А/ = 0,54 увеличение коэффициента эжекции по сравнению с А/ = 0 для а = 7 составляет около 16%, а при а= 11 — 60%.

Появление на предельных критических характеристиках эжектора со значительной величиной смещения сопл высоконапорного газа (Л/^2,69) излома связано с изменением положения сечения запирания при больших перепадах давления.

На рис. 4 приведены зависимости относительного коэффициента эжекции и степени сжатия (£ = &/А:д(=о, ё=е/ед;=0) от А/. Наибольшее влияние смещение сопл оказывает на величину коэффициента эжекции. При этом отчетливо обнаруживаются два характерных участка повышения £ по мере увеличения А/. При малых смещениях сопл увеличение коэффициента эжекции происходит, главным образом, из-за изменения условий запирания низконапорной струи при смещении относительно друг друга_ недорасширенных струй высоконапорного газа. Оптимальная величина А 1ор1 в данном случае равна примерно единице для всех значений перепада давления.

При больших смещениях сопл основную роль в изменении условий запирания играет смещение газов на участке А/. В этом случае данный эжектор можно рассматривать как двухступенчатый, с укороченной камерой смещения. На рис. 4 приведены значения &расч, соответствующие расчетным характеристикам двухступенчатого эжектора. Расчет был проведен на основе одномерной теории Ю. Н. Васильева. Видно, что параметры эжектора при больших АI достаточно хорошо соответствуют расчетным параметрам двухступенчатого эжектора.

Степень сжатия в значительно меньшей мере зависит от величины смещения сопл. При А/>1,05 изменения степени сжатия при увеличении А/ лежат в пределах 3%.

Представляет интерес сравнить потери полного давления в эжекторе обычной схемы и в эжекторе со смещенными соплами. Потери оцениваются суммарным коэффициентом восстановления полного давления V, представляющим собой отношение полученной экспериментально степени сжатия к расчетной на этом режиме. Расчетная степень сжатия определяется по формулам (1) — (3). В зависимости от режима работы V в эжекторе обычной схемы меняется в пределах 0,82^-0,91 (рис. 5). В эжекторе со смещенными соплами

Рис. 4

Рис. 5

коэффициент восстановления полного давления меньше. Например, для Д/= = 1,07 V изменяется в пределах 0,78-^-0,85. Таким образом, наличие более длинной створки сопла увеличивает потери полного давления, вызываемые трением, и соответственно понижает степень сжатия. Однако, в целом, применение в эжекторе смещенных относительно друг друга сопл высоконапорного газа приводит к существенному улучшению газодинамических характеристик эжектора в широком диапазоне изменения рабочих параметров.

ЛИТЕРАТУРА

1. Христиаиович С. А., Рябииков Г. М., Миллионщиков М. Д., Т р е б и н Ф. А. Применение эжекторов в газосборных сетях. — Изв. АН СССР, ОТН, 1946, № 3.

2. Киселев Б. М. Расчет одноразмерных газовых течений. — ПММ, т. 11, вып. 1, 1947.

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

4. Харитонов В. Т. Исследование эффективности газового эжектора с цилиндрической камерой смешения. — Теплоэнергетика, 1958, № 4.

5. Аркадов Ю. К. Газовый эжектор с перфорированным продольными щелями соплом. — Изв. АН СССР, МЖГ, 1968, № 2.

6. А р к а д о в Ю. К. Исследование газового эжектора с винтовым соплом. — В сб. «Промышленная аэродинамика», — М.: Машиностроение, вып. 30, 1973.

Рукопись поступила 18/УШ 1987 г.