Газовый эжектор с тангенциальным вдувом в камеру смешения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Том ХЫ

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2010

№ 3

УДК 539.12

ГАЗОВЫЙ ЭЖЕКТОР С ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМ ВДУВОМ В КАМЕРУ СМЕШЕНИЯ

Н. А. ШУШИН

Предлагается простая методика расчета эжектора большой степени сжатия с тангенциальным вдувом газа в камеру смешения. Анализируются результаты расчета и сравниваются с данными эксперимента. Получено удовлетворительное совпадение результатов. Обсуждаются способы организации проточной части эжектора и область применения.

Ключевые слова: газовый эжектор, смешение, сопло, перепад давления, коэффициент эжекции, расчет, эксперимент.

Газовые эжекторы известны давно, а область их применения чрезвычайно обширна — от аэрокосмической техники до пищевой промышленности. Теория эжекторов разработана и излагается в учебной литературе [1, 2]. Тем не менее, исследования эжекторов продолжаются. В монографии [3] изложены результаты экспериментальных и теоретических исследований эжекторов различных схем. Исследуется подвод дополнительной массы газа в камеру смешения через последовательно расположенные периферийные сопла, а также большое количество одиночных сопел, расположенных на стенке по спирали. Получены уникальные результаты. В этой же работе приведена обширная библиография по газовым эжекторам.

Из теории газовых эжекторов со сверхзвуковыми соплами и цилиндрической камерой смешения следует, что повышение давления в камере смешения не превышает повышения давления на прямом скачке уплотнения при работе эжектора в режиме запирания и нулевом коэффициенте эжекции. Это же имеет место, если коэффициент эжекции больше нуля, а повышение давления в камере смешения рассчитывать, используя осредненные числа Маха активного и пассивного потоков в начале камеры смешения. Появляется некоторая аналогия между течениями в камере смешения эжектора и выхлопном диффузоре сверхзвуковой аэродинамической трубы, в цилиндрическом диффузоре которой реализуется течение, именуемое псевдоскачком. Рабочие отношения давлений сверхзвуковой трубы удается существенно снизить, если применить сверхзвуковой регулируемый диффузор. Рабочие и пусковые отношения давлений сверхзвуковой трубы удается уменьшить дополнительно, если применить сверхзвуковой тангенциальный вдув газа во входной части диффузора [4]. Вдуваемый поток формирует так называемое «жидкое горло» диффузора, которое может быть существенно меньше горла, регулируемого механическим способом.

Можно сказать, что сверхзвуковая труба есть газовый эжектор, работающий с нулевым коэффициентом эжекции в режиме запирания. В технике существуют задачи, связанные с вакуумирова-нием емкостей и работой эжектора при нулевых или очень малых коэффициентах эжекции. Поэтому целью этой работы является исследование возможностей эжекторов с вдувом газа в камеру смешения, сравнение их с эжекторами классических схем и определение области их применения.

На рис. 1 приведена схема эжектора и основные параметры, применяемые в методике расчета. По внешнему виду эжектор напоминает двухступенчатый эжектор, первая ступень которого имеет центральное сопло активного газа, а вторая ступень выполнена с периферийным подводом активного газа. Отличие данного эжектора от двухступенчатого в том, что участок между первым и вторым соплами выполняется очень коротким. Входной участок может иметь поджатие, т. е. относительное горло диффузора (термин аэродинамических труб) может быть меньше единицы.

р01, Т01, к1, Я1 Po, T0, k, Я р0в, T0в, кш Яв

Рис. 1. Схема эжектора и основные обозначения

В ступени эжектора типичной схемы потери в камере смешения близки к потерям на прямом скачке уплотнения. В эжекторе со вдувом во входном участке камеры смешения происходит поджатие частично смешанного потока вдуваемым активным газом. Имеет место течение, аналогичное течению во входном участке регулируемого диффузора. Потери полного давления в таком диффузоре меньше потерь давления на прямом скачке уплотнения, поэтому следует ожидать некоторое увеличение степени повышения давления в таком эжекторе по сравнению, например, с двухступенчатым. По мере снижения числа Маха основного потока и увеличения коэффициента эжекции возможность поджатия потока снижается, характеристики эжектора со вдувом мало отличаются от характеристик обычного одноступенчатого эжектора.

