Механика жидкости и газа. 
Проектирование газового эжектора

Министерство образования Российской Федерации Самарский Государственный Аэрокосмический Университет имени академика С. П. Королева Кафедра «Теплотехника»

Курсовая работа по курсу

«МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА»

«ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГАЗОВОГО ЭЖЕКТОРА»

Вариант № 2

Выполнил: студент Гашков Н.Н.

Проверил: доцент Яворовский А.Д.

Москва 2011

Задание на курсовую работу по курсу «Механика жидкости и газа»

Рисунок 1-Схема эжектора Таблица 1-Исходные данные

Коэффициенты потери энергии:

_вх=0,99; _д=0,98; _с=0,97

1. Произвести расчет параметров (Т^*, Р^*, Р, с (л), а также G) потока газа в заданных сечениях (см. схему) эжектора на критическом (расчетном) и двух произвольных дозвуковых (нерасчетных) режимах работы эжектора, а так же на режиме его запирания.

2. По данным расчета эжектора на критическом режиме и других рекомендаций определить основные геометрические размеры проточной части. Вычертить в масштабе эскиз эжектора.

3. Построить графики: изменения статического давления Р и давления торможения Р^* вдоль потоков газа при критическом режиме, второй график Р и Р^* для двух дозвуковых режимов, изменение л вдоль длины эжектора при критическом режиме, изменение л вдоль длины эжектора для двух дозвуковых режимов в одних координатах.

4. Построить расчетную характеристику эжектора по исходным данным при условии б = const, П₀ = const, т. е. построить график изменения степени повышения давления эжектируемой струи, в зависимости от изменения коэффициента эжекции n, который равен

РЕФЕРАТ

Курсовая работа.

Пояснительная записка: 29 стр., 5 рис., 7 табл., 5 источников.

ГАЗОВЫЙ ЭЖЕКТОР, ЭЖЕКТИРУЮЩИЙ ГАЗ, СОПЛО, КАМЕРА СМЕШИВАНИЯ, ЭЖЕКТИРУЕМЫЙ ГАЗ, ПОДСОС В результате расчётов были получены значения коэффициента эжекции для разных режимов работы эжектора. При сравнении этих коэффициентов мы видим, что наибольший коэффициент приходится на критический режим. Анализируя формулу:

делаем вывод, что при максимальном коэффициенте подсос т. е. эжекция максимализируется. Также анализируя формулу для вычисления потерь энергии при смешивании потоков:

можно сделать вывод, что на критическом режиме потери энергии потоков будут минимальны. Поэтому предпочтительным режимом работы эжектора считается критический.

• Введение
• 1 Расчет эжектора на критическом режиме
• 1.1 Допущения при расчёте эжектора
• 1.2 Определение газодинамических параметров
• 1.3 Определение расхода газа и размеров сечений сопла и камеры
• 1.4 Определение статических давлений в характерных сечениях и построение графика изменения давления вдоль эжектора
• 2 Расчет эжектора на докритическом режиме
• 3 Расчет эжектора на режиме запирания
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложения
• эжектор газ жидкость

Условные обозначения:

p^* — давление торможения, Па;

Т^* — температура торможения, К;

p — статическое давление, Па;

k — показатель адиабаты;

R — газовая постоянная, Дж/кгК;

F — площадь сечения, м²;

G — расход газа, кг/с;

— коэффициент потери энергии;

; - коэффициенты восстановления давления торможения в диффузоре, во входном патрубке и в выходном сопле эжектора;

Индексы: ``кр'' - режим критический; ``зп'' - режим запирания.

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.

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 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, сопло низконапорного (эжектируемого) газа, смесительная камера и, обычно, диффузор.

Основная задача и основные трудности при расчете эжектора заключаются в определении параметров смеси газов на выходе из смесительной камеры по параметрам газов до смешения. Замечательным является тот факт, что для определения параметров потока на выходе из камеры рассмотрение самого процесса смешения не обязательно. Нет необходимости также предварительно вычислять потери, возникающие в процессе смешения, и анализировать механизм процесса передачи энергии.

Течение газа в любом участке смесительной камеры описывается тремя уравнениями сохранения: энергии, массы и количества движения. Если поток газа в выходном сечении камера считать одномерным, т. е. полагать процесс выравнивания параметров смеси по сечению полностью закончившимся, то указанных трех уравнений достаточно для определения трех параметров потока в выходном сечении по заданным начальным параметрам газов на входе в камеру. Три параметра, как известно полностью характеризуют состояние потока газа и позволяют найти любые другие его параметры. В частности, если это требуется, по величине полного давления смеси р* можно определить потери в процессе смешения потоков. Таким образом, при составлении основных уравнений мы не вводим никаких условия о необратимости процессов, однако после решения уравнений приходим к результату, который свидетельствует о том, что в рассматриваемом процессе есть потери полного давления, т. е рост энтропии. Такой подход к решению задачи приводит к правильному конечному результату независимо от того, какие процессы происходят между рассматриваемыми начальным и конечным сечениями камеры, насколько интенсивно идет процесс смешения, возникают ли скачки уплотнения, имеется ли отрыв потока, вихри, встречные токи и т. д. Принятое допущение об одномерности потока в конечном сечении является весьма существенным, так как очевидно, что никаких сведений о характере поля скоростей в конце смешения такой расчет дать не может.

