3.5 Другие принципы построения струйных

пневматических усилителей

Кроме рассмотренного выше принципа усиления пневматических сигналов, основанного на взаимодействии свободных струй, в на­стоящее время разработаны принципы усиления, основанные на раз­личных аэродинамических эффектах.

Струйные усилители, действие которых основано на отрыве га­зового потока от стенки. При конструировании таких усилителей ис­пользуют эффекты прилипания газового потока к стенке и отрыва его от стенки, наблюдаемые при определенных условиях течения газа в пристеночной области. Работа таких струйных непрерывных усилителей основана на том, что точка отрыва пограничного слоя газа при обтекании им криволинейной стенки может перемещаться вверх по течению, если пропустить управляющий поток газа через канал, выполненный в этой стенке (рис. 14, а).

При отсутствии входного сигнала Р_вх струя газа, вытекающая из канала питания , прилипает к криволинейной стенке 5 под действием струи подпора, вытекающей из канала 2. При поступлении через канал 7 в камеру 6 входного сигнала Р_вх образуются струи газа через каналы управления 3 в криволинейной стенке. Эти струи воздействуют на основную струю: изменяют положение точки отрыва ее от криво­линейной стенки и тем самым выпрямляют ее. При этом основная струя газа направляется в выходной канал 4, где ее кинетическая энергия может быть частично или полностью преобразована в потенциальную энергию. Чтобы воздей­ствие управляющего дав­ления на струю, обтекаю­щую криволинейную стен­ку, было более эффектив­ным, применяют несколько каналов управления 3. При постепенном увеличении управляющего (входного) давления первоначально наиболее эффективно воз­действие, оказываемое по­током, вытекающим через канал управления, наибо­лее удаленный от выход­ной кромки канала пита­ния. Это определяется тем, что в месте расположения этого канала основная струя при отсутствии уп­равляющих воздействий наиболее отклонена от ис­ходного направления ее течения (благодаря форме стенки).

С увеличением управ­ляющего давления в ка­мере о действие струй, вытекающих через каналы управления, более близкие к выходной кромки канала питания, становится более эффективным.

Подбором расположения и проходного сечения каналов управ­ления можно в определенной степени изменять форму статической характеристики усилителя. На рис. 14, б, в показаны статические характеристики усилителя по давлению и расходу в относительных величинах. Коэффициент усиления по давлению такого усилителя со­ставляет ~2, а по расходу ~40.

Струйные пневматические усилители, действие которых основано на эффекте турбулизации газового потока. При истечении воздуха или другого газа из канала (длина которого во много раз больше, чем его диаметр) в пространство под давлением, превышающим давление окружающей среды на несколько десятков паскаль, наблюдается об­разование тонкого газового шнура, диаметр которого равен диаметру d₀ выходного канала. Длина этого шнура равна примерно (30—40) d₀,а иногда и 100 do. Данное явление объясняется тем, что в данном слу­чае действие сил трения незначительно и не оказывает влияния на дви­жение частиц газа. При прохождении струёй указанного выше расстоя­ния практически не происходит изменений механической энергии частиц, а в конце этого участка при отсутствии внешних воздействий в струе наблюдается самопроизвольный переход формы течения, при которой в движение вовлекаются частицы из окружающей среды, фор­ма струи меняется (образуется характерный для турбулентной струи расходящийся конус) и скорость движения частиц быстро затухает. Если на газовый шнур воздействовать боковой струёй, то изменяются его длина и точка начала турбулизации струи. На этом принципе и основано действие турбулентных усилителей.

На рис. 15, а, б показана одна из схем турбулентного усилите­ля. При отсутствии управляющего воздействия струя, вытекающая из канала питания, направляется, как показано на рис. 15, a, в приемный канал 2. В последнем устанавливается давление, близкое к давлению потока на выходе из канала питания. Если имеется давле­ние в канале управления 3, то под действием вытекающей из него струи происходит турбулизация течения в основной струе. Это вызы­вает изменение характера течения (распад газового шнура). Га­зовый шнур становится таким, как показано на рис. 15, б. При этом давление в приемном канале 2 резко уменьшается.

