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制氮过程中用到的喷咀
 
 
一、喷咀结构
喷咀的主要作用是把气流的压力能转变为速度能, 它又称导流器,是一定数量的形状相
同的叶片,以等间隔分布在圆环上,与上、下盖板形成径向流动的通道,故该导流器又称叶
栅, 结构如图6所示。图中所示符号为喷咀
的主要结构参数,k为喷咀叶片高度、6为
喷咀叶片弦长,b为喷咀喉部宽度、6 为喷
咀叶片出口边厚度, 为栅距,£=“,6为
相对栅距,‰ 为叶片进口安装角,口 为叶
片出口安装角,吼为气流出口角、 为导
流器外径,羁 为导流器内径,此外还有叶
片数z 。
由于需将气流以一定的方向流出喷咀,
使得喷咀叶片形成的流道分为三个区域;进
口段,图6中I区域,主体段, 图中Ⅱ区域,
出口段叉称斜切口|图中Ⅲ区域。主体段是
喷咀工作的主要区域。形成流道的叶片的形
状有简单的直线圆弧型及气动型,如图7 a,
b所示。 圈6 喷咀结构
叶片和盘盖可以是一体的,也可以是组合式的,如图7所示, 组合式的叶片可以转葫,
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·42· 深冷技术 1 9 9 2年第5期
也便于更换叶片。由于流道中速度变化很大,为了减少损失及抗冲蚀,喷咀用耐磨的低温材
料制造,并且表面粗糙度要求也高。常用材料为不锈钢,或表面镀铬的黄铜。
图7 叶片形状
《a)直线圆弧型《岛状叶型)
=,气体在喷咀中的流动爱损失
气流在喷咀中膨胀流动时, 假设无流萄损失, 及流体绝热良好与外界无任何能量交换,
则应用能量方程式(0—8)可得喷咀后气流的理想速度C
iIs—i 0+C17/2一Co=/2=0
cls= 2( 一 )+CD。/ (1-12)
式中 。—— 喷咀进口处焓值,J/kg
f s——喷咀出口处理想焓值,J/kg
C。——喷咀进口处气流速度,m/s
进口速度Co与出口理想速度C s相比较小, 可忽略不计,则喷咀出口理想速度可表示为
c s= = (1—13)
~(i-13)表明, 在理想情况下,气体通过喷咀膨胀后所降低的能量全部转变为气体的动能。
由于f=CpT,设CP。=CP,s:(g/k—I)ZR,则喷咀理想出口速度又可表示为
c =√
以过程方程T”/To=(P /Po)K-| 代入上式得
Cis= 可 可
式中五——膨胀工质绝热指数
(1-14)
只, ——膨胀工质在喷咀进口处压力及温度,MPa(N/mD,K
Pj——膨胀工质在喷咀出口处压力,MPa(N/m )
显—— 膨胀工质的气体常数,N·m/kg·K
z—— 膨胀工质在喷咀状态参数时的压缩性系数
通常, 在低温透平膨胀机中出喷咀的气流速度己接近, 甚至大于当地音速, 高速气体在
喷咀中流动时引起的损失概括为以下两部分
(1)型面损失
由于叶型表面的粗糙度等原因而引起的表面摩擦损失、在流道的进口处实际气流方向与
叶片安放角不一致而gf起的冲击分离损失、及在叶片流出边厚度处所造成的尾迹损失等称为
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1 9 9 2年第5期 深冷技术 ·43·
型面损失, 见图8。
(2)端面损失
上.下盖板的粗糙度等原因引起的摩擦损失、及=次流动损失称为端面损失 二次流动
是指与主流方向不一致的流动,其形成及分布较为复杂。气体流入时,由于上、下端面的摩
擦力,使速度分布不均匀,见图9a}由于弯曲通道内离心力的作用,使气流背弧侧压力低于
内弧侧压力,见图9b。这种复杂的速度分布及压力分布就在上、下盖扳上诱导出对称的两个
涡,这两个涡流所形成的损失即为二次流动损失,当叶高 愈小时,其影响愈大。
囝8 型面损失 图9 =次流动损失
通常导流器中尾迹损失约占20 , 叶型损失约占30~40N,二次流动损失约占40~50 。
这些损失转变为热量,而使喷咀出口实际焓值f s增大,喷咀实际出口速度C-也比理论速度
C s降低。喷咀中的流动损失较难用分析计算法确定,通常可用—个综合性的系数串来代表,即
C = s=.6v/ : (卜15)
由称为速度系数,显然 值与叶片的形状,尾缘
的厚度,叶片的高度及表面粗糙度有密切的关
系, 与损失系数h 的关系为 = i= 。当
前, 向心透平膨胀机中都使用精心研究出来的
叶型,其 值高,损失小,而且叶型的设计数
据及方法均保密。至今, 仅苏联的T()_P系列
叶型及图7 a的岛状叶型有较完备的试验数据
公布。如图lO为岛状叶型的试验数据
一般情况下巾值在下述范围内·
O
0.1 6
0. ’2
0.1 8
0.$^
Ⅱ. D
1
络 1——L