1. Расчет эжектора на критическом режиме

1.1 Допущения при расчёте эжектора

Для дальнейших расчетов принимаем следующие допущения:

1. Эжектор звуковой, т. е. с сужающимся соплом, л₁=1.

2. Камера смешения цилиндрическая, диффузор (3−4) дозвуковой, л₃<1.

3. Потоки газа имеют одинаковый состав, неизменный в процессе движения (в действительности из внутреннего сопла (сечение1) вытекают продукты сгорания ВРД с к = 1,33, всасывается воздух из О.С. к = 1,4) принимаем к = 1,4.

4. Движение газа установившееся (стационарное движение потока), однородное вдоль оси эжектора. Такой подход решения задачи приводит к использованию условных осредненных величин параметров газа, что приводит к приближенным решениям, окончательная реальная картина определяется в результате испытаний.

5. До сечения 1 — 2' струи движутся без перемешивания. Теплообмен струй через стенки камеры смешивания с О. С. отсутствует, при смешении газов не происходит горение или какой либо иной реакции, в итоге ц ~ 0.

6. Геометрические размеры эжектора определяются по расчетам параметров газа на критическом режиме (это означает, что при работе эжектора на дозвуковых режима его геометрия не изменяется).

7. Расчет параметров в камере сгорания производится без учета потерь на трение, что приводит к упрощению записи уравнений.

1.2 Определение газодинамических параметров

За расчетную схему эжектора принимаем звуковой эжектор. Искомые параметры: _1, n, p^*₁.

В расчете эжектора по методике [I] используются следующие газодинамические функции:

(1);

(2);

из (2) выразим :

(3).

Расчёт эжектора на критическом режиме начинается с определения предельных значений параметров ₂ и n с использованием следующих формул:

(4);

(5);

(6);

где ₁ 1, q (₁) 1, z (₁) 2.

Из совместного решения уравнений (4) и (5) методом последовательных приближений (итераций) находится ₂, по формуле (1) q (₂) и по формуле (6) — параметр n.

Решение уравнений проводится в следующем порядке:

Принимаем начальное значение (₂)₀=1 и находим следующее значение ₂ по формуле:

(7);

Находим q (₂) и z (₂) по формулам (1) и (2), соответственно;

Находим q (_1')₃ и z (_1') по формулам (4) и (5), соответственно;

По найденному значению z (_1'), вычисляем _1' по формуле (3);

Находим q (_1')₇ по формуле (1);

Сравниваем q (_1')₇ с q (_1')₃.

Если q (_1')₇ > q (_1')₃, тогда возвращаемся к п. 1, принимаем следующее значение и повторяем цикл до тех пор пока q (_1')₆ < q (_1')₃.

Если q (_1')₇ < q (_1')₃, то итерацию прекращаем. За искомое значение принимаем ₂, найденное по формуле пропорции:

(8);

где (9).

Результаты расчета сведены в таблицу 2:

Таблица 2-Результаты расчёта параметров газового эжектора методом итераций

Для определения n по уравнению (6), необходимо предварительно найти :

.

По формуле (1) и (2) находим

;

.

По формуле (6) определяем n:

;

Находим газодинамические функции:

;

;

;

;

;

Для определения значений температур торможения в характерных сечениях эжектора воспользуемся следующими уравнениями:

;

;

Для определения значений давлений торможения в характерных сечениях эжектора воспользуемся следующими уравнениями:

;

;

;

;

Пренебрегая потерями на трение в сечениях 1` и 2 вычисляю соответствующие значения давлений торможения:

;

;

1.3 Определение расхода газа и размеров сечений сопла и камеры

Скорость потока на выходе из сопла (сечение 1):

По заданным, , ₁, F₁ расход G₁ определяется по формуле:

;

где

;

.

Расход G₂ определяется по формуле:

.

Критический диаметр сопла:

.

Диаметр камеры смешивания

.

Длина камеры смешивания Длина диффузора

.

Площадь сечения 3

.

Находим геометрические параметры сечений 0 и Н:

;

;

;

;

По полученным размерам строим чертёж эжектора (приложение 1).

