WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Построение этих кривых в единой системе координат в зависимости от числа Рейнольдса, подсчитанного по междисковому зазору, показывает хорошее совпадение кривых (рис. 3). Это говорит о том, что природа кризиса течения в дисковом вентиляторе связана с соотношением между вязкими силами и силами инерции. Следовательно, определяющим критерием наступления кризиса расхода является не низкое давление, а малые числа Рейнольдса (Reb = (R2b)/ < 700).

0,0,0,Q 1 0,0,0,0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Reb Рис. 3. Зависимость относительного расхода от числа Рейнольдса.

1 – 60 Торр, меняем обороты, 2 – 60 Гц, меняем давление.

В §2.4.1 приводятся основные соотношения, по которым проводилось обобщение результатов измерений. Показано, что кризис расхода наступает при ламинарном режиме течения газа. Для описания структуры течения между дисками вводится безразмерный параметр = (b/2)(/)0.5, где b – междисковый зазор, – угловая скорость вращения ротора, – кинематическая вязкость среды. Этот параметр показывает, какую часть междискового зазора занимают пограничный слои на дисках. Поскольку толщину пограничного слоя на одиночном вращающемся диске при ламинарном течении можно оценить величиной = (/)0.5, то параметр равен отношению половины междискового расстояния к толщине пограничного слоя: = b/2. Значение = 1 означает, что пограничные слои занимают все междисковое пространство.

Для того чтобы ДДВ создавал поток, необходимо пространство между погранслоями, в которое воздух мог бы свободно входить. Поэтому уменьшение параметра ниже некоторого критического значения приводит к уменьшению объема входящего в междисковое пространство и выходящего из него газа, что, в свою очередь, приводит к уменьшению объемного расхода газа. Экспериментальные данные подтверждают, что кризис расхода наступает при значении < 3.

В §2.4.2 сравниваются расходные характеристики при низком давлении центробежного дискового вентилятора (ЦДВ) и диаметрального дискового вентилятора (ДДВ). Делается вывод, что для ЦДВ при малых числах Рейнольдса кризис расхода не наступает и это связано с различным характером течения газа в междисковом пространстве. Действительно, для ДДВ кризис расхода связан с тем, что в замкнутой области вблизи вала ротора возникает разрежение, создающее силу, направленную к оси вращения. Эту силу уравновешивает центробежная сила в погранслоях, направленная наружу. Равновесие этих сил и «запирает» поток. У ЦДВ имеются отверстия вблизи оси вала, через которые поступает воздух. Центробежная сила, действующая на газ, постоянно нарастает при движении по радиусу и не уравновешивается вязкими силами, поэтому кризис расхода не возникает.

В §2.4.3. исследуется влияние на расход газа основных параметров диаметральных дисковых вентиляторов при малых числах Рейнольдса. В частности, делаются выводы, о том, что:

- влияние относительной высоты выходного каналаh=h/R2 одинаково при низких и высоких числах Рейнольдса. В частности, оптимальным с точки зрения расходных характеристик можно считать значения 0.5 h 0.7 ;

- влияние соотношения между радиусом R1 внутренней кромки диска и радиусом Rвнешней кромки диска зависит от ширины междискового зазора. Для широкого междискового зазора ( > 3) функция относительного расхода от параметра 1/ r = R2 / R1 возрастает во всем исследованном диапазоне значений. Для узкого канала расход резко падает после достижения некоторого критического значения;

- величины междиского зазора b и зазора между обечайкой и кромкой дисков d оказывают существенное влияние на расходные характеристики диаметральных дисковых вентиляторов. Если оба эти размера малы, то при низком давлении может наступить кризис расхода. А увеличение одного из этих параметров при неизменном другом параметре может значительно отодвинуть момент наступления кризиса расхода;

- для значений Reb > 700 величина относительного расхода практически постоянна и определяется размерами дискового вентилятора, для Reb < 700 относительный расход может резко убывать до нуля;

- распределение скорости потока по длине разрядной камеры такое же равномерное, как и при атмосферном давлении. Единственное существенное отличие – более сильное влияние боковых стенок канала в связи с увеличением кинематической вязкости газа при низком давлении.

В §2.5 показаны пути преодоления кризиса расхода и улучшения расходных характеристик ДДВ. Основными способами являются:

- увеличение числа оборотов ротора;

- расширение междискового зазора и зазора до обечайки;

- установка гребенки между гладкими Рис. 4. Ротор диаметрального дискового дисками;

вентилятора с радиальными лопатками.

0,- добавление радиальных лопаток на 0,кромках дисков (рис. 4).

0,Наиболее эффективным стало применение 0,ротора с лопатками (рис. 5) в сочетании с Q 0,оптимальными зазорами между дисками и 0,зазором до обечайки.