На рис. 15, в показана типичная статическая характеристика турбулентного струйного усилителя.

При увеличении давления струи, вытекающей из канала управле­ния, сечение основной струи, в котором происходит изменение харак­тера течения, смещается в сторону канала питания. Расположение приемного канала выбирается таким, чтобы при отсутствии управ­ляющего воздействия переходное (для заданного давления питания) сечение струи находилось несколько дальше по течению, чем входное отверстие приемного канала. При подаче же управляющего воздей­ствия это сечение смещается и выходит за пределы приемного канала.

Значительное расстояние между выходным сечением канала пита­ния и входом в приемный канал позволяет в элементах этого типа иметь несколько каналов управления.

Коэффициент усиления турбулентных усилителей увеличивается с увеличением расстояния L между питающим и приемным каналом.

Давление питания должно быть таким, чтобы при возможно малых управляющих воздействиях область изменения характера течения, смещаясь, оказывалась перед входом в приемный канал. Тогда коэф­фициент усиления будет значительным. Следует при этом иметь в ви­ду, что при уменьшении порога срабатывания элементы недостаточно помехоустойчивы и работа их ненадежна.

Работой турбулентных усилителей можно управлять с помощью акустических колебаний, способных разрушать газовый шнур, воз­никающий в усилителе. Коэффициент усиления используемых турбу­лентных усилителей равен ~10.

Пневматические усилители, использующие эффект завихривания потока газа (вихревые усилители). В основу работы вихревых усилителей положен эффект изменения характеристик потока при его завихривании. Вихревой усилитель (рис. 16, а, б) представ­ляет собой плоскую цилиндрическую камеру 2, в которую подает­ся воздух питания через канал 1. Управляющий сигнал вводится по тангенциальному каналу 4. Воздух покидает камеру усилителя через канал 3, ось которого перпендикулярна плоскости, в кото­рой находятся оси каналов питания и управления.

При отсутствии давления Р_вх воздух в канале управления прохо­дит из подводящего канала 1 по радиусу в канал 3 (рис. 16, а).

При наличии давления Рвх в канале управления происходит завихривание основного потока и частицы воздуха движутся в каме­ре усилителя по спирали (рис. 16, б). Вследствие сохранения мо­мента количества движения тангенциальная скорость потока значи­тельно возрастает по мере приближения потока к выходному отвер­стию. При этом значительно изменяется сопротивление камеры и расход воздуха через канал питания при постоянном давлении пита­ния уменьшается, а следовательно, увеличивается перепад давления в камере усилителя, т. е. давление Р_вых на выходе усилителя уменьшается.

Из сказанного видно, что с помощью давления Р_вх воздуха можно управ­лять сопротивлением вих­ревого усилителя.

На рис. 16, в показа­на зависимость расхода G_вых воздуха через вихре­вой усилитель от давления Р_вх в канале управления, полученная для вихрево­го усилителя диаметром 100 мм. Из графика видно, что при некотором опреде­ленном значении Р_вх не­значительные изменения его приводят к резкому изменению расхода.

На рис. 17, а показа­на схема вихревого струй­ного усилителя, которая

позволяет непосредственно получать на выходах разность давле­ний, пропорциональную изменению давления на входе. Трубка а воспринимает давление скоростного напора завихренного потока, которое растет с увеличением скорости движения частиц, а труб­ка а' располагается таким образом, чтобы с увеличением скорости частиц давление в ней уменьшалось. При увеличении давления Р_вх в управляющем канале увеличивается разность давлений Р_вых —Р’_вых.

На рис. 17, б показана схема вихревого усилителя, в котором канал питания 1 расположен соосно с выходным каналом 3, а канал управления 2 — так, как в описанных выше конструкциях вихревых усилителей. У такого усилителя может быть несколько входных ка­налов, но он имеет худшие по сравнению с ранее описанными вихре­выми усилителями характеристики. Преимущество его — меньшая потеря механической энергии потока при отсутствии давления перед каналом управления, что объясняется отсутствием поворота пото­ка питания в усилителе.

