книги из ГПНТБ / Гительман А.И. Динамика и управление судовых газотурбинных установок

жины и силы от разности давления воздуха на клапане); Qu— сила, развиваемая на мембране давлением воздуха р.

Во втором случае возможного распределения сил клапан при­ жат к седлу, а сопло не имеет силового контакта с клапаном. В этом случае усилие Qm не участвует в балансе сил, и условие равновесия определяется соотношением

В третьем случае возможного распределения сил усилие Qm рас­ пределяется на прижатие клапана к седлу и к соплу.

Условие равновесия определяется соотношением

Ватмосферу

К потребителю

Рассмотрим условия, при которых могут возникать указанные случаи распределения сил.

При идеально плотном контакте .клапана с седлом и соплом 1 распределение сил, связанное с повышением силы в пределах 0 < < QK< Qm0 (участок ОС на рис. 136), соответствует третьему случаю распределения сил: QK расходуется на преодоление силы Qm0.

На учаске АО — второй случай: давление понижается в ре­ зультате стравливания в атмосферу воздуха из камеры Л через зазор между клапаном и соплом, который образуется в момент снижения силы QK, так как пока не установится равновесие, имеет место не­ равенство QM> QK.

Таким образом, при условии идеальной герметичности узел сило­ вой компенсации имеет нечувствительность при перемене направле­ ния действия силы QK. Величина этой нечувствительности характе-1

1 И м е е т с я в в и д у , ч т о п л о т н о с т ь к о н т а к т а с о х р а н я е т с я д а ж е п р и н у л е в о м у с и ­ л и и п р и ж а т и я к у п л о т н я ю щ и м к р о м к а м ,

ризуется горизонтальной площадкой между линиями ОА и СВ (на­ пример, А 'С ), т. е. равна усилию Qm. При отсутствии герметичности контакта между клапаном и седлом клапан прижат к седлу, однако

непрерывный контакт между соплом и клапаном с усилием прижатия

Р и с . 1 3 7 . С т а т и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и п н е в м о у с и л и т е л я п р и о т с у т с т в и и г е р м е т и ч н о с т и : а — п р е о б л а д а ю т п р о т е ч к и п о к о н т а к т у к л а п а н — с е д л о ; б ■— п р е о б л а д а ю т п р о т е ч к и п о к о н ­ т а к т у к л а п а н — с о п л о ; в — п р о т е ч к и с о и з м е р и м ы .

Qm, т. е. распределение сил при QK> Qm (участок СВ на рис. 137, б) соответствует случаю (322) независимо от направления изменения QK.

Помимо рассмотренных случаев герметичность может отсутство­ вать одновременно на седле и на сопле. В этом случае вид характери­ стики узла силовой компенсации определяется соотношением сече­ ний, которые будут образованы при силовом контакте между кла­ паном, седлом и соплом. Если проходное сечение между клапаном

242

и седлом значительно больше проходного сечения между клапаном

исоплом, то характеристика будет соответствовать рис. 137, а. В слу­ чае большого проходного сечения между клапаном и соплом харак­ теристика будет соответствовать рис. 137, б. При соизмеримой вели­ чине обеих неплотностей характеристика будет состоять из двух участков: ОА' и С'В (рис. 137, в). На участке ОА' увеличение силы QK приводит к уменьшению зазора между соплом и клапаном, следствием чего является повышение давления р. Здесь имеет место второй слу­ чай распределения сил. В точке А' сопло вступает в силовой контакт

склапаном, и дальнейшее повышение силы QK не влияет на соотно­ шение проходных сечений на входе и выходе камеры А. Сила QK расходуется на преодоление усилия Qm. Соотношение сил соответ­ ствует третьему случаю распределения сил.

На участке С — В увеличение QK приводит к увеличению зазора между клапаном и седлом, следствием чего является дальнейшее повышение давления р. Соотношение сил определяется выраже­ нием (322).

При уменьшении QK характеристика рис. 137, в сохраняется, но порядок взаимодействий становится обратным описанному выше.

