эжектор

Формула изобретения

1. Эжектор, содержащий корпус с подводящими патрубками для высоко- и низконапорной сред, отводящий диффузор, соединенные с соответствующими подводящими патрубками форкамеру высоконапорной среды и канал низконапорной среды, переходящий в камеру смешения, вставные активные сопла, вмонтированные в наклонные установочные отверстия, которые выполнены в стенке камеры смешения и сообщают последнюю с форкамерой, отличающийся тем, что активные сопла снабжены кольцевыми хвостовиками, сопряженными с установочными отверстиями и образующими выходные каналы с постоянным или увеличивающимся по потоку высоконапорной среды диаметром, при этом сопло имеет вид втулки с обращенным к камере смешения косо срезанным торцом, поверхность которого повторяет поверхность сечения хвостовика внутренней поверхностью камеры смешения либо аппроксимирует указанную поверхность сечения с точностью не хуже 0,1 газодинамического диаметра сопла на его выходе.

2. Эжектор по п.1, отличающийся тем, что торцевой срез сопла выполнен плоским.

3. Эжектор по п.1, отличающийся тем, что торцевой срез сопла выполнен в виде двух плоскостей, пересекающихся по линии, ориентированной поперек оси камеры смешения.

4. Эжектор по п.1, отличающийся тем, что торцевой срез сопла выполнен в виде двух плоскостей, пересекающихся по линии, ориентированной вдоль оси камеры смешения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к струйной технике, конкретно к устройству эжекторов для подачи пассивной, низконапорной среды за счет энергии потока активной, высоконапорной среды.

Известен эжектор (аналог), содержащий корпус с подводящими патрубками высоконапорной и низконапорной сред, отводящий диффузор, соединенные с соответствующими подводящими патрубками форкамеру высоконапорной среды и канал низконапорной среды, переходящий в камеру смешения, предусмотренные в стенке камеры смешения и сообщающие последнюю с форкамерой наклонные активные сопла, выходные отверстия которых расположены на внутренней поверхности камеры смешения [1]. В устройстве-аналоге активные сопла образованы отверстиями, выполненными в кольцевой детали, которая вварена в корпус эжектора, что не позволяет осуществить подстройку эжектора при его отработке (доводке), как и перенастройку эжектора при его эксплуатации в случае изменения входных рабочих условий (расход, давление и термодинамические параметры рабочих сред). Кроме того, конструкция описанного эжектора нетехнологична ввиду необходимости точного выполнения наклонных отверстий достаточно сложной конфигурации в кольцевой корпусной детали.

Известен также эжектор (аналог), содержащий корпус с подводящими патрубками высоконапорной и низконапорной сред, отводящий диффузор, соединенные с соответствующими подводящими патрубками форкамеру высоконапорной среды и канал низконапорной среды, переходящий в камеру смешения, активные сопла с вставными входными участками, вмонтированными в наклонные установочные отверстия, которые выполнены в стенке камеры смешения и сообщают последнюю с форкамерой, причем выходные отверстия сопл расположены на внутренней поверхности камеры смешения [2]. В устройстве-аналоге входные участки активных сопл представляют собой втулки, ввинченные в корпус эжектора, а выходные участки сопл образованы каналами, являющимися продолжением установочных отверстий под втулки. Такая конструкция эжектора позволяет подстраивать и перенастраивать его лишь в узких пределах, поскольку выходной участок сопла является геометрически неизменным. Кроме того, конструкция описанного эжектора нетехнологична ввиду необходимости точного выполнения наклонных отверстий достаточно сложной конфигурации в кольцевой корпусной детали.

Известен эжектор (прототип), содержащий корпус с подводящими патрубками высоконапорной и низконапорной сред, отводящий диффузор, соединенные с соответствующими подводящими патрубками форкамеру высоконапорной среды и канал низконапорной среды, переходящий в камеру смешения, вставные активные сопла, вмонтированные в наклонные установочные отверстия, которые выполнены в стенке камеры смешения и сообщают последнюю с форкамерой [3]. Описанная конструкция-прототип технологична и, как принято считать, позволяет осуществить подстройку и перенастройку эжектора в широких пределах ввиду возможности смены проточного тракта активного сопла на всем его протяжении - от входа до выхода. Проектирование эжекторов по образцу описанного прототипа общепринято в современной практике, и именно так в 1991 г. авторитетной организацией был рассчитан и спроектирован экспериментальный эжектор для нужд газовой промышленности России. Последующие испытания этого спроектированного по всем правилам эжектора выявили, однако, существенное отклонение (занижение) фактических рабочих параметров от расчетных. Анализ выявившегося несоответствия показал, что главной его причиной является значительное превышение действительной входной площади камеры смешения над суммарной площадью выходных каналов активной и пассивной сред в данном месте. Указанное превышение площади, вызванное резким изменением проходного сечения канала за вставным активным соплом (наличием уступа) и не учитываемое в существующей практике проектирования эжекторов, в конкретных условиях усугубляется возмущением потока, приводящим к большим потерям полного давления и нарушению нормальной работы эжектора. Как показал дальнейший анализ результатов вышеупомянутых экспериментов, при изменении входных рабочих условий и перенастройке эжектора картина потока в нем может меняться трудно предсказуемым образом. В силу вышеизложенного возникает техническая задача создания такого устройства эжектора, которое позволяло бы легко перенастраивать его в широких пределах при обеспечении стабильно высоких, предсказуемых рабочих характеристик.

