автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Теоретические основы расчета и проектирования жидкогазовых струйных насосов

На правах рукописи

I 1 ¿Л V I

СПИРИДОНОВ Евгений Константинович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЖИДКОСТНОГАЗОВЫХ СТРУЙНЫХ НАСОСОВ

Специальность 05.04.13—«Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА - 1996

Работа выполнена в Челябинском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ПОПОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

доктор технических наук, профессор

ЗАРЯНКШ АРКАДИЙ ЕФИМОВИЧ

доктор технических наук, профессор

ШЕРСТЮК АЛЕКС АДДР НИКОЛАЕВИЧ

Ведущее предприятие: "Уральский теплотехнический

научно-исследовательский институт" - "УралВТК"

Защита состоится " " ^¿«Л^р 9 199 г. В -Лб час. на заседании диссертационного совета Д.169.02.01 в ШО "Гидромаш" по.адресу: 129625 г.Москва, 2-я Мытищинская ул.д.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО"Гидромаш"

Отвые на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью учреждения просим направлять ученому секретарю диссертационного соЕета по указанному адресу

Автореферат разослан " ^ / " ноября_ 1995 г_

Ученый секретарь

диссертационного совета к.т.н., с.н.с.

Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ

Актуальность проблемы. Жидкостногазовые струйные насосы (ЖГСН) и гидросистемы на их основе, благодаря сравнительно простому устройству, несложной технологии изготовления и отсутствию движущихся частей находят все более широкое применение в различных отраслях техники. Например, в энергетике и на транспорте, химической, нефтяной и газовой промышленности ЖГСН используют в качестве вакуумных насосов и газоотводящих аппаратов, насосов-смесителей жидких и газообразных сред, гидрокомпрессоров. Однако на многих установках их работа не является оптимальной, ибо сопровождается повышенными энергопотреблением и вибрацией оборудования, явлениями потери устойчивости.

Струйные насосы, выполняя важные технологические функции, работают в гидросистемах, как правило, непрерывно и длительное время. Поэтому даже незначительное повышение их эффективности приводит в итоге к существенной экономии активной жидкости и энергии. В связи с этим постоянно растут требования к эффективности и надежности ЖГСН при одновременном ограничении их габаритов и материалоемкости.

Решение актуальной технической проблемы модернизации существующих и создания новых высокопроизводительных и компактных установок с жидкостногазовыми эжекторами во многом сдерживается отсутствием доступных для широкого круга пользователей методов расчета и конструирования струйного апарата, основанных на его экстремальных (предельно достижимых) характеристиках. Это обусловлено сложностью рабочего процесса и недостаточно полным его пониманием. Известные же математические модели рабочего процесса в ЖГСН без существенных дополнений и уточнений не могут быть положены в основу поиска его потенциальных возможностей и разработки технических мероприятий для их воплощения.

Сложившееся положение доказывает, что научная проблема развития теории ЖГСН и совершенствования методов его расчета и проектирования существует и нуждается в приоритетном решении.

Цель и задачи работы. Общей целью работы является развитие теоретических основ оптимального синтеза, разработка более совершенных методов расчета и проектирования, создание новых ЖГСН и гидросистем, построенных на их основе.

Для достижения цеди поставлены следующие задачи.

1. Энергетическим анализом газожидкостных течений: в трубах выяснить особенности рабочего процесса в эжекторе и наметить пути его совершенствования.

2. Исследованием процесса распада жидких струй и смешения потоков жидкости и газа в цилиндрической трубе разработать рекомендации рационального выбора геометрических параметров сопла и смесительной камеры жидкостногазового струйного насоса.

3. Разработать уточненную математическую модель и на ее основе рассчитать характеристики струйного насоса, включая экстремальные, оценить степень влияния на них погрешностей в определении коэффициентов сопротивления ' элементов проточной части, выявить потенциальные возможности аппарата.

4. Сформулировать принципы построения жидаостногазовых эжекторов и гидросистем со струйными насосами этого типа, предложить конструктивные мероприятия для их воплощения.

5. На основе экстремальных характеристик и оригинальных конструктивных решений создать метода расчета и проектирования струйных насосов и. гидросистем. Разработать промышленные жидкостногазовые струйные насосы нового поколения.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы метода механики жидкости и газа, математического и экспериментального моделирования процессов, протекающих в струйных гидромашинах.

Научная новизна. Новыми в работе являются теоретические описания и эмпирические соотношения, методы расчета и проектирования, пути совершенствования и конструктивно-схемные решения струйных насосов и гидросистем.

На защиту выносятся следующие-научные результаты.

1. Выявлены характерные энергетические состояния изотермического газожидкостного потока: бурное, спокойное, критическое и предложен критерий энергетического состояния -параметр кинетичности, который в двух предельных случаях совместного движения жидкости и газа в русле - абсолютно расслоенном и гомогенном - связан простыми соотношениями с числами Фруда и Маха.

2. Показано, что на начальном участке камеры смешения НГСН формируется бурное газожидкостное течение со скольжением фаз, которое при противодавлениях за камерой, превышающих критическое

значение, переходит в спокойное состояние в прыжке перемешивания. Причем существование последнего обусловлено тем обстоятельством, что удельная энергия сечения газожидкостного потока при критическом давлении оказывается минимальной.

3. Получена зависимость длины распада жидких струй и смешения потоков жидкости и газа в цилиндрической трубе от геометрических и режимных параметров, чисел Вебера и Рейнольдса. Обнаружено, что диапазон возможных изменений критерия Рейнольдса включает три области, отличающиеся друг от друга характером изменения длины смешения, и выведены формулы для определения граничных значений критерия Рейнольдса.

4. Разработаны принципы оптимального синтеза ЖГСН и предложены конструктивные решения, позволяющие реализовать эти принципы при создании струйных гидромашин нового поколения.

5. Разработана замкнутая математическая модель рабочего процесса в ЖГСН и доказано, что погрешности в определении основных режимных параметров эжектора на ее основе невелики и не превышают по модули погрешностей в определении коэффициентов гидравлического сопротивления элементов проточной части.

6. Предложено наиболее общее выражение КЦЦ струйного насоса, которое учитывает обе функции, выполняемые эжектором: непрерывное перемешивание сред и передачу энергии от высоконапорного потока жидкости газу. Сформулированы рекомендации наиболее эффективного применения ЖГСН в гидросистемах.

7. В отличие от существующих разработанный метод расчета и проектирования ЖГСН основан на экстремальных характеристиках аппарата, формулах рационального выбора длины смесительной камеры и рекомендациях его оптимального синтеза.

Обоснованность и достоверность результатов работы. Обоснованность научных положений и выводов обеспечена использованием при составлении физической и математической моделей рабочего процесса фундаментальных законов сохранения и их общепринятого математического описания; применением достоверных опытных данных и соотношений; достаточной обоснованностью допущений и ограничений, принятых при математическом описании явлений; достаточным объемом экспериментальных исследований и натурных испытаний и -использованием при их проведении проверенных и стандартизированных приборов и методов измерений, обеспечивающих ■ точнос^ь-реглвментированную ГОСТами. Достоверность выеодов и рекомендаций

подтверждена удовлетворительным согласием теоретических характеристик эжекторов с результатами лабораторных и натурных испыта-испытаний, длительнш опытом промышленной эксплуатации разработанных водовоздушых струйных насосов.

Практическая ценность результатов работы и их реализация. Математические модели явлений и формулы определения длины смешения штоков жидкости и газа в трубах, экстремальные характеристики и метод расчета ШШ, принципы его оптимального синтеза и конструктивные мероприятия их реального воплощения могут быть использованы (и уже используются) при создании новых или модернизации существующих струйных насосов и установок. Это позволит уменьшить энергопотребление и расход активной среда при одаовремнном повышении надежности экекторных установок и уменьшении их габаритов.

Обобщенный подход к оценке вффективности работы ЖГСН в гидросистеме и достижимые по КПД характеристики аппарата, рекомендации синтеза гидросистем со струйными насосами и схемные решения их реализации являются основой для разработки новых, более аффективных систем с кидкостаогазовыми эжекторами.