Активный газ (основной поток) подается к первому соплу и имеет параметры: полное давление ро1, температуру торможения Т01, показатель адиабаты к1 и удельную газовую постоянную Я1. Вдуваемый поток имеет параметры: ров, Т)в, кв, Яв; эжектируемый (пассивный) поток — ро, То, к, Я. Основной и вдуваемый потоки могут иметь одинаковые свойства и подводиться от одного или разных источников сжатого газа. Смесь истекает в среду с давлением р2. Площадь йа входной части первой камеры смешения (входного участка диффузора) принята за единицу. Соответст-

*

венно, отношение площади горла первого сопла к йа есть основной геометрический параметр / ; отношение площади жидкого горла к площади йа — относительное горло диффузора (терминология аэродинамических труб). Относительная площадь й поперечного сечения второй камеры смешения может быть больше и меньше единицы. Особо отметим параметр а, который является отношением площади струи активного потока к площади поперечного сечения первой камеры смешения. Параметр а изменяется в пределах 0—1, что удобно в расчетах, и отличается от основного геометрического параметра эжектора «а», принятого в классической теории газового эжектора, который может принимать бесконечно большие значения.

Пусть расход пассивного газа пока отсутствует. В первое сопло подается расход активного газа до давления р01, при котором струя активного газа примыкает к стенкам входного участка первой камеры смешения. Затем подается расход пассивного потока. При этом струя активного газа поджимается. Струя пассивного газа имеет некоторое число Маха на входе в первую камеру смешения (входной участок диффузора). При достижении М = 1 расход пассивного газа может быть увеличен, если снизить отношение полных давлений ро1ро активного и пассивного газов. По мере снижения ро1ро число Маха активной струи также уменьшается, а пассивная струя занимает все большую площадь в камере смешения. Комбинированный поток в первой камере смешения частично перемешивается. В расчетной модели сложный профиль скоростей заменяется эквивалентным прямоугольным. Этот поток может быть поджат геометрическим способом или с помощью вдуваемых струй. Полагается, что расширение основного и эжектируемого потоков до давления р1 происходит изоэнтропически. Часть соотношений, приводимых ниже, взята из работы [4], поэтому уравнения будут приводиться без вывода или с краткими пояснениями.

7о

Число Маха активного потока во входной части камеры смешения при отсутствии эжекти-руемого газа определится из соотношения:

м2 =

к1 -1

кі~1 ( Р01 ^ к

V Р1 У

-1

(1)

где рі — статическое давление на входе в первую камеру смешения. Отношение полных давлений активного и пассивного (эжектируемого) потоков будет

Рої

Ро

Рої

р1 (і + 0.5М2 )к-1

(2)

Число Маха активного потока при наличии эжекции:

м2 =

к1 -1

к] -1

(~ ПТ

Р01

Ро

1 ( , к -1 2 і і 1 +-------М2 I-1

(3)

Это уравнение приближенное, так как отношение степеней у выражения 1 + о.5(к - 1)М заменено единицей. Относительная площадь, занимаемая активной струей в первой камере смешения, определяется с помощью расходной функции д(М1):

а = -

(л к1 -1 2

1 + —-------М12

?(М1) М1

к1 +1

к1 +1 2(к1-1)

(4)

Осредненное (по импульсу) число Маха потока после смешения активного и эжектируемого газов определяется соотношением:

М2 = аМ2 + (1 - а)—М2.

(5)

Повышение давления смешанного потока в первой камере смешения от входа в камеру смешения до сечения /' определяется соотношением:

р' М

Р1 М'

(, к -1 л 2 ^

1 +------М2

2

к -1 2 1 +------М

0.5

(6)

где М' — число Маха смешанного потока в сечении /'. Относительная площадь «жидкого» горла /' определяется из уравнения:

кі +1

'=м_

М'

і к - 1 тГг 2

1 + —-----------М 2

(7)

5^ ^

— относительная толщина вытеснения пограничного слоя на выходе первой камеры смешения; сск — коэффициент восстановления (сохранения) давления в скачках уплотнения в пер-

1

вой камере смешения; сс — коэффициент, характеризующий качество процессов в активном сопле. Этот коэффициент можно принять равным коэффициенту расхода сопла. Во входной части первой камеры смешения существуют косые скачки уплотнения. Коэффициент восстановления давления приближенно определяется по формулам:

