Газовый эжектор

Эжектор предназначен для откачки газов из аэродинамических установок и химических лазеров. Эжектор содержит сужающуюся камеру смешения, горло, дозвуковой диффузор и центральное сверхзвуковое сопло. На выходной кромке сопла равномерно размещены малогабаритные вихреобразователи, выполненные в виде табов. Табы имеют наклон в струю эжектирующего газа относительно выходной кромки сопла на угол до 10°. Оптимальное количество табов составляет от 2 до 4. Использование табов обеспечивает увеличение коэффициента эжекции при заданной степени сжатия и сокращение продольного размера камеры. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к струйной технике, конкретно к газовым эжекторам со сверхзвуковыми соплами и сужающимися камерами смешения, и может быть использовано для откачки газов из аэродинамических установок, в системах восстановления давления химических лазеров, а также в энергетике и других областях техники.

Одноступенчатые эжекторы с сужающимися камерами обеспечивают номинальные степени сжатия ε до 15.

Существуют другие схемы эжекторов, обеспечивающие высокие степени сжатия. Высокие степени сжатия могут достигаться при использовании многоступенчатых эжекторов с цилиндрическими камерами, в эжекторах с многосопловой, распределенной по длине камеры подачей эжектирующего газа или в эжекторах с задержкой установления предельного режима с помощью щелевых насадков. Расходные характеристики перечисленных эжекторов, характеризуемые произведением коэффициента эжекции k на степень сжатия ε, не превышают значения kε≈0,6.

Расходные характеристики эжекторов с сужающимися камерами достигают значений kε≈1,5 и выше. Эти эжекторы обеспечивают наиболее высокие расходные характеристики среди известных схем эжекторов.

В последние годы для снижения шума авиационных двигателей используются новые вихреобразующие элементы - шевроны и табы (патент US 6532729, МПК F02K 1/38, F02K 1/40, опубл. 12.05.2002; патент GB 2374121, кл. F02K 1/46, 1/10, опубл. 09.10.2002). Шевронами называются зубцы на выходной кромке сопла в плане, табами - выступы в струю. Отрицательным свойством табов в авиационных соплах является загромождение потока и связанные с ним потери тяги двигателя.

Наиболее близким, принятым за прототип является газовый эжектор с сужающейся камерой смешения, горлом, дозвуковым диффузором и центральным сверхзвуковым соплом эжектирующего газа (Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты, 2 изд., перераб. - М.: Энергия, 1970, с.86-145).

Недостатком этого эжектора является необходимость использования длинной, более 10 калибров, камеры с горлом для получения максимальной степени сжатия при заданном расходе низконапорного газа.

Предлагаемым изобретением решается задача уменьшения длины камеры смешения и улучшения расходной характеристики газового эжектора.

Для достижения названного технического результата предлагается газовый эжектор, содержащий сужающуюся камеру смешения, горло, диффузор и центральное сверхзвуковое сопло. На выходной кромке сверхзвукового сопла равномерно размещены малогабаритные вихреобразователи, выполненные в виде табов, установленные с углом наклона β к его оси, при условии 0<α-β<10°, где α - угол наклона стенки сверхзвукового сопла к его оси. Табы устанавливаются в количестве от 2 до 4.

Отличительными признаками предлагаемого газового эжектора являются наличие малогабаритных вихреобразователей, выполненных в виде табов, размещенных равномерно на выходной кромке сверхзвукового сопла, и соотношение угла наклона табов с углом наклона кромки сопла, приведенное выше. Оптимальное количество табов от 2 до 4. Предложенная конструкция эжектора с использованием табов позволяет интенсифицировать смешение, укоротить камеру в 1,5-2 раза и улучшить расходную характеристику эжектора на критическом режиме.

Проведены испытания эжекторов с разными вихреобразователями, включая щелевые насадки с проницаемостью стенок до 70%, шевроны, табы. Испытания показали, что табы являются наиболее эффективными вихреобразователями. Обеспечивается значительное ускорение перемешивания при малой величине поверхности (типичное отношение суммарной площади поверхности табов к площади выходного сечения сопла равно 0,25) и малом угле наклона табов в струю. Форма табов (треугольная, прямоугольная, трапецеидальная) не имеет решающего значения.

Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены: на фиг.1 - схема газового эжектора, на фиг.2 - вид сверхзвукового сопла с табами в увеличенном масштабе.

