СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В ЭЖЕКТОРЕ Российский патент 1998 года по МПК F04F5/42 

Изобретение относится к эжекторам и струйным насосам, применяемым в различных областях техники, в частности оно может быть использовано в скважинных глубинных струйных насосах, а также в эжекторных усилителях тяги воздушно-реактивных двигателей.

Широко известны способы организации рабочего процесса в эжекторе, в которых передачу энергии от активного потока к пассивному осуществляют по боковым границам, при их почти параллельном течении - за счет сил трения в турбулентном слое. Поэтому устройства, осуществляющие эти способы, называют струйными насосами трения [1]. В этих устройствах увеличивают степень смешения за счет дополнительной турбулизации активного и пассивного потоков, путем изменения формы активного сопла или установки дополнительных лопастей-завихрителей [2]. При этом турбулентное смешение потоков является достаточно хаотичным процессом и приводит к существенным гидродинамическим или газодинамическим потерям.

Известен способ организации рабочего процесса в эжекторе и устройство для его осуществления, который заключается в том, что активный поток закручивают, чем интенсифицируют смешение [3]. Известное устройство по этому способу, выбранное в качестве прототипа, имеет вращающийся блок с несколькими соплами, смещенными от оси и наклоненными в окружном направлении, а сами сопла расположены со значительным зазором относительно друг друга и относительно внутренней поверхности камеры смешения и диффузора эжектора.

Недостаток известных способа и устройства заключается в том, что они имеют значительные гидро-, газодинамические потери, так как передачу энергии от активного к пассивному потоку осуществляют, как и в описанных выше аналогах, в основном за счет сил трения и турбулентного смешения по боковым поверхностям, при взаимном "проскальзывании" потоков. Активный поток, истекающий из соплового блока, образует струи, а при его закручивании только интенсифицируется смешение без изменения физической природы процесса. Сама форма сопл с круглыми выходными сечениями и их расположение с зазором относительно внутренней поверхности эжектора и относительно друг друга приводят к образованию струй, свободно распространяющихся на своем начальном участке в объеме камеры смешения. Поэтому в эжекторе с вращающимся сопловым блоком, представленном в прототипе, как и в обычном эжекторе со стационарными потоками, обмен энергиями осуществляют по свободным боковым поверхностям струй, при их турбулизации, что и приводит к значительным потерям.

Цель изобретения состоит в повышении эффективности эжекционного процесса за счет снижения гидро-, газодинамических потерь при передаче энергии от активного потока пассивному путем подачи полного исключения турбулентного трения между потоками.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе организации рабочего процесса формируют закрученный, винтообразный активный поток, перекрывающий при вращении сопла все поперечное сечение камеры эжектора и "проталкивающий" пассивный поток подобно шнеку или поршню. Этим исключают взаимное "проскальзывание" между потоками, а обмен энергиями потоков осуществляют за счет волн сжатия и разрежения, образующихся на границах потоков. Таким образом "проскальзывание" и турбулентное смешение заменяется на "проталкивание". В продольном направлении эжектора вдоль его оси образуют "квазипульсирующее" течение, в котором последовательно и поочередно движутся активный и пассивный потоки, взаимодействуя между собой.

На фиг. 2 в аксонометрической проекции показаны: камера эжектора 2 и вращающееся сопло 3 плоской формы (чтобы показать сопло на камере сделан вырыв). Пунктирными линиями изображена примерная структура активного потока 1, имеющая винтообразную или шнекообразную форму и перекрывающая все поперечные камеры эжектора 2. Вращающееся сопло 3 простейшей формы имеет два канала, но возможно большее число каналов, расположенных по окружности. Для активного потока изображен параллелограмм скоростей U, W_a и C_a.

Эжектор с восемью каналами активного потока во вращающемся сопле показан на фиг. 3, где представлен пример предполагаемой реализации заявленного способа и устройства. Эжектор с вращающимся соплом установлен на одноконтурном турбореактивном двигателе, являющемся в данном случае газогенератором. Таким образом, сам эжектор можно считать усилителем тяги или вторым контуром воздушно-реактивного двигателя. Такая схема позволяет существенно повысить экономичность двигателя и снизить удельный расход топлива при относительной простоте конструкции.

Другими примерами возможной реализации способа является установка вращающегося сопла в глубинных, бустерных и других технологических насосах.

Использование предлагаемого способа организации рабочего процесса позволяет по сравнению с известными существенно повысить коэффициент полезного действия от 30...40% для обычных струйных аппаратов до 60...70% и более для предлагаемых эжекторов. Улучшаются также такие характеристики, как производительность, коэффициент эжекции и напор в выходном сечении эжектора при тех же исходных параметрах активного потока.

Поставленная цель достигается также тем, что при втекании как активного, так и пассивного потоков в камеру эжектора согласуют вектор скорости втекания потока и вектор окружной, переносной скорости от вращения сопла. Образованный таким образом результирующий вектор - вектор абсолютной скорости каждой отдельной частицы потока газа - должен быть направлен параллельно оси сопла и эжектора. При этом векторы абсолютных скоростей активного и пассивного потоков, направленные по каналам соответственно на внешней и внутренней поверхностях вращающегося сопла, имеют между собой угол до 10^o или угол до 5^o между направлением каждого из векторов и осью эжектора. Как показали расчеты, при таких углах потери кинетической энергии в зоне взаимодействия активного и пассивного потоков будут минимальны.

