RU2341691C2

RU2341691C2 - Gas ejector

Info

Publication number: RU2341691C2
Application number: RU2007100659/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Соболев (RU); Александр Васильевич Соболев; гаев Валерий Иванович Запр (RU); Валерий Иванович Запрягаев; Виктор Михайлович Мальков (RU); Виктор Михайлович Мальков
Original assignee: Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христианович СО РАН (ИТПМ СО РАН)
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2008-12-20
Also published as: RU2007100659A

Abstract

FIELD: mechanics.

SUBSTANCE: proposed ejector is intended for pumping gases from aerodynamic apparatuses and chemical lasers and comprises narrowing mixing chamber, neck, subsonic diffuser and supersonic central nozzle. The nozzle outlet edges accommodate regularly arranged miniature swirlers representing tabs inclined towards ejected gas flow relative to the nozzle outlet edge by an angle of up to 10°. Optimum number of tabs makes 2 to 4.

EFFECT: increased ejection factor at preset compression ratio, reduced chamber length.

2 cl, 2 dwg

Description

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.The invention relates to inkjet technology, specifically to gas ejectors with supersonic nozzles and tapering mixing chambers, and can be used for pumping gases from aerodynamic installations, in pressure recovery systems of chemical lasers, as well as in energy and other fields of technology.

Одноступенчатые эжекторы с сужающимися камерами обеспечивают номинальные степени сжатия ε до 15.Single-stage ejectors with tapering chambers provide nominal compression ratios ε of up to 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.There are other schemes of ejectors that provide high compression ratios. High compression ratios can be achieved when using multi-stage ejectors with cylindrical chambers, in ejectors with a multi-nozzle distributed along the chamber by the supply of ejection gas, or in ejectors with a delay in setting the limit mode using slotted nozzles. The flow characteristics of the listed ejectors, characterized by the product of the ejection coefficient k and the compression ratio ε, do not exceed 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.Consumption characteristics of ejectors with tapering chambers reach values kε≈1.5 and higher. These ejectors provide the highest flow rates among the known ejector schemes.

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.In recent years, to reduce the noise of aircraft engines, new vortex-forming elements are used - chevrons and tabs (patent US 6532729, IPC F02K 1/38, F02K 1/40, publ. 12.05.2002; patent GB 2374121, class F02K 1/46, 1 / 10, published on 09.10.2002). Chevrons are the teeth on the outlet edge of the nozzle in plan, tabs are the protrusions in the stream. A negative property of tabs in aircraft nozzles is blockage of the flow and the loss of engine thrust associated with it.

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).The closest adopted for the prototype is a gas ejector with a tapering mixing chamber, a throat, a subsonic diffuser and a central supersonic nozzle of the ejection gas (Sokolov E.Ya., Singer N.M. Inkjet devices, 2nd ed., Revised. - M .: Energy 1970, p. 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.The disadvantage of this ejector is the need to use a long, more than 10 gauge, chamber with a throat to obtain the maximum degree of compression at a given flow rate of low-pressure gas.

Предлагаемым изобретением решается задача уменьшения длины камеры смешения и улучшения расходной характеристики газового эжектора.The present invention solves the problem of reducing the length of the mixing chamber and improve the flow characteristics of the gas ejector.

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.To achieve the above technical result, a gas ejector is proposed comprising a tapering mixing chamber, a throat, a diffuser and a central supersonic nozzle. Small-sized vortex generators, made in the form of tabs, are installed at the output edge of the supersonic nozzle, installed with an angle of inclination β to its axis, provided that 0 <α-β <10 °, where α is the angle of inclination of the wall of the supersonic nozzle to its axis. Tabs are set in an amount of 2 to 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.Distinctive features of the proposed gas ejector are the presence of small-sized vortex generators made in the form of tabs placed evenly on the output edge of the supersonic nozzle, and the ratio of the angle of inclination of the tabs with the angle of inclination of the nozzle edge given above. The optimal number of tabs is from 2 to 4. The proposed design of the ejector using tabs allows you to intensify mixing, shorten the chamber by 1.5-2 times and improve the flow characteristics of the ejector in critical mode.

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.Ejectors with various eddy generators were tested, including slotted nozzles with wall permeability of up to 70%, chevrons, tabs. Tests have shown that tabs are the most effective vortex generators. Significant acceleration of mixing is ensured with a small surface size (a typical ratio of the total surface area of the tabs to the area of the nozzle exit section is 0.25) and a small angle of inclination of the tabs in the stream. The shape of the tabs (triangular, rectangular, trapezoidal) is not critical.

Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.These features are not identified in other technical solutions when studying the level of this technical field and, therefore, the solution is new and has an inventive step.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены: на фиг.1 - схема газового эжектора, на фиг.2 - вид сверхзвукового сопла с табами в увеличенном масштабе.The invention is illustrated by drawings, in which: FIG. 1 is a diagram of a gas ejector, and FIG. 2 is an enlarged view of a supersonic nozzle with tabs.