Указанная техническая задача решается за счет того, что в эжекторе, содержащем корпус с подводящими патрубками высоконапорной и низконапорной сред, отводящий диффузор, соединенные с соответствующими подводящими патрубками форкамеру высоконапорной среды и канал низконапорной среды, переходящий в камеру смешения, вставные активные сопла, вмонтированные в наклонные установочные отверстия, которые выполнены в стенке камеры смешения и сообщают последнюю с форкамерой, согласно изобретению, активные сопла снабжены кольцевыми хвостовиками, сопряженными с установочными отверстиями и образующими выходные каналы с постоянным или увеличивающимся по потоку высоконапорной среды диаметром, при этом сопло имеет вид втулки с обращенным к камере смешения косо срезанным торцом, поверхность которого повторяет поверхность сечения хвостовика внутренней поверхностью камеры смешения либо аппроксимирует указанную поверхность сечения с точностью не хуже 0,1 газодинамического диаметра сопла на его выходе. Торцевой срез может выполняться плоским либо состоять из двух плоскостей, пересекающихся по линии, ориентированной поперек или вдоль оси камеры смешения.

При осуществлении изобретения ожидается технический результат, состоящий в достижении стабильно высоких расчетных параметров эжектора при его простой перенастройке в широком рабочем диапазоне.

На фиг. 1 изображен общий вид в разрезе предлагаемого эжектора; на фиг. 2 - увеличенное изображение части упомянутого эжектора; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2, без соблюдения пропорций; на фиг. 4 - аналогичное фиг.2 изображение части эжектора, выполненного в соответствии с прототипом изобретения.

Предлагаемый эжектор (фиг. 1) содержит корпус 1, скрепленный по торцам (посредством шпилек) с отводящим диффузором 2 и крышкой 3. Внутри корпуса, между диффузором и крышкой, смонтирована коническая вставка 4, являющаяся стенкой расширяющегося по направлению к диффузору канала 5. Его начало сообщено с приемной камерой 6, выполненной в упомянутой крышке 3 и соединенной с подводящим патрубком низконапорной среды 7, который прикреплен (приварен) к упомянутому корпусу 1. Последний образует вместе с вставкой 4 кольцевую форкамеру 8 для высоконапорной среды, поступающей в эжектор через предусмотренный на его корпусе приварной патрубок 9. Форкамера сообщается с каналом 5 через вмонтированные в его стенке (во вставке 4) дискретные активные сопла 10 и 10" (2 ряда по 6 сопл в каждом); участок упомянутого канала, начиная с первого ряда сопл, представляет собой камеру смешения.

Устройство активного сопла (они аналогичны по конструкции) с местом его крепления показаны в увеличенном масштабе на фиг. 2. Сопло 10 представляет собой втулку со сверхзвуковым каналом Лаваля для потока высоконапорной среды, выполненным внутри цилиндрической детали с косо срезанным (скошенным) выходным торцом 10а, который обращен к камере смешения. Внешней цилиндрической поверхностью сопло сопряжено с поверхностью наклонного (к оси камеры смешения) установочного отверстия, выполненного в стенке 4. Сопло фиксируется благодаря предусмотренному со стороны входа резьбовому начальному участку, свинченному с переходной втулкой 11, которая, в свою очередь, удерживается ввинченной в стенку 4 входной втулкой 12; между деталями 10 - 12 установлены уплотнительные прокладки 13 и 14.

