ГАЗОВЫЙ ЭЖЕКТОР Российский патент 2000 года по МПК F04F5/14 

Изобретение относится к струйной технике, в частности к струйным насосам, используемым для перекачки различных газов, жидкостей и сыпучих материалов, а также для создания и поддержания разрежения в замкнутых объемах.

Известен эжектор (авт. свид. СССР N 1645652 от 11.05.89), содержащий соосно установленное сопло, камеру смешения с входным и цилиндрическим выходным участками и диффузор, причем повышение КПД достигается только путем расположения начального сечения входного участка камеры смешения в плоскости среза выходного сечения сопла активного газа и выполнения площади поперечного сечения цилиндрического участка камеры смешения в диапазоне 0,4 - 0,7 площади входного участка камеры смешения.

Недостатками этого эжектора являются неоптимальные конфигурации сопла активного газа, подводящих патрубков активного и пассивного газов и выхлопного диффузора, что не обеспечивает в полной мере достижение в данном изобретении поставленной задачи.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является широко используемый в настоящее время в газовой промышленности сверхзвуковой газовый эжектор ЭГ-9 (см. , например, "Инструкция по эксплуатации эжекторов", авт. Царев И.Н., Сидор П.Т., Мин. газовой промышл., ВНИИГАЗ, М., 1982, стр. 5-7,11), выполненный по одноступенчатой схеме, содержащий полый цилиндрический корпус с форкамерами и патрубками подачи активного и пассивного газов, сменное сопло активного газа со сверхзвуковым коническим участком, сменную цилиндрическую камеру смешения и выхлопной конический диффузор.

Однако в этом эжекторе, несмотря на ряд положительных свойств в сравнении с предыдущей серией газовых эжекторов (ЭГ-1, ЭГ-5 и ЭТ-6, см. там же), имеется ряд недостатков, снижающих его эффективность: повышенное гидравлическое сопротивление проточной части; не оптимальная конфигурация внутреннего контура сверхзвукового сопла активного газа, не оптимальный угол расширения выхлопного дозвукового диффузора. Существенным недостатком является также необходимость выполнения расстыковки фланцев подводящих трубопроводов активного и пассивного газов при смене основных рабочих элементов эжектора - сопл активного газа и камер смешения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности работы газового эжектора.

Поставленная задача решается тем, что газовый эжектор, выполненный по одноступенчатой схеме, содержащий полый цилиндрический корпус с форкамерами и патрубками подачи активного и пассивного газов, торцевой монтажный фланец, сменное сопло активного газа со сверхзвуковым коническим участком, сменную цилиндрическую камеру смешения и выхлопной конический диффузор, согласно изобретению внутренний контур сопла перед критическим сечением выполнен по дуге окружности с радиусом конический сверхзвуковой участок сопла выполнен с центральным углом расширения 6 -12^o, конечный участок внутреннего контура сопла выполнен цилиндрическим с относительной длиной l'/d'≈ 0,1 - 0,3; внутренний контур камеры смешения на начальном участке выполнен криволинейным, например, по дуге окружности с радиусом r₄/d''≈1,3-2,6, длина цилиндрического участка камеры l''≈(9-11)d'' и конечный участок камеры смешения, имеющий диаметр, меньший диаметра начального сечения диффузора, выполнен коническим с углом раствора, равным или меньшим на 1-2^o угла раствора диффузора; диффузор выполнен с центральным углом раствора 4-8 и степенью увеличения площади к выходному сечению 6-14,
где r'₂ - радиус участка внутреннего контура сопла активного газа перед критическим сечением;
- диаметры критического и выходного сечений сопла активного газа, соответственно;
l' - длина конечного цилиндрического участка внутреннего контура сопла активного газа;
r_н - радиус начального участка внутреннего контура сопла активного газа;
d" и l''- диаметр и длина цилиндрической камеры смешения.

Кроме того, конечный цилиндрический участок сопла активного газа выполнен по периметру с прямоугольными прорезями, имеющими ширину b'/d' ≃ 0,2 - 0,26, их число n = 8-6 соответственно.

Кроме того, патрубки подачи газов выполнены с площадью выходных сечений где - максимальная площадь критического сечения сменного сопла активного газа.

Кроме того, цилиндрический корпус выполнен с внутренним диаметром
В связи с тем, что при дополнительном поиске не были обнаружены аналоги с признаками, отличающими предложенное решение от прототипа, можно сделать вывод о соответствии заявленного решения критериям "новизны" и "существенных отличий".

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи.

На фиг. 1 показана принципиальная конструктивная схема предложенного одноступенчатого газового эжектора.

На фиг. 2 показан чертеж сопла активного газа (вариант 1).