Таким образом, при соизмеримых неплотностях в элементах узла силовой компенсации его характеристика может иметь зону нечув­ ствительности, так же как в случае идеальной герметичности. Вели­ чина нечувствительности, равная Qm, сохраняется для обоих слу­ чаев, однако характер ее различен: при идеальной герметичности нечувствительность проявляется при перемене направления силы QK, а при соизмеримых неплотностях она определяется их соотношением

ине зависит от направления изменения QK.

Многочисленные опыты, проведенные на пневмозадатчике с ме­ таллическими соплами и седлами, имеющими различные твердость, конфигурацию уплотняющих кромок и соотношение диаметров (при давлениях рс и р до 10 кгс/см2), показали, что стабильная герметич­ ность одновременно по обоим уплотняющим контактам узла силовой компенсации не может быть гарантирована. Поэтому работа узла силовой компенсации при идеальной герметичности представляет в основном теоретический интерес.

На рис. 138 приведены статические характеристики опытного пневмозадатчика при различных соотношениях протечек через уплот­ няющие контакты узла силовой компенсации. Здесь S — величина сжатия пружины; тогда QK = cS, где с = 1,76 кгс/мм — жесткость пружины. Давление силового воздуха во всех опытах рс = 10 кгс/см2. Протечки в обвод седла и сопла обеспечивались соответствующей установкой регулирующих винтов.

В результате многочисленных опытов установлено^ что от соот­ ношения протечек в узле силовой компенсации зависит не только вид, но и стабильность его характеристик. Это проявляется прежде всего в тех случаях, когда характеристика имеет участок нечувстви­ тельности, расположенный в рабочей зоне, т. е. при 0 < р < рс. Величины р и QK, соответствующие возникновению нечувствитель­ ности, а также наклон участка нечувствительности произвольно

изменяются от замера к замеру без каких-либо внешних причин. Объясняется это изменением условий, определяющих соотношение протечек (засорение и разбивание проходных сечений, перекосы ит. п.).

При гарантированном преобладании протечек воздуха через

такта клапан—седло может быть надежно обеспечена несложными технологическими мерами (при-' тиркой, обжатием острых кромок и т. п.). При этом плотность кон­ такта не нарушается и в процессе работы (при хорошей фильтрации воздуха и отсутствии вибрации клапана). Плотность контакта кла­ пан—сопло, как правило, обеспечить не удается. Это объясняется неизбежными перекосами мембранно-пружинной группы, неравно­ мерным прижатием кромки сопла к поверхности клапана и др. Кроме того, наряду с контактом клапан—сопло выход воздуха в атмосферу определяется многочисленными уплотнениями воздуш­ ного тракта «мембранная полость — потребитель» (заделкой мем­ браны, штуцерными соединениями и др.). Указанные неплотности могут в процессе эксплуатации существенно возрасти. Таким образом, при расположении дросселя в обвод седла необходимо идти на уве­ личенный расход воздуха, чтобы гарантировать преобладание проте­ чек через седло над возможными протечками в атмосферу.

2 4 4

При расположении дросселя в обвод сопла можно принять мини­ мальный расход воздуха, так как вероятность уравнивания протечек в процессе эксплуатации в этом случае практически очень мала. Кроме того, существенно упрощается обслуживание дросселя, так

существенно изменяется в зависимости от режима работы ГТУ. Рассмотрим влияние давления питания рс на р при QK= const. При* гарантированных расходах в обвод седла и отсутствии про­

при участии пружин, пакетов мембран или других элементов, жесткость которых отлична от нуля.

Поэтому по мере возрастания рс сопло для обеспечения увеличен­ ного расхода должно заметно отходить от клапана, что требует некоторого возрастания давления р по сравнению с р0; характери­

сил относительно QK. Так как в рассматриваемом случае клапан не находится в контакте с седлом и, следовательно, рс участвует в ба­ лансе сил, то дальнейшее его повышение компенсируется сниже­ нием р.

В случае работы на потребителя с повышенным расходом воздуха, что эквивалентно увеличению сечения выходного отверстия меж­ дроссельной камеры А, давление р0 достигается при более высоком рс. Поэтому чем больший расход потребляет система, присоединенная к пневмоусилителю, тем больший запас по давлению питания рс необходимо обеспечить (линия 2' на рис. 139).