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.The gas ejector comprises a tapering mixing chamber 1, a throat 2, a diffuser 3, and a supersonic nozzle of the ejecting gas 4. Tabs 5 are evenly placed along the outlet edge of the nozzle 4.

Газовый эжектор работает следующим образом.Gas ejector works as follows.

Запуск эжектора, т.е. установление критического режима, может осуществляться двумя способами. В первом случае эжектор запускается без расхода низконапорного газа, во втором - с расходом.Ejector start, i.e. establishment of a critical regime can be carried out in two ways. In the first case, the ejector starts without the consumption of low-pressure gas, in the second - with the flow.

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.When starting without the consumption of low-pressure gas, the first ejector gas is supplied to the nozzle 4 at a pressure equal to the starting pressure. The pressure in the low-pressure gas line drops to a small value and a supersonic flow of the ejection gas is established in mixing chamber 1. The supersonic flow is converted into a subsonic flow in the throat 2, in the subsonic diffuser 3, the subsonic flow is decelerated to low speeds and the static pressure is restored to ambient pressure. After the critical regime has been established, the pressure of the ejection gas can be reduced to the value of pre-pressure. Then, the flow rate of the low-pressure gas is supplied, while the critical flow regime in the ejector is maintained. The jet of ejection gas is underexpanded or may be calculated. The interaction of the jet of ejection gas with the surface of tab 5 leads to the formation of a pair of longitudinal vortices symmetrically relative to tab 5, generating a radial movement to the axis of the jet between the vortices, and vice versa, movement in a positive radial direction to the side of the vortices. In a plane passing through the axis of the jet and taba 5, a concavity is formed on the surface of the jet, into which the low-pressure gas is sucked. A jet structure is formed in the form of a three- or four-pointed star, corresponding to the number of tabs 5, which is rapidly mixed with a low-pressure gas. The length of the mixing chamber 1 and its profile are selected so as to provide high flow characteristics.

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.When starting at a low-pressure gas flow rate with increasing pressure of the ejecting gas in the ejector, a subcritical flow regime is first realized. The pressure of the low-pressure gas at the inlet to the ejector decreases. When the ejection gas reaches a pressure equal to the start pressure, a critical flow regime is established. When the critical regime is established, a stepwise decrease in the pressure of the low-pressure gas in front of the ejector occurs. After the critical regime has been established, the pressure of the ejection gas can be reduced to the ultimate pressure.

Пример 1.Example 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).As an example, the properties of ejectors are compared with a nozzle with a number M = 4.5, an output diameter d = 20 mm and an angle α = 10 ° and a relative throat section

. Tests conducted with air jets. The first ejector had a nozzle without tabs and the length of the mixing chamber was 8.3 caliber. In this ejector, the critical regime was obtained with an ejection coefficient of 0.155 and a compression ratio of 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).The nozzle of the second ejector was equipped with three trapezoidal tabs with a lower base of 0.22d, an upper base of 0.15d and a height of 0.33d. The angle of inclination of the tabs β = 0 °. The length of the chamber of the ejector is reduced to 4.3 calibers. The bore sections of the chamber and throat remained unchanged. The critical regime was established in the presence of a low-pressure gas flow. In this ejector, the flow rate of the low-pressure gas has increased, with which the critical mode is established. In critical mode, with an ejection coefficient of 0.25, a compression ratio of 8.24 was obtained (kε = 2.05).

Пример 2.Example 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).The third ejector was created on the basis of the second ejector in example 1 by reducing the relative throat section to

. The length of the chamber of this ejector is 5.1 gauge. To ensure the establishment of a critical regime in this ejector, it was necessary to reduce the effectiveness of the tabs. Four semicircular tabs with a length of 10 and a diameter of 3 mm were used. With an ejection coefficient of 0.19, a compression ratio of 11.5 was obtained (kε = 2.2).

Таким образом, использование в предлагаемых эжекторах табов в качестве устройств интенсификации смешения обеспечивает улучшение расходных характеристик и сокращение продольных размеров камер.Thus, the use of tabs in the proposed ejectors as mixing intensification devices provides improved flow characteristics and a reduction in the longitudinal dimensions of the chambers.

Claims

1. A gas ejector containing a tapering mixing chamber, a throat, a subsonic diffuser and a central supersonic nozzle, characterized in that small-sized vortex generators made in the form of tabs installed with an inclination angle β to the axis of the nozzle are uniformly placed on the output edge of the supersonic nozzle, provided 0 <α-β <10 °, where α is the angle of inclination of the nozzle exit edge.

2. The gas ejector according to claim 1, characterized in that the tabs are installed in an amount of from 2 to 4.