Компактный газовый эжектор большой степени сжатия с расположением сопл по спирали Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Т о м XV 19 8 4

М 6

УДК 533.697.5

КОМПАКТНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЭЖЕКТОР БОЛЬШОЙ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ С РАСПОЛОЖЕНИЕМ СОПЛ ПО СПИРАЛИ

Ю. К■ Аркадов

Приводятся описание конструкции и результаты экспериментального исследования газового эжектора с одной форкамерой, одной камерой смешения и одним регулирующим элементом, но обеспечивающего большую (до 500) степень сжатия. Высоконапорный газ подводится в таком эжекторе через 45 наклонных сверхзвуковых сопл, расположенных вокруг и вдоль камеры смешения по спирали. Кроме большой степени сжатия, такой эжектор имеет на 30% лучшие экономические характеристики, чем известные многоступенчатые эжекторы.

Для получения больших степеней сжатия в газовых и паровых струйных компрессорах традиционно применяются многоступенчатые конструкции. Преимущество многоступенчатых эжекторов перед одноступенчатыми вытекает из непрерывного повышения вдоль камеры смешения статического давления низконапорного газа и смеси, что приводит к снижению скорости высоконапорного газа в последующих ступенях. При этом в эжекторе одновременно снижаются и потери на смешение струй (удар), и потери в скачках уплотнения на выходе из камеры смешения [1, 2]. Проведенные в 1958 г. Ю. Н. Васильевым расчеты показали, что с увеличением числа ступеней характеристики идеального многоступенчатого эжектора непрерывно улучшаются. В 1962 г. С. А. Христиановичем и Б. А. Урюковым [3] была разработана теория «дифференциального эжектора», т. е. многоступенчатого эжектора с бесконечно большим числом ступеней (рис. 1 ,а). В работе [3] рассмотрены оптимальные характеристики идеального газового эжектора, необходимые для оценки качества всех газовых эжекторов, а также найдены его некоторые оптимальные геометрические и газодинамические соотношения.

Применяемые в настоящее время системы газовых эжекторов имеют, как правило, ограниченное число ступеней (3—4). Это связано с наличием значительных потерь на трение в длинных камерах смешения и потерь в промежуточных диффузорах. С увеличением числа ступеней эти потери также растут, ч,то снижает эффективность газовых эжекторов с большим числом ступеней и не позволяет реализовать ха-

а)

-Ш-

Чо'Роо-Тщ)

Л '

&1,Ро7’ Ту

01

О 0 ф

* „Ф,

Сечение а-а (увеличено)

б) !. ь

рактеристики дифференциального эжектора в конкретных схемах эжекторов.

В струйных компрессорах давно известен и применяется способ уменьшения длины камеры смешения путем подвода активного газа через большое число отдельных сопл. В схемах одноступенчатых эжекторов при центральном подводе активного газа его сопла можно расположить по сечению любым наперед заданным образом и получить несколько параллельно работающих эжекторов с меньшими поперечными и соответственно продольными размерами. В случае периферийного подвода активного газа со стенки камеры смешения процессы смешения и распределения активного газа по сечению являются взаимосвязанными и имеют некоторые взаимные ограничения. Тем не менее проведенные в 1954—1957 гг. В. К. Щукиным и Б. В. Кульпиным опыты [4, 5] показали, что и в этом случае (рис. 1,6) при увеличении числа сопл характеристики эжектора вначале улучшаются,, а оптимальная длина камеры смешения уменьшается.

Применение в многоступенчатых эжекторах разработанных В. К- Щукиным и Б. В. Кульпиным ступеней с отдельными наклонными высоконапорными соплами является достаточно эффективным средством улучшения процесса смешения и сокращения общей длины. Первая попытка создания на базе данного одноступенчатого эжектора систем газовых эжекторов с большой степенью сжатия принадлежит, по-видимому, В. Т. Харитонову [6], хотя многосопельно-многоступенчатые паровые эжекторы известны давно. Ряд работ в этом направлении был выполнен также Ю. Н. Васильевым.

Первопричиной ограничения эффективности газовых эжекторов при больших перепадах давления смешиваемых газов является вознйкнове-

ниє в них предельных (критических) режимов). Применение многоступенчатых схем является всего лишь одним из способов борьбы с ними. В 1964—1967 гг. автором был предложен другой способ, заключающийся в специальной организации течения на начальном участке камеры смешения до сечения запирания [7]. В ряде случаев удается увеличить критический коэффициент эжекции только за счет использования эффекта трехмерности течения газа в этой части эжектора. Кроме того, схемы эжекторов с такой организацией (эжектор со сдвигом сопл, с винтовым срезом, с перфорированным продольными щелями соплом) имеют распределенный по некоторой длине подвод высоконапорного газа и являются в какой-то мере «дифференциальными». Наиболее близким дифференциальному эжектору Христиановича—Урюкова является спиральный эжектор ![8], в котором высоконапорный газ подается в камеру смешения через щель, расположенную вокруг и вдоль камеры смешения по спирали (рис. \,в).