Реализация научных и технических результатов диссертационной работы осуществлена при модернизации ажекторных установок на Кармановской, Ириклинской и Троицкой ГРЭС. Длительная эксплуатация струйных насосав нового поколения обнаружила их устойчивую и надежную работу, позволила снизить потребление активной среды и энергии и, как следствие, обеспечила существенный годовой экономический эффект.

Рад теоретических положений и конструктивно-схемных решений эжекторных систем вакуумирования энергетических установок с двухступенчатым сжатием газа находится на стадии разработки и внедрения.

Апробация работы и публикации. Материалы работы обсуждались на ежегодной научно-технической конференции ЧГТУ в 1982... 1996 г.; региональных научно-технических конференциях, посвященных совершенствовании и автоматизации производственных процессов средствами гидравлики и пневматики (Челябинск, 1980, 1985, 1991 и 1993); на межреспубликанской научной конференции "Актуальные проблемы повышения качества современного энергомашиностроения" (Москва, 1988); II республиканской научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы космонавтики (Киев,

1990); Российской научно-технической конференции "Совершенствование существующих тепловых схем и теплотехнологических процессов промышленных ГЭС и энерготехнологичаскик агрегатов" (Челябинск, 1993); на международной конференции "Гидромеханика, гидромашины, гидропривода и гидропневмоавтоматика" (Москва, 1994, 1996); заседании научно-методического совета по специальности 12.11 Государственного комитета РЕ по высшему образованию (Москва, 1996).

Результаты исследований экспонировались на мевдународной выставке "Гидравлика-93" (Москва, февраль, 1993) и юбилейной научно-технической выставке ЧГГУ (Челябинск, ноябрь, 1993).

По результатам выполненных исследований опубликовано 39 печатных работ, в том числе 4 авторских свидетельства СССР и 4 патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и списка литературы. Объем диссертации, исключая рисунки и список литературы, составляет 212 с. Количество рисунков - 71 на 64 с. Библиография составляет 127 наименований на 16 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Краткий обзор известных методов расчета хидкостногвзово-го струйного насоса.

В настоящее время слокилось два направления в расчете ЖГСН. Одно из них - эмпирическое. Авторы этого направления отказываются от выводов громоздких расчетных уравнений, а, выполняя экспериментальные исследования, предлагают эмпирические и полуэмпирические расчетные формулы. Причем свою приверженность к эмпирическому направлению некоторые авторы объясняют невозможностью аналитическими методами рассчитать с удовлетворительной точностью достижимый коэффициент эжекции (или производительность по газу) струйного аппарата, ибо незначительные изменения коэффициентов, учитывающих, по мнению авторов, гидравлическое сопротивление элементов проточной части (несколько процентов от номинального значения), вызывают изменение коэффициента эжекции в 5...10 и более раз.

Наиболее обширные экспериментальные исследования водо-воздушных струйных насосов выползали.Е.Я. Соколов z E.ll. Зингер,

И.И. Баженов, Л.Д. Берман, Г.И. Ефимочкин и Б.Е. Кореннов. В результате этик исследований изучено влияние геометрических и режимных факторов на показатели работы струйного насоса и предложено несколько методов его расчета. Достоинством последних является простота расчета, а недостатком - ограниченность применения диапазонами исследованных конструкций и режимов работы. Поэтому при общих исходных данных эмпирические соотношения дают расходящиеся результаты и не могут служить основой для поиска реально достижимых возможностей аппарата.

Отличительная черта Еторого направления - теоретический анализ рабочего процесса в ЖГСН с привлечением опытных данных для определения некоторых коэффициентов и проверки теоретических зависимостей. Большой вклад в развитие теории двухфазного эжектора и усовершенствование его конструкции Енесли работы J.H. Witte, D.H. Васильева и Е.П. Гладкова, R.G. Cunningham и R.J. Dopkln, А.Е. Боровых и В.И. Есина, а также работы авторского коллектива: В.Ф. Чернухина, В.Г. Цегельского, С.И. Глубоков-ского, A.A. Дорофеева. Работы перечисленных авторов позволили выяеить ряд важных особенностей рабочего процесса е ЖГСН, теоретически предсказать некоторые характеристики аппарата и наметить пути его дальнейшего усовершенствования. Вместе с тем, большинство исследований не завершается созданием апробированных в промышленности и доступных широкому кругу пользователей методов расчета струйного насоса, позволяющих для каждого случая определить наивыгоднейший режим работы эжектора и подобрать оптимальные размеры и форму проточной части. Исключение составляют исследования J.H. Witte, А.Е. Боровых и В.И. Есина. Однако их методики имеют ограниченное применение.

Отсутствие аналитического метода расчета ЖГСН, основанного на экстремальных (предельно достижимых) характеристиках аппарата, обусловлено сложностью рабочего процесса и трудностями е корректном математическом его описании, ибо базовая система уравнений, записанная для потоков жидкости и газа в проточной части эжектора и отражающая законы сохранения массы, импульса и энергии при смешении сред, для жидкостногазовых струйных машин не является замкнутой. Нужны дополнительное изучение физических процессов, происходящих в проточной части ЖГСН, специальные теоретические и экспериментальные исследования явлений распада жидких струй и смешения потоков в рабочей камере аппарата,

анализ его потенциальных возможностей. Вез этого разработать научно обоснованные расчетные соотношения и рекомендации, вскрыть резервы ЖГСН, оптимизировать струйные гидромашины и системы на их основе не представляется возможным. Решению перечисленных задач и посвящена диссертационная работа.

2. Энергетический анализ газожидкостных течений и особенности рабочего процесса в двухфазном струйном насосе.

Рабочий процесс ЖГСН во многом основан на явлениях, происходящих при совместном течении жидкости и газа в проточной части эжектора. Создание эффективных эжекторов требует знания сущности этих явлений и условий, при которых они протекают с минимальными потерями энергии. В связи с этим в диссертации выполнен энергетический анализ газожидкостных потоков в каналах и на его основе рассмотрены особенности рабочего процесса в ЖГСН и некоторые пути совершенствования аппарата'.

В рамках модели раздельного течения фаз выведены, и проанализированы уравнения изотермического плавноизменящегося движения газожидкостной смеси в горизонтальной трубе и получено выражение удельной анэргии Е газовдкостного потока в нормальном (живом) сечении русла. Последняя включает потенциальную Ед. и кинетическую Ек составляющие:

р р щ2 ' .. « « -П ^

Е = Еп + ^ = — +

Дп

п ^ р ^ ж р„ 2рг Аг

^ РАТ«

1 +

ф р

(1)

Графическая иллюстрация зависимости (1) представлена на рис. 1. Видно, что удельная энергия сечения Е газжидкостного потока зависит от площади А живого сечения русла, массовых расходов тг, тж и физических свойств рк сред, температуры Тж и давления р, коэффициента скольжения фаз Ф. С уменьшением последнего и увеличением расхода газа п^ удельная энергия сечения растет (см. рис. 1). Влияние жв давления р на Е не является однозначным. При стремлении давления р к начальной достаточно малой величине р0 потенциальная энергия -> р0/рж, кинетическая Ек -> со и полная энергия сечения Е -> Если же р -> оэ, то Е^ -> т^ /(2 р^ Аг), Ед. -> ю и полная удельная энергия Е -> от. Таким образом, для каждого набора параметров тг' тж' Р и ® существует критическое давление рк, при

р, кЛя

(ó)

I I-

---

------¥/«0.5

m.» o,o5 кг/с

/

p, кПа

75

P" 50

Я

IS p'

Tw« 265 К; А - 503 см2; щ^« зо5,6 кг/с

© / /

/___m t» 0,05 кг/с _ÎJ

/г / !

к/

m .= 0,15 кг/с i 1 --^IVl с

"¡r i

1 -J- j

100 150 200 250 £" 300 £' g

Д*/кг

Рис. 2. Распределение давления по длине проточной части ЖГСН

Рис. 1. Зависимость удельной энергии сечения от давления

котором удельная энергия сечения Е принимает минимальное значение.