【H{ ! _ I}
图lO 岛状叶型速度系数
中、大理低温透平膨胀机 =0.95~O.98
中压小型低温透平膨胀机 =0.9O~O.92
喷咀中损失可表示为·
办=÷c ls一告CI =— Is(1一扩)=( 一iIs)(1一扩) (1 l6)
喷咀中出口状态焓为·
fl= f5+ (I—l7)
在 s图上表示晚咀中气流的状态岬变化如图l1所示,国中 ll表示理想膨胀过程,O
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一l表示实际膨胀过程。该过程为多变过程, 其过程指数 为。
n 'K -~bZL(K -1) (1一l8) i

三, 流量密度与晦胀比的关系 。
设喷咀中为绝热等熵流动,在喷咀流遭的任意截面上均满足 i

流量连续性方程(式0—8),即
G: G ’
= 击 P)√
设z=z。, 则上式可表示为;

2 K-~—ZRT。[ 一( ) ]
G
= 击√ F (1-19)
式(1一l9)表示了流量密度G/A和膨胀比P/P 的关系。当喷咀的流量G,及进口参数Po,
T。已知时, 上式又可表示喷咀流道面积A及压力P的关系 ~-P/Po=l及0时c/A O,
因而,流量密度via与膨胀出P/P。的关系如图l2 a所示,流遭面积A与压力P的关系如图
12 b所示 由图可以看出, 当某叫 膨胀比时,
即(PIP。) 时,流量密度G/ 达最大值,也即喷
咀流道面积达最小值 ,称为喷咀的喉部。由
此可知, 当赜咀内气流膨胀时, 流道的面积随着
气流的压力降低而减小, 当达喉部面积时, 再继
续膨胀, 则流遭面积将随着压力的降低而增大。
用求极值的方法, 即d(G/A)/d(P 。)=0, 可
求得对应于c/A为最大时的膨胀比为。
p● , 9 、K/K—l
I卉J (1—20)
应用过程方程代入上式, 可得相应的密度比、
安=(
: — 2_ _
T口 五l十l
C●) ‘b)
图l2 G/ 与P/P。和 与P的关系
t a1 G 与PfPo鼬戋京
(b) 与P的关系
温度比为:
(1:21)
(1—22)
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1 9 9 2年第5期 涤冷技术 ·45。
以式(1—20)代入式(1一l4)可得喉部截面之速度C 为t
l√。 z r√ · (1—23)
由式(1—2O)到式(I一23)可见, 在喉部截面上气流的状态参数 、 、T 及速度 只
和膨胀工质的绝热指数五及膨胀的初始参数 、p。、T。有关。以式(1—2o)及式(1—21)代
入式(1—23)可得:
C =x/K—P*—p*= 矛 = (卜24)
由式(1—24)可得在等熵流动时,喷咀喉部速度C 和当地音速 相等, 或M=C’/矿=l即
马赫数为1。把马赫数等于1的截面称为临界截面,表示为 ? 显然,等熵流动时喷咀喉
部截面和临界敖面是重合的。以式(1—20)代入式(1一I9)可得喉部流量密度或喉部面积的计
算公式:
) _√ 矶= (1-25)
或 G/√击石(南) c )
工质在喷咀中绝热膨胀流动时,其喷咀流道面积的变化与速度变化的关系,还可用下式
表示l

