СПОСОБ ПОДДЕРЖИВАНИЯ ВАКУУМА В ОБЛАСТИ РАСШИРЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F04F5/20 

Настоящее изобретение относится к теплоэнергетике и двигателестроению, т. ч. авиационному, а также может быть применено для поддерживания уровня давления в транспортных капиллярах и материалопроводах.

Известна серия механических устройств, с помощью которых откачивают газообразную среду (рабочее тело) и поддерживают давление в области расширения (см. , книгу Механические вакуумные насосы, под редакцией Е.С.Фролова, М., Машиностроение, 1989, с. 283).

Общим признаком с заявляемым, характеризующим способ поддерживания давления ниже атмосферного, является вывод потока рабочего тела из области расширения. В известных устройствах этот вывод осуществляется с заметной цикличностью, что представляет существенный недостаток способа.

Другую серию газо- и гидродинамических насосов (устройств для откачивания среды и поддерживания в ней давления) представляют струйные насосы или струйные трансформаторы тепла, паро- и газоструйные, водогазоструйные, эжекторные и диффузионные.

Реализуемый в них способ и заявляемый объединены общим признаком - поддерживание вакуума в области расширения осуществляется путем вывода потока рабочего тела (пассивной среды) из области расширения.

В этой серии устройств вывод достигается с применением дополнительного рабочего тела (активной среды). Характерная особенность способа выражается в смешении в камере двух потоков, из которых скорость активной среды выше скорости звука, а скорость пассивной ниже скорости звука. К достоинствам способа следует отнести непрерывность процесса откачки и поддерживания вакуума. К недостаткам - необходимость второго потока рабочего тела, т.е. активной среды, применение которого представляет определенные трудности.

Наиболее близким с заявляемым можно считать техническое решение по заявке GB 2185534, кл. F 04 F 3/00, 1987 .

Общим признаком известного технического решения и предлагаемого является возможность поддерживать уровень невозмущенного давления в области расширения ниже атмосферного путем вывода потока рабочего тела из области расширения. Как следует из заявки, поддерживание давления ниже атмосферного осуществляется несколькими приемами, включая применение вакуумного насоса, струйного многоступенчатого насоса, присоединением области расширения к области пониженного давления или комбинацией этих приемов. Недостатки приемов поддерживания давления указаны выше. Кроме того, поддерживание давления в области расширения путем присоединения к области пониженного давления определяет однозначно параметры невозмущенного давления, что представляет большой недостаток способа.

Задачей, которую решает данное изобретение, является поддерживание вакуума без использования дополнительного рабочего тела.

Указанная задача решена за счет того, что в способе поддерживания вакуума в области расширения, включающем ввод в нее потока рабочего тела, ускорение и вывод потока, поддерживание в области расширения давления ниже атмосферного, ввод и вывод из области расширения дозвукового потока осуществляют не ниже местной скорости звука, а вывод сверхзвукового потока - выше местной скорости звука, между которыми после ускорения потока при необходимости отводят энергию и/или тормозят поток.

Известно, что характер распределения термодинамических параметров рабочего тела в камере расширения, сосуде, капилляре или в любом изолированном от окружающей среды пространстве (области расширения), в котором создано предварительно разрежение, определяется параметрами торможения рабочего тела и уровнем невозмущенного давления в области расширения.

Сохранение неизменными установившихся, т.е. независящих от времени, термодинамических параметров рабочего тела в области расширения обеспечивается поддержанием невозмущенного уровня давления, что достигается при соблюдении постоянства массы как вводимого в область расширения, так и выводимого из нее рабочего тела, а также обеспечением в выходном сечении области расширения скорости потока рабочего тела не ниже местной скорости звука.

Первое требование следует из условия неразрывности, согласно которому
G = ρ_кр•W_кр•F_кр= ρ_кр•a_кр•F_кр ,
где
ρ_кр,W_кр,F_кр - соответственно плотность, скорость и площадь в критическом сечении.

Второе требование установлено экспериментально, подтверждено теоретически и исключает распространение слабых возмущений из-за пределов области расширения внутрь нее.

Для обратимого адиабатического истечения идеального газа через сужающееся сопло в затопленное пространство известно, что скорость истечения определяется выражением
,
где
W₁ - скорость входа рабочего тела в сужающееся сопло. Если значение входной скорости W₁ = 0, то максимального значения W₂ достигает при отношении P₂ в критическом сечении к давлению торможения P₁, равном

где

где
k - показатель адиабаты процесса,
и равно

где
W^* - W_кр = a, где a - местное значение скорости звука.