В зависимости от соотношения действительного р и критического рк давлений в газожидкостном потоке, его энергетическое состояние мокет быть бурным, спокойным и критическим. При давлениях р < рк течение гззожидкостной смеси в трубе является бурным. Оно характеризуется уменьшением удельной энергии сечения Е при увеличении давления р (нижняя ветвь кривой Е = Е(р) на рис. 1) и, следовательно, неравенством: (ДЕ/Лр) < 0. При давлениях в потоке Р > рк течение смеси является спокойным. Для него характерно возрастание удельной энергии Е с увеличением давления р (см. верхнюю ветвь кривой Е = Е(р) на рис. 1) и неравенство: (сЗЕ/йр) > 0. Бри равенстве действительного р и критического рк давлений газожидкостный поток находится в критическом состоянии, при котором

сЕ

-= О . (2)

йр

Исследованием выражения выведен параметр кшетичности

.72

Пк = а

а Vе пк ж

р(а + Ф)

1

(1) на основе равенства (2)

(1 - П) - а ,

(3)

который наряду с критическим давлением рк является критерием, определяющим энергетическое состояние газожидкостных потоков в каналах. При критическом состоянии штока параметр кинетичности Пк = 1, в спокойном состоянии Пк < 1, а при бурном состоянии Пк > 1. В формуле (3) Рж и Уж - плотность и скорость »гадкой компоненты в потоке; П - отношение площади Аж, занятой жидкой компонентой (фазой) в нормальном сечении русла, к площади А русла в этом сечении; а - отношение объемных долей газа и жидкости в рассматриваемом сечении.

Дифференциальное уравнение изотермического течения газоквд-костной среды в горизонтальной трубе с трением имеет вид:

ЙР (11

Рх8

К"(1 - Пк)

РЖК2(1

Пк)

где

К = АС /Е

ж

1 + -

(5)

Здесь К - приведенная расходная характеристика (модуль расхода); 0Ж - объемный расход жидкости; g - ускорение свободного падения; И и 1 - гидравлический радиус и продольная координата русла; С - коэффициент Шези.

Анализом уравнения (4) вместе с формулами (1), (3) и (5) получены следующие результаты.

Во-первых, при газожидкостном изотермическом течении в горизонтальной трубе с трением давление по направлению течения у спокойного потока (Пк < 1) уменьшается и он ускоряется, а у бурного потока (Пк > 1) возрастает и он тормозятся, причем предельно возможным состоянием в обоих случаях при непрерывном изменении параметров является критический режим (Пк = 1), то есть достижение потоком критического давления рк.

Во-вторых, переход из бурного состояния газожидкостного потока в спокойное осуществляется в прыжке перемешивания с конечной величиной повышения давления. Само существование прыжка, то есть кризиса бурного плзЕНоизменяющегося течения в трубе, делающего невозможным плавный переход через критическое состояние под Елиянием трения, обусловлено тем обстоятельством, что удельная энергия сечения газожидкостного потока при критическом давлении рк оказывается минимальной.

Действительно, если допустить плавный переход из бурного состояния в спокойное и постепенный рост давления от величины р' < рк до Р" > рк (см. рис. 1),. то на участке повышения давления от р' до рк удельная энергия сечения уменьшается от Е* до Ек, а на уч-астке от рк до р" должна возрастать от Ек до Е", что противоречит началам термодинамики. Чтобы избежать противоречия, остается отказаться от предположения о возможности плавного перехода через критическое давление рк и признать единственное возможное: переход от бурного состояния к спокойному в области изменения давления от р' до р" происходит в виде прыжка перемешивания. На графике удельной энергии (рис. 1) прыжок перемешивания показан стрелкой 1-2, минующей энстре-экстремальную точку 1с. Такой скачок физически оправдан: при резком сжатии потока е прыжке затрачена энергия Епот = Е'- Е".

В-третьих, при абсолютно расслоенном течении жидкости и газа в канале с достаточно большой площадью нормального сечения А (то есть при движении жидкости в открытом русле) давление р в потоке характеризуется глубиной жидкости Ь, пьезометрическая и свободная поверхности штока жидкости совпадают, параметр кинетичности Пк становится равным числу Фруда Рг и уравнение (4) преобразуется в дифференциальное уравнение неравномерного шгавноизменяющегося движения жидкости в прямоугольных руслах с горизонтальным дном:

<4

- =--^- . (6)

(11 К2(1 - 3?г)

В-четвертых, в условиях, когда фазы газожидкостного потока движутся без скольжения (коэффициент Ф = 1) и двухфазное течение приближается к гомогенному, критерием состояния потока наряду с параметром кинетичности Пк выступает и число Маха М. Их взаимосвязь устанавливается соотношением:

Пк = (1 + а)« «г - а . С учетом последнего уравнение (4) сводится к виду:

ар рх 8 (1 + а)

- =--=-=- . (8)

61 (АС)2 й (1 - М2)

Под влиянием трения гомогенный дозвуковой газожидкостный поток (М < 1) в трубе разгоняется, а сверхзвуковой (М > 1) -тормозится. Если же условия движения сверхзвукового двухфазного потока таковы, что неизбежен переход через скорость звука (Р = Рк» м = 1)> то плавное торможение потока газожидкостной смеси на протяжении всей трубы невозможно: в некотором ее сечении произойдет скачок перемешивания, за которым установится ускоренное дозвуковое течение.

В диссертации на основе уравнения критического состояния (2) построены графики для определения критического давления рк и выполнено интегрирование дифференциального уравнения (4) изотермического двухфазного течения в горизонтальной трубе.

Сопоставлением результатов энергетического анализа газожидкостных потоков с данными экспериментальных исследований

ЖГСН (см. рис. 2) установлено следущее.

1. При достаточной длине смесительной камеры ЖГСН вся область двухфазного течения в ней состоит из трех участков: с постепенным повышением давления, резким нарастанием давления (участок камеры смешения, где давление в потоке переходит через критическое значение) и постепенным уменьшением давления. Такой характер изменения давления обусловлен тем, что на начальном участке камеры смешения формируется бурное газокидкостное течение (Пк > 1), которое при противодавлениях за камерой, превышающих критическое значение, переходит в спокойное состояние (Пк < 1) в прыжке перемешивания. После камеры смешения спокойный газожидкостный поток поступает в диффузор, где происходит его дальнейшее торможение под влиянием геометрического воздействия диффузора.

2. Интенсивность нарастания давления в прыжке, его протяженность зависят от относительной площади активной струи О03 на входе в камеру смешения, массового расхода экектируемого газа шг, параметра кинетичности Пк. Рост кинетичности бурного потока во входном участке смесительной камеры, увеличение площади активной струи и уменьшение расхода газа гаг вызывают рост градиента давления в прыжке и сокращают его длину.

3. Для минимизации потерь энергии в рабочей камере двухфазного струйного насоса и, следовательно, повышения его эффективности необходимо, во-перЕых, формировать на участке с бурным движением квазиоднородный поток газокидкостной смеси с минимальным скольжением фаз и, во-вторых, уменьшать протяженность камеры смешения за счет интенсификации процесса распада струи на участке с бурным движением и сокращения длины участка камеры со спокойным движением смеси.

Осуществление перечисленных мероприятий может быть достигнуто обеспечением режимов работы с высокими коэффициентами скольжения применением сопел специальной конструкции и рациональным ЕЫбором длины смесительной камеры аппарата.

3. Распад струи и смешение потоков жидкости и газа в цилиндрической трубе. Выбор рациональной длины смесительной камеры двухфазного струйного насоса.