dA
r = 譬( 一1) (1—27)
式(1—27)同样说明,膨胀工质措着流遭流动时,其压力不断下降,则速度C不断增加,当
<1, 即亚音速流动时,dA1,即超音
速流动时,dA>0, 即流道面积不断增大, 当M =1时, 流遭面积达最小, 为喉部面积 ,
正如图12 b所示。进一步可知, 若喷咀出口压力P ≥ 或P /P。≥P’/P。时,则该喷咀出
口处 ≤1,其流遭只有收缩部分, 若喷咀出口压力P < 或P /P。< /P。时,则该喷
咀出口处 z>1,该喷咀流道面积随着速度的不断增大先收缩变小达喉部面积,再扩张增
大到出口,这种喷咀又称为拉伐尔喷咀或超音速喷咀。
在考虑损失后,膨胀气流在到达喉部时, 其速度损失,则有所减小,不能与当地音速相
等, 即喉部面积上M -<1。若再继续膨胀,流道面积扩大,速度增大,在某一面积上,流
速等于当地音速, 即 z=1,该截面即为临界截面 ? 由此可知,喷咀中实际流动时 ,
> 。
对于一个己经设计好的喷咀,若具有P = , 即出口面积为喉部面积 的条件, 由
式(1—25)可见, 提高进口压力Po或降低进口温度 , 会增加进入导流器的流量, 当Po增
加,使P / < /Po后, 即达图12 a的左半支,此时, 由于出口面积无法增大,而不可能
使流量继续增加,如图中虚线所示。若背压P 下降,情况和提高P。是相同的。同时, 由式
(1—25)还可看到,若能增加喷咀喉部面积,那么通过的流量G同样会增大。
四,斜切口的工作
对于收缩型喷咀,若 ≥ 或 -/P。≥p/P口,膨胀工质只在最小截面或喉部截面前膨
胀加速,到迭最小截面或喉部散面时膨胀加速巳结束, 气流在斜切口阿时状态,速度均无变
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·46· 深冷技术 1 9 92年第5期
化。若P < 或P /P。 内将进一步膨胀, 由于斜切口是一段不完全喷咀,因此气流在斜切口内膨胀会因单侧受阻发
生偏转,如图l3所示。气流在斜切口内的膨胀是有限的,若考虑损失时,在斜切口内能达到
的极限膨胀比可由下式计算:
= ) ( ) 州?, (1_。s)
但一般为了使喷咀中损失较小, 将喷咀出IZl的马赫数限制在 ≤1.1。气流所发生的
偏转可由下式计算;
o.s时 = 崭
此时, 气流角口 = +6, 即喷咀流道中心线倾斜角 与偏转角6之和。
由于斜切口具有一定的膨胀能力, 因此,可以利甩结构简单加工方便的收缩形喷咀获得
超音速膨胀 此外,这种喷咀结构在P 。变化时,流动损失变化较小,即较能适应工况的
变化。
图13 斜切口膨胀 图14 无叶蜗壳示意图
五, 无叶喷咀
无叶喷咀是一个没有喷咀的蜗壳, 它由进气管、蜗管和环形加速器组成,见图l4。气流
在进气管0 -o 截面至0-0截面中膨胀加速,在蜗管中气流继续膨胀加速,并在 半径处均
匀的进入环形加速器 中,环形加速器是一个由两块平行的环形壁面形成的流道, 由于其
进口面积大于出口面积,而使气流继续加速流动,并在出口半径 处形成有一定流向的气
流速度。无叶喷咀有许多明显的优点,如它结构简单可使透平膨胀机的径向尺寸明显下降,
消除喷咀的冲蚀现象,变工况性能较好等。但是, 它的速度系数 一般为0.95,不能与精心
设计的喷咀相比。在低温装置中己使甩过这种无叶喷咀。
六,喷殂结构尺寸殛计算举倒
为了加工方便, 目前主要使用的是收缩形喷咀。在小型低温透平膨胀上常采用制造方便
的岛状叶型,在中,大型低温透平膨胀机中则企图采用损失较小、性能较好的气动叶型。但
是,研制高性能的叶塑是一件耗资及耗时较大的工作,而且公开发表的资料较少,因此,目
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1 9 9 2年第5期 深冷技术 -47·
前我国仍主要处于进口测绘及仿制的状态。
设计喷咀时主要应决定图6所示的各结构尺寸及叶片的形状, 这些结构参数会影响喷咀
的损失。因此, 确定它们的原则主要是,保证气流以指定的流向及大小流出喷咀, 和在喷咀
中的流动损失小。现介绍制造较方便的岛状叶型的结构参数范围。
(1)气流角 1=12。N20。
(2)相对栅距t=t/o=2 Ⅳ/( ·6)=0.55~0.65, 如能先定 。及 Ⅳ,则可以按此
式求叶片数。
此值综合地反映了叶片数z”、外径D。(或弦长 及安装角 )对喷咀性能的影响。
(3)最小截面的高、宽比 /
最小截面的高度 及宽度 形成了流道的出口面积, 因此,应该符合流量连续性方程
的要求。
若将出口斜切口近似看作为一直角三角形(见图6)可得。
6Ⅳ=tN*z,v·s (1—3O)
式中tⅣ=2 Ⅳ/ 栅距
遗一
考虑出口边厚度的减窄系数,一般取0.95~0.98。
6 —— 流出边厚度
按喷咀每一流道出口最小截面上的流量连续性方程得。
GfzN=AN·Ct·pt=IN西N·C1-
h Z..b~ C1.m (1=31)
由此可得IⅣ/ 的比值, 此值一般推荐0.5N1.1,
1左右较好, 这时二次流动的损失可以相对小些,
为了满足此要求,可以调整叶片数 。为了同样的
原因,有些教科书建议 /6=o.30~o.45。
(4)出口边厚度“
出口边厚度总是在工艺条件允许下愈薄愈好,
特别是使用清洁工质的低温透平膨胀机。
(5)叶型公式。(见图15)
DD=j)Ⅳ+(7—一8) (1—32)
r,=(3~5) (1 33)
6 =(O.10N 0.25)b +1 (1—34)
此时弦长 可按图15中的三角形OAB的余弦定理
求得。

