ГАЗОВЫЙ ЭЖЕКТОР Российский патент 2001 года по МПК F04F5/14 

Изобретение относится к области струйной техники, преимущественно к газовым эжекторам, предназначенным для использования в области двигателестроения.

Известен газовый эжектор, содержащий сверхзвуковое сопло, расположенную соосно последнему камеру смешения и диффузор (см., книгу Соколов Е.Я., Зингер Н.М., Струйные аппараты, Москва, Энергоатомиздат, 1989, с. 94-95).

Однако данный газовый эжектор имеет сравнительно невысокий КПД, что сужает область его использования.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является газовый эжектор, содержащий сопло для высоконапорного газа, коаксиально его охватывающее сопло для низконапорного газа, камеру смешения и кольцевой диффузор, образованный корпусом и расположенным в последнем соосно камере смешения и корпусу центральным телом, входной участок которого образован сопряженными с формированием излома конусом и усеченным конусом (см. DE 1268307, 27 d - 1, 16.05.1968).

В данном газовом эжекторе удается за счет взаимодействия высоконапорной сверхзвуковой струи с эжектируемой средой получить смешение двух разнородных газов и увеличение полного давления газовой смеси. Однако в данном газовом эжекторе не представляется возможным получить высокое давление газовой смеси на выходе из эжектора, что связано с большими потерями энергии в процессе торможения сверхзвукового потока смеси высоконапорной и эжектируемой сред.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является снижение потерь полного давления газовой смеси при его восстановлении в конце камеры смешения.

Указанная задача решается за счет того, что газовый эжектор содержит сопло для высоконапорного газа, коаксиально его охватывающее сопло для низконапорного газа, камеру смешения и кольцевой диффузор, образованный корпусом и расположенным в последнем соосно камере смешения и корпусу центральным телом, при этом входной участок центрального тела образован сопряженными с формированием излома конусом и усеченным конусом, вершина конуса расположена от входного сечения корпуса на расстоянии L = D/(2sinα), где D - диаметр диффузора и α - угол наклона косого скачка уплотнения, а излом контура от вершины конуса находится на расстоянии A = L/(2cosβ), где L - расстояние от вершины конуса до входного сечения корпуса и β - угол между конусом и косым скачком уплотнения на вершине конуса.

Угол β₁ наклона образующей выходного участка центрального тела к оси корпуса может составлять величину от 8 до 12^o.

Входной участок центрального тела диффузора может быть выполнен с несколькими изломами контура.

Как показали проведенные исследования, организация процесса торможения сверхзвукового потока оказывает существенное влияние на величину потери полного давления. Организация ступенчатого торможения сверхзвукового потока в многоскачковом сверхзвуковом диффузоре позволяет получить наиболее высокий коэффициент сохранения полного давления газовой смеси σ_д.
Организация торможения в многоскачковом режиме достигается путем выполнения на контуре входного участка центрального тела одного или нескольких изломов. На этих изломах возникают косые скачки уплотнения под разными углами, на которых происходит понижение сверхзвуковой скорости потока. Сверхзвуковой диффузор нельзя спрофилировать меньше чем двухскачковым. В этом случае сверхзвуковой поток будет тормозиться только на одном прямом скачке, что повлечет за собой большие потери полного давления газовой смеси. При скорости потока М = 2,5 потери могут составить до 40% от полного давления (см. фиг. 3, кривая 1).

При скорости потока М = 2,5 и при использовании 3-х скачкового сверхзвукового диффузора коэффициент сохранения полного давления составит σ_д= 0.85 (см. фиг. 3, кривая 3). Четырехскачковый сверхзвуковой диффузор целесообразно использовать, когда скорость сверхзвукового потока будет равна М > 3.

Все косые скачки уплотнения должны сходиться в одной точке на корпусе диффузора. Поэтому расстояния от корпуса до вершины конуса и от вершины конуса до излома контура определяются из условия пересечения косых скачков на корпусе диффузора. Угол наклона косого скачка α находится в пределах α₀<α<90⁰. При α = 90⁰ косой скачок превращается в прямой скачок, а угол α₀ (угол Маха - угол распространения слабых волн возмущения) при скорости потока (числе Маха) М = 2, 5 равен 24^o.

Следует заметить, что при М=2.5 угол наклона косого скачках α имеет свой максимум, равный α = 64⁰. Таким образом, при скорости газовой смеси М = 2,5 угол наклона косого скачка α находится в пределах 24<α<64⁰.
Задавшись углом наклона косого скачка α, можно найти угол отклонения потока (он же полуугол конуса на вершине) ω = α-β, где β- угол между косым скачком и конусом.

Угол расширения внутреннего канала диффузора β₁ выбирается из условия наступления режима течения газовой смеси с максимальным расходом. Было установлено, что этот режим наступает при перепаде давления P_Н/P₁ = 1,1...1,2, который обеспечивается при угле β₁= 8...12⁰. β₁<8⁰ эффект будет недостаточен, так как в этом случае перепад практически будет равен единице, а при угле β₁>12⁰ из-за увеличения перепада давления скорость смеси будет слишком большая. Поэтому поток вновь будет тормозиться на прямом скачке.