При совместном течении жидкости и газа в трубе наиболее полное их перемешивание происходит в прыжке, за которым газовая

компонента окончательно диспергируется в жидкости в виде пузырьков малого диаметра и скольжение между жидкой и газовой компонентами потока становится незначительным. В сеязи с этим для обеспечения эффективной работы двухфазного струйного насоса необходимо, чтобы прыжок перемешивания завершился к выходному сечении смесительной камеры аппарата. Выполнение этого условия возможно при длине смесительной камеры Ь34 равной длине смешения потоков в ней Ь . Длина смешения Ьо состоит из участка разрушения струи жидкости и формирования бурного газожидкостного потока в камере и участка с прыжком перемешивания. В связи с этим и согласно выводам энергетического анализа газожидкостных потоков в трубах длина смешения 1с численно равна расстоянию между входным сечением канала и сечением, в котором достигается наибольшее давление.

Обзор и сопоставление существующих рекомендаций по выбору длины камеры смешения ЖГСН, а также анализ выражений, отражающих закономерности распада свободной струи жидкости в газе показывают, что на длину Ьо распада струй и смешения потоков жидкости и газа в цилиндрической трубе существенное влияние вместе с критериями Вебера 1е0 и Рейна ль дса Бе0 оказывают коэффициент скольжения фаз Ш, относительная площадь сопла П03, число N и форма сопловых отверстий.

В диссертации на основе данных собственник экспериментальных исследований длины смешения потоков вода и воздуха в цилиндрических трубах и материалах исследований других авторов выведена и проанализирована общая функциональная зависимость длины смешения Ь от упомянутых выше факторов для сопловых устройств, содержащих одно или несколько отверстий, каждое из которых выполнено в виде диафрагмы.с прямоугольными .кромками. При этом был выявлен ряд важных закономерностей.

1. Диапазон возможных значений критерия Ие0 также как и при дроблении свободной струи включает три области, отличающиеся друг от друга характером изменения длины смешения Ьс. Первая область - область малых чисел йе0> в ней длина смешения Ь, зависит, главным образом, от числа We0. Во второй области длина Ь зависит уже от двух критериев - Вебера и Рейнольдса, причем с увеличением последнего его. влияние на процесс распада струй и смешения потоков жидкости и газа усиливается. Третья область -область больших йе0 - может быть названа автомодельной. В ней

длина смешения Ь, от абсолютных значений чисел №е0 и Не0 не зависит, а определяется их соотношением и геометрическими параметрами оопла и камеры смешения.

2. Переход из первой области во вторую, то есть от первого режима бурного Газожидкостного течения ко второму наблюдается при первом граничном числе критерия Рейнольдса Ие1 & 70000. Второе граничное число йе31, при котором происходит смена второго режима движения бурного газожидкостного потока на третий, зависит от относительной площади сопла П03. С уменьшением последней йе11 возрастает. Весьма приближенно граничное число Не1Х между второй и третьей областями находится решением уравнения:

Ке11:- ( 2,88 + 10-19'Ке^'т Г1 = бС0-ехр(7,5 П03). (9)

3.Для струйного насоса с цилиндрической камерой смешения и соплом в виде отверстий с прямоугольными кромками относительная длина рабочей камеры при числах Рейнольдса Йе0 < Не

Тсб

Ьзд А - <W ffeo Ф + 2,85 Г

= П'/ —

D3. fi03K 2,88 + 10~19 R9q'7

(Ю)

при Re0> Re

о' ""ii

L34 / 1 " fi03

. = n -

D3 П03 N Lp

(Ф + 3,85 Фб)-600 exp(7,5 П03). (11)

Здесь n = nQ + 3(1 - nQ3)4ln N - коэффициент пропорциональности; Lp - критерий Лапласа; fiQ3 = A0/A3 - отношение плошадей нормального сечения струи жидкости сразу же за соплом AQ и поперечного сечения камеры смешения А3.

4. Конструкции жидаостногазовых струйных насосов. Состояние и перспективы.

Анализ конструкции промышленных ЖГСН различного назначения, а также обзор научно-технической и патентной литературы выяеил три поколения КГСН. Конструкция струйных насосов первого поколения практически не отличается от традиционной конструкции

эжекторов с однородными средами и в большинстве случаев не обеспечивает эффективную работу аппарата.

Проточная часть КРОН второго поколения в той или иной

степени отвечает потребностям естественного протекания рабочего. процесса и включает удлиненную камеру смешения и/или многострунное активное сопло. Эффективность лучших образцов струйного насоса второго поколения приближается к предельно достижимой.

Отличительной чертой ЖГСИ поколения является включение в их конструкции элементов и устройств, интенсифицирующих рабочий процесс и позволяющих упразлять им.

В ЖГСН первого и второго поколений, содержащих одноструйное сопло и цилиндрическую камеру смешения, для уменьшения осевых габаритоЕ применена многоканальная конструкция, состоящая из нескольких параллельно включенных проточных частей. Однако многоканальная конструкция, не изменяя относительной длины каждой проточной части, приводит к уменьшению ее диаметра и увеличению гидравлического сопротивления, усложняет аппарат и ухудшает его показатели надежности.

Более предпочтительной является одноканальная конструкция эжектора с мпсгоструйным активным соплом. Причем для обеспечения сооснЬсти соплового устройства и удлиненной камеры смешения целесообразно число поверхностей, оказывающих влияние на соосность соплоеых отверстий и смесительной камеры, сократить до двух: наружной цилиндрической поверхности соплового блока и внутренней цилиндрической поверхности камеры смешения. Именно такой ЖГСН и был разработан на кафедре гидравлики ЧГТУ, в нем с целью упрощения конструкции, повышения надежности и эффективности аппарата применены следующие конструктивные мероприятия. ,

Во-первых, сопловое устройство установлено непосредственно в камере смешения с центрированием его наружной цилиндрической поверхности по внутренней цилиндрической поверхности смесительной камеры.

Во-вторых, приемная камера расположена вокруг камеры смешения на ее начальном участке в виде кольцеобразной полости.

В-третьих, сообщение приемной и смесительной камер осуществлено посредством продольных прорезей или радиальных отверстий, расположенных равномерно по окружности на начальном участке камеры смешения.

ЖГСН конструкции ЧГТУ защищен авторским свидетельством, детально исследован в лабораторных и промышленных условиях. В настоящее время струйные насосы ЧГТУ успешно функционируют на ряде ГРЭС Уральского региона.

Дальнейшее совершенствование ЖГСН связано с решением трех основных задач, в том числе интенсификацией процесса дробления струй активной жидкости и, как следствие, получение квазиодао-родного двухфазного потока при меньшей длине камеры смешения; инициирование прыжка перемешивания сред и стабилизация его положения в смесительной камере; управление рабочим процессом в проточной части эжектора. Причем, эффективным способом интенсификации процесса распада жидких струй, истекающих из многоствольного соплового устройства, является их попарное соударение. Однако, наиболее интенсивный распад активных струй в Камере смешения аппарата следует ожидать при прерывистом истечении насыщенной газом жидкости. Этот способ может быть осуществлен с помощью соплового устройства, созданного на основе струйных триггеров или резонаторов Гельмгольца.

Комплексным решением проблемы совершенствования ЖГСН является организация потока управления, воздействующего на активные струи и жидкостногазоЕую смесь в камере смешения, и/или модернизация самой камеры смешения на основе деталей и устройств, отклоняющих струи жидкости от осевого движения и несколько сужающих проходные сечения каналов в области формирования прыжка перемешивания.

В диссертации приводятся оригинальные технические решения проблемы создания регулируемых струйных насосов с побудителями распада эктиеной струи и формирования зоны смешения.

5. Характеристики и расчет жидкостногазового струйного насоса.

Особенность рабочего процесса ЖГСН, схема которого приведена на рис. 3, состоит в том, что плотность эжектируемой газовой среда на несколько порядков меньше плотности активной жидкости, объемные же расходы пассивной и активной сред соизмеримы. Вследствие этого во входном раструбе (до сечения 1 = 3) статическое давление, а также скорость и площадь нормальных сечений струи жидкости изменяются незначительно. Вместе с тем, при плавном сужении потоков жидкости и газа в соплах, полном их перемешивании в смесительной камере и безотрывном течении пузырьковой смеси в диффузоре распределение скоростей активного и пассивного потоков в начальном сечении 1 = 3 смесительной камеры и жидкостногазовой смеси во входном 1 = 4- и выходном 1 = 5

Рис. 3. Схемы КГСН с однострунным и многострунным соплом

!00 тг,кг/ч

Рис.4. Зависимость давления всасывания от массового расхода воздуха для струйных насосов ЧГТУ и ЗВ-7-1000 по данным Кармановской ГРЭС

сечениях, дайузорз оказывается близким к равномерному.

