книги из ГПНТБ / Лебедев И.В. Элементы струйной автоматики

женного ниже отверстия ме­ жду пластинами. Основные потери энергии связаны с расшире­ нием потока за сжатым сечением.

При течении в прямом направлении также происходит взаи­ модействие отклоненных н неотклоненных частей потока. Одна­ ко вследствие того, что в этом случае пластины наклонены в сторону течения потока, сжатие потока за отверстием между пластинами значительно меньше, чем при обратном течении. Это означает, что сопротивление при течении в прямом направлении меньше сопротивления для обратного направления.

Аналогично действие соплового и диффузорного диодов, по­ казанных на рис. 131 и 132. Явления, происходящие в этих дио­ дах, подробно рассматриваются в п. 6 гл. VI.

Из самого назначения диодов следуют два основных принци­ па конструирования его проточной части. Проточная часть дио­ да в прямом направлении должна характеризоваться миниму­ мом гидравлических сопротивлений (т. е. удобообтекаемые по­ верхности, плавные повороты, постепенное сужение и расширение и т. п.). Напротив, проточная часть диода в обратном направ­

250

Реализация этих принципов применительно к диафрагменно­ му диоду привела к существенному видоизменению его проточ­ ной части (рис. 112, в). Такой диод имеет более высокое значе­

ние обратного сопротивления, чем рассмотренные выше.

При дальнейшем усовершенствовании рассматриваемый тип диода был выполнен в виде трубы круглого сечения, в которой располагаются несколько коротких трубок, выполненных в фор­ ме усеченных конусов (рис. 112, г) *. Углы наклона осей этих

конусов попеременно чередуются.

правлении течения поток частично отклоняется краями конусных трубок. В результате возникает значительная деформация пото­ ка и возрастают потери его энергии.

Другим примером резисторного диода является диод, пока­ занный на рис. 113, а * * . При течении жидкости в прямом на­ правлении в сопле 1 поток меняет направление движения на

противоположное. В диффузоре происходит постепенное восста­ новление потенциальной энергии без существенных потерь. Соп­ ло 1 и диффузор 4 представляют собой первый каскад диода. Во втором каскаде, включающем сопло 3 и диффузор 2, общий

характер явлений такой же, как и в первом каскаде.

При течении в обратном направлении поток, выходящий из сопла 3, расширяется. Часть его, взаимодействуя с выступом 5,

отклоняется и, соударяясь с основным потоком, теряет энергию. Аналогичные явления имеют место при протекании жидкости в следующем каскаде.

Имеются примеры построения диодов на основе трубки Вен­ тури, которая, как известно, характеризуется малым гидравли­ ческим сопротивлением. На рис. 113, б в качестве иллюстрации приведен диод такого типа, получивший название «аэродинами­ ческого клапана» '. Диод состоит из трубки Вентури, которая может иметь вблизи узкого сечения 4 выступ-отклонитель 3, а также тороидального отражательного сопла 1.

При протекании в прямом направлении жидкость поступает через кольцевую щель 5 в трубку. Сопло 1 при этом не оказыва­

ет существенного влияния на сопротивление. Так ж е без замет­

скорости значительны, поток встречает направленный навстречу

251

направляется на тороидальное сопло 1, следуя по внутренней

поверхности которого, поток поворачивается приблизительно на 270° так, что по достижению внешнего края 2 сопла жидкость

движется в радиальном направлении к центру тора. В связи с этим поток при входе в кольцевую щель поворачивается почти на 180°, причем острый край сопла позволяет сжать поток

вкольцевой щели примерно на 30%.

Врезисторных диодах для увеличения обратного сопротив­

ления используется также закрутка потока. Диоды с закруткой

лую трубку, внутри которой соосно расположено цилиндричес­ кое тело. М ежду стенками трубки и цилиндрическим телом кре­ пятся несколько каскадов профилированных лопастей, по четы­ ре лопасти в каждом каскаде.

В прямом направлении течения поток встречает первый кас­ кад нормально расположенных лопастей, обтекая которые, по­ ступает в проходы между рядами лопастей. Сопротивление диода в этом случае создается в основном за счет возникнове­ ния вихрей за кромками лопаток. При обратном течении поток,

252

обтекая первые каскады лопаток, расположенных с постепенно возрастающим урлом, получает вращательное движение.