На фиг. 3 показан эскиз выполнения конечного цилиндрического участка сопла активного газа (вариант 2).

На фиг. 4 показан чертеж камеры смешения.

На фиг. 5 показаны экспериментальные данные испытаний промышленного образца предложенного эжектора.

Предложенный газовый эжектор включает в себя следующие элементы (фиг. 1):
- цилиндрический корпус - 1 с присоединительными патрубками ввода высоконапорного и низконапорного газов - 2 и 3;
- монтажный фланец - 4;
- форкамеры активного и пассивного газов - 5 и 6;
- внутри корпуса 1 размещены сменное сверхзвуковое сопло - 7 и сменная камера смешения - 8;
- завершает конструкцию дозвуковой диффузор 9 с присоединительным фланцем к выходному газопроводу.

Стрелками на фиг. 1 показано: A - подача активного газа; B - подача пассивного газа; С - выход смеси газов.

Основным геометрическим параметром патрубков 2 и 3 является их выходной диаметр на входе в форкамеры активного и пассивного потоков газа 5 и 6. Величина этого диаметра определяет скорость газа в выходном сечении патрубка, от которой в свою очередь зависят потери полного давления потоков газа - потери на выхлоп. Принимая эти потери равными или меньше 0,5% от исходного полного давления, получаем, что минимальная площадь выходного сечения патрубка на входе в форкамеру должна составлять , где - максимальная площадь критического сечения сопла активного (или пассивного) газа. При проектировании и монтаже эжектора для подводящих газы трубопроводов, как правило, используются трубы стандартных диаметров. При этом возможны варианты, когда диаметр стандартной трубы меньше диаметра выходного сечения патрубка. В этом случае внутренний канал патрубка выполняется в виде диффузорного конического участка со степенью расширения 1,5-2,0 и центральным углом расширения 4-8^o.

Объемы форкамер активного и пассивного потоков газа 5 и 6 должны быть спроектированы такими, чтобы скорости рабочих газов были минимальными - для устранения лишних потерь полного давления этих газов. Выполненные оценки с использованием опытных данных по разработке форкамер аэродинамических труб показали, что минимальный диаметр внутреннего корпуса, определяющего допустимые для практики объемы форкамер, должен составлять
Одним из источников потерь полного давления активного газа является внутренний проточный контур дозвукового участка сопла 7 этого газа. Предложенный вариант сопла активного газа представлен на фиг.2. Используемые на практике сопла активного газа часто выполняются с коническими участками контура с углами наклона > 10^o. В случае поворота потока в таком канале (при переходе на критическое сечение) в точке излома контура образуется локальная срывная зона, что вызывает, во-первых, потери полного давления и, во-вторых, нарушение условий течения газа в критическом сечении сопла. C целью устранения этих негативных факторов внутренний дозвуковой контур сопла активного газа выполняется из трех характерных участков:
1) начальный криволинейный участок после начального сечения сопла (со стороны форкамеры, по направлению потока) выполняется закругленным с относительным радиусом
2) последующий участок выполняется либо криволинейным по дуге окружности с относительным радиусом либо коническим, соединяющим по касательной первый и третий криволинейные участки внутреннего контура сопла;
3) третий, основной криволинейный участок выполняется в виде дуги окружности с относительным радиусом в критическом сечении этот участок имеет нулевой угол наклона.

Горловина сопла выполняется либо без цилиндрического участка, либо с цилиндрическим относительной длины
Сверхзвуковой контур сопла активного газа (по потоку за горловиной) выполняется из двух участков:
1) начального конического с центральным углом расширения 6-12^o;
2) конечного цилиндрического с относительной длиной l'/d' ≃ 0,10 - 0,30, где d' - диаметр выходного сечения сопла активного газа.

Внутренний проточный контур сопла активного газа должен иметь либо отшлифованную, либо отполированную поверхность для уменьшения потерь полного давления активного газа на трение.

Вторым вариантом выполнения сопла активного газа является модификация конечного цилиндрического участка внутреннего сверхзвукового контура: на этом участке равномерно по периметру окружности выполняются прорези прямоугольной формы, причем их число n = 6-8 и относительная ширина b'/d' ≃ 0,26-0,2, соответственно, фиг 3. Необходимость выполнения и использования такого варианта сопла обусловлена тем, что при этом потребная длина камеры смешения уменьшается и имеется возможность сменой только сопла активного газа (т.е. сопла без прорезей на сопло с прорезями конечного участка) обеспечить удовлетворительную работу эжектора при различных потребных режимах его эксплуатации без необходимости трудоемкой смены камеры смешения.