С учетом изложенного была записана математическая модель рабочего процесса ЯСГСН, включающая уравнения баланса расходов и изотермического состояния кидкостногазовой смеси; Д.Бернулли для потока жидкости в сопловом канале и количества движения для контрольного отсека, ограниченного внутренней поверхностью. сме-. сительной камеры и ее входным (1 =3) и выходным (1 = 4)'сечениями, а также уравнение баланса удельных энергий жидкостногазо-вого потока в диффузоре. При этом относительное паросодержание в эжектируемой среде определялось с помощью закона Дальтона, а сопротивление трения в камере смешения характеризовалось осреднениям по длине камеры коэффициентом гидравлического тренкя X, связанным с пристенными касательными напряжениями х известной формулой: X = 8т/(ргДУ^4).Здесь УсД и рсй - средние по сечению 1 = 4 скорость и плотность потока смеси (рис. 3).

Для проверки расчетной модели использовались опытные характеристики, выражающие зависимость давления в приемной камере р2 от противодавления рс при неизменном соотношении - массовых расходов |1 = шг/тж и зазисимость степени повышения давления е52 = 0т КОЭ(йиЦиента эжекции а2 = О^/С^ при постоянном

параметре струи Г = рж где Уж0 - скорость истечения

жидкости из сопла, 0Г2 - объемная подача струйного насоса, связанная с массовой подачей шг соотношением: = гпг11гТг/р2, Вр - газовая постоянная эжектируемой среды.

Сопоставление результатов расчета с данными опытов свидетельствует о том, что опытные точки удовлетворительно подтверждают теоретические характеристики при выполнении двух дополнительных условий: прыжок перемешивания целиком размещается в смесительной камере и режим работы струйного насоса является допредельным. Следовательно, базовую систему уравнений, отражающую законы сохранения массы количества движения и энергии, необходимо дополнить выражениями (9)...(11), устанавливающими зависимость длины смешения потоков жидкости и газа в цилиндрической трубе от геометрических и режимных параметров эжектора, а также соотношениями, характеризующими предельные режимы работы струйного аппарата.

Исследованием течения жидкости и газа в смесительной камере струйного насоса, включая процесс смены структуры двухфазного потока в прыжке перемешивания, установлено, что объемная подача

Ог2 и, следовательно, объемный коэффициент эжекции с^ ЖГСН ограничены сверху деумя предельными состояниями двухфазного потока в рабочей камере: сближением скоростей движения фаз на участке с их раздельным течением (начальный участок рабочей . камеры до прыжка перемешивания) и достижением максимальной насыщенности газом двухфазного потока на участке с пузырьковым течением (концевой участок рабочей камеры за прыжком перемешивания). Первое предельное состояние характеризуется неравенством:

И2 П03

Ч <1 " поз>

< Ф

(12)

а второе - неравенством:

аг < = 7 Бдг

(13)

тического рк (р4 > рк)

К = Тг/Тж

Здесь 7 = 0,43 при давлениях за рабочей камерой р4 больших кри-

и 7 = 2,33 при рА < рк; еЛ2 = р/р2; Ф = 0,84...0,91 - предельная величина коэффициента скольжения; кп1 = - рн /р± - поправочный коэффициент на давление насыщенных паров жидкости в 1-ом сечении.

Выражения (10)...(13) вместе с базовой системой уравнений, записанной в безразмерном виде:

Г = 2 <р • (е12~ 1);

е42= 0,5-

'¡.г-н

Уе;

2

42х

4 с

П2 Г "оз

(14)

(15)

е52 +

1п Е52 +

щ

03

= £42+ ТГ 1П £42+ т

Г 2

1 +

03

5 4

1 +

X

V

"52

•45

)--1П -.

(16)

где е при

42 х

холостом

1 + Г0оз(1 - са03)

степень сжатия в рабочей камере режиме работы эжектора ( п^ = 0; с^ = 0 ); соотношение давлений на сопловом устройстве; с = 1 + 0,5 ЬЗАЛ)3; ср и С45 - коэффициенты скорости сопла и гидравлического сопротивления диффузора; 05Л = А5/Ад - отно-

"12

= Р, ' Рр

■Ь

сителыюе расширение диффузора, использовались для определения экстремальных характеристик ЖГСН. Последние отражают его потенциальные возможности и устанавливают взаимосвязь между реально достижимыми безразмерными параметрами аппарата: степенью повышения давления е52, объемным коэффициентом эжекции а2, относительным динамическим давлением струи Г, соотношением площадей сопла и камеры смешения П03. Причем характеристики £тах_ показывают максимально достижимую в эжекторе

степень сжатия е™^* при тех или иных коэффициентах эжекции аг и параметрах струи Г, а характеристики а®^ = Г(Г,е52 )-максимально достижимый коэффициент эжекции а™** при различных степенях повышения давления в52 и динамических давлениях струи Г. Семейства характеристик поз^Г' а' е5г' шказывают А113 каждого параметра струи Г, при какой оптимальной относительной площади сопла достигаются е^* и а™3*.

Численный анализ безразмерных характеристик ЖГСН, включая экстремальные, на основе коэффициента трансформации погрешности

• 502 • ^ 1 ваг

а2 , «34

где ба2/а2 - относительное приращение коэффициента эжекции аппарата, соответствующее относительному приращений коэффициента сопротивления бС3д/С3д смесительной камеры; С34 = ХЪ34/Б3, свидетельствует о том, что для всех режимов далеких от холостого, степень влияния погрешности в определении коэффициента сопротивления рабочей камеры аппарата невелика. Погрешность в определении основных режимных параметров, включая коэффициент эжекции а2, соизмерима с погрешностью вычисления коэффициента сопротивления. Это свидетельствует о возможности практического использования аналитических выражений характеристик при разработке или модернизации установок с ЖГСН

В диссертации излагается метод расчета и конструирования жидкостногазового эжектора, основанный на экстремальных характеристиках аппарата, формулах рационального выбора длины смеси-смесительной камеры и рекомендациях его оптимального синтеза. Разработанный метод позволяет создать струйный насос с минимальным энергопотреблением, высокими показателями надежности и может быть рекомендован к широкому практическому использованию.

6. Оптимальный синтез гидросистем с яидкостногазовыии струйными насосами.

КГСЯ в отличие от механических насосов и компрессоров является одновременно и смесителем сред и гидрокомпрессором. С наивысшей эффективностью струйный насос работает в системах, где используются обе его функции, с пользой расходуется не только энергия, приобретенная пассивным газовым потоком, но и остаточная энергия потока активной жидкости. Если же в системе эжектор работает только в качестве гидрокомпрессора или вакуум-насоса, то полезной является лишь работа изотермического сжатия газа N „ , остаточная энергия активной жидкости N _ бесполез-

Не С• Цил•

но рассеивается и эффективность струйного насоса снижается. Исходя из сказанного, в наиболее общем случае КПД ЖГСН определяется соотношением:

Р5

н + к я »А1^ — + * <УР5 - Рн>

и. с ОСТ.

т|= - = -г- . (18)

^ззтр. Чк (Р1 - Рн >

где рн - наружное давление в баке с рабочей жидкостью; к -коэффициент полезного использования остаточной энергии активного потока (О 5 к £ 1): при полном ее использовании К. = 1 и КПД аппарата высокий, а яри полном ее рассеивании к = 0 и КПД эжектора низкий.

Анализ выражения (18) показывает, что в гидросистемах, использующих ЖГСН только в качестве гидрокомпрессора или Еакуум-насоса, существенно повысить эффективность эжекторной установки можно, снабдив ее сепаратором (газоотделителем) и создав циркуляцию жидкости по замкнутому контуру. В этих условиях остаточная энергия активного штока после сепаратора поступает на еход источника высоконзпорной среды, наружное давление рн становится равным противодавлению р5 и КВД струйного нзсосз-гидрокомпрессорз повышается.

