喷管中气体流动特性分析_郑玉

第22卷　第7期

2006年7月

甘肃科技

Gansu S cience and Technolo gy

Vol.22　N o.7J uly.　2006

喷管中气体流动特性分析

郑　玉1,张永恒2

(1兰州交通大学数理与软件工程学院,甘肃兰州730030;2.兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州730070)

摘　要:分析各种工况下气流流经渐缩喷管和缩放喷管各个截面压力和流量的变化规律,比较两种喷管的基本特性,确定工作条件对喷管中气体流动的影响。并介绍了实际气流曲线偏离理想气流曲线的因素。

关键词:喷管;压力;流量中图分类号:TQ 028

1　引言

喷管是利用气体的压力降低使气流加速的特殊管道。它广泛应用于汽轮机等动力设备中,也应用于通风、空调等热力设备中。例如在燃气轮机和汽轮机里都需要装设喷管,利用气体流经喷管获得高速气流推动叶轮叶片而作功。喷管是使流体增速的变截面流道,气流在管道中流动时的状态变化情况和管道截面积的变化情况有密切关系。由于喷管的长度较短,流速较高,气流从进入喷管到流出喷管的时间很短,因此可以认为喷管中气体流动是可逆的绝热流动过程。喷管一般分为渐缩喷管和缩放喷管。渐缩喷管如图1所示,缩放喷管如图2所示。渐缩喷管沿流动方向截面积是逐渐减小的,气流作亚音速流动。缩放喷管中气流在渐缩部分作亚音速流动,在渐放部分作超音速流动,在最小截面,即喉部是亚音速流动向超音速流动的转折点,这时流速等于当地音速。本文通过分析空气流经渐缩喷管和缩放喷管各个截面压力变化和流量变化的规律,气流在喷管内完全膨胀,膨胀过度和膨胀不足等现象,分析研究两种喷管的特性以及工作条件的改变对喷管中气体流动的影响。

2　实验方法

实验中必须测量四个变量,测压孔在喷管内不同截面位置X ,气流在该截面上的压力P ,背压P b ,(喷管出口外介质的压力),流量m 。这些量分别用位移指针位置,可移动真空表,背压真空表以及U 型管压差计来显示。实验是在一喷管实验台上进

行,采用真空泵为动力,大气为气源。压力测量采用精密真空表。流量测量使用低雷诺数锥形孔板流量计,采用角接环室取压。喷管用有机玻璃制成,喷管各截面上的压力是由插入喷管内的测压探针连至可移动真空表测得,测压探针可以沿喷管轴线移动,移动的距离通过手轮一螺杆机构实现,测压探针上的测压孔在喷管的位置和刻度盘上位置相对应,可移动真空表指示的值就是喷管各截面的压力值。渐缩喷管着重考虑比较准确清晰地读取临界压力P C ,这就要求出口的气流为均匀的一维流,为此流道采用了维托辛斯基型线。缩放喷管着重考虑对扩大段气流特性的分析,为此扩大段相对长度设计的长些。实验对渐缩喷管和缩放喷管分别进行。做渐缩喷管压力曲线时,首先要定出临界压力P C ,是从渐缩喷管的流量曲线中定,流量达到最大流量那一点的压力就是临界压力P C ,压力曲线分为三个工况:亚临界工况P b >P C ,临界工况P b =P C 和超临界工况P b

时,流量保持不变,不在增大,说明流量达到最大值,再降低背压,流量始终保持不变。做缩放喷管时,气体流经缩放喷管时完全膨胀的程度决定于喷管出口截面积和喷管中最小截面积的比值。做缩放喷管压力曲线时要先定出口压力P 2,方法是将可移动真空表移到出口处,调节背压表,观察背压真空表和可移动真空表,当两表在某一时刻不相等时的压力就是出口压力P 2。缩放喷管压力曲线也分为三个工况:亚设计工况P b >P 2,设计工况P b =P 2和超设计工况P b

式:

m

=1.373×10-4εβγ△p ε=1-2.155×10-2ΔP /Pa β=0.621

p α

t α+273.2

式中:m

为质量流量,kg /s ;ε为流速膨胀系数;β为气态修正系数;γ为几何修正系数,取1.006;ΔP

为U 形管压力计读数,m mH 2O ;Pa 为大气压力,

m mH g ;t a 为大气温度,℃。

3　实验结果与讨论

3.1工作条件对气流流动的影响

渐缩喷管压力曲线如图3所示,在工作条件是

亚临界工况和临界工况下,气流在管内得到完全膨胀,喷管出口压力P 2等于背压P b ,在工作条件是超临界工况下,气流在管内膨胀不足,喷管出口压力P2大于背压Pb ,也就是说喷管出口压力要求那么大,而出口以外的压力达不到,气流被抽吸,只能在喷管口外做自由膨胀,这种自由膨胀已不遵循定熵流动规律,这部分压降因没有相应的流道引导,是工作范围所不允许的。因此渐缩喷管的压力曲线表明,渐缩喷管的出口压力不能降低到临界压力以下,只能大于或等于临界压力。缩放喷管压力曲线如图4所示,在工作条件是亚设计工况和设计工况下,气流在管内膨胀过度和完全膨胀,在超设计工况下,气

流在管内膨胀不足,只能在喷管外膨胀,变成扰动损

失。由于季节变化,气温变化以及大气压的变化,实际的工况点也在变化,经过反复实验,渐缩喷管的临界压力一般在410～460mmH g 范围内变化,缩放喷管出口压力在510～560mmH g 范围内变化,缩放喷管达到最大流量时喉部压力在620mm Hg 左右范围内变化。由于渐缩喷管的出口压力可以降到临界压力,做压力曲线时,是用背压和临界压力比较,而缩放喷管的临界压力在喉部,如将喉部压力和背压比较,就看不到从喉部到扩大段的压力,因此缩放喷管是用出口压力和背压比较,这样才能看到气流从进口段到出口段各截面的压力。从渐缩喷管的流量曲线中可以看出,如图5所示,渐缩喷管在临界压力时流量达到最大值。缩放喷管流量曲线如图6所示,缩放喷管在喉部压力时流量达就到最大值。并且两种喷管的最大流量基本上是相等的。(下转第23页)

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第7期 郑　玉等:喷管中气体流动特性分析