P, =

P1

f k +1_ k-тp

1

, k-1

k-1

І _

- + p,

k-1

(8)

k

1

1

где т — число косых скачков уплотнения. Приближенность формул в том, что интенсивность скачков уплотнения принимается равной для каждого из них, что резко упрощает расчетную модель течения. В процессе счета повышение давления во входной части может достигать больших величин, при которых реальное течение просто невозможно. Целесообразно ввести ограничение на повышение давления. Повышение давления в двух скачках уплотнения должно быть меньше, чем повышение давления в прямом скачке. Второе условие — повышение давления на одном скачке должно быть не больше отношения давления, вызывающего отрыв пограничного слоя. Для одиночного скачка это отношение в широком диапазоне чисел М внешнего потока для турбулентного пограничного слоя хорошо описывает формула Геда [1]:

Ps =

k -1 2

1 +--------M2

_________2__________

k -1 2 1 + 0.64----------M2

k

k-Т

(9)

2

Если рассматривается система скачков с большим числом т скачков, то р8 = рт .

В реальном течении существуют пограничный слой и вязкие слои на границе струй. Вследствие этого относительное горло диффузора увеличивается на относительную толщину вытеснения 5* . Для ламинарного пограничного слоя 5* определяется по уравнению:

5* =

4 х 1.74

D Re

0.5

1 +1.34

k -1

М2

0.8

(10')

Для турбулентного пограничного слоя существует зависимость:

5* = ІХ ^ fl +1.778 М2

D Re

0.2

0.8

(10'')

Относительную толщину вытеснения вязкого слоя струи можно определить с помощью уравнения:

5: = С

2 х f D

1

\

k -1

М2

1 --

0.55

Л

1 + 0.5844

k -1

М2

(10''')

В этих уравнениях x — длина от горла диффузора до среза сопел вдува; D — диаметр первой камеры смешения; Rex — число Рейнольдса, подсчитанное по идеальным параметрам потока с числом Маха Mi; С — постоянная турбулентного смешения. Для дозвуковых и трансзвуковых течений С = 0.22 — 0.24. С ростом числа Маха потока эта величина заметно уменьшается. При

линейной зависимости вязкости от температуры для подсчета Rex можно воспользоваться выражением:

P01xM1

Rex =-

R1T01

(т і (

^0

01

гг7 ft

V T0 J

k-1 1 +----M

1.5-0.5k! '

2 І k1-1

(11)

В этом уравнении цо — динамическая вязкость при известной температуре Г0". Число М в основном потоке при движении от горла диффузора до среза сопел вдува изменяется. Пограничный слой находится сначала под воздействием отрицательного градиента давления, а после присоединения к стенкам — под воздействием положительного градиента давления. При этом пограничный слой, кроме того, находится под воздействием скачков уплотнения. Расчет такой системы весьма затруднителен. В расчетах используется число М идеального потока также потому, что толщина вытеснения мало изменяется при изменении числа М и непрерывно увеличивается с ростом длины.

Число Мв вдуваемой струи определяется из следующих соображений. Давление р' в сечении выравнивания /' постоянно поперек камеры смешения. Выразив полные давления вдуваемого и основного потока через статическое давление р' и газодинамические функции давления, получим:

m2 =- 2

k1 -1

f Пв І

k1 -1

k1 -1

-МТ2 I-1

(12)

где Пв — отношение полных давлений вдуваемого и основного потоков.

С другой стороны, вдуваемый поток формирует жидкое горло, поэтому должен заполнить пространство (й -/'). Воспользовавшись газодинамической расходной функцией д(Мв), получим отношение площадей критических сечений сопла вдува и основного сопла:

S* = (d - J')Мв

J *

k1 +1

\

k1 -1 2 l+——m2

k +1 2(ki-1)

(1З)

k

1

Выразив расходы через критические сечения сопел с помощью формул для расхода через сопла, приравняв их расходам в сечениях /' и (й - /'), получим параметр (приведенный расход вдуваемого газа):

П в S * =

Мв

М'

k -1 2

і+—м 2 2 в

k -1 2 1 +--М

J'

-1

(14)

1

Параметр Пв ^ * не зависит от соотношения температур и газовых постоянных основного и вдуваемого потоков, что облегчает перенос экспериментальных данных на изделия с другими рабочими телами. Если отношение полных давлений вдуваемого и основного газов Пв изменяется в пределах 0.4 — 2, то число Мв не сильно отличатся от числа М', а формула (14) примет вид:

