Глава 11. Струйный инжектор

Струйным (или газовым) инжектором называется устрой­ство, в котором полное давление газового потока увеличи­вается под действием струи другого, имеющего большую энергию газа. Передача энергии от одного потока к другому происходит путем их турбулентного смешения. Инжек­тор прост по конструкции, может работать в широком диа­пазоне изменения параметров газов, позволяет легко регу­лировать рабочий процесс и переходить от одного режима работы к другому. Поэтому инжекторы имеют широкое рас­пространение в технике. Они используются в качестве усилителей тяги дымовых труб, в качестве смесителей на газо­смесительных станциях, в виде инжекционных горелок на­гревательных и плавильных печей и во многих других случаях.

Рис. 11.1. Схема простого инжектора: 1– сопло рабочего газа;2– смеситель инжектора; РУ – регулирующее устройство

Независимо от конкретного назначения инжектора в нем всегда имеются следующие конструктивные элементы (рис. 11.1): сопло рабочего (инжектирующего) газа, сопло инжек­тируемого (низконапорного) газа, смесительная камера и, обычно, диффузор. Поскольку площадь сечения сопла ин­жектируемого газа является управляемой величиной, то сопло часто называют регулирующим устройством РУ. На­значение элементов инжектора будет рассмотрено ниже.

1. Сущность инжекции

Рассмотрим процесс движения газов в инжекторе. Высоко­напорный (инжектирующий) газ, имеющий полное давле­ние р₁₀, вытекает из сопла со скоростью u₁ в смесительную камеру. Область течения этого газа естественным образом делится на два участка. На первом из них (начальном) (см. рис. 11.1) течение с известным приближением можно уподо­бить турбулентной струе, развивающейся в спутном пото­ке. Характерной особенностью такой струи, как это следу­ет из материалов предыдущей главы, является то, что на ее поверхности претерпевают тангенциальный разрыв ско­рость течения, температура, концентрация примеси, тогда как распределение статического давления оказывается не­прерывным.

Поверхность тангенциального разрыва неустойчива, по­этому на ней возникают вихри, беспорядочно движущиеся вдоль и поперек потока, что приводит к появлению здесь области пониженного (по отношению к окружающей сре­де) давления. Под действием разности давлений низкона­порный газ из пространства A устремляется через сопло (регулирующее устройство) в смесительную камеру. Отно­шение количества этого газа к расходу инжектирующего (первичного) газа называют коэффициентом или кратно­стью инжекции. Кратность инжекции подразделяют на нор­мальную объемную ₀ = Q₂₀/Q₁₀ (м³/м³) и массовую  m₂/m₁ (кг/кг). Связь между ними определяется по вы­ражению:

 = ₀(₀₂/₀₁), (11.1)

где ₀₁ и ₀₂  плотности соответственно инжектирующего и инжектируемого газов при нормальных условиях.

В начальном участке камеры вследствие поперечных пульсаций скорости, характерных для турбулентного дви­жения, частицы инжектируемого газа непрерывно захваты­ваются высоконапорной струёй и увлекаются ею в зону смешения. Благодаря этому и поддерживается разрежение на входе в смесительную камеру, которое обеспечивает вте­кание низконапорного газа в инжектор.

На некотором расстоянии от сопла в сечении II  II, на­зываемом граничным сечением, пограничный слой струи, образованный смесью инжектирующего и инжектируемого газов, достигает оси смесительной камеры и заполняет все поперечное сечение последней. Начиная с сечения II  II, в основном участке камеры смешения происходит выравни­вание характеристик потоков (скоростей, температур, кон­центраций) и при достаточной длине этого участка в пространство Б поступает достаточно однородная смесь газов, давление которой р₃ тем больше превышает давление ин­жектируемого газа р₂, чем меньше коэффициент инжекции .

Таким образом, назначение сопел  с минимальными потерями подвести газы к входу в смесительную камеру, а назначение самой камеры заключается в том, чтобы за счет поперечного переноса выровнять по сечению камеры все па­раметры потока.