В диссертации численным анализом экстремальных напорных характеристик эжектора (см. рис. 5) получено семейство кривых, экстремальных по КПД. Они отражают предельно достижимую способность струйного насоса преобразовывать энергию высоконапорного штока жидкости в энергию потока кидкостногазовой смеси и устанавливают такую зависимость между достижимыми степенью сжатия,

коэффициентом эжекции, им соответствующей относительной площадью сопла и относительным динамическим давлением струи падкости, при которых струйный насос достигает максимального КЦЦ.

Исследованием экстремальных по КЦЦ характеристик доказано, что в гидросистемах с циркуляцией жидкости по замкнутому контуру наибольшей эффективностью отличается работа ЖГСН при небольших степенях повышения давления (е5£ < 6). С увеличением последней площадь сопла, соответствующая режиму максимального КПД, уменьшается, потери энергии в прыжке перемешивания растут и, как следствие этого, достижимый КПД падает. В связи с этим схема эжекторной установки с повышением давления в одном струйном насосе может быть высокоэкономичной лишь при умеренных сжатиях газа. При больших степенях повышения давления, например, при глубоком вакуумировании агрегатов эжекторную установку целесообразно компоновать из нескольких струйных насосов, включенных последовательно.

В диссертации исследована работа ЖГСН в эжекторных системах вакуумирования паротурбинных установок ,и разработаны рекомендации оптимального синтеза гидросистем вакуумирования, построенных на водоструйных и центробежных насосах (A.C. N 1418499 и A.C. N 15289S8)

7. Экспериментальные исследования и натурные испытания. Промышленные хидкостногазовые струйные насосы и их характеристики.

В задачу экспериментальных исследований и натурных испытаний входили: 1) получение недостающих опытных данных, необходимых для вывода формулы длины распада жидкой струи и смешения потоков жидкости и газа в рабочей камере эжектора с одноструйным соплом и выявление зависимости длины смешения от числа струй, формируемых сопловым устройством аппарата; 2) выбор оптимального соплового устройства для промышленных струйных насосов и определение их основных-эксплуатационных характеристик; 3) сопоставление характеристик заводских (штатных) эжекторов с характеристиками струйных насосов конструкции ЧГТУ.

Экспериментальное исследование длины распада струй и смешения потоков жидкости и газа в цилиндрической трубе производилось на двух водовоздушных струйных насосах, один из которых был установлен в гидравлической лаборатории ЧГТУ на

испытательном стенде, а другой: - в турбинном цехе Кармановской ГРЭС на базе первого энергоблока. Смесительная камера лабораторного эжектора была изготовлена из прозрачной цилиндрической трубы с внутренним диаметром Б3 = 14,15 мм, а станционного - из стальной трубы, диаметром Б3 = 95,5 мм. Камеры снабжены штуцерами для отбора статического давления, равномерно распределенными по длине Ьзд. Причем у лабораторного эжектора смесительная камера содержала 16 точек отбора давления, а у станционного - 18 точек. Сопловые устройства испытываемых струйных насосов представляли собой плоский диск, содержащий одно или несколько одинаковых отверстий с прямоугольными кромками. Для лабораторного эжектора было изготовлено три сопла с относительной площадью П03: 0,165; 0,225 и 0,290 и числом отверстий N = 1, а для станционного эжектора - пять сопел с П03: 0,094; 0,186; 0,281; 0,104 и 0,187 и числом отверстий И: 7 и 19.

В опытах регистрировалось продольное распределение давления в смесительных камерах струйных насосов при нескольких расходах эжектируемого воздуха шг, давлениях перед соплом р1 и в приемной камере р2. Тем самым получали опытную зависимость длины смешения Ь0 от коэффициента скольжения фаз Ф, критериев Вебера №е0 и Рейнольдса Не0. Чтобы установить влияние относительной площади сопла П03 и числа N формируемых им струй на длину Ьс опыты выполнялись с разными сопловыми устройствами. Всего было получено более 100 опытных распределений давления по длине смесительных камер исследуемых эжекторов. Некоторые из них представлены на рис. 2. На основе материалов экспериментального исследования с привлечением опытных данных других авторов выведена и проанализирована зависимость длины распада струй и смешения жидкости с газом в трубе от режимных и геометрических параметров ЖГСН (см. формулы (9)...(11)).

Промышленные ЖГСН разрабатывались, главным образом, для систем вакуумирования паротурбинных установок ТЭС Уральского региона. Причем наиболее обширные опытно-конструкторские работы проводились на Кармановской ГРЭС. Условия работы воздухоотсасы-вакщих струйных насосов на разных ТЭС отличаются друг от друга. Поэтому исходные данные на разработку новых эжекторов для большинства ТЭС не являются одинаковыми. Например, на Кармановской ГРЭС новые струйные насосы разрабатывались при следующих исходных данных: давление питания р. = 400 Кпа; проти-

водавление р5 = 105 КПа; мзссоеый расход эжектируемого Еоздуха п^ = 90 кг/ч; давление всасывания р2 при температуре вода Т = 285 К не должно превышать 3,5 Кпа.

В натурных испытаниях струйных насосов конструкции ЧГТУ исследовалось влияние конструкции соплового устройства на их эксплуатационные характеристики, выражающие зависимость давления всасывания р2 от массового расхода эжектируемого воздуха п^ при нескольких давлениях питания р1. Сопоставлением характеристик выбиралось сопло, обеспечивающее заданные параметры при минимальных расходах воды и энергии. Для водоструйных насосоЕ ЧГТУ, установленных на Кармановской ГРЭС, оптимальным сопловым устройством является диск с равномерным расположением 36 отверстий по трем концентрическим шестиугольникам и одним отверстием в центре.

На рис. 4 приведены характеристики р2 = 1(1^) эжектора ЧГТУ с оптимальным соплом и заводского струйного аппарата. Сравнительный анализ показывает, что при одинаковых давлениях питания р1 производительность по воздуху струйных насосоЕ ЧГТУ выше, чем штатных, ибо при одних и тех же давлениях всасывания первые обеспечивают отсос большего количества воздуха, чем вторые. Вместе с тем, разработанные ЧГТУ струйные насосы потребляют воды и энергии на (10...20 )& меньше.

В настоящее время все шесть энергоблоков КарманоЕской ГРЭС и один энергоблок Ириклинской ГРЭС оснащены струйными насосами

ЧГТУ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Энергетическое состояние газожидкостного потока в канале может быть бурным, спокойным и критическим. Критерием, определяющим энергетическое состояние, является параметр кинетичности Пк, прямопропорциональный квадрату скорости жидкой компоненты в потоке Уж и обратнопропорциональный давлению р:

Р V2 пк ж

Пк = - (1 - П) - а.

Р

Здесь П - отношение площади Аж, занятой жидкой компонентой (фазой) в нормальном сечении русла, к площади А русла в этом сечении; а - отношение объемных долей газа и жидкости е

рассматриваемом сечении. При критическом состоянии потока параметр кинетичности Пк = 1, в спокойном состоянии Пк < 1, а в бурном состоянии Пк > Т.

2. При газожидкостном изотермическом течении в горизонтальной трубе с трением давление вниз по течению у спокойного потока уменьшается и он ускоряется, а у бурного потока возрастает и он тормозится. Предельно возможным состоянием в обоих случаях при непрерывном изменении параметров является критический режим (Пк = 1), при котором давление в потоке достигает значения рк.

Переход из бурного состояния газожидкостного потока в спокойное осуществляется в прыжке перемешивания с конечной величиной повышения давления. Существование прыжка, то есть кризиса бурного плавноизменянщегося течения в трубе, делающего невозможным плавный переход через критическое состояние под влиянием трения, обусловлено тем обстоятельством, что удельная энергия сечения газожидкостного потока при критическом давлении рк оказывается минимальной.