Газовый эжектор содержит сужающуюся камеру смешения 1, горло 2, диффузор 3 и сверхзвуковое сопло эжектирующего газа 4. Вдоль выходной кромки сопла 4 равномерно размещены табы 5.

Газовый эжектор работает следующим образом.

Запуск эжектора, т.е. установление критического режима, может осуществляться двумя способами. В первом случае эжектор запускается без расхода низконапорного газа, во втором - с расходом.

При запуске без расхода низконапорного газа первым в сопло 4 подается эжектирующий газ под давлением, равным давлению запуска. Давление в магистрали низконапорного газа опускается до малой величины и в камере смешения 1 устанавливается сверхзвуковое течение эжектирующего газа. Сверхзвуковое течение преобразуется в дозвуковое в горле 2, в дозвуковом диффузоре 3 происходит торможение дозвукового потока до малых скоростей и восстановление статического давления до давления окружающей среды. После установления критического режима давление эжектирующего газа можно снизить до величины предсрывного давления. Затем подается расход низконапорного газа, при этом критический режим течения в эжекторе сохраняется. Струя эжектирующего газа недорасширена или может быть расчетной. Взаимодействие струи эжектирующего газа с поверхностью таба 5 приводит к формированию симметрично относительно таба 5 пары продольных вихрей, порождающих радиальное движение к оси струи между вихрями, и наоборот, движение в положительном радиальном направлении сбоку от вихрей. В плоскости, проходящей через оси струи и таба 5, на поверхности струи формируется вогнутость, в которую всасывается низконапорный газ. Формируется структура струи в форме трех- или четырехконечной звезды, соответственно количеству табов 5, которая ускоренно перемешивается с низконапорным газом. Длина камеры смешения 1 и ее профиль выбираются так, чтобы обеспечить высокую расходную характеристику.

При запуске с расходом низконапорного газа при повышении давления эжектирующего газа в эжекторе сначала реализуется докритический режим течения. Давление низконапорного газа на входе в эжектор снижается. При достижении эжектирующим газом давления, равного давлению запуска, устанавливается критический режим течения. При установлении критического режима происходит ступенчатое снижение давления низконапорного газа перед эжектором. После установления критического режима давление эжектирующего газа можно снизить до предсрывного давления.

Пример 1.

В качестве примера сопоставляются свойства эжекторов с соплом с числом М=4,5, выходным диаметром d=20 мм и углом α=10° и относительным сечением горла . Испытания проведены с воздушными струями. Первый эжектор имел сопло без табов и длину камеры смешения 8,3 калибра. На этом эжекторе критический режим получен при коэффициенте эжекции 0,155 и степени сжатия 10,1 (kε=1,55).

Сопло второго эжектора было оснащено тремя трапецеидальными табами с нижним основанием 0,22d, верхним основанием 0,15d и высотой 0,33d. Угол наклона табов β=0°. Длина камеры эжектора уменьшена до 4,3 калибра. Проходные сечения камеры и горла остались неизменными. Установление критического режима осуществлялось при наличии расхода низконапорного газа. В этом эжекторе увеличился расход низконапорного газа, с которым устанавливается критический режим. На критическом режиме при коэффициенте эжекции 0,25 получена степень сжатия 8,24 (kε=2,05).

Пример 2.

Третий эжектор создан на основе второго эжектора в примере 1 путем уменьшения относительного сечения горла до . Длина камеры этого эжектора 5,1 калибра. Для обеспечения установления критического режима в этом эжекторе потребовалось уменьшить эффективность табов. Использованы четыре полукруглых таба длиной 10 и диаметром 3 мм. При коэффициенте эжекции 0,19 получена степень сжатия 11,5 (kε=2,2).

Таким образом, использование в предлагаемых эжекторах табов в качестве устройств интенсификации смешения обеспечивает улучшение расходных характеристик и сокращение продольных размеров камер.

1. Газовый эжектор, содержащий сужающуюся камеру смешения, горло, дозвуковой диффузор и центральное сверхзвуковое сопло, отличающийся тем, что на выходной кромке сверхзвукового сопла равномерно размещены малогабаритные вихреобразователи, выполненные в виде табов, установленные с углом наклона β к оси сопла, при условии 0<α-β<10°, где α - угол наклона выходной кромки сопла.

2. Газовый эжектор по п.1, отличающийся тем, что табы установлены в количестве от 2 до 4.