Если значение скорости W₁ ≠0, но меньше скорости звука a, т.е. W₁ < a, то при некотором значении P₂ скорость W₂ будет равна скорости звука, т.е. W₂ = a. При этом естественно значение давления в затопленном пространстве P₃ должно быть ниже P₂, т.е. P₃ < P₂.

Из технической термодинамики известно, что критические параметры рабочего тела или газообразной среды не могут быть изменены, если слабые возмущения среды затопленного пространства приводят к изменению давления в ней, так что всякое новое значение давления P'₂ всегда меньше P₂, т.е. P'₂ < P₂. Это означает, что расход рабочего тела через критическое сечение остается постоянным, т. е. G = const и не зависит от уровня давления за сужающимся соплом.

Изложенное выше полностью справедливо для ускоряющегося потока, а при dp/dx <0, т. е. если течение характеризуется отрицательным градиентом давления и дозвуковыми скоростями.

При наличии положительного градиента давления, т.е. dp/dx>0, имеет место торможение сверхзвукового потока, при этом картина существования течения совершенно изменяется. Известно, что характер течения перерасширенной сверхзвуковой струи в затопленное пространство определяется степенью нерасчетности n как где P_a - давление на срезе сопла, P_∞ - давление за косым скачком. Для определения значений n ≥ n_кр обеспечивается существование течения, причем на величину значения оказывает влияние характер течения в пограничном слое, а показатель нерасчетности определяется экспериментально или теоретически из условия взаимодействия косого скачка с пограничным слоем. Во всех случаях существование течения возможно только при сверхзвуковой скорости в выходном сопле.

Таким образом, изложенное выше и составляет предмет изобретения и сущность его, которая может быть выражена требованием вывода дозвукового (ускоряющегося при отрицательном градиенте давления) потока рабочего тела из области расширения со скоростью не ниже местной скорости звука и сверхзвукового (тормозящегося при положительном градиенте давления) потока рабочего тела со скоростью выше местной скорости звука.

На фиг. 1 схематически представлен канал, в котором реализуется описываемый способ, на фиг. 2 представлен график режима работы с эксгаустером (два возможных варианта).

Канал содержит камеру расширения, переходное суживающееся сечение 1-1 и эксгаустер.

Последовательность действий при реализации технического решения включает
1. предварительное вакуумирование области расширения до принятого давления;
2. ввод рабочего тела в область расширения со скоростью не ниже местной скорости звука и его ускорение;
3. торможение потока и/или отвод кинетической энергии за пределы области расширения;
4. вывод дозвукового рабочего тела со скоростью не ниже местной скорости звука, а потока рабочего тела со сверхзвуковой скоростью выше местной скорости звука из области расширения;
5. поддерживание постоянным невозмущенного уровня давления рабочего тела в области расширения.

Роль перечисленных признаков заключается в следующем.

А. Предварительное вакуумирование необходимо для создания условий свободного расширения рабочего тела, при этом областью расширения для формирования струи должна быть камера, капилляр или сосуд, размеры которого допускают свободное или направленное формирование струи или потока рабочего тела с определенными параметрами.

Б. Ввод потока в область расширения не ниже местной скорости звука позволяет, как показано выше, во-первых, выбрать уровень невозмущенного давления в области расширения в любых технически возможных пределах ниже критического значения на вводе, во-вторых, обеспечить постоянное натекание в область расширения рабочего тела независимо от уровня давления в ней. Ввод рабочего тела в область низкого давления приводит к его расширению и ускорению. Ускорение рабочего тела составляет главную цель поиска, т.к. через ускорение потока рабочего тела достигается преобразование энергии, условие которого заявлены автором ранее в качестве открытия под названием "Явление энтальпийного перехода в газообразных средах". Преобразование энтальпии торможения является логическим концом и началом нового процесса - отвода энергии потока или его торможения.

В. Ускорение рабочего тела не является самоцелью, а наоборот создает предпосылки для отвода энергии за пределы области расширения. Очевидно, для этой цели может быть использовано известное устройство, например колесо турбины. Согласно законам газовой динамики отвод энергии сопровождается торможением потока и падением термодинамических характеристик рабочего тела. Отвод кинетической энергии создает предпосылки для вывода рабочего тела, а глубина отвода энергии определяет режим вывода - звуковой или сверхзвуковой.

Таким образом, отвод энергии есть логическое завершение преобразования энергии, которое сопровождается выводом потока рабочего тела из области расширения.