Для увеличения сопротивления рекомендуется выходной угол лопастей принимать таким, чтобы сходящий с них поток был направлен противоположно потоку, идущему в межрядных про­ ходах.

Первый вихревой диод, предложенный в 1929 г., имел цилиндрическую камеру 1 постоянной высоты с тангенциальным соплом 2 и трубкой 3 в центре камеры (рис. 114, б). При течении в прямом направлении поток через трубку 3 поступает в камеру 1 и выходит из камеры через тангенциальное сопло 2. В этом

случае сопротивление потоку оказывается сравнительно неболь­ шим и состоит в основном из сопротивления выхода осевого потока в камеру и сопротивления входа в тангенциальное сопло из камеры.

В обратном направлении поток через тангенциальное сопло 2

поступает в цилиндрическую камеру, где закручивается и выхо­ дит из камеры через трубку 3. В этом случае общее сопротивле­

ние складывается из сопротивления вихревой камеры (сопротив­

достигнуто установкой вблизи выходного отверстия направляю­ щих лопаток Образующие этих лопаток приблизительно экви­ дистантны внешней цилиндрической поверхности камеры (рис. 114, е). Лопасти позволяют увеличить тангенциальные ско­ рости потока в камере, величины которых определяют перепад, а следовательно, и потери энергии.

Дефлекторные диоды. Эти диоды в зависимости от причины, вызывающей сброс потока обратного направления в атмосферу, могут быть подразделены на турбулентные, диоды с отклонени­ ем обратного потока и вихревые.

В турбулентных диодах используется турбулизация обратного

Рис. 115. Турбулентный диод:

а — прямой поток: б — об­ ратный поток

253

пз двух соосных трубок малого диаметра, срезы которых распо­ лагаются на расстоянии, примерно равном 2,5 диаметрам. На конце одной из трубок имеется раструб. При подаче жидкости через трубку, не имеющую раструба, образующаяся струя дол­ жна быть ламинарной. Эта струя имеет малый угол расширения н практически полностью улавливается раструбом. При обрат­ ном течении в раструбе происходит турбулнзация струи. В ре­ зультате этого угол расширения струи существенно возрастает и в приемную трубку попадает лишь малая доля всего расхода.

Диоды с отклонением обратного потока по принципу дейст­ вия делятся на диоды со взаимодействием струй, с притяжением струн к стенке и диоды, в которых сброс обратного потока в ат­ мосферу достигается определенной ориентацией трубок или каналов. На рис. 116 приведены различные схемы диодов, ис­ пользующих отклонение струй. На схеме рис. 116, а прямой поток поступает пз канала 1 в канал 3 без существенных потерь

энергии '. При обратном направлении течения поток, встречая профилированный разделитель, разветвляется на две струп. Одна из них, огибая разделитель и получая в канале 2 противо­

положное направление движения, соударяется со струей, выте­ кающей из канала 3. Результирующая струя направлена в сбросной канал 4.

На рис. 116, б приведена схема диода, в котором для откло­

нения обратного потока используется эффект притяжения струи к твердой стенке [72]. При течении жидкости в прямом направ­ лении струя из сопла 1 целиком попадает на выход 4. В обрат-

1 Сивов Ф. Струен диод. Авт. свид. Н Р Б № 11.346.

254

ном направлении струя притягивается к профилированной стенке 3 и попадает полностью в сбросной канал 2.

На рис. 116, в показана схема диода, в котором сброс обрат­

ного потока достигается соответствующей ориентировкой сопел. Схема вихревого диода со сбросом обратного потока приве­ дена на рис. 116, г [84]. В прямом направлении жидкость из соп­ ла 1 через приемное сопло 2 попадает в цилиндрическую камеру 3 и из нее — в тангенциальное сопло 4. В обратном направлении в камере 3 возникает закрученное течение. Поток на выходе из сопла 2 имеет вид полого конуса. При соответствующем распо­

ложении сопел 1 и 2 поток может не попадать в сопло 1 вовсе.