Возвращаясь к устройству сопла, отметим наличие в нем сопряженного с установочным отверстием кольцевого хвостовика 10б с размером канала, равным расчетному газодинамическому выходному диаметру сопла D (от этого места канал может расширяться к выходу). Кольцевой хвостовик сопла заканчивается торцевым срезом 10а, который повторяет поверхность сечения хвостовика внутренней поверхностью камеры смешения (является геометрическим продолжением последней). В конкретных производственных условиях изготовление сопла с указанной формой торцевого среза может оказаться затруднительным либо экономически нецелесообразным, и в рамках изобретения указанная форма может быть аппроксимирована другой поверхностью. Наиболее простыми вариантами аппроксимирующей поверхности могут быть одна плоскость или две плоскости, пересекающиеся по линии, ориентированной поперек или вдоль оси камеры смешения. Для обсуждаемого конкретного эжектора, в котором активные сопла смонтированы так, что их оси пересекаются с осью камеры смешения, аппроксимирующий плоский срез может проходить через точки а, b перпендикулярно плоскости чертежа на фиг. 2; двухплоскостной срез может быть представлен на фиг. 2 штриховой ломаной a-c-b (сочетание двух плоскостей, перпендикулярных плоскости чертежа и пересекающихся по линии, которая ориентирована поперек оси камеры смешения); в другом варианте двухплоскостной срез можно представить на фиг. 3 прямыми d-e и f-q (сочетание двух плоскостей, перпендикулярных плоскости чертежа и пересекающихся по линии, которая ориентирована вдоль оси камеры смешения).

Согласно изобретению, поверхность торцевого среза сопла аппроксимирует вышеупомянутую поверхность сечения хвостовика 10b внутренней поверхностью камеры смешения с точностью не хуже 0,1 размера D. В этом случае при реализуемом на практике максимальном размере D 10 мм в газодинамическом тракте эжектора будут местные уступы (выступы, впадины) высотой до 1 мм. С одной стороны, такие уступы не должны вызвать больших потерь полного давления в рабочем тракте эжектора. С другой стороны, указанные уступы не должны существенно снизить действительные рабочие характеристики эжектора по сравнению с расчетными, поскольку размер 1 мм как раз характерен для толщины выходной кромки сопла в хорошо предсказуемом эжекторе классической схемы (центральное сопло установлено по оси камеры смешения). Приведенное описание дает полное представление о работе эжектора.

Для более полного изложения существа изобретения на фиг. 4 представлено для сравнения устройство эжектора, аналогичного предложенному, но выполненного в соответствии с решением-прототипом, а именно представлено активное сопло 15 эжектора-прототипа с местом его установки. Как видно из фиг. 4, в месте расположения выходной кромки сопла центральный канал эжектора-прототипа претерпевает местное расширение за счет свободного кольцевого пространства Б, окружающего сопло, и в указанном месте площадь камеры смешения превышает суммарную площадь каналов высоко- и низконапорной сред. Это обстоятельство, однако, не учитывается в общепринятой методике расчета эжекторов, что приводит на практике к несоответствию сконструированного и изготовленного эжектора расчетной схеме и в результате - к отклонению действительных рабочих характеристик эжектора от проектных. Это отклонение, как показал наш опыт, может достигать недопустимо больших величин (100% и более), особенно в случае высокоскоростного, сверхзвукового течения в активном сопле, когда вероятны сильные возмущения потока в указанном выше кольцевом пространстве А, не учитываемые при выполнении расчета эжектора по общепринятой методике.

Изобретение позволяет устранить неучтенное кольцевое пространство вокруг активного сопла и в итоге получить эжектор с ожидаемыми проектными характеристиками в широко регулируемом диапазоне работы. Поднастройка и перенастройка эжектора достигается простой заменой активных сопл на экземпляры с другой геометрией расходного канала (очевидно, что в описанной конкретной конструкции эта операция начинается с вывинчивания детали 12).

Отметим, что представленные на фиг. 1 - 3 варианты конкретной конструкции не исчерпывают всех возможных устройств в пределах формулы изобретения: например, форкамера высоконапорной рабочей среды может размещаться по центральной оси эжектора, будучи окружена периферийной камерой смешения; активные сопла могут размещаться по винтовой или другой сложной линии, и при необходимости для их центровки могут предусматриваться установочные шлицы; в целях точной сборки могут предусматриваться кольцевые проставки, регулирующие вылет торца активного сопла относительно внутренней поверхности центрального канала, который может также выполняться цилиндрическим или сочетать участки с различными углами раскрытия и т. д., и т. п.

Наиболее целесообразной областью применения изобретения являются крупногабаритные газовые эжекторы со сверхзвуковыми активными соплами - типа применяемых в нефтегазовой промышленности для утилизации попутного нефтяного газа, при использовании в качестве активной среды высоконапорного природного газа с подачей смеси в магистральный трубопровод.