п в S * =

J'

-1

Течение в цилиндрической второй камере смешения от сечения /' до ее выхода при максимальном возможном повышении статического давления представляет собой псевдоскачок. Если профиль чисел М неоднороден по сечению, то повышение давления можно подсчитать, используя осредненное по импульсу число М. Степень повышения давления (степень сжатия) с учетом повышения давления в первой камере смешения и в дозвуковом диффузоре будет:

6(1) - -

Р2 - Р' I 2к1

Р0 Р1 I к1 + 1

/'М'2 + (й _ /')-^М2

1 + фКк_1 М"2 ^к1-1

1 к _ 1» ,г2 ^ К_1

1 +-----------М2 1

(15)

По второй модели течения, в которой Мв ~ М', уравнение для определения степени сжатия примет вид:

6(2) - Р. - м'2 _ ^

() Ро Р1 I к1 +1 к1 +1

м 1+ф-р м-2 'к‘_‘

(16)

Если использовать традиционный подход к определению степени сжатия, основанный на совместном решении уравнений полного импульса и расхода для цилиндрической камеры смешения [5], то получим выражение:

к

к

к

6(3) -

, к'_ 1 Л;Г

1 +------------фМ

Р2 - Р' V 2

Ро Р1

к'

"2 ]к '-1

й + /'к1м2 + (й _ /')кМ2

1 + к 'М"2

(17)

к

В этих формулах М'' — число Маха смешанного потока в конце второй камеры смешения. Для определения числа М в конце камеры смешения во всех трех случаях вычисления степени сжатия используется формула:

М'' =

к _ 1

М2

, ^2 к _ 1

кМ2---------

(18)

1

где М — осредненное по импульсу значение числа Маха в сечении /'. Число М должно быть больше единицы. Результаты вычислений по формулам (15) и (17) совпадают, если для вычисления М" использовать формулу (18).

Важным параметром в эжекторах является отношение давлений П = Р01/Р2. При увеличении противодавления сверх некоторой величины течение в эжекторе перестраивается, при этом снижаются степень сжатия и, при некоторых условиях, коэффициент эжекции. Для любого эжектора справедливо равенство:

Р01/ Ро - — — = 6П, (19)

Р2 Р0

из которого и определяется отношение давлений П при подсчитанной степени сжатия 6. Коэффициент эжекции является важнейшей величиной. При его определении следует учитывать расход газа на организацию вдува:

п=|1 -1| M

a IM1

1

( . к - 1 2 ^ 2

1 +---------M2

2

1 ki — 1Л , 2

1 + ^--------M,

v 2 1 у

kR1T01 1

\k1RT0 1 + Пв S *

(20)

При П в S = 0 уравнение (20) определяет коэффициент эжекции обычного одноступенчатого эжектора.

Программа расчета реализована в приложении Excel. Задаются и хранятся в отдельных ячейках ро1, теплофизические свойства газов, геометрические характеристики x, D, d, f *, а также Ф, сс. В отдельных ячейках хранятся значения часто используемых степеней и выражений. Порядок расчета следующий. При заданном параметре f * с помощью опции «подбор параметра» и

использования уравнений (4), (2), (1) ищется число М1 и отношение давлений р01/р1, при которых струя занимает все сечение первой камеры (а =1, М = 0). Задается значение М пассивного эжек-тируемого потока. В результате находятся М1г-, (р01/р0)г- (2), осредненное число Маха M (5), число Rex (11), относительная толщина вытеснения (10"). Далее задаются несколько значений M' с некоторым шагом до M' =1. Вычисляются f' с использованием (7), (8), (9); р'/р1 (6) для каждого значения M'. Далее задача разделяется. Для вычисления Мв по (12) нужно задать Пв. Затем

определяется параметр S * по формуле (13) и остальные искомые величины. Этот вариант подходит для выбора геометрии эжектора при заранее известных значениях давлений. В экспериментальной работе параметр S * известен и не меняется в серии экспериментов. Переменными величинами являются давления Р01, р0, рг- В этом случае при вычислениях задается S* и хранится в отдельной ячейке. Параметр Пв определяется по (14) в соответствующих ячейках. Приложение Excel автоматически организует цикл для определения Пв и Мв при заданном параметре S *. В результате расчета для одного значения Р01/Р0 и М получается серия значений в, П, ПвS*, п. Дальнейший анализ данных проводится выборкой при определенных условиях, например, при максимальной степени сжатия и п > 1. Большая часть вычислений в данной работе проведена при условиях: активный и пассивный потоки — воздух с одинаковой температурой и давлением р01 = 0.6 МПа; x = 0.08 м; D = 0.025 м; d = 1.2; ф = 0.6; m = 2; cc = 0.95; пограничный слой везде турбулентный.