0 =. +6 一2 COS(90。+口lⅣ)
=

v/D,'-DNz(I-sin

za,n)-Dr sinalt~
2
图15 直线圆孤型叶片
(1-35)
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·48· 深冷技术 1 9 9 2年第5期
铡 已知下列参数的喷咀, 求该喷咀的气流速度、损失、出口状态, 及有无偏转、出口
截面。进口参数P0=0.9415MPa,T。=174.2K, 出口参数PI=0.388MPa,空气流量G=
1.501 kg/s, 速度系数 =0.96,气济角口l=15
解l(1)喷咀出口速度
由 , 。查空气的T_S图得f。=4870.5 J/mol=168.18 kJ/kg
由通过P0, 及Pl的等熵线查得f =3773.23 J/mol=130.291 kJ/kg
贝『J由式(1—15)得
C = 、/2( 一ils)=0.96,/ i_ = i .1 _ =264.27 m/s
(2)喷咀中损失
由式(1—16)得:
:(1一 )(f 0一f )=(1—0.96。)(168.18—130.291)=2.97kJ/kg
(3)喷咀出口状态
由式(1—17)得l
il=$‘15+ Ⅳ=130.291+2.97=133.261 kJ/kg=3859.24 J/mal
由P1, 1查空气T_S图得T1=137K
由P1,T1查压缩性系数得 z1=0.982
则喷咀出口气流密度P1=P1/z1 l=0.385×10 /0.982×287.2×137=9.96 kg/m~
(4)偏转角计算
多变指数由式(1—18)计算
≈= 丽K = F丽1 .4.1. =1
. 357
则在不考虑损失时为喷咀出口马赫数,
。. : 【. : Kz1 1): 、/1.4×0.98三2 ×287.2×13亍 一275.28 1.184
282.6 -。
若考虑损失后出口马赫数为:
M 。 = =7 1l : :型 :1.15
51 以1 1 1.357×0.982×西 面
计算结果表明在斜切口内有偏转,可按式(1—2O)计算偏转

si
_
n(5

'+

d)
: 1.0371
S Tt 5 1
6=0.57。可忽略偏转影响
(5)出口截面计算
喉部宽度按式(1—31)计算, 取zⅣ=23,DⅣ=128mm,rⅣ=0.98
bs: ” s ~1 51= × 0.98 51=4
. 43m m
0 Ⅳ Z d
喉部高度按式(1—32)计算。
1 G
.c1.Pl= ! 23×4.
43× 264.27× 9.96× 10一 = 5.6× 10一。