Канал-сопло пассивного газа выполняется путем профилирования, во-первых, внешнего контура кормовой части сопла активного газа и, во-вторых - начального внутреннего участка камеры смешения. Внешний контур кормовой части сопла активного газа имеет последовательно выполненные, см. фиг 2: начальный конический участок, криволинейный участок по дуге окружности с относительным радиусом r₃/d' ≃ 2,6-1,3 и конечный цилиндрический участок относительной длины l'/d' ≃ 0,5-1,0. Внешний диаметр конечного цилиндрического участка -d= d' + Δ , где Δ - толщина кромки активного сопла в выходном сечении; для сведения к минимуму потерь полного давления на кромке-уступе целесообразно принимать Δ = 0,2 - 0,5 мм.

Начальный участок камеры смешения имеет криволинейный контур по дуге окружности с относительным радиусом r₄/d'' ≃ 0,2 - 0,3.

Диаметр (площадь) критического сечения сопла активного газа определяется по заданным газодинамическим параметрам активного газа - расход Q, давление P'₀, температура T'₀ и тип газа. Диаметр (площадь) выходного сечения сопла активного газа d', а также диаметр цилиндрической камеры смешения d'' определяются через безразмерные параметры эжектора M' и α = f'/f₁, которые в свою очередь определяются по условию оптимальности одноступенчатого газового эжектора (см. журнал "Теплоэнергетика", N 4, 1958, стр. 33).

Одним из свойств оптимального эжектора является максимальная скорость смеси газов в выходном сечении камеры смешения. Это условие обязывает принимать такие параметры выхлопного диффузора, при которых потери полного давления в диффузоре будут минимальными (эти потери преобладают над остальными). Практически выхлопной диффузор необходимо выполнять коническим с полным углом расширения (раствора) 4-8^o и степенью увеличения площади к выходному сечению 6-14.

В предложенном эжекторе сопло активного газа и камера смешения являются сменными - для расширения диапазона рабочих параметров эжектора. Для номинального (расчетного) режима работы эжектора начальный диаметр диффузора принимается равным диаметру цилиндрической камеры смешения. Если при других эксплуатационных режимах эжектора требуется использование камер смешения с диаметрами, меньшими расчетного и меньше соответственно начального диаметра диффузора, то в этом случае конечный участок камеры смешения выполняется коническим с углом расширения, равным или на 1-2^o меньше угла расширения диффузора, и конечным диаметром, равным начальному диаметру диффузора (см. фиг. 4).

Для перемонтажных работ в предложенном эжекторе предусмотрено выполнение съемного монтажного фланца 4, при снятии которого осуществляется сначала демонтаж сопла активного газа, а потом - камеры смешения. Монтаж - в обратном порядке. Эти сменные элементы эжектора крепятся с помощью болтов, для которых изготавливается отдельный торцовый ключ. Диаметры отверстий во внутренней полости эжектора как перед монтажным фланцем 4, так и для посадочного внешнего цилиндрического участка сопла активного газа выполняются с учетом свободного прохода сопла и камеры смешения 8, соответственно.

Таким образом, наличие в предложенном одноступенчатом эжекторе ряда технических решений позволяет снизить гидравлические потери в рабочих элементах эжектора и повысить тем самым его эффективность.

Эжектор работает следующим образом. Сначала открывается дроссель-задвижка на трубопроводе смеси и затем осуществляется подача активного газа в форкамеру 5, см. фиг. 1. Этот газ, истекая через сопло 7 в камеру смешения 8, создает определенное давление в форкамере пассивного газа 6. Если это давление меньше имеющегося давления газа в магистрали пассивного газа, то открывается задвижка в этой магистрали, чем осуществляется подача пассивного газа, т.е. ввод эжектора в работу.

В условиях Уренгойского газоконденсатного месторождения проведено опытно-промышленное испытание образца предложенного эжектора.

Испытание проведено при различных соплах активного газа и диаметрах камер смешения; относительная длина камер смешения принята приблизительно постоянной -l''/d'' = 9,2-10,5.

Результаты испытания представлены на фиг. 5: экспериментальные значения степени cжaтия ε″ = P_осм/P_опасс в зависимости от отношения полных давлений рабочих газов σ = P_оакт/P_опасс (где P_оакт, P_опасс и P_осм - полные давления активного, пассивного и смеси газов, соответственно). Зависимости ε″ = f(σ) имеют практически линейный характер изменения. Зависимость 10 получена при испытании сопла активного газа с диаметрами критического и выходного сечений и камеры смешения d'' = 31 мм; и d'' = 31 мм; и d'' = 32,4 мм и, наконец, и d'' = 31 мм. Зависимость 14 - расчетная, соответственно условиям эксперимента 12. Для всех экспериментальных точек σ и ε рассчитаны теоретические значения степени сжатия ε″ _теор - для определения величин суммарного коэффициента восстановления полного давления смеси - ν″ = ε_эксп/ε_теор . Величины ν″ характеризуют, во-первых, совершенство газодинамического контура эжектора в отношении минимальности паразитных потерь полного давления рабочих газов и, во-вторых, качество конструктивной разработки и технологического изготовления данного эжектора.