На рис. 2 представлено сравнение характеристик одноступенчатого эжектора и эжектора со вдувом в камеру смешения при одинаковом геометрическом параметре f * = 0.08. При п = 0 оба эжектора работают в режиме запирания. Как показывают расчеты, степень сжатия эжектора со вдувом превышает аналогичный параметр одноступенчатого эжектора в 4.2 раза. По мере снижения отношения давлений Р01/Р0 и роста коэффициента эжекции относительный расход вдува снижается, а минимальное рабочее отношение давлений П для эжектора со вдувом увеличивается вследствие уменьшения степени сжатия. Одноступенчатый эжектор по мере увеличения коэффициента эжекции допускает небольшое снижение отношения П. Тем не менее, в диапазоне п = 0 — 0.1 преимущества эжектора с вдувом проявляются. Кроме того, в этом диапазоне эжектор с вдувом работает при меньших отношениях давлений.

Представляет интерес сравнение характеристик двухступенчатого эжектора и эжектора со вдувом (рис. 3). Для сравнения выбираются эжекторы, которые работают при близких отношениях давлений (П ~ 5). Такими свойствами обладает двухступенчатый эжектор, в котором

первая ступень имеет геометрический параметр f* = 0.1; вторая ступень имеет коэффициент

эжекции П2 = 0.3 при общем коэффициенте п = 0. Степень сжатия двухступенчатого эжектора

0.05

0.1

п

0

Рис. 2. Сравнение характеристик эжекторов со вдувом в камеру смешения и одноступенчатого классической

схемы (/ * = 0.08):

1 — степень сжатия эжектора со вдувом; 2 — отношение давлений П; 3 — относительный расход вдува Пв5* ; 4 — степень сжатия одноступенчатого эжектора, П = 7.2

Рис. 3. Сравнение эффективности двухступенчатого эжектора традиционной схемы и эжектора со вдувом в камеру

смешения: геометрический параметр первой ступени /{' = 0.1;

п2 =0.3; П = 5; геометрический параметр эжектора с вдувом

/ * = 0.056:

1 — степень сжатия эжектора со вдувом в камеру смешения;

2 — степень сжатия двухступенчатого эжектора; 3 — отношение

давлений П эжектора со вдувом

Рис. 4. Характеристики эжектора с геометрическим пара-^ * метром / = 0.04 в зависимости от параметра вдува Пв5 :

1 — степень сжатия £ при п = 0; 2 — отношение давлений П при п = 0; 3 — П при п > 0, М = 1; 4, 4" — 6 и п прир0\/р0 = 279.5; 5, 5" — 6 и п прир0\/р0 = 105.6; 6, 6" — 6 и п прир0\/р0 = 52.8

достигает в = 45 при п = 0, для эжектора со вдувом — 115. Эжектор со вдувом имеет большую степень сжатия, до п < 0.08, при этом в большей части указанного диапазона работает при меньших отношениях давлений П.

Влияние Пв S * (Пв = 1) на характеристики эжектора со вдувом при / * = 0.04 представлено на рис. 4. Такое отношение площадей соответствует числу М1 = 5 при ^ = 1.4 и присоединению потока к стенкам первой камеры смешения. При п = 0 отношение давлений П лишь немного превышает значения, определенные по соотношениям для прямого скачка, используемые в теории аэродинамических труб. По мере увеличения интенсивности вдува возрастает степень сжатия и снижается отношение давлений. Минимальное рабочее отношение давлений составляет П = 2.2. Отношение давлений вдуваемого и основного потоков увеличивается до Пв = 5. Если число Маха эжекти-руемого потока довести до М = 1 увеличением давления р0, то степень сжатия можно сохранить на уровне в ~ 35 — 40 при коэффициенте эжекции ~0.02 (кривые 4 и 4"). Рабочее отношение давлений возрастает до П = 5 — 6. Дальнейшее увеличение отношения Р01/Р0 приводит к возрастанию коэффициента эжекции и падению степени сжатия. При п > 0.2 эжектор со вдувом теряет преимущества перед одноступенчатым эжектором.

