CC BY
116
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Том VII 19 7 6
М 3
УДК 533.697.5
ГАЗОВЫЙ ЭЖЕКТОР С НЕЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПЕРФОРИРОВАННОЙ СТЕНКОЙ НА ГРАНИЦЕ СМЕШИВАЕМЫХ СТРУЙ
Ю. К. Аркад о в
На основании анализа течения смешиваемых струй в перфорированном насадке сопла газового эжектора сделан вывод о том, что применение нецилиндрических перфорированных стенок может улучшать предельные характеристики эжектора на всех его режимах, в том числе и при больших приведенных расходах низконапорного газа. Приводятся результаты экспериментального исследования серии эжекторов с конической перфорированной стенкой. При оптимальных параметрах стенки на режиме (Х^ = 0,8 получена втрое большая степень сжатия, чем у классического эжектора.
Газовый эжектор с цилиндрической перфорированной стенкой, расположенной на границе потоков в начале камеры смешения, имеет значительно лучшие [1] предельные характеристики, чем обычный эжектор. Объясняется это следующим. Часть высоконапорного газа перетекает через щели в зону низконапорного газа и быстро смешивается с ним. Так как скорость и полное давление высоконапорного газа значительно выше, чем низконапорного, то у последнего при смешении происходит увеличение полного и статического давления. К концу перфорированного участка статические давления струй благодаря смешению значительно выравниваются, и запирания эжектора не происходит даже при большом начальном отношении полных давлений.
В случае цилиндрической перфорированной стенки с увеличением скорости и приведенного расхода низконапорного газа уменьшается количество высоконапорного газа, которое может быть подведено через щели в зону низконапорного потока. Когда скорость низконапорного газа достигает звуковой, то расход высоконапорного газа через щели становится равным нулю и указанный механизм повышения эффективности эжектора перестает работать. Как показывает экспериментальное исследование (фиг. 1), действительно, при больших приведенных расходах низконапорного газа (X]) характеристики эжектора с цилиндрической перфорированной стенкой приближаются к характеристикам обычного эжектора, а при (Х^ я: 1 становятся даже несколько ниже их из-за трения и конечной толщины стенки.
Режимы работы эжектора с большими приведенными расходами низконапорного газа являются, как правило, расчетными [2] для основной массы эжекторов. Повышение эффективности газового эжектора в этой области имеет существенное значение для практики.
!. Цилиндрическая перфорированная стенка представляет собой простейший вид перфорации. Ее применение оказалось для ряда режимов работы эжектора очень эффективным. Однако подобное выполнение перфорации не являете» единственным.
Рассмотрим, какой должна быть сделана стенка для улучшения характеристик эжектора при больших значениях параметра ц На этих режимах основным препятствием для повышения эффективности эжектора является, как указывалось выше, невозможность ввести в околозвуковую низконапорную струю высоконапорный газ. Если же перфорированную продольными щелями стенку на
/ —высоконапорный газ; 2 — низконапоркый газ; 3—эжектор без перфорации; 4 — эжектор с перфорацией Юх.
Фиг. 1
границе струй выполнить таким образом, что площадь поперечных сечений низконапорного потока вниз по течению будет увеличиваться, то перетекание части высоконапорного газа в низконапорную зону станет возможным. Таким образом, если перфорированная стенка будет наклонена в сторону высоконапорной струи, то механизм, приводящий к увеличению степени сжатия эжектора, будет работать и при больших приведенных расходах низконапорного газа.
Применение нецилиндрических стенок существенно расширяет число возможных вариантов выполнения используемой в эжекторе перфорации. Возникает ряд новых геометрических параметров, характеризующих эжектор. Если цилиндрическая перфорированная стенка со щелями постоянной ширины может быть полностью охарактеризована тремя параметрами — длиной стенки, числом щелей и коэффициентом проницаемости, то у нецилиндрической стенки появляются, по крайней мере, еще два дополнительных параметра. Один из них определяет увеличение площади поперечного сечения низконапорной струи к концу перфорированного участка, а второй характеризует форму стенки. При монотонном изменении радиуса стенки в качестве последнего параметра можно принять, например, угол наклона стенки в ее начальном сечении. В общем случае эти два параметра являются независимыми, однако при задании длины и формы стенки (например, конус, параболоид и т. д.) они связаны однозначной зависимостью.
Перетекание части сверхзвукового высоконапорного потока через щели в зону низконапорной струи приводит в случае цилиндрической стенки к уменьшению статического давления в высоконапорном газе и к его разгону. При нецилиндрической перфорированной стенке увеличение проходного сечения низконапорной струи приводит в цилиндрической камере смешения к соответствующему поджатию высоконапорной струи и увеличению статического давления в ней. При малых углах наклона стенки, когда относительное уменьшение площади
высоконапорного сопла ЬР'/Р' примерно равно относительному расходу газа через щели Дб'/б', эти два эффекта будут взаимно компенсировать друг друга. Если перфорированная стенка будет поджимать высоконапорную струю на ббль-шую величину, то статическое давление в ней вниз по потоку будет увеличиваться. При больших углах наклона стенки и значительном поджатии высоконапорной струи повышение статического давления в последней может привести к более раннему запиранию эжектора. Таким образом, углы наклона стенки, а также величины поджатия высоконапорной струи и тем самым расширения низконапорной струи ограничены сверху и, по-видимому, имеют оптимальные значения.