На фиг. 5 приведены полученные для данного испытания величины ν″(σ) . Видно, что имеем диапазон ν″ ≃ 0,95 - 0,99 (средняя величина - ν″ ≃ 0,97 - линия 15), что является наивысшим уровнем в сравнении с величинами ν″ для всех известных испытаний сверхзвуковых газовых эжекторов ν″ ≃ 0,8-0,9 (см., например, журнал "Теплоэнергетика", N 4, 1958, стр. 33-34; кн. "Лопаточные машины и струйные аппараты", вып. 3, М., "Машиностроение", 1968, стр. 178).

Для прототипа - эжектора ЭГ-9 по данным промышленных испытаний на установках ПО "Уренгойгазпром" получено ν″ ≃ 0,84 - 0,8.

Полученный результат опытно-промышленного испытания фактически подтвердил обоснованность отличительных свойств предложенного эжектора.

Изобретение относится к струйной технике. Внутренний контур сопла перед критическим сечением выполнен по дуге окружности с радиусом конический сверхзвуковой участок сопла выполнен с центральным углом расширения 6 - 12^o, конечный участок внутреннего контура сопла выполнен цилиндрическим с относительной длиной l′/d′≃ 0,1 - 0,3. Внутренний контур камеры смешения на начальном участке выполнен криволинейным, например, по дуге окружности с радиусом r₄ ≃ 1,3 - 2,6, длина цилиндрического участка камеры l'' ≃ (9-11)d'' и конечный участок камеры смешения, имеющий диаметр, меньший диаметра начального сечения диффузора, выполнен коническим с углом раствора, равным или меньшим на 1 - 2^o угла раствора диффузора. Диффузор выполнен с центральным углом расширения 4 - 8^o и степенью увеличения площади к выходному сечению 6 - 14, где r'₂ - радиус участка внутреннего контура сопла активного газа перед критическим сечением; - диаметры критического и выходного сечения сопла активного газа соответственно; l' - длина конечного цилиндрического участка внутреннего контура сопла активного газа; r₄ - радиус начального участка внутреннего контура сопла активного газа; d'' и l'' - диаметр и длина цилиндрической камеры смешения. В результате достигается повышение эффективности работы эжектора. 5 ил.

1. Газовый эжектор, выполненный по одноступенчатой схеме, содержащий полый цилиндрический корпус с форкамерами и патрубками подачи активного и пассивного газов, торцевой монтажный фланец, сменное сопло активного газа со сверхзвуковым коническим участком, сменную цилиндрическую камеру смешения и выхлопной конический диффузор, отличающийся тем, что внутренний контур сопла перед критическим сечением выполнен по дуге окружности с радиусом , конический сверхзвуковой участок сопла выполнен с центральным углом расширения 6 - 12^o, конечный участок внутреннего контура сопла выполнен цилиндрическим с относительной длиной l′/d′ ≃ 0,1-0,3; внутренний контур камеры смешения на начальном участке выполнен криволинейным, например, по дуге окружности с радиусом r₄/d'' ≃ 1,3 - 2,6, длина цилиндрического участка камеры l ≃ (9-11)d'' и конечный участок камеры смешения, имеющий диаметр, меньший диаметра начального сечения диффузора, выполнен коническим с углом раствора, равным или меньшим на 1 - 2^o угла раствора диффузора; диффузор выполнен с центральным углом расширения 4 - 8^o и степенью увеличения площади к выходному сечению 6 - 14, где r'₂ - радиус участка внутреннего контура сопла активного газа перед критическим сечением; - диаметры критического и выходного сечения сопла активного газа соответственно; l' - длина конечного цилиндрического участка внутреннего контура сопла активного газа; r₄ - радиус начального участка внутреннего контура сопла активного газа; d'' и l'' - диаметр и длина цилиндрической камеры смешения. 2. Газовый эжектор по п.1, отличающийся тем, что конечный цилиндрический участок сопла активного газа выполнен по периметру с прямоугольными прорезями, имеющими ширину b'/d' ≃ 0,2-0,6,их число - n = 8 - 6 соответственно. 3. Газовый эжектор по п.1, отличающийся тем, что патрубки подачи газов выполнены с площадью выходных сечений , где - максимальная площадь критического сечения сопла. 4. Газовый эжектор по п.1, отличающийся тем, что цилиндрический корпус выполнен с внутренним диаметром .