п, пн<г \2

/

3 ^4

6 ! 7

О 5 10 15 20 25 (1/Л)

Рис. 5. Характеристики эжекторов в зависимости от геометрического

параметра (1/ /*) (соотношение (15)):

1 — степень сжатия при п = 0; 2 — степень сжатия при п >0, M = 1; 3 — отношение давлений П при п > 0, М = 1; 4, 5 — параметр Пв£ при п = 0 и п >0 соответственно;

6 — отношение давлений П при п = 0; 7 — коэффициент эжекции п (%) при М =1

На практике применяются эжекторы как с малой степенью сжатия и отношением давлений П, так и эжекторы с большой степенью сжатия. Представляет интерес изменение основных характеристик эжектора при изменении геометрического параметра /* или обратной величины (1//*). Результаты расчетов представлены на рис. 5. Если использовать сопло с большим числом М, то степень сжатия монотонно возрастает как без эжекции (кривая 1), так и при п > 0 и критическом режиме течения пассивного газа (кривая 2). Отношение давлений П больше при наличии эжекции (кривые 3 и 6). Коэффициент эжекции при критическом режиме течения непрерывно уменьшается по мере снижения /*, так как расход вдува, необходимый для поддержания режима течения, непрерывно увеличивается.

Данные, приведенные на этом рисунке, получены при использовании формулы (15) для

подсчета степени сжатия. Это означает, что при постоянном значении £ * давление р0в увеличивается с ростом П в £ *, что ведет к увеличению числа М вдуваемого потока. Вследствие этого повышается давление в псевдоскачке во второй цилиндрической камере смешения.

Если использовать вторую модель течения и подсчитывать степень повышения давления по формуле (16), то величина 8 перестает зависеть от числа Маха вдуваемого потока. Этот случай интересен для практики, так как давление торможения вдуваемого потока может быть равно (или немного меньше) давлению основного потока. При таком подходе упрощаются системы питания эжектора. На рис. 6 показаны результаты расчетов с использованием формулы (16). В целом, результаты аналогичны приведенным на рис. 5. Однако степень сжатия меньше, а отношение давлений П больше для той же самой геометрии сопла. На рис. 6 приведены также статистические данные эжекторов типа ЭО-2, ЭО-3, выпускаемых предприятием НПП «Импульс» (Казань). Эжекторы предназначены для отсоса паров одоранта из рабочих емкостей газораспределительных станций. Основной режим работы происходит при п ~ 0, поэтому их проточная часть выполнена как проточная часть аэродинамической трубы, имеющей выхлопной диффузор со вдувом

є

60

40

20

1

15

10

г |/ 2 3

Iі

4 5

6

0

10

15

20

25

0Л

Рис. 6. Характеристики эжекторов по второй расчетной схеме (соотношение (16)):

1 — степень сжатия 8 при п = 0; 2 — отношение давлений П при п > 0, М = 1;

3 — степень сжатия при п > 0, М = 1; 4 — отношение давлений П при п = 0;

5 — параметр П^ ; 6 — коэффициент эжекции п (%); 7 — степень сжатия эжек-

торов ЭО-2, ЭО-3

газа. Следует отметить, что число Маха в рабочей части после выхода на режим М ~ 3. Геометрический параметр й = 1.6 — 1.8, Пв = 1. Вследствие этого в диффузоре за соплами вдува устойчиво реализуется псевдоскачок с начальным числом М, равным числу М вдуваемого потока. Кроме

поджатия основного потока вдуваемыми струями поток поджимается геометрически во входной части сверхзвукового диффузора. Разброс данных обусловлен технологическими погрешностями.