2. Применение цилиндрической перфорированной стенки оказывает влияние только на положение критической точки на дроссельной характеристике эжектора, при этом основные уравнения эжекции (уравнения сохранения расхода, импульса и энергии) остаются без изменений. Нецилиндрическая перфорированная стенка вносит в поток дополнительную осевую силу, влияющую на количество движения смеси газов в конце камеры смешения, и соответственно, на параметры смеси. Оценим это влияние. Перфорированная стенка омывается с двух сторон—высоконапорным и низконапорным газом. Сила, приложенная к высоконапорному газу, направлена против потока и уменьшает импульс и полное давление смеси. Сила, действующая на низконапорный газ, направлена по потоку и является положительной, однако она меньше силы, приложенной к высоконапорному газу, и в целом реакция стенки направлена против потока:
Учитывая, что статические давления низконапорного и высоконапорного газов рг и р' к концу стенки становятся близкими друг к другу, и пренебрегая из-за малости статическим давлением низконапорного газа в начале стенки, получим
где Д/7—приращение площади низконапорной струи на длине перфорированной стенки.
Отнесем реакцию стенки к полному импульсу высоконапорной струи:
При 1,4, Д/7//7' = 0,5, М' = 2 отношение /?/7' равно — 0,038, т. е. стенка уменьшает импульс смеси меньше, чем на 4% импульса высоконапорной струи.
В целом проведенная оценка показывает, что неблагоприятное воздействие нецилиндрической перфорированной стенки на количество движения смеси невелико, и если применение стенки позволит значительно повлиять на условия запирания эжектора при больших приведенных расходах низконапорного газа, то и суммарный эффект будет положительным.
3. Наиболее простой нецилиндрической перфорированной поверхностью является коническая стенка со щелями постоянной ширины. С нее и было решено начать экспериментальное исследование сверхзвукового газового эжектора с нецилиндрической перфорированной стенкой на границе смешиваемых струй.
Испытания проводились на воздухо-воздушной эжекторной установке с диаметром смешения камеры 71,5 мм, описанной в работе [1]. Число М высоконапорного потока было равно 2,84, отношение площадей низконапорной и высоконапорной струй а = 0,5. Длина перфорированной стенки составляла два калибра камеры
Я = — ] (Р' -Р1)№-
о
1
Г
ТР' и*
1 /-+1Г1д/?_____
где _у(Х) и г (к) — газодинамические функции:
смешения, число щелей — 8. Конец стенки длиной 10 мм был выполнен без щелей для увеличения жесткости конструкции. Число Рейнольдса, вычисленное по параметрам высоконапорной струи на входе в эжектор, составляло Ие = (5,6-*-6,4)-105.
Были испытаны четыре серии эжекторов (фиг. 2) отличающихся размерами выходного сечения перфорированной стенки = (<^вых/^)2 = 1.1; 1,2; 1,4; 1,7] и, соответственно, углами раскрытия (а=25,'ь2°40' на сторону). Коэффициент проницаемости был вторым варьируемым параметром. Он изменялся путем увеличения размера щелей после каждого испытания.
/ — высоконапорный газ; 2 — низконапорный газ
Фиг. 2
На фиг. 3 даны предельные характеристики испытанных эжекторов, эжектора классической схемы (без перфорации) и характеристика эжектора с цилиндрической (пунктир) перфорированной стенкой, взятая из работы [1]. Видно, что применение конической перфорированной стенки позволяет получать значительно большие степени сжатия также и в области больших приведенных расходов низконапорного газа.
При 9 (Х^ = 0,8, когда эжектор с цилиндрической перфорацией перестает давать выигрыш в степени сжатия, эжектор с конической перфорацией (фиг. 4) дает степень сжатия 13, что втрое превышает степень сжатия эжектора классической схемы.
Степень сжатия при малых относительных расширениях практически линейно увеличивается с возрастанием Р и а. При Р я: 1,5 и ах2° степень сжатия до-
стигает максимума и при дальнейшем увеличении этих параметров уменьшается. При ширине щелей А = 1,8 и 2,0 мм характеристики получались наилучшими и близкими друг к другу. Увеличение размера щелей до 2,2 мм привело к снижению степени сжатия при всех значениях параметра і7.
В области малых приведенных расходов низконапорного газа, например при нулевом коэффициенте эжекции к (фиг. 5), применение нецилиндрической перфорации также улучшает характеристики эжектора. Если с помощью цилиндрической перфорированной стенки в работе [1] была получена максимальная степень
£(ХГ)= 0,8
10
Л -18 мм 17 2,0 мм \ 2,2 мм
/х
V 0 1° 2° 3° ы.
1,0
1,5 Фиг. 4
100
50
к=0 Ь-%8ма * ~^у2,0мм к-Л
П\ \ \\ \ \ хг2>2мм л \ Ь
0 1° \ \ 2° 3°«
1,0
и
Фиг. 5
сжатия 96, то в данных экспериментах при р = 1,4 и А= 1,8 мм была получена степень сжатия 116. При к=Ь были также получены оптимальные углы раскрытия перфорированных насадков, которые составляют в зависимости от ширины щелей 1,5°—2° на сторону.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ар к адов Ю. К. Газовый эжектор с соплом, перфорированным продольными щелями. „Изв, АН СССР. МЖГ*, 1968, № 2.
2. Васильев Ю. Н» Теория сверхзвукового газового эжектора с цилиндрической камерой смешения. В сб. .Лопаточные машины и струйные аппараты“, вып. 2. М., .Машиностроение“, 1967.
Рукопись поступала 2\ІУ 1975 г.
