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

Рис. 109. Влияние положения разде­ лителя на рабочий процесс струйного элемента с внутренней обратной связью:

далекое расположение дефлектора

*)

Из рассмотрения приведенных вариантов следует, что наибо­ лее рациональным является вариант расположения кромок дефлектора напротив атмосферных каналов, ближе к их перед­ ней кромке.

Дальнейшим развитием элементов с внутренней обратной связью является элемент, в котором угол наклона стенок выбран настолько большим, что почти полностью исключается притяже­ ние струп к стенке, а то пли иное крайнее положение струи обес­ печивается за счет отраженных вогнутым дефлектором потоков

кромками одной из вогнутых стенок '. Элемент работает следую­ щим образом. Если сигналы управления отсутствуют, то струя, вытекающая из сопла питания 1, пересекает рабочую камеру 8

и попадает в выходной канал 5. Это положение струя сохраняет и в том случае, если подан сигнал управления одновременно в каналы 2 и 9. При подаче сигнала управления в один из кана­ лов управления, например в канал 2, струя прижимается к вог­ нутой стенке 7, течет вдоль нее и попадает в выходной канал 4. При этом часть струи отражается стенкой 3, направляется в об­

ласть между этой стенкой и границей струн и прижимает струю к стенке 7. Благодаря действию этой обратной связи элемент сохраняет переключенное состояние и после снятия сигнала уп­ равления, т. е. осуществляется запоминание дискретного сигна­ ла. Для переключения элемента надо подать либо сигнал в канал

1 Bauer Р., Fluid multi-stable device. US Patent, N 3. 192.938.

240

9 (струя притянется к стенке 3, на выходе 6 появится сигнал высокого уровня), либо в каналы 2 и 9 (сигнал высокого уровня появится в канале 5). Таким образом, описанный элемент пред­

ставляет собой трехпозиционный элемент памяти.

Своеобразный способ обеспечения одностабильности элемен­ та, основанного на эффекте Коанда, состоит в следующем Элемент (рис. ПО, в) имеет одну плоскую и одну вогнутую стен­

ки. Вогнутая стенка отражает часть струи, попадающей в канал 2, II направляет ее в область между основной струей и стенкой 1,

создавая возвращающее усилие, играющее роль отрицательной обратной связи. Назначение вогнутой стенки двоякое: во-первых, она препятствует возникновению эффектов запоминания; вовторых, не допускает переотклонения струи в случае, если на входы поданы сигналы высокого уровня.

Методы проектирования струйных элементов рассмотренно­ го типа до настоящего времени не разработаны, так как мате­ матическое описание происходящих в них сложных явлений затруднено. Это объясняется тем, что описанные аэродинамиче­ ские эффекты (притяжение струи к стенке, соударение струй, переход ламинарного течения в турбулентное, вторичные тече­ ния, вызываемые вогнутым дефлектором, обратные потоки, воз­ никающие в приемной части и др .), описанные в гл. Ill, высту­ пают здесь не изолированно, а в сложном взаимодействии.

Однако понимание физической сути основных явлений, по­ дробно проанализированных в гл. Ill, позволяет создать работо­ способную конфигурацию элемента при небольшом числе экспе­ риментов. Оптимизация ж е конфигурации элемента может быть проведена экспериментально-статистическими методами, обеспе­ чивающими получение оптимальной конструкции при неполном

Рис.110.Некоторыеспособыреализациивнутреннейобратнойсвязи:

а — элемент с большим углом наклона стенок; б — элемент с вогнутыми стен­ ками; в—элемент с плоской н вогнутой стенками

6. Кромочные усилители

Принцип действия. Кромочный усилитель представляет со­ бой аналоговый или дискретный струйный элемент, в котором стенка выполнена в виде острой кромки. Возможны кромочные усилители двух типов: с одной кромкой (рис. 111, а) п с двумя

кромками (рис. 111,6).

Хотя кромочный усилитель может служить аналоговым пли дискретным элементом, однако в литературе описано его исполь­ зование только в качестве аналогового усилителя с большим коэффициентом усиления по давлению (до 5000) [76].

Кромочный усилитель с одной кромкой работает следующим образом. Если расход управления отсутствует, то струя притяги­ вается к кромке (точкой притяжения является кромка). По мере увеличения давления в камере рк уменьшается кривизна оси

струи и, следовательно, ось струи смещается относительно при­ емного канала и уровень выходного сигнала меняется. Это из­ менение происходит непрерывно — каждому значению входного давления соответствует определенное отклонение струи. При изменении отклонения струп изменяется давление в приемном канале.