Таким образом, использование указанной выше совокупности признаков, приводящих к снижению потерь полного давления газовой смеси, позволило решить поставленную в изобретении задачу - снизить потери полного давления газовой смеси при его восстановлении в конце камеры смешения.

На фиг. 1 представлен продольный разрез описываемого газового эжектора; на фиг. 2 представлен продольный разрез газового эжектора с несколькими изломами на входном участке центрального тела; на фиг. 3 приведена зависимость коэффициента сохранения полного давления от скорости набегающего потока (числа Маха).

Газовый эжектор содержит сопло 1 для высоконапорного газа, например, сверхзвуковое сопло Лаваля, коаксиально его охватывающее сопло 2 для низконапорного газа, соосно с ним расположенные цилиндрическую камеру 3 смешения и кольцевой диффузор 6, при этом последний образован корпусом 4 и расположенным в последнем соосно камере 3 смешения и корпусу 4 центральным телом 5, входной участок 7 которого образован сопряженными с формированием излома конусом и усеченным конусом, отличающийся тем, что вершина конуса расположена от входного сечения корпуса 4 на расстоянии L = D/(2sinα), где D - диаметр диффузора 6 и α- угол наклона косого скачка уплотнения, а излом контура от вершины конуса находится на расстоянии A = L/(2cosβ), где L - расстояние от вершины конуса до входного сечения корпуса 4 и β- - угол между конусом и косым скачком уплотнения на вершине конуса.

Угол β₁ наклона образующей выходного участка 8 центрального тела 5 к оси корпуса 4 может составлять величину от 8 до 12^o.

Входной участок 7 центрального тела 5 диффузора 6 может быть выполнен с несколькими изломами контура.

Газовый эжектор со сверхзвуковым диффузором работает следующим образом.

На вход эжектора подаются два разнородных газа, причем в сопло 1 основной высоконапорный газ. Истекая из сопла 1, сверхзвуковая струя газа, затягивает за собой другой (низконапорный) газ из второго контура эжектора, в результате чего в камере 3 смешения происходит турбулентное смешение двух разнородных газов. После этого на спрофилированном многоскачковом конусе входного участка 7 сверхзвукового диффузора 6 осуществляется ступенчатое торможение сверхзвукового потока газовой смеси посредством различных систем косых скачков уплотнения. В косом скачке уплотнения происходит уменьшение сверхзвуковой скорости потока, а затем в прямом скачке - пониженная сверхзвуковая скорость уменьшается до скорости звука и ниже. В результате при использовании многоскачкового сверхзвукового диффузора 6 достигается наиболее высокий коэффициент сохранения полного давления газовой смеси σ_д.
Предлагаемое изобретение обеспечивает снижение потери полного давления газовой смеси, благодаря чему газовая смесь подается на рабочее колесо турбины турбонасосного агрегата двигателя с высоким полным давлением, что позволит турбине поддерживать свой рабочий режим на длительное время.

Изобретение может быть использовано в авиационной промышленности, в частности в двигателестроении.

Изобретение относится к струйной технике. Газовый эжектор содержит сопло для высоконапорного газа, коаксиально его охватывающее сопло для низконапорного газа, камеру смешения и кольцевой диффузор, образованный корпусом и расположенным в последнем соосно камере смешения и корпусу центральным телом, входной участок которого образован сопряженными с формированием излома конусом и усеченным конусом. Вершина конуса расположена от входного сечения корпуса на расстоянии L = D/(2sinα), где D - диаметр диффузора, α - угол наклона косого скачка уплотнения, а излом контура от вершины конуса находится на расстоянии A = L/(2cosβ), где L - расстояние от вершины конуса до входного сечения корпуса, β - угол между конусом и косым скачком уплотнения на вершине конуса. В результате снижаются потери полного давления газовой смеси при его восстановлении в конце камеры смешения. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Газовый эжектор, содержащий сопло для высоконапорного газа, коаксиально его охватывающее сопло для низконапорного газа, камеру смешения и кольцевой диффузор, образованный корпусом и расположенным в последнем соосно камере смешения и корпусу центральным телом, входной участок которого образован сопряженными с формированием излома конусом и усеченным конусом, отличающийся тем, что вершина конуса расположена от входного сечения корпуса на расстоянии L = D/(2sinα), где D - диаметр диффузора, α - угол наклона косого скачка уплотнения, а излом контура от вершины конуса находится на расстоянии A = L/(2cosβ), где L - расстояние от вершины конуса до входного сечения корпуса, β - угол между конусом и косым скачком уплотнения на вершине конуса. 2. Газовый эжектор по п.1, отличающийся тем, что угол наклона образующей выходного участка центрального тела к оси корпуса составляет величину от 8 до 12^o. 3. Газовый эжектор по п.1, отличающийся тем, что входной участок центрального тела диффузора выполнен с несколькими изломами контура.