Сущность изобретения поясняется чертежами. Устройство, реализующее заявленный способ, изображено на фиг. 1, где представлен эжектор с вращающимся соплом в разрезе. На фиг. 2 - способ организации рабочего процесса в эжекторе. На фиг. 3 - эжекторный усилитель тяги с вращающимся соплом на авиационном турбореактивном двигателе.

На фиг. 1 эжектор состоит из следующих основных узлов и элементов: 1 - камера эжектора (камера взаимодействия активного и пассивного потоков, в обычном эжекторе ее называют камерой смешения); 2 - вращающееся сопло; 3 - каналы активного потока; 4 - каналы пассивного потока; 5 - подшипники вращающегося сопла; 6 - источник энергии давления сжатой среды (насос или газогенератор).

Устройство работает следующим образом. Рабочая среда - жидкость или газ истекает из источника энергии 6 через каналы 3 активного потока, наклоненные под некоторым углом к оси эжектора. Каналы 3 имеют прямоугольную, вытянутую форму, перекрывающую в своем продольном направлении все поперечное сечение камеры эжектора. На развертке, сделанной по среднему диаметру вращающегося сопла D_ср., показаны векторы сил, действующих на вращающееся сопло, и векторы скоростей активного и пассивного потоков при истечении из каналов сопла. Благодаря развороту или наклону каналов 3 (активный поток заштрихован) образуется сила R_рад. от тяги R сопла, обеспечивающая вращение всего сопла в подшипниках 5 с некоторой окружной скоростью, которая в свою очередь на диаметре D_ср. образует линейную скорость U. На фиг. 1 также дана развертка вращающегося сопла по его среднему диаметру D_ср., на которой для отдельных частиц газа показаны векторы скоростей истечения активного потока W_a и пассивного потока W_п и векторы от вращения сопла U. Результирующие векторы C_а и C_п этих скоростей направлены параллельно общей оси эжектора с точностью в пределах угла 10^o между ними или до угла α = 5^o между каждым из векторов и осью эжектора, что и обеспечивает выполнение поставленной в изобретении цели. Пассивный поток (на развертке не заштрихован) втекает по наклонным спрофилированным каналам. На фиг. 1 одно из продольных сечений Б-Б развертки дает общую картину взаимодействия активного и пассивного потоков в эжекторе (активный поток заштрихован). Стрелками показаны: направление вращения сопла и направления течения потоков. Такой "квазипульсирующий" процесс подобен пульсирующему режиму течения, описанному в [4] и позволяющему существенно повысить коэффициент эжекции и тягу эжекторного усилителя тяги реактивного двигателя. Явление повышения эффективности эжекционного процесса было подтверждено экспериментальными результатами и зарегистрировано как открытие 314. В сечении Б-Б передняя и замыкающая линии заштрихованной области являются боковыми границами струи активного газа. Эти границы имеют сложную структуру распадающихся тангенциальных разрывов, волн сжатия и разрежения, в поле которых передается энергия от активного потока пассивному. Благодаря тому что векторы скоростей активного и пассивного потоков направлены вдоль оси эжектора, эта передача энергии хорошо организована и происходит без излишних потерь.

Источники информации:
1. Политехнический словарь/Гл. ред. акад. А.Ю.Ишлинский. -П50 2-е изд., -М.: Советская энциклопедия, 1980. - 656 с., ил.

2. А.с. СССР 1672000, F 04 F 5/42, опублик. 1989.

3. А.с. СССР 198918, F 04 F 5/42, опублик. 1961 (прототип).

4. Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей. - В сборнике ГК СССР по делам изобретений и открытий, 1986. Открытие 314 по заявке ОТ-89-18.

Изобретение предназначено для использования в эжекторах и струйных насосах, применяемых в скважинных насосах и в эжекторных усилителях тяги летательных аппаратов. Способ организации рабочего процесса заключается в том, что активный поток закручивают и этим закрученным, винтообразным потоком перекрывают все поперечное сечение камеры эжектора. Кроме того, согласуют по направлению векторы абсолютных скоростей активного и пассивного потоков, направляя их вдоль или почти параллельно общей оси эжектора под углом до 5^o, а каждый из абсолютных, результирующих векторов скоростей потоков образуют сложением соответствующего вектора скорости истечения и вектора переносной, окружной скорости от вращения сопла. Способ организации рабочего процесса в эжекторе позволяет снизить газогидродинамические потери, повысить до 60 - 70% КПД устройств, основанных на этом способе. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ организации рабочего процесса в эжекторе, заключающийся в том, что активный поток закручивают, отличающийся тем, что активным, закрученным, винтообразным потоком при его вращении перекрывают все поперечное сечение камеры эжектора. 2. Способ организации рабочего процесса в эжекторе, заключающийся в том, что активный поток закручивают, отличающийся тем, что для каждой частицы газа согласуют вектор окружной, переносной скорости от вращения сопла и вектор скорости истечения как для активного, так и для пассивного потоков, а образованные таким образом результирующие, абсолютные векторы скоростей направляют вдоль или почти параллельно общей оси сопла и эжектора под углом до 5^o.