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

Вкачестве примера крупномасштабного струйного элемента

сосесимметричными соплами можно привести пропорциональ­ ный переключающий клапан [37]. Другим примером может слу­ жить клапан с осесимметричными соплами. На рис. 78 показан продольный разрез этого клапана. Внутренний диаметр подво­ дящего канала питания 0,025 м.

При конструировании элемента (плоского пли объемного), использующего поперечное соударение струй, можно придержи­ ваться некоторых общих рекомендаций. Так, угол между осями сопел питания и управления должен выбираться в пределах 90— 120°. Чем больше этот угол, тем выше усилительные свойства элемента, ибо при увеличении угла 0 интенсивность воздействия

струя. При этом расстояния между соплом питания и соплами управления не влияют на угол отклонения прямой струи (см. гл. Ill), поскольку взаимодействующие струи являются свобод­ ными. Принимая во внимание, что в этом случае струя питания изменяет свое направление только после встречи со струей уп­ равления, выгодно приблизить эту точку к соплу питания с целью увеличения расстояния LK (рис. 79). Из чисто геометрических соображений очевидно, что с ростом L K повышаются усилитель­

190

ные свойства элемента. Этот вывод подтвержден эксперимен­ тально [34, 45].

Если полости А и В (см. рис. 76) изолированы от атмос­

феры, то в этих полостях создается повышенное давление. Это

с одной стороны (например, в элементе имеются только каналы Уз и У^), то улучшение усилительных свойств элемента может быть достигнуто некоторым смещением кромки сопла питания ct

(рис. 79). В соответствии с экспериментальными данными опти­

типа могут иметь конфигурации зон В и Г, называемых иногда

атмосферными или вентиляционными каналами. Через эти по­ лости избыток жидкости или газа истекает в область низкого; давления (в атмосферу). Этот избыточный расход может быть равен сумме расходов питания и управления, если нагрузкой выходного канала является глухая камера или если прямая ре­ зультирующая струя целиком попадает в одну из зон В или Г

вследствие отклонения от первоначального направления управ­ ляющим потоком (см. рис. 76). Пропускная способность кана­ лов, связывающих зоны В и Г с атмосферой, должна быть рас­

Если струя питания или результирующая струя полностью улав­ ливается приемными соплами, то вследствие эжекции жидкость

женного давления, благодаря чему на отдельных участках рас­ пространения струн появится поперечный перепад.

Зоны В и Г имеют большое значение с точки зрения органи­

зации потока в рабочей камере элемента. При конструировании элемента конфигурацию и размеры зон В и Г, а также пропуск­

ную способность каналов, соединяющих их с атмосферой, следу­ ет подбирать так, чтобы течение в рабочей камере элемента было достаточно близко к симметричному. В противном случае истинные значения параметров потока в выходном канале мо­ гут заметно отличаться от полученных в предположении, чтопоперечный перепад давления отсутствует. Несимметрия зон В и Г при отсутствии сигнала управления приводит к некоторому

нерасчетному отклонению струп питания, которое усиливается' благодаря включению канала обратной связи [65].

В зонах В и Г могут выполняться специальные выступы

(«ножи»), показанные на рис. 76 штриховой линией. Таким об­

191

ваны от нее. Острые кромки «ножей» не касаются струи пита­ ния, когда управляющий сигнал отсутствует. После подачи сиг­ нала управления в полостях Д и Е может возникать избыточное

давление и создающийся поперечный перепад давления приводит к искривлению оси струи, что может улучшить усилительные •свойства элемента.

Размер сопла питания bn, da (ширина или диаметр) выби­

рается таким, чтобы он обеспечивал заданную пропускную спо­ собность. При конструировании выходного канала за срезом приемного сопла предусматривают участок, на котором площадь

3. Методы гидродинамического расчета характеристик элементов с поперечным взаимодействием струй

Если элемент предназначен для реализации логических функ­ ций, то, как это было показано в гл. I, его нагрузочная способ­ ность может быть выбрана основным критерием качества. В этом случае оптимизацию элемента по данному критерию мо­ жно выполнить по методике, описанной в гл. IX.

Если в качестве основного критерия выбирается коэффици­ ент усиления элемента, возможны'иные пути нахождения опти­ мальных размеров проточной части.

Рассмотрим элемент с тремя выходными [16] каналами, при­ чем выходным сигналом является разность ра3 — рв1. Угол Ѳ

между осями сопел питания и управления примем равным 90°. Тогда направление прямой струи определится по формуле

и средняя скорость соответственно для сопел управления и пи­

192

где и = буфу/епсрпБыли проведены опыты, которые подтвердили

ных каналах ра/рп связано линейной зависимостью с tg a , можно рассчитать числовые значения коэффициента усиления кр:

и достигается в том случае, когда приемные каналы расположе­ ны на расстоянии 5— 9 ширин питающего канала от среза сопла питания [16].