Приведенное краткое описание рабочего процесса позволяет

Рис.111.Кромочныйусилитель:

а — с одной кромкой; б — с двумя кромками; в — зависимость со­ ставляющих расходов от кривизны оси струи; г — зависимость рас­ хода управления от кривизны оси струн; д — входная характеристика

242

ее направление зависит от сигнала управления. Поэтому воз­ можно переотклонение струи, которое при больших значениях сигнала управления приводит к уменьшению давления в выход­ ном канале по мере увеличения сигнала управления.

Рабочий процесс усилителя с двумя кромками аналогичен описанному. Использование двух кромок позволяет увеличить коэффициент усиления по давлению за счет того, что по мере отклонения струи увеличивается разрежение вблизи противопо­ ложной кромки. Это способствует дальнейшему отклонению струи.

Рабочий процесс и характеристики кромочного усилителя. Рассмотрим для простоты однокромочный усилитель. Для струн, взаимодействующей со стенкой, должно выполняться уравнение баланса расхода [76]:

Qa = Qo6p + Qy + Qa>

где Q3 — расход, эжектируемый струей; Q0gp — возвратный рас­ ход; Qy — расход управления; Qa — расход, засасываемый из атмосферы.

Когда струя притянута к стенке, Qa = 0, транзитный поток отделяется от возвратного границей раздела, являющейся лини­ ей тока и определяемой из уравнения

Qa— Qo6p— Qy = 0.

Если Qy = 0, то Q3 = Qo6p и граничной линией тока будет служить граница струи постоянной массы (рис. 111, а). По мере

увеличения расхода управления расход возвратного потока уменьшается и, следовательно, граничная линия тока смещается в сторону границы струи, что приводит к уменьшению кривизны струи. Так как радиус кривизны струи R = //Ар, увеличению

расхода управления должно соответствовать увеличение перепа­ да, действующего на струю. Поэтому увеличение расхода уп­ равления приводит к изменению давления в камере элемента.

Для понимания рабочего процесса элементов этого типа по­ лезно познакомиться с входной характеристикой. На рис. I ll, в нанесены примерные графики зависимости расходов Qa, Qa и Qo6p от кривизны оси струи с:

Характер кривых можно объяснить следующим образом. Расход Qa остается практически постоянным, так как он опреде­ ляется эжекционной способностью части струн от сопла до кромки. Эжекционная'же способность струи при малых искрив­ лениях ее оси почти не изменяется. Расход Qa определяется сопротивлением зазора между краем струи и кромкой и давле­

нием рк. При небольших перепадах ра — Рк расход мал и воз­

растает с увеличением кривизны благодаря увеличению перепа­ да. При дальнейшем увеличении кривизны начинает сказываться уменьшение зазора между краем струи и кромкой. Наконец, когда край струи коснется стенки, поступление расхода из атмо­ сферы прекращается.

стику (рис. 111, а). Эта характеристика состоит из трех участ­ ков: двух устойчивых 1—2 и 3—4 и одного неустойчивого 2—3.

Как видно, входная характеристика имеет такой же вид, как и для усилителя с плоскими стенками, так как сущность явлений в обоих случаях одинакова. Отличие состоит в том, что у эле­ мента с плоскими стенками расход, эжектируемый струей, умень­ шается по мере искривления струн благодаря смещению точки притяжения в сторону сопла питания. В кромочном же усили­

В одной из статей [112] приводится методика расчета кромоч­ ного усилителя. При расчете принят ряд упрощающих допуще­ ний: рассматриваются только малые отклонения струи, пренебрегается влиянием приемной части на переключение и др.

Расчет сводится к определению траектории оси струи, выбо­ ру оптимального положения и ширины приемного канала. Р а­ диус кривизны оси может быть определен на основании уравне­ ний, приведенных в п. 5 гл. III.

244

7. Динамические свойства элементов, использующих притяжение струи к стенке

При создании устройств струйной автоматики важно знать динамические свойства элемента, т. е. его поведение в процессе переключения. Закономерности переключения элементов, ис­ пользующих взаимодействие струи с плоской стенкой, исследо­ вались многими авторами, однако сложность явлений не позво­ лила получить математическое описание неустановившпхся про­ цессов в элементах. В настоящее время отсутствуют четкие представления и о характере явлений, определяющих переклю­ чение элемента. Имеющиеся опытные данные свидетельствуют о том, что на динамику элемента существенно влияют коммуни­ кационные каналы, в которых возникают различные волновые процессы. Поэтому представляется разумным комплексное ис­ следование динамики системы элемент — коммуникационный канал. Здесь же кратко рассмотрим только некоторые общие соображения о динамике элемента.

