4. ОДНОКАСКАДНЫЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ СО СТРУЙНОЙ ТРУБКОЙ

Класс гидравлических усилителей со струйной трубкой получил наибольшее распространение в системах автоматического регулирования и управления общепромышленного назначения.

На рис. VI 11.15 показана упрощенная принципиальная схема гидравлического усилителя со струйной трубкой. В корпусе 3 усилителя находится трубка 2, один конец которой выполнен в виде конического насадка. Другой конец трубки закреплен на оси О, перпендикулярной к плоскости рисунка. От источника питания (насоса) через ось в струйную трубку подается рабочая жидкость под постоянным давлением Трубка получила название струйной трубки, так как из ее конического насадка рабочая жидкость истекает в форме струи.

Рис. VIII. 15. Схема гидравлического усилителя со струйной трубкой: 1 — толкатель; 2 — струйная трубка; 3 — корпус; 4 — пружина; 5 — установочный винт; 6 — упоры; 7 — колпачок; 8 — приемные сопла

На струйную трубку опирается толкатель 1, соединенный с каким-либо датчиком или преобразующим элементом системы регулирования. На струйную трубку опирается также пружина 4, начальное натяжение которой может быть изменено при помощи поворота установочного винта 5. В автоматических регуляторах пружина 4 может выполнять функции задатчика.

Струйная трубка может поворачиваться вокруг оси О на небольшие углы. Напротив конического насадка струйной трубки расположена плитка с двумя приемными соплами 8, входные окна которых находятся в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения трубки. Приемные сопла выполнены в виде конусов, расширяющихся в направлении от входных окон. Сопла соединены трубопроводами с гидравлическим двигателем. Расположение конического насадка по отношению к приемным соплам влияет на полноту использования мощности потока рабочей жидкости, подведенной к усилителю. По этой причине положение оси конического насадка относительно осей приемных сопел может регулироваться как в плоскости вращения трубки, так и иногда в плоскости, перпендикулярной к плоскости вращения. Конический насадок струйной трубки находится внутри цилиндрического колпачка 7, служащего для устранения подсоса воздуха в гидравлическую систему струей рабочей жидкости. Во время работы усилителя внутреннее пространство колпачка заполнено жидкостью и это препятствует проникновению воздуха в систему. Существуют гидравлические усилители с затопленным

коническим насадком струйной трубки (рис. VIII. 16, а) или с полностью затопленной струйной трубкой. В таких гидравлических усилителях колпачок 7 отсутствует, так как в этих случаях струя истекает под уровень рабочей жидкости и слой ее над выходным отверстием конического насадка предохраняет гидравлическую систему от проникновения в нее воздуха. Упоры 6 (рис. VIII.15), находящиеся в корпусе усилителя, являются ограничителями поворота струйной трубки. Внутреннее пространство корпуса гидравлического усилителя соединено со сливной линией.

Рис. VIII.16. Струйные трубки: а — с затопленным коническим насадком: 1 — струйная трубка; 2 — слой рабочей жидкости; 3 — приемные сопла; б — конструктивная схема: 1 — опорная игла; 2 — тройник; 3 — полая ось; 4 — струйная трубка; 5 — конический насадок

На рис. VIII. 16, б приведена одна из конструктивных модификаций струйной трубки. Длина струйной трубки колеблется в пределах 70—170 мм, внутренний диаметр струйной трубки равен 4—6 мм, диаметр выходного отверстия конического насадка мм. Линейное перемещение конца струйной трубки может достигать мм в каждую сторону от нейтрального (среднего) положения, при котором ось струйной трубки совпадает с серединой имеющейся перемычки между входными окнами приемных сопел. Диаметр входных окон находится в пределах , ширина перемычки между ними зависит от способов изготовления приемных сопел и составляет .

В коническом насадке струйной трубки происходит увеличение скорости потока и соответственно кинетической энергии. Струя рабочей жидкости выходит из конического насадка с большой скоростью, отличается компактностью и способна на некотором расстоянии сохранять свою форму. Затем струя наталкивается на

плитку с приемными соплами и растекается по ее поверхности, образуя в центре небольшую вихревую зону.