0,§2.6 посвящен обобщению экспе0,риментальных данных в виде эмпирических формул зависимости объемного рас0 10 20 30 40 50 60 70 хода от различных параметров, опредеP, Торр ляющих работу ДДВ, как для роторов с гладкими дисками, так и для дисков с лоРис. 5. Сравнение гладких дисков (1), патками. Вводятся два безразмерных пагладких дисков с гребенкой (2) и дисраметра, позволяющие обобщить экспеков с лопатками (3).

риментальные данные.

1. Параметр, характеризующий относительный объемный расход газа:

Qф Q =.

Qп Qф=V Sк – фактический расход газа, где V – фактическая, измеренная средняя скорость газа в выходном канале [м/с], Sк – площадь сечения выходного канала [м2], Qп = Sд = 2n N (R2 - R12) – объем газа, «увлекаемый» погранслоями всех вращающихся дисков в единицу времени, где S = 2n(R22 –R12) – площадь поверхноД сти всех дисков [м2], ~ (/)0.5 – величина, характеризующая толщину погранслоя на вращающемся диске [м], – кинематическая вязкость газа [м2/с], n – количество дисков, N – частота вращения ротора [с - 1].

2. Параметр, зависящий от числа Рейнольдса, междискового расстояния и расстояния между дисками и обечайкой:

Rb bd R = (b)0.1 (d )0.1 Reb, где b = ; d = ; Reb =.

R2 RОбработкой всех экспериментальных данных, относящихся к изменению расхода газа, методом наименьших квадратов был получен безразмерный комплекс, опи сывающий зависимость безразмерного расхода от параметра R :

Q = Q R.

( ) Для расчета объемного расхода газа для роторов с гладкими дисками при низких числах Рейнольдса получено соотношение Qгл Qгл = = 0.16R.

Qп Тогда объемный расход газа ДДВ можно определить по формуле Qгл = 0.16 RQп = 0.32n N (R2 - R12) R2 (b)0.6 (d )0.1. (1) Диапазон действия формулы:

16 R 36; 2.7 1/ r 4.8; 5 1/ b 50; 0.02 d 0.3; 0.5 h 0.73.

Для расчета объемного расхода для роторов с лопатками при низких числах Рейнольдса получено соотношение Qлоп Qлоп = = 0.34R - 2.75.

Qп Тогда Qлоп = n N (R2 - R12)(0.68 R2 (b )0.6 (d )0.1 -5.5 ). (2) Диапазон действия формулы:

16 R 63; 2 1/ r 4; 4 1/ b 31; 0.07 d 0.3; 0.5 h 0.73.

Отклонение экспериментально найденных значений от вычисленных по приведенным выше соотношениям составило не более 15% для гладких дисков и 18% для дисков с лопатками.

На рис. 6 изображены экспериментальные точки и прямые, построенные по полученным выше формулам. Светлыми кружками 3 обозначены точки, отклонившиеся от расчетной прямой 1 и соответствующие наступлению кризиса расхода. Критиче ским для роторов с гладкими дисками является значение R = 16, поскольку для R < 16 велика вероятность наступления кризиса расхода. Для дисков с лопатками кризис расхода не наступает, но эффективность лопаточных дисков для R < 16 ниже, чем гладких.

Q 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 R Рис. 6. Зависимость относительного расхода от параметра R для гладких дисков (1) и дисков с лопатками (2). Цифрой (3) обозначены точки, соответствующие экспериментам, в которых профиль скорости содержит нулевые и отрицательные значения.

§2.7 посвящен исследованию поля скоростей газового потока в области разрядной камеры СО2-лазера. В §2.7.1 приведены результаты измерений профилей скорости потока в различных сечениях газодинамического контура лазера при малых оборотах и атмосферном давлении. В §2.7.2. показаны профили скорости газа в разрядной камере лазера при низком давлении.

В §2.7.3 описывается одновременная работа двух роторов с лопатками в замкнутом контуре. ДДВ, расположенный непосредственно перед разрядной камерой, можно считать нагнетающим, а вентилятор, расположенный после разрядной камеры, – всасывающим.

Подсчитаем параметр R отдельно для нагнетающего и всасывающего роторов.

Для Rвсас разобьем диапазон на две части: Rвсас <16 и Rвсас >16. Кроме того, зону пара метров Rнагн удобно разбить на два диапазона значений: Rнагн < 32 и Rнагн > 32. Тогда можно записать формулы для вычисления расхода двух одновременно работающих роторов с лопатками в замкнутом контуре:

Qрасч = 0.6Qнагн, для Rвсас <16 и для всех Rнагн.

Qрасч = 0.68Qнагн + 0.05Qвсас, для Rвсас >16, Rнагн <32.

Qрасч = 0.81Qнагн + 0.15Qвсас, для Rвсас >16, Rнагн >32.

Здесь Qрасч – расчетный расход газа в выходном канале, Qнагн и Qвсас – расход газа для нагнетающего и всасывающего роторов соответственно, рассчитанные по формуле (2).

Из сопоставления формул можно сделать следующие выводы.