Динамические свойства дискретного элемента принято харак­ теризовать временем его переключения, под которым понимают интервал времени между появлением сигнала определенного уровня на входе элемента и достижением заданного уровня сиг­ налом на выходе. Наряду с временем переключения необходимо знать и характер переходного процесса — наличие выбросов, шумов. Качественный анализ процесса переключения [78, 93] по­ зволяет представить время переключения как сумму двух со­ ставляющих: времени переброса и транспортного времени.

Время переброса tn — это интервал времени, необходимый

для перемещения потока от одной стенки до другой (рассмат­ ривается сечение, перпендикулярное оси струи).

Транспортное время tr — это интервал времени, необходимый

для перемещения рабочей среды от среза сопла питания до при­ емного канала. Транспортное время приближенно равно отно­ шению длины рабочей камеры L к средней скорости на выходе сопла питания и0.

Визуальное исследование процесса переключения [81, 88] по­ казывает, что возможны переходные процессы двух типов:

1.В элементах с малым смещением стенок (а/Ьи < 0,5) при

подаче сигнала управления струя сначала притягивается к про­ тивоположной стенке, а затем отрывается от стенки, к которой была притянута первоначально. В этом случае в определенные моменты времени струя притянута к обоим стенкам.

2.При больших значениях смещения процесс переключения проходит иначе — сначала струя отрывается от той стенки, к ко­ торой она была притянута, а затем притягивается к противопо­ ложной.

Вобоих случаях наблюдаются две стадии развития процес­

са — устойчивая и неустойчивая. На первой стадии каждому

245

данному значению расхода управления соответствует определен­ ный объем циркуляционной зоны. На второй стадии при расходе, превышающем расход срабатывания, происходит лавинообраз­ ное увеличение объема циркуляционной зоны, приводящее к от­ рыву струи от стенки.

Для анализа процесса переключения важно выяснить, что является причиной переключения — восполнение эжектируемого расхода или отклонение силовой струи в результате соударения со струей управления.

Рассмотрим результаты экспериментального исследования обоих типов переключения.

На укрупненных моделях струйных элементов [81] с до­ статочно длинными стенками и малыми смещениями исследова­ лась реакция струйного элемента на скачкообразное изменение давления ‘. Скачок давления осуществлялся с помощью ударной трубы. В результате экспериментов было установлено, что вре­ мя переброса уменьшается с увеличением отношения давления управления к давлению питания ру/ра и возрастает при увеличе­ нии давления питания рп при неизменном руІрп-

Исследования показали, что при быстром нарастании сигна­ ла управления струя отрывается от стены не в результате вос­ полнения эжектируемого расхода за счет расхода управления, а в результате отклонения силовой струи вследствие ее соударе­ ния со струей питания.

Исследования второго типа отрыва струи от стенки [88] пока­ зали, что отрыв струи в этом случае является следствием сов­ местного действия как восполнения эжектируемого расхода, так

и соударения струй. Причем время переключения уменьшается

сувеличением разности между подаваемым давлением и давле­ нием срабатывания.

Опыт построения схем и результаты исследований показыва­ ют, что динамические свойства элементов в существенной степе­ ни зависят от параметров соединительных линий и нагрузки. Отражение волны давления от концов линии и поворотов может изменить скорость переключения и вызвать ложные срабаты­ вания.

При проведении динамических испытаний элементов важно иметь такие ж е условия нагружения, как и в реальных устрой­ ствах. Причем это относится не только к гидравлическому сопро­ тивлению нагрузки, но и к ее волновым свойствам. В качестве нагрузки можно использовать струйные элементы, аналогичные испытуемым [47].

В заключение отметим, что полоса частот пропускания эле­

246

1.О бщ ие определения

Всистемах струйной автоматики находят применение струйные диоды. Струйные диоды — это проточные элементы, не содержа­ щие подвижных механических частей и отличающиеся тем, что при различных направлениях течения через них жидкости ее расход при одинаковой потере напора оказывается существенно различным. Направление течения, для которого расход через диод получается большим, называют прямым, а противополож­ ное направление — обратным. В соответствии с этим различают прямой и обратный расходы.