Однако все реальные схемы эжекторов отличаются от дифференциального эжектора [3] тем, что в них высоконапорный газ смешивается с низконапорным газом не в месте его введения в камеру смешения, а на некоторой длине, лежащей ниже по потоку. В силу этого их эффективность, несмотря на распределенный подвод, остается гораздо ниже эффективности эжектора Христиановича—Урюкова. Для улучшения смешения низконапорного и высоконапорного газов в эжекторе с подводом высоконапорного газа по спирали вокруг и вдоль камеры смешения может быть использовано решение, найденное ранее В. К. Щукиным и Б. В. Кульпиным 1[4, 5]. Сочетание спирального подвода активного газа с применением наклонных высоконапорных сопл, расположенных в стенке камеры смешения, приводит к схеме эжектора, исследованного в настоящей работе (рис. 2). Он состоит из камеры смешения 1, форкамеры высоконапорного газа 2, набора сверхзвуковых активных сопл 3, низконапорного сужающегося сопла 4 и диффузора 5.

1. Многоступенчатые газовые эжекторы являются сложными газодинамическими устройствами, требующими к тому же специальной наладки. Предлагаемый эжектор (рис. 2) конструктивно и с точки зрения управления проще многоступенчатой системы эжекторов. Однако в газодинамическом плане он сложнее системы эжекторов, так как все девять его независимых геометрических параметров через процесс в камере смешения связаны между собой и должны быть выбраны либо

3 2

определены с большой надежностью. При разработке данного эжектора эти параметры были определены следующим образом.

Длина камеры смешения, на которой располагаются высоконапорные сопла, была выбрана равной семи калибрам камеры смешения (480 мм). Оценка потребной длины была сделана на основании измерения градиентов статического давления в ряде одноступенчатых эжекторов. Измерения проводились на стенке камеры смешения эжектора с периферийным кольцевым соплом высоконапорного газа при различных значениях основного геометрического параметра. Длина выбрана исходя из потребной степени сжатия ( — 100) и минимальных измеренных значений градиента статического давления.

Отношение площадей входного и выходного сечений камеры смешения по результатам предварительных испытаний принято равным 0,6. Выходной диаметр камеры смешения определялся масштабом экспериментальной установки и составлял 90 мм. Входной диаметр в первых опытах был равен 60 мм (^=0,45). Испытания показали, что в этом случае эжектор быстро выходит на режим со звуковой скоростью низконапорного газа, когда размер низконапорного сопла ограничивает расход низконапорного газа. В последующих экспериментах диаметр низконапорного сопла был увеличен до 70 мм (/*'=0,6). В многоступенчатых эжекторах, обеспечивающих близкую к данному эжектору степень сжатия, указанное отношение составляет 0,42—0,48, а в оптимальном дифференциальном эжекторе Христиановича—Урюкова — 0,8.

Профиль камеры смешения в продольном сечении оптимального дифференциального эжектора [3] должен быть похожим на сопло Лаваля, т. е. ее сечение должно сначала уменьшаться, а затем увеличиваться. В реальном эжекторе такой профиль, по-видимому, не будет оптимальным из-за значительного запаздывания процесса смешения по сравнению с процессом ввода высоконапорного газа. В связи с запаздыванием смешения начальный участок камеры смешения при звуковой скорости низконапорного газа должен быть обязательно расширяющимся. На дальнейший профиль камеры смешения запаздывание смешения также будет оказывать заметное влияние, поэтому для первых опытов был выбран наиболее простой конический расширяющийся профиль. При отношении площадей входа и выхода 0,6 и длине 7 калибров угол конусности составляет 1,2° на сторону.

Суммарная площадь высоконапорных сопл в обычном одноступенчатом эжекторе и многоступенчатом эжекторе с цилиндрическими камерами смешения равна разности площадей камеры смешения и низконапорного сопла. В системах эжекторов с поджатием камеры смешения эти величины не совпадают, и суммарная площадь высоконапорных сопл, как правило, больше разности этих площадей. В исследуемом эжекторе она была выбрана также значительно большей прироста площади камеры смешения (примерно на 40%). Указанная величина, по-видимому, не является предельной, однако при значительном увеличении этого отношения (до 1,8) в характеристиках спирального эжектора начинают появляться разрывы.