Рассмотрим элемент несколько иной конструкции, причем в выводах учтем возможность различного нагружения выходного канала, т. е. в расчеты включим ширину нагрузочного отверстия

примыкающей к месту расположения выходных сечений каналов П и У (см. рис. 76), определяет лишь направление и исходные

размеры сечения результирующего потока, прямая струя рас­ пространяется как одиночная; статическое давление во всей об­ ласти взаимодействия струй неизменно и равно давлению окру­ жающей среды; наличие приемного канала не вносит изменения в распределение динамического напора по сечению результиру­ ющего потока. Кроме того, принимается, что точка О лежит на срезе сопла питания, т. е. расстояние L K определяется с точно­ стью до Ьу/2. Закон распределения динамического давления по

сечению, перпендикулярному к оси результирующей струи, при­ нимается в виде

где

= ру/рп, р — безразмерный динамический напор в точке резуль­ тирующего потока с координатами х' и у' (прямоугольная сис­

тема координат х ' и у ' с центром в точке О показана на рис. 79). Системы координат, показанные на рис. 79, связаны между со­ бой соотношениями

и учитывая формулу (283), получим распределение скоростного напора по плоскости входного сечения приемного сопла:

Рассматривая далее каналы 1 и 2 как последовательные

турбулентные дроссели (см. рис. 79), определим поток импульса на входе в приемное сопла элемента / и в установившемся ре­ жиме:

конструкция — на рис. 78. Отметим, что выходной канал элемен-

194

та представляет диффузор, рассчитываемый из условия безот­ рывного течения. Рассматривается работа выходного канала в проточном режиме. В качестве выходных величин берутся дав­ ление на выходе диффузора и расход через диффузор. При выво­ дах' аналитических зависимостей принимаются те же допущения, что в работе [34]. Распределение скоростей в поперечном сечении струи принимается в виде уравнения (118).

При соответствующем профилировании сужающейся части сопел питания и управления можно получить коэффициенты расхода и кинетической энергии достаточно близкими к единице.

Сучетом этого полное давление в канале питания рп = ри„ /2.

Расход через поперечное сечение приемного сопла

J »м

Исходя из определения коэффициентов восстановления и нс пользуя формулы (291) — (298), получим

денным формулам, сведены в графики на рис. 81. По этим гра­

.196

Судя по полученным данным, значения B Q и В р, взятые по

рис. 81, следует уменьшать на 8— 10%- Такое расхождение опыт­ ных и теоретических данных оказывается в данном диапазоне изменения параметров элемента практически постоянным.

Гораздо более значительное и нерегулярное расхождение теории и эксперимента наблюдается в том случае, когда во вход­ ном сечении приемного сопла имеет место частичное или полное

в 1,8 раза. Более подробно это явление описано в гл. III. Перейдем теперь к расчету коэффициентов управления струй­

ного элемента с осесимметричными соплами. Будем считать, что ß не превышает 10° (как это часто бывает при работе реального струйного элемента). Рассмотрим поперечное сечение результи­ рующей струи, совпадающее со срезом приемного сопла / —/ (рис. 79). Схема этого сечения показана на рис. 80. Ограничим­

В полярных координатах, центр которых лежит на оси сечения отклоненной струи, граница области интегрирования (контур сопла питания) приближенно определяется выражением

Теперь можно перейти к вычислению среднего динамического напора на входе в приемное сопло. В целях упрощения выраже­ ние для рв аппроксимируем функцией, которая получается, если

принять линейный закон распределения продольных скоростей в струе:

197

не более чем на 3%. что говорит о допустимости использования указанного уравнения для приближенных вычислений.

определяем QB и вычисляем R Q = (QBо — QB)/Q BO-

Коэффициенты усиления были рассчитаны для ряда значений

рис. 82, б. Графики рис. 82, а также рис. 81 могут быть использо­

ваны для приближенных расчетов с учетом принятых выше до­ пущений.

Следует отметить, что значения коэффициентов управления, приведенные на рис. 82, подсчитывались для значений k, R p, Ѳ,

соответствующих минимальным значениям коэффициентов уп­ равления. Кроме того, даж е при выводе уравнений (308) и (309)

198

Рис.82.Коэффициентыуправленияэлементаскруглымисоплами:

не учитывалась возможность улучшения усилительных свойств за счет наличия замкнутой межструйной зоны.

Что касается значений k Ф 1, Rv Ф 1 и В Ф 90°, то перейти к соответствующим им значениям У ѵ и WQ о т У ѵ и У<э, приведен­

ных на графиках рис. 82, можно по следующим зависимостям:

4. Некоторые данные о расчете динамических свойств элементов с поперечным взаимодействием струй

Динамике струйных элементов рассматриваемого типа и сое­ динительных каналов посвящено большое число работ [89, 116]. Несмотря на различие подходов к оценке динамических свойств элементов, общим для них является использование аналогии динамики струйных и электрических систем.

При аналитическом определении передаточных характерис­ тик струйных усилителей используются модели управляющих объектов и понятия полных проводимостей. Последние являются

194