Таким образом, при гарантированных протечках в атмосферу или наличии расхода к потребителю изменение давления рс при­

245

водит во всем рабочем диапазоне к изменению давления р (при неиз­ менном командном усилии QK) и к повышенным требованиям в отно­ шении запаса по рс.

Такая зависимость р от давления питания рс обычно нежела­ тельна; ее можно устранить за счет вывода рс из силового баланса, т. е. создания гарантированных протечек в обвод седла. В безрасходных системах этот способ может найти применение, несмотря на отмеченные выше недостатки. В расходных же системах он оказы­ вается практически неосуществимым, так как для надежной компен­

сации требуется более чем дву­ кратное увеличение расхода.

Если расходная система не со­ держит элементов, которые на от­ дельных режимах требуют выпуска рабочего тела через сопло пнев­ моусилителя, задача несколько облегчается. В этом случае сопло можно заменить иглой малого диа­ метра, исключить клапан и за счет уменьшения площади, подвержен­ ной действию рс, заметно умень­ шить его абсолютное влияние на силовой баланс, т. е. на р.

Увеличение отношения пло­ щадей, воспринимающих в сило­ вом балансе давления р (мемб­ рана) и рс (клапан или уменьшен­ ное, глухое сопло), является наиболее радикальным путем уменьшения влияния давления питания без конструктивных усложнений пневмоусилителя.

На рис. 140 приведены характеристики пневмоусилителя для трех различных осевых положений мембраны. Все эксперименталь­ ные точки легли на одну прямую во всем диапазоне давлений от нуля до 10 кгс/см2. Полученный результат соответствует данным

вызывает каких-либо изменений в характеристиках мембраны.

Из сказанного следует, что при соответствующем выборе геометрии мембраны работа пневмоусилителя при любом практически дости­ жимом давлении воздуха ГТУ мало зависит от точности осевой сборки. Это существенно упрощает технологию изготовления узла и, по существу, исключает возможность искажения первоначальных ха­ рактеристик при переборках и ремонтах в процессе эксплуатации.

На рис. 141 приведены результаты динамических испытаний пневмоусилителя при отсутствии расхода воздуха к потребителю и ступенчатом изменении QK.

2 4 6

При работе на режиме, при котором преобладают протечки через сопло, т. е. когда сопло находится в силовом контакте с клапаном, ступенчатое увеличение QK сопровождается быстрым открытием кла­ пана, и давление в полости А резко повышается до величины, ком­ пенсирующей основную часть силы QK. Затем клапан приближается

к седлу, и дальнейшее заполнение камеры А с примыкающими к ней емкостями (шланг с датчиком осциллографирования и манометром)

не изменяется, только в последнем случае повышение давления в ка­ мере А заметно затягивается, так как заполнение происходит только за счет протечек. При ступенчатом уменьшении QK (правая ветвь осциллограмм) в режимах силового контакта сопла с клапаном

2 4 7

(случаи б и д), то как заполнение, так и сброс происходит быстрее.

В системах, где потребителем служит поршень или мембранный механизм, перемещение которых связано с большими расходами, нечувствительность пневмоусилителя может проявляться независимо от соотношения протечек. Действительно, для обеспечения макси­ мальной скорости перемещения поршня (или мембраны) элементы пневмоусилителя будут принимать положения, близкие к крайним: при наполнении открытие седла будет максимальным, при опусто­ шении максимальным будет открытие сопла, — т. е. один вид сило­ вого контакта будет переходить в другой.

При работе пневмоусилителей на повышенных давлениях в от­ дельных конструкциях возникают вибрационные режимы. Спе­ циально проведенные исследования показали, что возникновение этих режимов связано в основном с характеристикой гидравличе­ ских сопротивлений в магистрали сброса. Для исключения вибра­ ционных режимов в практике хорошо зарекомендовали себя два конструктивных решения: уменьшение проточного сечения сопла и введение специального демпфирования.

В первом варианте несколько уменьшается быстродействие режи­ мов сброса, во втором быстродействие сохраняется, но несколько усложняется конструкция. Поэтому применение того или иного варианта определяется в основном требованиями быстродействия при сбросе.