Для лучшего уяснения сущности инжекции временно предположим, что р₃ = р_окр и смесительная камера с по­мощью регулируемого устройства отсечена от пространства А. В этом случае, как видно на рис. 11.1, имеет место обык­новенный переход рабочего газа из узкого канала (1) в широкий канал (2). При таком переходе количество дви­жения газа уменьшается, так как скорость его убывает от начального значения u₁ до значения u_1.3 в конце смесите­ля, а статическое давление возрастает от значения p_1.1 в сечении I  I (начало смесителя) до значения p₃ = p_окр в сечении III  III (конец смесителя). Если теперь при помо­щи регулирующего устройства несколько приоткрыть сме­сительную камеру, то в результате разности давлений (р_окр = = р₃ > p_1.1) газ из пространства А будет поступать в смеситель, откуда вместе с рабочим газом он будет выбра­сываться в пространство Б. При отсутствии подсоса, т.е. при плотно закрытом смесителе, статическое давление в сечении I  I равно p_1.1, при наличии инжекции давление в этом месте увеличится до значения p₁, но по-прежнему p₁ будет меньше p₃ = p_окр. Разность давлений (р_окр  р₁), называемая разрежением инжектора, расходуется на пре­одоление аэродинамических сопротивлений и увеличение энергии движения инжектируемого газа при его переходе из пространства А в сечение I  I смесителя.

Возрастание статического давления в сечении I  I сме­сителя от р_1.1 до р₁, происходящее в результате подсоса вто­ричного газа, объясняется двумя причинами. Во-первых, ра­бочий газ при отсутствии инжекции выбрасывается из сме­сителя со скоростью u_1.3, а при наличии инжекции выхлоп рабочего газа происходит со скоростью u_см3, большей ско­рости u_1.3. Поэтому часть свободной энергии p₁ – p_1.1, рас­ходуется на увеличение динамического давления самого рабочего газа. Во-вторых, инжектируемый газ при входе в смеситель имеет скорость u₂, а при выходе из смесителя его скорость равна u_см.3 > u₂. Таким образом, в смесителе происходит приращение количества движения инжектируе­мого газа, что приводит к дополнительному увеличению статического давления в сечении I  I. Только в частном слу­чае, когда u₂ = u_см3, переход инжектируемого газа от се­чения I  I к сечению III  III не может повлиять на дав­ление р₁.

При постепенном открытии смесителя от крайнего пра­вого положения РУ до крайнего левого положения РУ крат­кость инжекции увеличивается, а разрежение инжектора (р_окр  р₁) уменьшается. Рост кратности инжекции и умень­шение разрежения инжектора будет происходить до тех пор, пока регулирующее устройство не займет такого по­ложения, при котором дальнейшее его перемещение влево не сможет изменить аэродинамического сопротивления на пути вторичного газа из пространства А в смеситель. Та­ким образом, перемещая РУ из крайнего правого положе­ния до крайнего левого, можно изменять кратность инжек­ции от нуля до максимального значения. При этом разре­жение в смесителе будет изменяться в обратном порядке от максимума до минимума. Этих же результатов можно достичь путем изменения статического давления в про­странстве Б, куда происходит инжекция.

С точки зрения наиболее рационального использования энергии рабочего газа желательно, чтобы статическое дав­ление р₃ в конце смесителя было как можно меньше. Эта задача решается путем постановки диффузора между сме­сителем и пространством, где происходит инжекция. Уст­ройство инжектора с диффузором показано на рис. 11.2. В диффузоре происходит преобразование энергии движения в энергию сжатия, вследствие чего статическое давление р₃ в конце смесителя получается меньше давления р₄ в конце диффузора. Диффузор не имеет органической связи с явлением инжекции. Он является лишь средством понижения противодавления и увеличения кратности инжекции. Поэто­му инжекторы не всегда нуждаются в установке диффузо­ров.

Рис. 11.2. Схема инжектора с диффузором