На рис. 17, в показан усилитель, в котором сочетается принцип завихривания потока с эффектов его отрыва от стенки. Воздух в та­ком усилителе подводится в канал 1. При создании давления Р_вх в канале управления 2, большего, чем давление Р_вх во втором канале управления 3, поток воздуха питания примыкает к стенке 4 и, не завихриваясь в камере 5, проходит к выходному отверстию 6. При этом расход воздуха через усилитель максимален. Когда давление Р_вх меньше, чем давление Р’_вх, поток воздуха начинает примыкать к стен­ке 7 и, поступая в камеру 5 по тангенциальному каналу, завихривается в ней. Это приводит к увеличению перепада давлений на вих­ревой камере и уменьшению расхода воздуха через нее.

Для увеличения крутизны рабочего участка статической характе­ристики вихревых усилителей применяют усилители, схема одного из которых показана на рис. 17, г. Здесь выходной канал сообщает­ся с атмосферой, а для улавливания потока, протекающего через выходное отверстие, в него введена трубка. Когда движение потока в камере 1 не завихрено, струя, вытекающая из отверстия 4, поступает в приемную трубку 3. При завихривании потока в камере 1 струя вы­текает в основном через кольцевую периферийную часть отверстия 4 в атмосферу. При этом резко уменьшается выходное давление в труб­ке 3. Может даже возникнуть разрежение вследствие эжекторного действия потока, выходящего по каналу 2.

Пневматические струйные усилители, действие которых основано на взаимодействии встречных струй. При взаимодействии двух встреч­ных струй образуется результирующая газовая струя, которая при одинаковых импульсах струй и одинаковых диаметрах сопл распрост­раняется в плоскости, перпендикулярной струям (рис. 18, а). Ре­зультирующая струя располагается на половине расстояния L между соплами. При уменьшении давления перед одним из сопл результи­рующая струя смещается в сторону этого сопла. Причем значительные перемещения результирующей струи вызываются небольшой раз­ностью давлений в соплах.

На рис. 18, б показана зависимость между положением резуль­тирующей струи, определяемым отрезком h и изменением давления Р₁ при постоянном давлении Р_о.

На рис. 19, а показана схема усилителя, действие которого ос­новано на взаимодействии встречных струй. К одному из двух соосно расположенных сопл 1 или 2 (на рисунке к соплу 2) подводится воз­дух питания при постоянном давлении, а на вход сопла 1 подается управляющее давление. Образующаяся при взаимодействии радиаль­ная струя располагается перед кромками 3 отверстия приемной ка­меры 4. При увеличении давления Р_вх в управляющем канале 1 ра­диальная струя смещается в сторону сопла питания и переходит че­рез кромки 3 отверстия приемной камеры 4 (см. пунктирное изобра­жение), что вызывает резкое увеличение давления Р_вых в приемной камере, которое является для усилителя выходным.

На рис. 19, б показаны статические характеристики такого уси­лителя. Характеристики 1, 2 и 3 получены при номинальных избы­точных давлениях, равных 200, 4000 и 8000 Па в каналах 1 и 2 (рис. 19, а). Из рис. 19, б следует, что коэффициент усиления рассматриваемого усилителя, определяемый как отношение прира­щения давления на выходе к разности давлений Р_вх — Р_пит, увели­чивается с уменьшением номинального избыточного давления, при котором работает усилитель. Наибольшее значение коэффициента усиления для участков характеристик 3, 2 и 1, имеющих максималь­ную крутизну, равны соответственно 5; 7 и 28. Указанные характе­ристики получаются при работе усилителя без протока воздуха через выходную камеру.

Эффект взаимодействия соосных газовых струй в сочетании с бо­ковым воздействием на струю использован в струйном усилителе, показанном на рис. 19, в. Здесь перед соплами 1 и 2 поддерживают­ся постоянные давления питания Р_пит1 и Р_пит2. Управляющее давле­ние Р_вх подается через канал 5.

При отсутствии давления Р_вх радиальная струя, образующаяся в результате столкновения встречных струй, располагается за кром­ками 3 отверстия внутри камеры 4 (это положение условно, так как радиальная струя не может полностью попасть в камеру 4 из-за небольшого диаметра отверстия камеры).