3. Основные результаты предшествующих исследований струйных резисторных диодов и их оценка

Начало развития струйной диодной техники можно отнести к 1916 г., когда Н. Тесла получил первый патент на свой «кла­ панный трубопровод», явившийся струйным резисторным дио­ дом. В последующие годы было предложено несколько различ­ ных типов струйных диодов, отличавшихся как принципами действия, так и конструктивным исполнением. При выборе раз­ меров этих диодов руководствовались в основном инженерной интуицией. Каких-либо систематических исследований гидрав­ лических явлений, происходящих в струйных диодах, как пра­ вило, не производилось. Лишь в последние годы в связи с интен­ сивным развитием струйной автоматики, потребовавшим массо­ вого применения струйных диодов в схемах и улучшения их характеристик, начали проводить широкие экспериментальные исследования различных типов струйных диодов. Были сделаны первые попытки создания методов их гидравлического расчета.

Исследование диодов Тесла [102] завершилось разработкой метода расчета их обратного сопротивления. Указанное сопро­ тивление определяется путем совместного рассмотрения уравне­

его величина зависит от пограничной геометрии канала и числа Рейнольдса основного потока. Максимальная величина диодности Д по сопротивлению получается согласно опытам при соот­

ношении ширин основного и бокового каналов, равном единице *, и составляет 4,6.

255

Однако известно [22], что оптимальный угол ß, при котором по­ тери в диффузоре минимальны, связан со степенью его расши­ рения. Кроме этого, в расчетах не учитываются потери на трение в диффузоре, которые при небольших углах ß могут быть одного

На рис. 117 приведены экспериментальные зависимости диодности по сопротивлению от указанных соотношений площадей и высоты выступа А.

Из графиков следует, что максимальное значение Д дости­

ского клапана возрастает. Это объясняется тем, что при меньших значениях cor/ß струя лучше проникает в отражательное сопло. Так, при cor/ß = 0,028 Д = 6,6. Угол ß конусности трубки должен

256

лежать в пределах 5— 10°, а радиус г тора нужно принимать не

горловины диффузора и расстояние h (рис. 113,6) [103]. Соглас­ но опытам максимальная величина D = 4,7 достигается при отношении drjh = 1 и, кроме того, имеется зависимость Д от

числа Re.

В приближенном методе гидравлического расчета рассмат­ риваемого диода, при оценке прямого и обратного сопротивле­ ний не учитываются потери на трение в диффузоре и конфузоре,

определяются как потери на внезапное расширение. Подобная аналогия является неточной, так как в рабочей камере в этом случае скорость потока, направленного от периферии к центру,

значениях безразмерного шага лопасти pfd и трех углах, стоя­

щих одна за другой ведущих лопастей ß = 45°, 60° и 75° и угле спирали Ѳ = 90° [70].

Как видно, с ростом L]d диодность Д увеличивается, что

происходит главным образом за счет роста обратного сопротив­ ления. Уменьшение шага, т. е. увеличение числа лопастей на заданный каскад, также вызывает рост диодности Д.

Опыты показали, что диодность Д рассматриваемого диода существенно зависит от угла Ѳ спирали. На рис. 118, б в качестве

более эффективно закручивается обратный поток ведущими лопастями. Однако с увеличением Ѳ возрастает и прямое сопро­ тивление диода. Следует ожидать, что существует предельное значение угла Ѳ, при превышении которого диодность Д будет падать, так как прямое сопротивление диода начинает расти бо­

лее энергично, чем обратное. Максимальное значение диодности Д лопастного диода составляет 31 [70].

Первые исследования вихревых диодов относятся к 1929 г., когда Хейм испытал две вихревые камеры [80]. Внешняя цилин­

изменения параметров вихревых камер. Так, относительные раз­

сопротивлений вихревой камеры, основанный на том, что при обратном направлении течения распределение тангенциальных скоростей в вихревой камере такое же, как в свободном гидро­ динамическом вихре. Это предположение, однако, не подтвер­ ждается опытами. Согласно измерениям [29], действительное распределение тангенциальных скоростей в камере может суще­

Использование неточной схемы привело к тому, что полу­ ченный теоретически верхний предел величины Д оказался

равным 220, т. е. существенно превышающим экспериментальное значение.

б — зависим ость диодности от угла Ѳ

258

для этих диодов величины Д практически на порядок выше, чем

для других типов резисторных диодов. С точки зрения примене­ ния в схемах гидропневмоавтоматики вихревые диоды предпо­ чтительнее, чем лопастные, так как они значительно проще в кон­ структивном отношении. Кроме того, вихревые элементы можно изготовлять методом печатных схем, тогда как лопастные диоды, являющиеся пространственными, нельзя.