- Если число оборотов всасывающего ротора не очень велико или равно ( Rвсас <16 ), то эффективность такой системы составляет всего 60% по сравнению с ситуацией, когда в замкнутом контуре работает только один ротор, а второй отсутствует. Это связано с большим гидравлическим сопротивлением, которое создает неподвижный или медленновращающийся всасывающий ротор.

- Для более высоких чисел Rвсас эффективность выше, и когда число оборотов всасывающего ротора приближается к числу оборотов нагнетающего, то общая эффективность системы из двух роторов приближается к эффективности одиночного ротора.

В результате получены зависимости для определения искомых параметров с точностью 15-18%, достаточной для инженерного расчета аппаратов.

Третья глава. Проведенные исследования расходных характеристик диаметральных дисковых вентиляторов показали их практическую целесообразность и определенные преимущества при использовании в лазере перед другими типами аппаратов. Одной из характерных особенностей диаметральных дисковых вентиляторов является развитая поверхность дисков, что делает перспективным их использование в качестве теплообменников. В данной главе описывается опыт применения ДДВ в качестве вентилятора-теплообменника для электроразрядного СО2-лазера с поперечным разрядом и конвективным охлаждением газа. В отличие от ранее используемых центробежных вентиляторов ДДВ имеет ряд преимуществ:

- сопротивление контура при использовании центробежного вентилятора носит турбулентный характер, что приводит к увеличению газодинамического сопротивления контура и увеличению потерь мощности. ДДВ сохраняют ламинарный режим течения газа в контуре;

- ДДВ одновременно служит для нагнетания и охлаждения газа, а также для поворота потока в замкнутом контуре лазера. В лазерах с центробежными вентиляторами приходится использовать три разных устройства, увеличивающих габариты установки и гидравлическое сопротивление газодинамического контура.

Кроме этого, максимальная скорость вращения ротора ДДВ может составлять 6000 об/мин, что позволяет получать скорость потока в разрядной камере более 100 м/с.

В §3.1 приводится описание устройства лазера с использованием ДДВ. На рис. 7.

изображена схема охлаждения СО2-лазера с дисковыми вентиляторамитеплообменниками. В корпусе, являющемся вакуумным объемом, размещены дисковые вентиляторы-теплообменники 1, два катода и анод, между которыми зажигают электрический разряд 2, а также оптическая система резонатора (на рис. 7. не показана). Одна пара вентиляторов нагнетает охлажденный газ в канал 5, после чего газ нагревается в разряде 2 и по каналу 3 поступает во вторую пару вентиляторовтеплообменников, в которых охлаждается до некоторой температуры, соответствующей наиболее эффективному режиму их работы. А затем предварительно охлажденный газ снова поступает в первую пару вентиляторов, которые дополнительно охлаждают газ и нагнетают его в зону разряда. Использование двух каналов-газопроводов с вентиляторами-теплообменниками для охлаждения одной общей газоразрядной камеры обеспечивает эффективную работу лазера путем ступенчатого снижения темпе ратуры потока до уровня, обеспечивающего полное тушение возбужденных молекулярных уровней молекул СО2.

Рис. 7. Принципиальная схема замкнутого контура лазера.

1 – дисковые вентиляторы-теплообменники, 2 – объемный разряд, 3 – газопроводы горячего газа, 4 – газопроводы охлажденного газа, 5 – газопровод холодного газа.

В §3.2. приведены предварительные расчеты теплообмена для ДДВ применительно к СО2-лазеру. Показано, что дисковый вентилятор с гладкими дисками, оптимальный с точки зрения газодинамики, при охлаждении дисков через вал ротора не позволяет снять требуемое количество тепла. Это связано с тем, что охлаждающая жидкость прокачивается по относительно тонкому валу и расстояние от холодного вала до горячей кромки дисков слишком велико для эффективного теплообмена. Если уменьшать расстояние от вала до кромки диска для снижения термического сопротивления дисков и улучшения теплообмена, то это приведет к уменьшению расхода газа и не позволит получить необходимую скорость потока в разрядной камере. Выходом из этого противоречия стало предложение разместить охлаждающие трубочки ближе к кромке диска (рис. 8), оставив размеры R1 и R2 неизменными, соответствующим лучшим расходным характеристикам. Эксперименты показали, что введение Рис. 8. Охлаждение дисков трубочек почти не влияет на расходные характерижидкостью, прокачиваемой по стики дискового вентилятора, незначительно увелитрубкам.

чивая объемный расход, зато значительно улучшает условия теплообмена. В §3.3. приводятся результаты исследования тепловых характеристик на экспериментальной установке. Для определения эффективности теплообмена в контуре спроектированного лазера термопарами измерялась температура потока до и после разряда, а также температура охлаждающей воды на входе в установку и на выходе из нее. Показано, что тепло, подведенное к газу через электрический разряд, плюс тепло, возникающее в результате трения дисков ротора о рабочую газовую среду, с достаточной степенью точности соответствует количеству тепла уносимого водой.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»