Оптимальный угол наклона сопл к оси установки а согласно исследованиям В. К. Щукина [4] составляет 5°—10°. В данной конструкции эжектора со сменными соплами, устанавливаемыми в резьбовых гнездах стенки камеры смешения, сделать углы наклона меньшими 15° не представляется возможным. В связи с этим было решено увеличить угол установки сопл до 15°, сохранив основные элементы конструкции, удобной как с точки зрения изготовления, так и проведения большого объема испытаний. Степень " сжатия эжектора при этом снижается

согласно [4] на 10—15%, однако равномерность поля скоростей стана--вится даже более высокой, чем при малых углах.

Разворот сопл в тангенциальной плоскости в первых вариантах спирального эжектора не применялся, т. е. все сопла устанавливались в плоскостях, проходящих через ось камеры смешения. Однако при таком расположении сопл высоконапорные струи собираются вблизи оси установки в жгут с повышенным полным давлением. При этом периферийная зона (вблизи стенок камеры смешения) обедняется высоконапорным газом, что ухудшает процесс смешения струй. Для улучшения перемешивания сопла следует расположить так, чтобы струи проходили посередине между осью установки и стенками камеры смешения. Расчеты показали, что это условие выполняется при развороте сопла на угол р = 5°, который и был принят при изготовлении последующих камер смешения. Разворот сопла в тангенциальной плоскости приводит к появлению закрутки потока в камере смешения и диффузоре. Однако в связи с малостью выбранного угла установки сопл закрутка в нашем случае невелика и, по-видимому, не оказывает сильного влияния на работу эжектора.

Число и диаметр высоконапорных сопл влияют на характеристики эжектора через интенсивность процесса смешения. В нашем случае расположения высоконапорных сопл на стенке камеры смешения правильная организация процесса смешения заключается в равномерном распределении активного газа по сечению камеры смешения и увеличении поверхности соприкосновения струй. Для увеличения поверхности соприкосновения струй необходимо стремиться к уменьшению диаметра высоконапорных сопл, а для равномерного распределения активного газа по сечению струи должны иметь значительную проникающую способность. Указанные противоречивые требования к числу и размеру высоконапорных сопл приводят к появлению в эжекторах с периферийным подводом активного газа оптимума по этому параметру. Так, экспериментальное исследование эжектора с перфорированным продольными щелями соплом показало, что оптимальное число щелей в нем равно 6—8 [7]. Примерно такие же выводы были получены в работе [9] при испытаниях одноступенчатого эжектора с наклонными соплами.

Оценки показали, что для удаления высоконапорной струи от стенки камеры смешения на величину порядка радиуса камеры смешения сопло должно иметь выходной диаметр, составляющий 10—30% от ее диаметра (при угле наклона сопла 15°). В данном эжекторе применялись конические сопла с одним выходным диаметром, равным 10 мм. Число их было равно 45.

Расположение высоконапорных сопл на камере смешения влияет на работу эжектора как через интенсивность процесса смешения, так и через наступление предельных режимов. Для борьбы с наступлением критических режимов все сопла в данном эжекторе располагались со сдвигом одно относительно другого вниз по потоку. Для интенсификации процесса смешения сопла были расположены по одиннадцати образующим конической камеры смешения. Расположение сопл с постоянными шагами вдоль и вокруг камеры смешения выстраивает их в одну пространственную спираль с несколькими полными витками. Предварительные испытания показали, что расположение 45 сопл по четырехвитковой и двенадцативитковой спирали не является оптимальным. В настоящей работе приводятся результаты испытаний эжектора с расположением сопл _ по шестнадцативитковой спирали, имеющего наилучшие характеристики. Развертка боковой поверхности конической

камеры смешения с шестнадцативитковым расположением сопл приведена на рис. 3.

Расположение всех наклонных сопл со сдвигом вокруг и вдоль камеры смешения дает распределенный и непрерывный по длине подвод высоконапорного газа. Сдвиг двух соседних сопл в продольном направлении производится на 11 мм, а срез сопл поверхностью камеры смешения под углом 16° (15 + 1) имеет длину 35 мм. За счет этого во всех без исключения поперечных сечениях камеры смешения высоконапорный газ поступает в нее через 3—4 сопла (см. рис. 3).

