Hадзвукове сопло із складеhим дифузором

Коэффициент относится к области струйной техники и может быть использовано в устройствах для создания сверхзвуковых стр уй и факелов, в частности, в фурмах для продувки расплава (сталеплавильные агрегаты), в горелках (плавильные, нагревательные и др. печи) и т.п. Известно коническое сопло Лаваля, состоящее из конфузора и диффузора с прямолинейными образующими. Недостатком известного сопла является малый диапазон давлений его эффективной работы. Уже небольшие отклонения (в сторону увеличения или уменьшения давления) от расчетного режима истечения снижают эффективность продувки через сопло. Выдержать же расчетный режим истечения в различных технологических агрегатах часто является невозможным. Это связано с тем, что по технологическим причинам приходится изменять давление газа перед соплом (при регулировании расхода газа, дальнобойности струи и т.п.). Нередко параметры газа в трубопроводах перед соплом просто нестабильны (по причинам неравномерного производства и потребления газа высокого давления). При уменьшении располагаемого перепада давления на сопле, уже практически начиная с расчетного режима истечения, на соплах наступает отрыв потока газа от стенок диффузора вблизи выходного сечения сопла. Отрыв потока приводит к росту потерь потенциальной энергии газа (на подсос и циркуляцию окружающей cреды внутрь и вблизи выходного сечения сопла и т.п.), в результате чего снижается эффективность продувки (не вся потенциальная энергия давления газа переходит в импульс стр уи, снижается расход газа, скорость истечения и т.п.). При работе сопла в агрессивных и высокотемпературных средах (металлургические агрегаты, нагревательные печи, химические реакторы и т.д.), это приводит также к тепловой и химической эрозии выходного участка сопла и быстрому выходу его из строя даже при использовании интенсивного внешнего охлаждения. Например, при средней стойкости водоохлаждаемых сопел фурм кислородных конвертеров 20+100 плавок в режиме работы с отрывом потока фурмы (сопла могут выходить из строя уже на первой плавке. Кроме того, при наличии отрыва потока в сопле фактические характеристики истекающих из него струй существенно отличаются от теоретических, рассчитанных по известным формулам, что затрудняет их проектирование и эксплуатацию. Целью изобретения является повышение эффективности продувки и стойкости сопла, а также расширение диапазона давлений эффективной работы последнего за счет предотвращения отрыва потока дутья от стенок сопла при переменных режимах его работы. Поставленная цель достигается тем, что в сверхзвуковом сопле с составным диффузором, состоящем из конфузора и диффузора с прямолинейными образующими, согласно изобретению, диффузор состоит из двух участков с различными углами раскрытия, причем угол раскрытия выходного участка определяется из выражения где I2 - длина выходного участка диффузора, мм; j - угол раскрытия входного участка диффузора, град; Мс - число Маха сопла; d2 - вы ходной диаметр сопла, мм; q(Mc) - газодинамическая функция приведенного расхода от числа Ма ха сопла; φ- коэффициент, равный 0,4 в диапазоне углов 6° ≤ j ≤ 30°. При создании настоящего изобретения исходили из того, что выполнение диффузора сопла с прямолинейными образующими, состоящим из двух участков, с углом раскрытия выходного участка j2 не более 5° и длиной этого участка І2, определенной по приведенной выше зависимости, позволяет предотвратить или существенно затянуть начало отрыва потока газа в сопле при снижении давления газа перед ним (относительно расчетного режима) и тем самым расширить диапазон давлений эффективной работы сопел, повысить его стойкость и эффективность продувки. При значении угла у2> 5° при значениях l2 меньших определенных по приведенной зависимости, выполнение диффузора сопла с двумя участками не оказывает влияние на развитие отрывных течений в сопле и последние появляются уже начиная практически с расчетного режима (по мере уменьшения давлений перед соплом). По сравнению с прототипом предлагаемое сопло эффективно работает не только в расчетном режиме, т.е. при n » 1 /n = Р2/Р ос = = Р о/Ро ρ , где n - степень нерасчетности, Р2 - статическое давление газа на срезе сопла, Рос - давление в окружающей среде, Ро - полное давление торможения газа перед соплом, Ро ρ расчетное (в зависимости от числа Маха сопла Мс) давление газа перед соплом, но и в существенно перерасширенных (до n » 0,4-0,6) режимах, т.е. допускает (без снижения эффективности продувки) уменьшение давления перед соплом (от расчетного) почти в два раза. Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображено предлагаемое сопло в разрезе. Сопло состоит из конфузора 1 и диффузора 2 с прямолинейными образующими 3. Диаметр критического сечения - dкp выбирают из условий пропускной способности сопла (расхода газа) по известным зависимостям. Диффузор 2 состоит из двух участков: входного 4 и выходного 5, имеющих различные углы раскрытия (ft и γ2 соот-ветственно). Число Маха сопла Мс выбирают по основному рабочему давлению газа перед соплом и виду газа по известным зависимостям или таблицам газодинамических функций. Угол раскрытия выходного участка диффузора g2 составляет не более 5°, а длину выходного участка диффузора сопла l2 определяют из выражения где g1 - угол раскрытия входного участка диффузора, град; Мс - число Маха сопла; d2 - вы ходной диаметр сопла, мм; q(Mc) - газодинамическая функция приведенного расхода от числа Ма ха сопла; φ - коэффициент, равный 0,4 в диапазоне углов 6° ≤ g ≤ 30°. В диапазоне углов раскрытия диффузора сопла Лаваля g1, применяемых на практике (6°¸30°), величину угла у2 предпочтительнее выбирать тем меньше (в диапазоне заявляемых значений), чем больше величина угла g1, а длину выходного участка диффузора I2 - тем больше, чем больше величина угла g1 . Устройство работает следующим образом. Газ (дутье), имеющий сверхкритический перепад давления, подают на вход сопла. Газ, расширяясь в последнем (сначала в конфузоре 1 до критической скорости, а затем в диффузоре 2 - до скорости сверхкритической), ускоряется и истекает из сопла в виде сверхзвуковой струи. При нестабильном давлении газа перед соплом (падении давления ниже расчетного вплоть до n » 0,4-0,6) перераспределение поперечного градиента статического давления в выходном участке конфузора сопла 5 с заявляемыми параметрами обеспечивает безотрывное течение газа в сопле и, как следствие, расширение диапазона эффективной работы последнего. Для определения оптимальных конструктивных параметров сопла, изучения потока газа в сопле и в истекающих из него струя х на газодинамическом стенде была проведена серия экспериментов с использованием различных методик визуализации отрыва в сопле (выполнение сопел из прозрачного оргстекла; смазывание стенок сопла специальной маслянистой жидкостью и Т.П.), дренирования сопел с измерением статического давления в различных сечениях последних, снятия профилей давлений в соплах и струя х при помощи трубки Пито-Прандтля. Эксперименты проводили на соплах с диаметрами критического сечения от 3 до 20 мм, углами раскрытия диффузора g1 от 6° до 30° и числами Маха Мс от 1,4 до 3,0. В качестве продувочного газа использовали компрессорный воздух с давлением до 2,0 МПа. Диапазоны используемых в экспериментах углов g 1 и чисел Ма ха сопел, а также давлений газа перекрывают соответствующие диапазоны этих значений, используемые на практике в те хнических устройствах. В таблице представлены результаты исследований влияния величины угла g 2 на развитие отрыва потока в сопле. Из таблицы следует, что для обеспечения безотрывного истечения газа из сопла в широком диапазоне изменений давлений газа перед соплом величина угла у2 должна быть не более 5°. На фиг.2 представлены результаты экспериментальных исследований влияния относительной длины выходного участка диффузора сопла (l2/d2) на наличие отрывных течений газового потока в сопле при у2= (0+5)° для сопел с числами Маха Мс = 1,5; 2,0 и 2,5 и углами g1 от 6° до 30°. Заштрихованные точки указывают на наличие отрывных течений в сопле, а незаштрихованные - на их отсутствие. Обработка экспериментальных данных позволила получить выражение для определения минимальной длины выходного участка диффузора (l2/d2), при которой наблюдается устойчивое безотрывное истечение газа из сопла в диапазоне нерасчетностей n от 1 до 0,4-0,6: где g1 - угол раскрытия диффузора на входном участке, град; g(Мс) - газодинамическая функция приведенного расхода числа Маха сопла; φ- коэффициент, равный 0,4 в диапазоне углов 6° ≤ g1 ≤ 30°. Таким образом для обеспечения безотрывного истечения газа из сопла длина выходного участка диффузора должна отвечать следующему условию: Следует отметить, что выполнение выходного участка диффузора сопла слишком большой длины (существенно большей, чем минимально допустимая ((I2/d2)min) может привести к нежелательным потерям потенциальной энергии давления газа и снижению эффективности продувки. Наиболее оптимальный диапазон значений величины I2 имеет место при (I2/d2)опт = (1,25¸2,0) (l2/d2) min, т.е. где j1 - коэффициент, равный 0,5-0,8 в диапазоне углов 6° ≤ g1 ≤ 30°. Предлагаемое сопло было опробовано в усло виях работы 350-400 τ конвертеров комбината "Азовсталь" (пятисопловая фурма, основной рабочий расход кислорода 1200 м 3/мин). При этом параметры базовых (штатны х) составляли: dкp = 42 мм, d2 = 62 мм, Мс = 2,29, g = 10°, а параметры новых сопел были равны: dKp = 42 мм; d2 = 62 мм, Мс = 2,29, g1 = 11°, g2 = 2°, l2 = 14 мм. Испытания проводили в условиях нестабильного давления кислорода перед фурмой (в период ремонта кислородного блока), когда давление постепенно снижалось по ходу продувки (степень нерасчетности истечения изменялась от 1,3 до 0,85 и ниже). В результате более широкого диапазона давлений эффективной работы новых сопел и предотвращения отрывных течений в последних при работе на давлениях ниже расчетных стойкость головок фурм с новыми соплами была на 60% выше (по сравнению с головками, имеющими конические штатные сопла Лaваля). При этом наблюдалось также сокращение длительности продувки, экономия кислорода, снижение окисленности расплава на выпуске и повышение выхода годного металла.