При наличии давления Р_вх струя, вытекающая из сопла 1, откло­няется и за счет этого импульс, передаваемый ею струе, вытекающей из сопла 2, уменьшается. Поэтому результирующая струя смещается в сторону сопла /, а давление в камере 4 падает.

Статические характеристики такого усилителя показаны на рис. 19, г. Кривые 1, 2 и 3 получены при работе без потока воз­духа через выходной канал при номинальных избыточных давлениях для каналов 1 и 2, равных соответственно 0,2 • 10⁵; 0,4 • 10⁶ и 0,6 • 10⁵ Па. Струйные усилители данной конструкции способны работать при различных давлениях питания (1500 — 1,4 • 10⁶ Па).

На рис. 19, д показана наиболее распространенная схема пнев­матического усилителя на встречных струях. В этой схеме каналы / и 2 используются как каналы питания, а для управления служит канал 5. Давления Р_пит1 и Р_пит2 подбирают такими, чтобы радиаль­ная результирующая струя располагалась у кромки 3 вне камеры 4. При увеличении давления Р_вх в управляющем канале происходит смещение радиальной струи в сторону кромки 3 за счет изменения количества движения, которое несет в себе струя, вытекающая из соп­ла 1. При этом большая часть радиальной струи попадает в камеру 4, давление в которой увеличивается. Это давление является выходным давлением усилителя.

Статические характеристики данного усилителя при различных давлениях питания показаны на рис. 19, в. Как видно из графика, с увеличением давления питания увеличивается линейный диапазон выходных давлений. Коэффициент усиления такого усилителя составляет 100 и более.

Пневматический струйный усилитель, действие которого основано на эффекте отрыва потока от внутренней стенки криволинейного канала. При движении газа в канале криволинейной формы под дей­ствием центробежных сил частицы газа устремляются к внешней стен­ке (рис. 20, а). Поэтому профиль скоростей искажается таким образом, что течение газа с более высокими скоростями оказы­вается ближе к внешней стенке искривленного канала. При со­ответствующих величинах расхода газа и кривизне колена поток стремится отделиться от внутренней стенки искривленного участка. В этих условиях с помощью небольшого дополнительного потока 2 можно вызвать значительное смещение точки отрыва потока . Результат этого — значительное изме­нение количества движения, приходящегося на единицу площади в потоке ниже колена.

Этот эффект в сочетании с эффектом взаимодействия двух потоков используется при конструировании струйных уси­лителей. Схема такого струй­ного усилителя показана на рис. 20, б.

Поток питания подводится к усилителю по каналу 1, раз­ветвляется и следует далее по каналам 2 и 3. Давление управ­ления поступает по каналу 4. При отсутствии сигнала Р_вх в канале управления 4 количество движения на единицу площади сечения у выхода из канала 2 невелико. Поэтому поток из ка­нала 3 легко отклоняет поток из канала 2 влево и результи­рующий поток попадает при этом в приемный канал 7. При появлении давления Р_вх коли­чество движения на единицу площади сечения потока, вытекающего из канала 2, увеличивается, так как площадь сечения потока умень­шается. Теперь уже поток из канала 3 не в состоянии отклонить по­ток из канала 2 влево. Поэтому результирующий поток по каналу 6 направляется частично в приемный канал 8. При этом давление в приемном канале 8 увеличивается, а в приемном канале 7 — умень­шается. Канал 9 в усилителе служит для сообщения с атмосферой. Перегородка 10—разделительная перегородка. Карман 5 препятствует отрыву потока на соответствующем участке стенки, благодаря чему t струйный усилитель является усилителем непрерывного действия.

На рис. 20, в показаны характеристики изменения относительных величин дифференциального массового расхода и мощности на выходе усилителя в функции соответствующих величин для канала управления.

На графике G_вых1 , G_вых2 и G_пит — массовые расходы через каналы 8, 7 и 1, а N_вых1 N_вых2 и N_пит — мощности потоков в этих каналах. Преимущества описанного усилителя — относительно вы­сокий коэффициент усиления по расходу (порядка 200) и довольно большой коэффициент усиления по мощности (35 — 40), а недостат­ки — низкий коэффициент усиления по давлению, плохая частотная характеристика и сложность конструкции.