Распределение чисел М высоконапорных сопл по длине эжектора в данной конструкции легко изменяется и может быть сделано оптимальным. Опыты показали, что наиболее благоприятным является такое распределение, когда на начальном участке камеры смешения, длиной примерно 1 калибр, число М постоянно, а далее вниз по потоку оно уменьшается. При одинаковом выходном диаметре сверхзвуковых сопл число М в них однозначно связано с диаметром критического сечения. Эксперименты показали, что наиболее благоприятным является такое распределение, когда диаметры критических сечений увеличиваются вниз по потоку по закону, близкому к линейной зависимости. Данное распределение чисел М высоконапорного газа по длине эжектора приведено на рис. 4 (кривая 1). На рис. 4 даны также теоретические распределения чисел М высоконапорных сопл в оптимальном дифференциальном эжекторе Христиановича—Урюкова [3] (кривые 2 и 3). Расчеты были проведены для двух режимов его работы (отношения полных давлений ст=300 и 3000, коэффициенты эжекции 0,003 и 0,0001) при равномерном распределении площади высоконапорных сопл по длине эжектора. Видно, что оптимальное распределение чисел М высоконапорного потока в реальном эжекторе значительно отличается от рекомендуемого теорией. Это расхождение вызвано тем, что теория дифференциального эжектора не учитывает реального процесса смешения, а также не учитывает возможности наступления предельных режимов. В результате реально возможное число М высоконапорных сопл оказывается значительно больше рекомендованного теорией, что снижает в несколько раз эффективность спирального эжектора по сравнению с оптимальным дифференциальным эжектором.

2. Испытания эжектора проводились на экспериментальной установке с одинаковыми по составу и температуре смешиваемыми газами.

сферы через дросселирующие сопла

с плавным контуром и известным проходным сечением. Это позволяло точно определять расход низконапорного газа. Смесь газов из эжектора выбрасывалась в атмосферу.

На рис. 5 приведена экспериментальная характеристика исследованного спирального эжектора (линия 1), представляющая собой зависимость степени сжатия е от коэффициента эжекции £ (степень сжатия — отношение полных давлений смеси и низконапорного газа, коэффициент эжекции — отношение массовых расходов низконапорного и высоконапорного газов). При нулевом коэффициенте эжекции спиральный эжектор обеспечивает степень сжатия 546. С увеличением коэффициента эжекции степень сжатия уменьшается, достигая 50 при & = 0,01.

Для сравнения эффективности спирального эжектора с другими эжекторами на рис. 5 приведены также характеристики четырехступенчатого эжектора (линия 2), эжектора с перфорированным продольными щелями соплом (линии 3) и обычного одноступенчатого эжектора (линия 4). Видно, что спиральный эжектор дает большие степени сжатия и является наиболее экономичным среди всех указанных эжекторов. По сравнению с одноступенчатым эжектором, к которому он близок по конструктивным и эксплуатационным параметрам (малая длина, одна форкамера, один регулирующий элемент), спиральный эжектор имеет в несколько раз лучшие характеристики. По сравнению с четырехступенчатым эжектором выигрыш в степенях сжатия и коэффициенте эжекции составляет 20—30% при значительных конструктивных преимуществах.

Разработанный газовый эжектор является первым действующим струйным компрессором большой степени сжатия, в котором распределенный по длине подвод активного газа организован бесступенчатым образом. Положительный результат, полученный при его испытаниях, служит подтверждением целесообразности разработки бесступенчатых конструкций струйных аппаратов наравне с давно зарекомендовавшими себя ступенчатыми.

1. Христианович С. А. О расчете эжектора. — В об.: Промышленная аэродинамика.—М.: 1944.

2. .Васильев Ю. Н. Теория сверхзвукового газового эжектора с

цилиндрической камерой смешения. — В сб.: Лопаточные машины и

струйные аппараты, вып. 2. — М.: Машиностроение, 1967.

3. Урюков Б. А. Теория дифференциального эжектора. — ПМТФ, 1963, № 5.

4. Щ у к и н В. К. Влияние конструктивных параметров одноступенчатого струйного компрессора на основные показатели его работы. — Теплоэнергетика, 1954, № 4.

5. К у л ь п и н Б. В. Влияние числа Рейнольдса на основные показатели работы одноступенчатого струйного компрессора. — Труды Казанского авиационного института, № XXXVII, 1957.

6. А. с. 857568, кл. Р041. Многосопловой эжектор. (Харитонов В. Т.— Опубл. в БИ, 1981, № 31).

7. А р к а д о в Ю. К. О возможности улучшения характеристик газового эжектора путем изменения условий запирания./Ш Всесоюзный съезд но теоретической и прикладной механике. .Аннотации докладов.—М.: Изд. АН СССР, 1968.

8. А. с. 203139, кл. Р04!. Газовый эжектор. (Аркадов Ю. К. — Опубл. в БИ, 1967, № 20).

9. Щукин В. К., Калмыков И. И. Газоструйные компрессоры,— М.: Машгиз, 1963.

Рукопись поступила 16)У 1983