•3. При достаточной длине смесительной камеры ЖГСН на ее начальном участке происходит распад жидких струй и формирование бурного газожидкостного течения (Пк > 1), которое при противодавлениях за камерой, превышающих критическое значение, переходит в спокойное состояние (Пк < 1) в прыжке перемешивания. Причем рост кинетичности бурного потока на входном участке смесительной камеры, увеличение площади активной струи и уменьшение массового расхода газа тг вызывают рост градиента давления в прыжке и сокращают его длину. После камеры смешения спокойный жидкостногазовый поток поступает в диффузор, где происходит его дальнейшее торможение.

4. На длину Ьс распада струй и смешения потоков жидкости и газа в цилиндрической трубе существенное влияние оказывают критерии Вебера У?е0 и Рейнольдса Ее0, относительная площадь сопла П03, число N и форма сопловых отверстий. Причем диапазон возможных значений критерия Не0 включает три области, отличающиеся друг от друга характером изменения длины смешения 1С. Первая область - область малых чисел йе0, в ней длина смешения Ьс зависит, главным образом, от числа И?е0. Во второй области длина Ь0 зависит уже от двух критериев - Вебера и Рейнольдса. Третья область - область больших Ие0 - может быть названа автомодельной. В ней длина смешения Ьс от абсолютных

значений чисел №е0 и йе0 не зависит, а определяется их соотношением и геометрическими параметрами сопла и камеры смешения.

5. Достижение минимальных потерь энергии в КГСН возможно при длине смесительной (рабочей) камеры I равной длине Ьс смешения потоков жидкости и газа в ней. Для струйного насоса с цилиндрической рабочей камерой и соплом в виде отверстий с прямоугольными кромками относительная длина камеры при числах Рейнольдса Не < Не

Ьзд /(1 - П03) № ® + 2,85 Фб

- = XI'У- • -

вз а03 N 2,88 + 10"19 Ее3,7

при Ие > Ее

и

*34 /<1 ' °03>

= П-/- • (Ф + 2,85 Фб)-600 ехр(7,5 П ),

Б3 П03 N 1р

ч 41

03

Здесь Ьр - критерий Лапласа; п = п0 + 3(1 - П03) 1п N -коэффициент пропорциональности; Ие^ - граничное число Рейнольдса мевду второй и третьей областями.

6. Гидравлическое сопротивление участка камеры смешения с бурным раздельным течением и со скольжением фаз состоит не только из пристенного трения, но и сопротивления, возникающего между фазами при смесеобразовании, и потерь, обусловленных резким искривлением линий тока, интенсивными циркуляционными и вихревыми движениями при подходе к прыжку перемешивания. Увеличение коэффициента скольжения Ф, использование многоструйных сопел специальной конструкции выравнивает профили скорости, приближает бурное течение к потоку квазиоднородной среды и снижает, тем самым, дополнительные потери энергии в камере смешения.

7. Оптимальный синтез ЖГСН для систем различного назначения и их устойчивость связаны решением трех основных задач, в том числе: интенсификация процесса дробления струй активной жидкости и, как следствие¿-получение квазиоднородного двухфазного потока на меньшей длине"камеры смешения; инициирование прыжка перемешивания сред и стабилизация его положения в смесительной'камере;

управление процессом в проточной части эжектора.

8. Комплексным решением проблемы оптимального синтеза и устойчивой работы в системе струйных насосов является организация потока управления, воздействующего на активные струи и жидкост-ногазовую смесь в камере -смешения, и/или модернизация самой камеры смешения на основе деталей и устройств, отклоняющих струи жидкости от осевого движения и несколько сужающих проходные сечения каналов в области формирования прыжка перемешивания.

9. Расчетная модель одномерного движения, основанная на уравнениях количества движения, энергии и сохранения массового расхода, дополненная зависимостью длины смешения потоков жидкости и газа в рабочей камере от геометрических и режимных параметров эжектора и соотношениями, характеризующими предельные режимы его работы, позволяет с достаточной степенью точности рассчитать характеристики и выявить потенциальные возможности аппаратов этого типа.

10. Потенциальные возможности ЖГСН отражаются его экстремальными характеристиками. Последние устанавливают в трехмерном пространстве взаимосвязь между реально достижимыми параметрами насоса: соотношением расходов газа и жидкости, степенью сжатия газа, соотношением давлений на сопловом устройстве. Чем ближе режимная точка струйного насоса к экстремальной характеристике, тем выше эффективность его работы в гидросистеме.

11. ЖГСН в отличие от механических насосов и компрессоров является одновременно и смесителем сред и гидрокомпрессором. С наивысшей эффективностью струйный насос работает в системах, где используются обе его функции, с пользой расходуется не только энергия, приобретенная пассивным потоком, но и остаточная энергия потока активной жидкости. Если же в системе эжектор работает только в качестве гидрокомпрессора или вакуум-насоса, то существенно повысить эффективность эжекторной установки можно, создав циркуляцию жидкости по замкнутому контуру.

12. Метод расчета и конструирования ЖГСН, основанный на экстремальных характеристиках аппарата, формулах рационального выбора длины смесительной камеры и рекомендациях его оптимального синтеза, позволяет разработать струйный насос с минимальным энергопотреблением и устойчивой работой в системе. Метод апробирован в промышленности, доступен широкому кругу пользователей и может быть рекомендован к практическому использованию.

Содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Темнов В.К., Спиридонов Е.К. К теории жидкосгногазового эжектора с прерывистой струей // Известия вузов. Энергетика.-1979.- N 8.- 0. 76-78.

2. Темнов В.К., Спиридонов Е.К., Ложков Е.'Ф., Карев Г.П. Вопросы практического использования эжекторов в гидро(пневмо)-системах //Гидравлика и пневмоавтоматика в управлении производственными процессами и в робототехнических системах: Тез. докл. региональной конф. - Челябинск: УДНТП, 1980.- С. 14-15.

3. Спиридонов Е.К. О рациональной длине смесительной камеры вакуумного водоеоздушного эжектора //Теплоэнергетика. - 1982. -N7. - С. 69-70.

4. Спиридонов Е.К., Темнов В.К. Исследование экстремальных характеристик водовоздушного эжектора // Динамика пневмогидра-влических систем: Тематич. сб. научн. тр. - Челябинск: ЧПИ, 1983.- С. 62-75.

5. Спиридонов Е.К. Формирование прерывистой струи // Динамика пневмогидраЕлических систем: Тематич. сб. научн. тр. -Челябинск: ЧПИ, 1983.- С. 42-52.

6. Спиридонов Е.К., Калачов В.В. К расчету динамических характеристик эжекционных устройств //Автоматизация производственных процессов средствами гидропневмоавтоматики: Тез. докл. региональной конф. - Челябинск: УДКГП, 1983. - С7 51-52.

7. Спиридонов Е.К., Темнов В.К. Рекомендации по выбору оптимального водоеоздушного эжектора конденсационных установок // Рекомендации по совершенствованию элементов тепловых схем ТЭЦ в помощь слушателям семинара "Совершенствование тепловых схем ТЭЦ энергосистем и промышленных предприятий с целью сокращения расхода топлива и повышения их надежности в эксплуатации." -Челябинск: УДНТП, ЧПИ, РЭУ "Челябэнерго", 1984.- С. 32-36.

8.. Темнов В.К., Спиридонов Е.К. Расчет и проектирование жидкостных эжекторов: Учебн. пособие. - Челяб.: ЧПИ, 1984.- 44 с.

9. Спиридонов Е.К., Темнов В.К., Накозина Н.В., Ковригина E.H. О расчете вакуумнвх эжекционных устройств //Автоматизация производственных процессов средствами гидропневмоавтоматики: Тез. докл. региональной конф.- Челябинск: УДНТП, 1985.-С.59-60.

10. Спиридонов Е.К. Экспериментальное исследование кадкой прерывистой струи // Известия вузов. Энергетика.- 1986.- М 2.-С. 114-117.