Схема экспериментальной установки для исследования двухкамерного эжектора с основными размерами приведена на рис. 7. Центральное тело сопла внешнего расширения для подвода активного воздуха может перемещаться при помощи резьбового соединения с целью изменения

параметра / *. Вторая камера смешения также может перемещаться относительно выхода первой камеры смешения. На входе в дозвуковой диффузор организован вдув воздуха через кольцевое

. Р2

Рис. 7. Схема экспериментальной установки

сопло. Во все сопла от отдельных редукторов подводился сжатый, осушенный и подогретый воздух из батареи баллонов. Эжектируемый воздух от редуктора подавался в форкамеру расходомера. Расход активного газа вычислялся по известной площади критического сечения сопла и давлению перед ним. Выхлоп смеси осуществлялся в трубу большого диаметра с непрерывной откачкой вакуумными насосами. Давление в форкамере сопла вдува в дозвуковой диффузор было в 1.5 — 2 раза больше давления в отводной трубе, которое в процессе экспериментов путем перепуска в трубу могло быть установлено в диапазоне 70 — 450 мм рт. ст.

Эксперименты проводились двумя способами. Вначале производился «запуск» трубы без вдува во вторую камеру смешения до появления минимального давления в «рабочей части». Фиксировались давления р01, р1 и р2. Затем подавался расход эжектируемого газа. Давление р01 и давление перед расходомером оставались постоянными. Подавался некоторый расход вдуваемого потока. Затем медленно увеличивалось давление р2 в трубе до момента повышения давления в рабочей части. Регистрировались показания приборов. Вновь увеличивалось давление вдуваемого потока. Затем опять увеличивалось давление в отводной трубе до момента начала повышения давления в рабочей части. После получения ряда точек менялся расход эжектируемого газа (переход к новому значению коэффициента эжекции п1 без вдува). Вновь при постоянных значениях р01 и расхода эжектируемого газа устанавливался ряд значений давления вдуваемого газа. Во втором случае после «запуска» трубы поддерживались постоянными р01 и р0в, а изменялся расход эжектируемого газа.

Типичные результаты экспериментов приведены на рис. 8. Видно, что по мере увеличения расхода вдуваемого потока степень сжатия увеличивается при всех начальных коэффициентах эжекции п1. При некотором расходе вдува появляется максимум, затем степень сжатия снижается. Это связано с тем, что вдуваемые струи «зажимают» действующее горло /', вследствие чего

давление р1 растет, а степень сжатия снижается. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показывает, что при п ~ 0 степень сжатия меньше расчетных значений в 2 — 3 раза. При больших п совпадение результатов удовлетворительное.

На модели эжектора (см. рис. 7) при отсутствии вдува во вторую камеру смешения была

снята характеристика 8 = /(п) при двух значениях параметра /* . Результаты приведены на рис. 9. Совпадение результатов расчета и экспериментов удовлетворительное при п > 0.02 — 0.04. При п = 0 полученная степень сжатия в два раза меньше расчетного значения.

Результаты экспериментов при замене сопла с центральным телом на сопло Лаваля представлены на рис. 10. Там же нанесены расчетные значения для одноступенчатого эжектора с тем

же геометрическим параметром /*. Эжектор со вдувом работает при отношениях давлений П

Рис. 8. Характеристики эжектора с соплом внешнего расширения и вдувом в камеру смешения (/ * = 0.078, Б * = 0.8):

1 — щ = 0.042; 2 — щ = 0.094; 5 — щ = 0.13; 4 — щ = 0.19;

5 — щ = 0.28; 6 — рабочие отношения давлений П

0 0.1 0.2 0.3 0.4 п

Рис. 9. Характеристики эжекторов с соплом с центральным телом и внешним расширением без вдува в камеру смешения:

▲ — / * = 0.039; ■ — / * = 0.078;------------расчет с учетом

пограничного слоя для эжектора с / * = 0.04

Рис. 10. Характеристики эжектора с центральным соплом Лаваля и вдувом в камеру смешения (/* = 0.051, 5* = 1.3):

♦ — Пв = 0.85, П = 7.8; □ — Пв = 1.32, П = 7.35; ▲ — Пв = 1.98, П = 5.8; • — Пв = 2.18, П = 5.6; сплошные линии — расчет для одноступенчатого эжектора, / * = 0.05