Гидродинамические измерители частоты вращения (импеллеры).

В качестве измерителей частоты вращения импеллеры имеют ряд конструктивных и эксплуатационных достоинств: отсутствие шарнир­ ных соединений и рычажных передач, отсутствие гистерезиса, нечув­ ствительность к ударам, сотрясениям и вибрациям, к высокой темпе­ ратуре окружающего воздуха, возможность систематического кон­ троля характеристики при вращающемся роторе. Импеллер создает исключительно удобный для использования сигнал — давление жидкости, — обладающий значительной энергией для приведения в действие последующих звеньев регулятора. Использование масла системы подшипников в качестве рабочей жидкости позволяет в боль­ шинстве случаев делать напорное колесо импеллера непосредствен­ ной принадлежностью ротора, что исключает необходимость в раз­ ного рода вращающихся выводных устройствах. На рис. 142 при­ ведена конструкция одного из импеллеров ГТУ-20.

Благодаря увеличенным зазорам радиальные и осевые переме­ щения ротора, к которому присоединена крыльчатка, не требуют установки плавающих уплотнений. Это существенно повышает надежность конструкции и исключает возможность изменения характеристики импеллера, так как в нем отсутствуют какие-либо трущиеся поверхности, которые могли бы подвергаться износу в про­ цессе эксплуатации. Благодаря дросселированию входа напор им­ пеллера мало зависит от изменения давления в масляной магистрали, что позволяет использовать помимо золотников односторонние чув­ ствительные элементы — например, гофрированные мембраны, ши­

2 4 8

роко применяемые в пневматических и гидравлических регулирую­ щих устройствах ГТУ.

Тангенциальный отбор импульсного давления заметно повышает напор импеллера, который, несмотря на увеличенный радиальный зазор, оказывается в ряде случаев выше, чем у импеллеров с радиаль­ ным отбором и уплотнениями на валу. В безрасходном режиме напор

1

импеллера, как показывают теоретические и экспериментальные исследования, с приемлемой для практических целей точностью выражается соотношением

гистрали на выходе из импеллера; р 1( кгс/см2-—■избыточное давле­ ние на входе в колесо импеллера; К — коэффициент пропорциональ­ ности, в основном зависящий от конструкции импеллера.

Здесь и далее под безрасходным режимом понимается отсутствие расхода из импульсной магистрали. Фактически же режим импеллера, как правило, является расходным, так как из напорной полости имеется расход через зазор по валу колеса импеллера.

249

Для имйеллеров, не имеющих на входе дроссельной шайбы, давление перед колесом приблизительно равно давлению в масляной магистрали рм, т. е. р 1 = рм, и давление за импеллером определяется соотношением

В импеллерах с задросселированным входом давление перед колесом примерно равно атмосферному, т. е. О, и давление за импеллером приблизительно равно напору, т. е.

Рис. 143. Приведенные на­ порные характеристики им­ пеллеров с радиальным 1 и тангенциальным 2 отбором.

Сплошные линии — по формуле (325), точки <— по результатам испытаний. Различные точки (для каждой кривой свои) со>

ответствуют различным типо­ размерам импеллеров.

Аналитическое определение коэффициента К весьма сложно, поэтому для практических расчетов можно рекомендовать эмпири­ ческие зависимости, позволяющие оценить его с погрешностью порядка 10%:

где

(330)

DB— диаметр вала колеса импеллера, мм; бг- — радиальный зазор между валом колеса и цилиндрической поверхностью корпуса или уплотнительного кольца, мм; /7 — осевая длина участка, имеющего радиальный зазор бг, мм; D — диаметр периферии колеса, м; d — диаметр на входе в каналы колеса — при центральном подводе или диаметр внутренней вращающейся поверхности — при кольцевом подводе, м.

На рис. 143 приведены экспериментальные данные для различ­ ной частоты вращения большого числа типоразмеров импеллеров. Каждая точка получена по Я, взятому из эксперимента, и К, вы­ численному по формуле (328) или (329). Из рисунка видно, что

250