Газовым эжектором называется аппарат, в котором полное давление газового потока увеличивается под действием струи другого, более высоконапорного потока. Передача энергии от одного потока к другому происходит путем их турбулентного смешения. Эжектор прост по конструкции, может работать в широком диапазоне изменения параметров газов, позволяет легко регулировать рабочий процесс и переходить с одного режима работы на другой. Поэтому эжекторы широко применяются в различных областях техники, в частности, в газовой и химической промышленности, вакуумной технике, самолетостроении и различных экспериментальных аэродинамических установках. Так, в схеме аэродинамической трубы эжектор выполняет роль насоса, позволяющего подать большое количество газа сравнительно невысокого давления за счет энергии небольшого количества газа высокого давления. В баллоне содержится воздух более высокого давления, чем необходимо для работы трубы. Однако количество сжатого воздуха невелико, и для обеспечения достаточно продолжительной работы трубы сжатый воздух выпускают в эжектор, где к нему примешивается атмосферный воздух, который засасывается эжектором через рабочую часть трубы. Чем больше давление сжатого воздуха, тем большее количество атмосферного воздуха можно привести в движение с заданной скоростью. Часто эжектор используется для поддержания непрерывного тока воздуха в канале или помещении и выполняет, таким образом, роль вентилятора. Примером может служить схема стенда для испытания реактивных двигателей. Струя выхлопных газов, вытекающая из реактивного сопла, подсасывает в эжектор воздух из шахты, обеспечивая тем самым вентиляцию помещения и охлаждение двигателя. При этом горячие газы смешиваются с атмосферным воздухом, что снижает температуру газа в
9
выхлопной шахте и улучшает условия работы выхлопных устройств (шумоглушителей и др.). Существует еще одна возможная область использования свойств эжектора, а именно увеличение реактивной тяги путем подмешивания внешнего воздуха к струе газа, вытекающего из сопла реактивного двигателя.
Независимо от назначения эжектора в нем всегда имеются следующие конструктивные элементы: сопло высоконапорного (эжектирующего) газа – 1, сопло низконапорного (эжектируемого) газа – 2, смесительная камера – 3 и обычно, диффузор – 4 (Рис. 1.1.).
Рис. 1.1. Принципиальная схема эжектора:1 – сопло эжектирующего газа, 2 – сопло эжектируемого газа, 3– камера смешения, 4 – диффузор.
Назначение сопел – с минимальными потерями подвести газы ко входу в смесительную камеру. Расположение сопел может быть различным (по периферии, по спирали, со сдвигом и др.), зачастую рассматривают два варианта расположения: такое, как изображено на рисунке выше, где эжектирующый поток внутри, а эжектируемый – по периферии камеры, и обратным, когда эжектирующый газ подается в камеру по внешнему кольцевому соплу. Сопло представляет собой сужающийся, расширяющийся или сужающе-расширяющийся канал и предназначается для увеличения скорости движущегося газа. Чтобы увеличить дозвуковую скорость до значения, меньшего или равного скорости звука, требуется сужающееся сопло; до значения же большего скорости звука необходимо сужающе-расширяющее сопло (сопло Лаваля). Для ускорения сверхзвукового потока сопло должно быть расширяющимся.
11
Взаимное расположение, число и форма сопел в эжекторе в большинстве случаев не оказывают существенное влияния на конечные параметры смеси газов. Важным является соотношение между величинами поперечных сечений потоков эжектируемого и эжектирующего газов на входе в камеру, т. е. отношение суммарных площадей сопел. Камера смешения может быть цилиндрической (Рис. 1.2.) или иметь переменную по длине площадь сечения, изобарическая камера смешения (Рис. 1.3.). Форма камеры оказывает заметное влияние на смешение газов.
Рис. 1.2. Схема эжектора с цилиндрической камерой смешения: 1- сопло высоконапорного газа, 2 — сопло низконапорного газа, 3 – камера смешения, 4 – диффузор, 5 – граница струй, 1-1, 2-2, 3-3, характерные сечения проточной части, Кр – критическое сечение сопла 1.
12
1.2. Схема эжектора с изобарной камерой смешения: 1- сопло высоконапорного газа, 2 — сопло низконапорного газа, 3 – начальный участок камеры смешения, 4 – торцевая стенка начального участка, 5 – граница струй, 6 – горловина, 7-выходной участок камеры смешения, 8 – диффузор, 1-1, 2-2, 3-3, характерные сечения эжектора.
Длина камеры выбирается такой, чтобы в ней успел закончится процесс смешивания потоков, однако, по возможности короткой, с тем чтобы не увеличивать гидравлических потерь и сохранить общие габариты эжектора. Диффузор устанавливается на выходе из смесительной камеры в тех случаях, когда желательно повысить статическое давление на выходе из эжектора (происходит вследствие понижения скорости потока) или когда при заданном давлении на выходе желательно получить низкое статическое давление в камере смешивания и во входном сечении эжектора. При проектировании диффузоров стремятся получить наименьшие потери полного давления, являющиеся их основной характеристикой. По характеру натекающего потока диффузоры могут быть дозвуковые и сверхзвуковые.
13
Эжектор может работать и без диффузора, в этом случае конечное сечение смесительной камеры одновременно является выходным сечением эжектора.