почти в два раза меньших, чем для одноступенчатого. Можно заметить явление запирания второй камеры смешения вдуваемыми струями (точки Пв = 2.18, П = 5.6). Степень сжатия при п = 0 в два раза меньше расчетных значений по второй модели 8(2), но степень сжатия с соплом Лаваля при п = 0 больше степени сжатия модели сопла с центральным телом и внешним расширением. Полученные результаты вполне объяснимы. Оба эжектора спроектированы для работы с коэффициентом эжекции существенно больше нуля, т. е. площадь среза сопел гораздо меньше площади первой камеры смешения. По терминологии аэродинамических труб относительное горло диффузора / > 1. Такие трубы обладают повышенными пусковыми и рабочими отношениями давлений. Сопло с центральным телом и внешним расширением имеет пограничный слой на центральном теле и пограничный слой на внешней границе потока. Относительная толщина вытеснения пограничных слоев больше, чем у обычного сопла Лаваля, что ведет к меньшей степени сжатия при нулевых коэффициентах эжекции. При наличии эжекции, т. е. вводе в поток низконапорного газа, относительное влияние толщины пограничных и вязких слоев снижается, и сопло удовлетворительно работает в широком диапазоне коэффициентов эжекции. Поэтому эжектор, предназначенный для работы с малым и нулевым коэффициентом эжекции, должен иметь выхлопную систему, как у сверхзвуковой аэродинамической трубы.

Эжектор ЭО-1 предприятия НПП

«Импульс» без вдува газа в диффузор имеет

сопло с отношением площадей 4.75 (/* = 0.21, М1 = 3.12 при к1 = 1.4). Повышение давления в прямом скачке для данного числа Маха составит 12. Эжектор при П = 3.6 — 3.8 реально

Рис. 11. Схема течения во входной части сверхзвукового обеспечивает степень сжатия 8 = 16 18. Схе-

выхлопного диффузора ма течения в эжекторе приведена на рис. 11.

При некотором давлении струя, истекающая со среза конического сопла, присоединяется к горлу диффузора (рис. 11, а). Повышение давления в выхлопной системе здесь примерно равно повышению давления в прямом скачке уплотнения. Дальнейшее незначительное повышение отношения давлений П приводит к перестройке течения (рис. 11, б). Струя расширяется и присоединяется к конической поверхности диффузора (рис. 11, б, в). Статическое давление снижается, а степень сжатия увеличивается. Это перестроение происходит почти скачкообразно. Такое течение реализуется при определенных условиях. Повышение давления на косом скачке уплотнения р2/р1 не должно превышать критического отношения давлений отрыва турбулентного пограничного слоя (11). В данном случае сумма половины угла конического сопла и входа в диффузор не должна превышать 12 — 13°. В этом течении относительное горло / заметно меньше минимального горла, обеспечивающего запуск. В результате на рабочем режиме давление повышается в первом косом скачке уплотнения и псевдоскачке, существующем в горле диффузора.

В зависимости от задачи, которая стоит перед разработчиком эжектора, варианты выполнения проточной части эжектора могут быть разными. Если необходимо создать эжектор с высокой степенью сжатия при малых коэффициентах эжекции, то камера смешения будет ближе к сверхзвуковому выхлопному диффузору аэродинамической трубы. При числах М1 < 3 можно, а иногда необходимо, доводить параметр й до 1.5 — 2, несмотря на снижение коэффициента эжекции, которое неизбежно при этом происходит. В противном случае вдуваемая струя будет быстро «размазываться», а процесс настройки эжектора и его изготовление потребуют большой точности. Если Пв значительно больше единицы, то следует особое внимание обратить на выбор длины второй камеры смешения, чтобы произошло полное перемешивание потоков. Это позволит более эффективно использовать дозвуковой диффузор. В реальном течении число Маха в конце камеры смешения М" ~ 1, поэтому роль дозвукового диффузора становится заметной. Сократить его габариты и повысить эффективность позволяет вдув газа на его входе.

В заключение следует отметить, что предлагаемая методика расчета справедлива лишь для

сверхзвуковых течений и дает достоверные результаты при геометрическом параметре / * < 0.6.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. — М.: Наука, 1976, 838 с.

2. Стернин Л. Е. Основы газовой динамики: Учебное пособие. — М.: Изд. МАИ,

1995, 336 с.

3. Аркадов Ю. К. Новые газовые эжекторы и эжекционные процессы. —

М.: Изд. физ.-мат. лит., 2001, 336 с.

4. Шушин Н. А. Исследование пусковых и срывных характеристик аэродинамической трубы с тангенциальным вдувом в диффузор // Ученые записки ЦАГИ, 1993. Т. XXIV,

№ 4, с. 64 — 81.

5. Шушин Н. А. О расчете газового эжектора // Изв. ВУЗов. Авиационная техника.

1999. № 3, с. 47 — 50.

Рукопись поступила 11/1112009 г.