Известные в настоящее время струйные диоды различаются по способу уменьшения обратного расхода. С этой точки зрения их можно разделить на две основные группы.

Вдиодах первой группы уменьшение обратного расхода до­ стигается конструированием проточной части элемента таким образом, чтобы при обратном направлении течения возникала

значительная деформация потока, сопровождаемая отрывами его от стенок, соударением струй и другими гидродинамическими эффектами, приводящими к значительному увеличению гидрав­ лического сопротивления. Напротив, в прямом направлении про­ точная часть диода должна быть по возможности удобообтекаемой. Следовательно, в основе принципа действия диодов этой группы лежит изменение гидравлического сопротивления при из­

менении направления течения жидкости. Поэтому диоды этой группы могут быть названы резисторными.

В диодах второй группы уменьшение расхода в обратном направлении достигается путем полного или частичного откло­ нения струи в канал сброса. Это отклонение может быть вызва­ но, например, соударением струй, притяжением струи к специ­ альной стенке, турбулизацией ламинарной струи или закруткой

потока в рабочей камере. Диоды этой группы могут быть назва­ ны дефлекторными.

Качество струйного диода определяется величиной отноше­ ния прямого Qnp и обратного Q0s расходов при одинаковой поте­

247

Следует отметить, что в случае дефлекторных диодов под Q0â

понимается остаточный расход, который имеет место на выходе диода. Для резисторных диодов наряду с показателем Дф ис­ пользуется также величина отношения коэффициентов гидрав­ лического сопротивления диода в обратном £0б и прямом £пр на­

правлениях при одинаковой потере напора. Это отношение наз­ вано диодностью по сопротивлению и обозначается Д:

При развитом турбулентном течении £0б и £тгр, а следователь­ но, Д и Др являются функциями только пограничной геометрии проточной части диода.

При ламинарном режиме течения коэффициенты сопротивле­ ния диода в общем случае могут быть выражены следующим образом [22]:

где Лпр и Лоб — коэффициенты, зависящие от конфигурации проточной части диода в прямом и обратном направлениях. Диодность по сопротивлению в этом случае определяется фор­ мулой

Величина Д г, представляющая собой отношение коэффици­ ентов, зависящих только от пограничной геометрии проточной части диода, может быть названа геометрической диодностью.

248

Подставляя выражение (350) в формулу (349), находим, что Д<? = Дг, т. е. при ламинарном режиме течения диодиость по

расходу равна геометрической диодности.

В большинстве случаев коэффициенты Лпр и А 0б мало отли­ чаются один от другого, поэтому величина MQ при ламинарном

режиме течения, как правило, имеет порядок единицы.

Таким образом, качество струйных резисторных диодов при ламинарном режиме течения оказывается невысоким. Этот вы­ вод подтверждается экспериментально [103].

У дефлекторных диодов показатели диодности могут быть такого же порядка, как и у диодов электрических, для которых отношение прямого тока к обратному достигает значительных величин.

Для резисторных диодов показатели диодности оказываются значительно меньшими. Поэтому при включении в схемы их действие будет существенно зависеть от соотношения сопротив­ лений самого диода и элементов, включенных с ним в одну ли­ нию (см. ниже).

В отдельных случаях диод, как элемент схемы, конструктивно включает в себя устройства, обладающие заметными гидравли­ ческими сопротивлениями (например, сопловые камеры, служа­ щие для организации потока, подводимого в рабочую камеру

диода).

В связи с этим целесообразно ввести понятия базовой и эле­ ментной диодности. Базовая диодиость определяется для изо­

лированного диода данного типа при работе в заданном диапа­ зоне изменения его режимных параметров (расходов и давле­ ний). Под элементной диодностью понимается диодиость элемента, включающего базовый диод, а также конструктивно связанные с ним устройства.

2. Основные типы струйных диодов

Резисторные диоды. Они различаются в основном по способу создания значительного обратного сопротивления. Для получе­

ную деформацию обратного потока или его закрутку.

В одном из первых типов диодов (рис. 112, а) * для получе­

ния высокого обратногоісопротивления использовалось разделе­ ние потока с помощью специальных расщепителей и последую­ щее почти встречное соединение (соударение) разделенных по­ токов, сопровождающееся большой потерей энергии потока. При течении в прямом направлении поток практически не разде­ ляется, так как направленная навстречу ему грань расщепителя практически совпадает с поверхностью стенки. Эту конструк-

* На этом и последующих рисунках сплошными линиями обозначен пря­ мой поток, а штриховыми — обратный.

249