Г. Вывод потока из области расширения при указанных выше условиях позволяет, во-первых, выбрать нужное значение уровня давления на выходе из области расширения с учетом характера течения, а при известном давлении в затопленном пространстве вне пределов области расширения определить давление в выходном критическом сечении с учетом характера течения, что обеспечивает при согласовании расходных характеристик оборудования независимость величины статического невозмущенного давления в области расширения от давлений на выходе и входе.

Таким образом, область расширения представляет собой "физическую яму" на пути движения потока рабочего тела с указанными выше характеристиками. Во-вторых, согласовать расходные характеристики оборудования путем обеспечения постоянства массовой величины потока рабочего тела через входное и выходное отверстия области расширения. В-третьих, поддерживать неизменными во времени параметры расширяющегося потока рабочего тела в области расширения. В-четвертых, применить в качестве устройства для поддерживания давления эксгаустер - осевой компрессор, который не может быть использован для откачки рабочего тела. Таким образом, преодолевается недостаток известных устройств, совмещающих в себе одновременно процесс вакуумирования рабочего тела и процесс поддерживания уровня давления ниже атмосферного.

Д. Поддерживание постоянным невозмущенного уровня давления области расширения обеспечивается автоматически при соблюдении условий вывода рабочего тела из области расширения. Сам процесс поддерживания давления осуществляется любыми известными устройствами, в т.ч. осевым компрессором, характеристика которого согласуется по массе рабочего тела с нагрузкой камеры расширения.

Например, при выводе дозвукового потока рабочего тела из камеры расширения уровень давления на входе в эксгаустер устанавливается ниже критического его в выходном отверстии камеры расширения.

Действительно, положим давление в переходном суживающемся сечении 1-1 (по фиг. 1) равным P_кр.

Рассмотрим два возможных варианта работы эксгаустера согласно фиг. 2.

Если нагрузка в камере расширения строго согласована с нагрузкой эксгаустера, то теоретически возможно поддерживание давления в камере расширения как в первом, так и во втором варианте.

Но в реальных условиях эксгаустеры работают в режимах, отличающихся от номинального вследствие нестабильности параметров рабочего тела на входе.

Например, изменение оборотов эксгаустера в большую или меньшую сторону приводит к изменению входного давления в эксгаустер от P_ном1 до и и (см. фиг. 2) и никак не сказывается на режиме в камере расширения, т.к. будет соблюдаться условие неразрывности для эксгаустера

вследствие постоянства массового расхода. Согласно характеристике эксгаустера степень компримирования π_к не изменится, а условие неразрывности будет выполняться за счет изменения скорости выхода и входа и сохранения их нового соотношения.

Отклонение в давлении от номинального P_ном2 до , т.е. > P_ном2, при уменьшении оборотов эксгаустера приводит к уменьшению π_к и, как следствие, к помпажу (неустойчивому режиму работы ступеней компрессора), переходу последних ступеней в область отрицательных напоров. При этом уровень давления в камере повышается.

Тот же эффект наблюдается при понижении температуры входа рабочего тела в эксгаустер.

При переходе на режим < P_ном2 вследствие роста оборотов эксгаустера значение π_к возрастает, возрастает поток рабочего тела на эксгаустер, который также переходит в режим помпажа, особенно при высоком исходном значении π_к, а уровень давления в камере расширения падает. Тот же эффект наблюдается при повышении температуры рабочего тела на входе.

Режим по второму варианту не позволяет согласовать нагрузки в камере расширения и на эксгаустере, в результате чего система опрокидывается.

Аналогичные явления наблюдаются при выводе рабочего тела из области расширения со сверхзвуковой скоростью.

Способ предназначен для поддерживания вакуума в области расширения. Осуществляют ввод потока рабочего тела в область расширения, ускоряют его и выводят поток, поддерживая в области расширения давление ниже атмосферного. Ввод и вывод из области расширения дозвукового потока осуществляют не ниже местной скорости звука, а вывод сверхзвукового потока - выше местной скорости звука. После ускорения потока при необходимости отводят энергию и/или тормозят поток. Способ позволяет поддерживать вакуум без использования дополнительного рабочего тела. 2 ил.

Способ поддерживания вакуума в области расширения, включающий ввод в нее потока рабочего тела, ускорение и вывод потока, поддерживание в области расширения давления ниже атмосферного, отличающийся тем, что ввод и вывод из области расширения дозвукового потока осуществляют не ниже местной скорости звука, а вывод сверхзвукового потока - выше местной скорости звука, между которыми после ускорения потока при необходимости отводят энергию и/или тормозят поток.