1.4 Определение статических давлений в характерных сечениях и построение графика изменения давления вдоль эжектора

Расход газа через сечение 3

.

По уравнению неразрывности

для нахождения F₄ задаемся ГДФ

л₄ = 0,6

;

отсюда находим F₄

находим длину диффузора:

По уравнениям неразрывности находим ГДФ в сечениях 0 и Н:

В результате расчётов методом итераций получаем:

Находим ГДФ

;

;

;

;

;

;

;

;

.

По найденным ГДФ находим статические давления во всех сечениях:

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Зададимся значениями статического давления и давления торможения, при которых соответствующие графики для разных потоков сходятся. Для статического давления, для давления торможения .

Значения давлений на графике будут откладываться в зависимости от положения сечения. За начало координат примем сечения на входе в эжектор, т. е. 0 и Н. Тогда:

;

;

;

;

Таким образом, получаем следующие исходные данные для графика Таблица 3-Зависимость параметров потоков газа по длине эжектора

Таблица 4-Зависимость параметров потоков газа по длине эжектора

2. Расчет эжектора на докритическом режиме

Для расчета эжектора на докритических режимах используются те же уравнения что и при расчете критического режима. Определение неизвестного n, ГДФ и на докритических режимах производится в следующей последовательности:

а) выбираем произвольное ₂ из интервала (0, _2кр);

б) вычисляем ГДФ z (₂) и q (₂) по формулам

;

в) определяем параметр n

;

г) по найденным z (₂) и n определяем z (₃), ₃ и q (₃)

;

;

;

д) вычисляем и

;

.

Для первого докритического режима принимаю ₂=0,3.

ГДФ z (₂) и q (₂):

Параметр n

;

ГДФ z (₃), ₃ и q (₃)

;

;

и

;

.

для нахождения F₄ задаемся ГДФ

л₄ = 0,2

;

отсюда находим F₄

находим длину диффузора:

Находим ГДФ

;

;

.

По найденным ГДФ находим статические давления во всех сечениях:

;

;

.

Таким образом, получаем следующие исходные данные для графика Таблица 3-Зависимость параметров потоков газа по длине эжектора

Таблица 4-Зависимость параметров потоков газа по длине эжектора

Для второго докритического режима принимаю ₂=0,6.

ГДФ z (₂) и q (₂):

Параметр n

;

ГДФ z (₃), ₃ и q (₃)

;

;

и

;

.

для нахождения F₄ задаемся ГДФ

л₄ = 0,4

;

отсюда находим F₄

находим длину диффузора:

Находим ГДФ

;

;

По найденным ГДФ находим статические давления во всех сечениях:

;

;

.

Таким образом, получаем следующие исходные данные для графика Таблица 3-Зависимость параметров потоков газа по длине эжектора

Таблица 4-Зависимость параметров потоков газа по длине эжектора

3 Расчет эжектора на режиме запирания

На режиме запирания при достаточно высоком, вследствие увеличения скорости _1` и уменьшения площади сечения F₂' сверхзвуковой струи газа эта струя «запирается». При этом G₂, ₂, n равны нулю и на выходе из эжектора G₃=G₁, т. е. в эжекторе течет только эжектирующий газ G₁.

Характеристика для режима запирания определяется в следующей последовательности.

а) По заданному и найденному ранее определяют q (_{1`</sub>)<sub>зп</sub>, по которой методом последовательного приближения находится соответствующая <sub>1`зп}:

.

Исходя из зависимости

методом последовательных приближений находим _1`=2,319.

б) По найденной _1`зп из (2) находят, а по заданным к, и найденным,; найдем :

;

в) По найденному и заданным найдем :

Таблица 5-Зависимость отношений давлений потоков газа по длине эжектора

Заключение

По полученным данным делаем вывод о том, что критический режим является лучшим с точки зрения наиболее высокого коэффициента эжекции. Таким образом на критическом режиме эжектор наиболее эффективен.

По расчетам видно, что данный эжектор «запирается» при отношении полных начальных давлений примерно равным 41, при этом коэффициент эжекции равен 0.

Список использованных источников

1) Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М. Наука, 1976

2) Наталевич А. С. Расчет газового эжектора. КуАИ им. С. П. Королеваг. Куйбышев, 1985

3) Наталевич А. С. Расчет газового эжектора с использованием ЭЦВМ «Электроника ДЗ — 28». КуАИ им. С. П. Королева г. Куйбышев, 1989

4) Наталевич А. С. Экспериментальное исследование воздушного микроэжектора. «Вопросы микроэнергетики», выпуск XXII. г. Куйбышев, 1965.

5) Наталевич А. С. Расчет газового эжектора. СаАИ им. С. П. Королева г. Самара 1992