11. Спиридонов E.K., Шпитов A.B., Стрельникова Н.В., Ковригина E.H. Система вакуумирования энергетических установок //Актуальные проблемы повышения качества современного энергомашиностроения: Тез. докл. межреспубл. научн. конф.- М.: МГТУ, 1988. - С. 31-32.

12. Спиридонов Е.К. Исследование характеристик водовоз-душного эжектора // Известия вузов. Машиностроение. - 1989. -N 2.- С. 56-61.

13. Спиридонов Е.К., Темнов В.К., Шпитов А.Б. Анализ эффективности работы жидкостногазого эжектора в системах вакуумирования // Автоматизация энергосистем и энергоустановок промышленных предприятий: Тематич. сб. научн. трудов.- Челябинск: ЧПИ, 1989.-С. 135-140.

14. Спиридонов Е.К., Шпитов А.Б. 0 математической модели жидкостногазового эжектора // Фундаментальные и прикладные проблемы космонавтики: Тез. докл. II республ. конф.- Киев: КПИ,

1990. - С. 21.

•15. Спиридонов Е.К., Темнов В.К. Вопросы применения и совершенствования эжекторов в гидропнеЕмосистемах // Совершенствование и автоматизация производственных процессов гидравлическими и пневматическими устройствами: Тез. докл. научно-техн. конф. - Челябинск: УСДЭНТП, 1991. - С. 3-4.

16. Спиридонов Е.К., Шпитов А.Б. О расчете и конструировании жидкостногазового эжектора //Совершенствование и автоматизация производственных процессов гидравлическими и пневматическими устройствами: Тез. докл. научно-техн. конф.- Челябинск: УСДЭНТП,

1991. - С. 24-25.

17. Спиридонов Е.К., Шпитов А.Б. Повышение эффективности вакуумирования применением двухступенчатого сжатия газа // Совершенствование и автоматизация производственных процессов гидравлическими и пневматическими устройствами: Тез. докл. научно-техн. конф. - Челябинск: УСДЭНТП, 1991. - 0. 7-8.

18. Шпитов А.Б., Спиридонов Е.К. О предельных режимах работы жидкостногазового эжектора // Исследование силовых установок и шасси транспортных и тяговых машин: Тематич. сб. научн. тр. - Челябинск: ЧГТУ, 1991.- С. 129-134.

19. Спиридонов. Е.К., Темнов В.К. Баланс энергии в жидкост-ногазовом эжекторе //Гидравлические машины и средства гидроавтоматики: Межвуз. сб. научн.трудов.- Пермь: ПШ.1991. - С. 30-33.

20. Спиридонов E.K., Воронков A.B., Нохрин O.B. Двухфазные струйные насосы нового поколения // Совершенствование и автоматизация производств средствами гидравлики и пневматики: Тез. докл. научно-техн. конф. - Челябинск: УСДЭНТП, 1993.- С. 3-4.

21. Спиридонов Е.К., Нохрин О.В. К расчету водоотливного эжектора // Совершенствование и автоматизация производств средствами гидравлики и пневматики: Тез. докл. научно-техн. конф. - Челябинск: УСДЭНТП, 1993.- С. 6-7.

22. Спиридонов Е.К., Прохасько Л.С., Дореш E.H. Конструкции динамических насосов: Учебн. пособие.- Челяб.: ЧГТУ, 1994.- 20с.

23. Спиридонов Е.К. Совершенствование методов расчета и конструирования водоструйных насосов теплоэнергетических установок // Совершенствование существующих тепловых схем и теплотехнических процессов промышленных ГЭС и энерготехнологических агрегатов: Тезисы докл. научно-техн. конф.- Челябинск: ЧГТУ, 1994.- С. 23-24.

24. Спиридонов E.H. Расчет и конструирование жидкостнога-зового струйного насоса // Гидромеханика, гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтомагика: Тезисы докл. международной конф. "Гидравлика-94". - М.: МГТУ, 1994.- С.49.

25. Спиридонов Е.К. Метод расчета струйного насоса для гидросистем опорожнения емкостей // Гидромеханика, гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика: Тез. докл. международной конф. Тидравлика-94". - М.: МГТУ, 1994.- С. 48.

26. Спиридонов E.H. Распад свободной струи жидкости в газе // Автоматизация энергосистем и энергоустановок промышленных предприятий: Тематический сб. научных тр. - Челябинск: ЧГТУ, 1995.- С. 8-11.

27. Спиридонов Е.К. О коэффициенте полезного действия жидкостногазового струйного насоса // Автоматизация энергосистем и энергоустановок промышленных предприятий:, Тематич. сб. научн. трудов. - Челябинск: ЧГТУ, 1995.- С. 3-7.

28. Спиридонов Е.К. Распад струй и смешение потоков жидкости и газа в трубе //Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели: Тез. докл. X Всероссиск. межвузовско! научно-техн. конф. - Ы.: МГТУ, 1996. - С.35.

29. Спиридонов Е.К. Энергетический анализ газожидкостных течений в трубах .//Гидромеханика, гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтомаТйка: Гез. докл. международной конф. "Гидравли-

ка 96". - М.: МЭИ, 1996. - С. 10.

30. A.C. 1418499 СССР. МКИ F04F 5/04, F28B 9/10. Водоструйная эжекторная установка для отсоса воздуха из конденсатора паровой турбины / Е.К. Спиридонов, E.H. Ковригина, Н.В. Стрельникова (СССР). - N 4188464/25-06; Заявлено 03.02.87. Опубл. 23.08.88, Бюл. N 31.-2 е.: ил.

31. A.C. 1528968 СССР, МКИ F04F 5/04. Водоструйная эжекторная установка для отсоса воздуха из конденсатора паровой турбины / Е.К. Спиридонов, А.Б. Штатов, М.А. Чепкасов (СССР). -N 4393408/31-29; Заявлено 17.03.88; Опубл. 15.12.88. Бюл. N 46.2 е.: ил.

32. A.c. 1483106 СССР, МНИ F04F 5/02. Эжектор / E.H. Спиридонов, В.К. Темнов, А.П. Спиридонов, В.В. Шмаков М.А. Чепкасов (СССР). - N 4170435/25- 29; Заявлено 30.12.86; Опубл. 30.05.89, Бюл. N 20.- 2 е.: ил.

33. A.c. 1722527 СССР МНИ B01D 21/02. Сгуститель / Е.К. Спиридонов, Е.Ф. Ложков, М.М. Яковлевич, Ю.М. Мищенко (СССР). -N 4850211/26; Заявл. 12.07.90; Опубл. 30.03.92, Бюл. N 12.4 е.: ил.

34. Пат. 2042427 РФ, МЛН ВОЗВ 5/32, ВОЮ 45/12. Установка для разделения гидросмеси / Е.К. Спиридонов, Е.Ф. Ложков, (РФ). - N 5012931/26; Заявлено 02.07.91; Опубл. 27.08.95, Бюл. N 24.4 е.; ил.

35. Пат. 2049526 РФ, МПК B01D 45/06. Устройство для отделения механических примесей / Е.Ф. Ложков Е.К. Спиридонов, (РФ).- N 5005257/26; Заявлено 15.07.91; Опубл. 10.12.95, Бюл. КГ 34.- 3 с.: ил.

36. Пат. ... РФ, МПК F04F 5/02. Жидкостногазовый эжектор / Е.К. Спиридонов, A.B. Воронков (РФ). - N 94026814: Заявлено 18.07.94. Решение о выдаче патента от 29.08.95.

37. Пат. ... РФ, МПК T04F 5/02. Жидкостногазовый эжектор / Е.К. Спиридонов (PS). - N 94037902; Заявлено 22.09.94; Решение о выдаче патента от 21.09.95.

38. Разработка новых систем вакуумирования турбоустановок на Кармановской ГРЭС: Отчет о НИР (заключит.) /Челябинск, политехи. ин-т ЧПИ; Руководитель Е.К. Спиридонов.- N ГР 01880006638, Инв. N 02900042016.. - Челябинск: ЧПИ, 1990. - 74 е.: ил.

39. Совершенствование методов расчета и конструирования жидкостногазовых Струйных насосов, оптимальный синтез и