Скорость рабочей жидкости в выходном сечении струйной трубки может быть найдена из уравнения Бернулли. Для сечений потока рабочей жидкости I—I на входе в струйную трубку и II—II на выходе из нее (см. рис. VIII. 16, б) уравнение Бернулли получит вид

где — суммарная потеря энергии на местные сопротивления и трение по длине при движении жидкости от сечения до сечения II—II.

Разностью геометрических напоров (потенциальных энергий положения) можно пренебречь в силу их малости по сравнению с другими членами уравнения. Считаем, что режим движения жидкости в сечениях и II—II один и тот же. Тогда коррективы осреднения скорости одинаковы, т. е. Согласно уравнению неразрывности

где — площади поперечных сечений потока соответственно на входе в струйную трубку и на выходе из нее; и — скорости рабочей жидкости в сечениях и II—II. Следовательно, имеем

Представим величину потерь энергии потока через

где — суммарная потеря энергии потока, выраженная в единицах давления, и подставим выражения (VIII.30) и (VIII.31) в уравнение Бернулли (VIII.28), получим

Из уравнения (VIII.32) имеем

В случае, когда отношение мало и близко к нулю, и давление на выходе конического насадка равно атмосферному

скорость рабочей жидкости на выходе из струйной трубки (из ее конического насадка) определяется по формуле

В формуле (VIII.34) давление можно считать равным давлению питания гидравлического усилителя. В гидравлических усилителях со струйной трубкой скорость истечения струи равна и более.

Струя несжимаемой жидкости, истекающая в среду меньшей плотности (например, из струйной трубки в атмосферу), носит название свободной незатопленной струи.

Рис. VIII. 17. Истечение струи из конического насадка: а — структура свободной затопленной струи, истекающей из конического насадка; — перекрытие входных окон 1 приемных сопел переходным сечением 2 струи при нейтральном положении струйной трубки; в — неодинаковое перекрытие входных окон 1 приемных сопел переходным сечением 2 струи при отклонении струйной трубки от нейтрального положения

Незатопленная струя, двигаясь в воздушной среде, нарушает свою компактность. Она разбивается на отдельные аэрированные струйки, увлекая за собой воздух. Струя несжимаемой жидкости, истекающая в среду равной плотности (например, из струйной трубки под уровень той же жидкости), называется свободной затопленной струей. Движение такой струи происходит без распада потока на отдельные струйки. Однако из-за наличия осевого и поперечного движения частиц в турбулентной затопленной струе между ней и окружающей средой происходит обмен масс через пограничный слой. Поэтому масса движущегося потока возрастает, а скорость струи постепенно уменьшается. Поскольку процесс обмена масс не сразу охватывает все тело струи, то в начальном участке ее, как это видно на рис. VIII. 17, а, образуется ядро постоянных скоростей, равных скорости на срезе конического насадка.

Длина начального участка круглой струи, ограниченная сечением, в котором заканчивается ядро постоянных скоростей (переходное сечение на рис. VIII. 17, а), определяется по выражению

здесь — диаметр выходного отверстия струйной трубки.

Диаметр струи в переходном сечении равен

где — угол конуса расширяющейся струи.

Для эффективного использования кинетической энергии струи необходимо выбрать оптимальный зазор между торцом конического насадка и плоскостью входных окон приемных сопел Диаметр струи в переходном сечении определяет диаметр входных окон и размер перемычки между ними, так как в нейтральном (среднем) положении струйной трубки струя рабочей жидкости, истекающая из конического насадка, перекрывает одинаково входные окна приемных сопел. В этом случае (рис. VIII. 17, б)

где — диаметр входных окон приемных сопел;

— ширина перемычки между входными окнами.

Ось струйной трубки может быть расположена как горизонтально, так и вертикально. При вертикальном расположении (коническим насадком вниз) реакция истекающей струи

где — плотность рабочей жидкости;

— расход рабочей жидкости через струйную трубку; — скорость рабочей жидкости на выходе из конического насадка, действует против сил веса и уменьшает силы трения в опорах струйной трубки.

Принцип действия гидравлического усилителя со струйной трубкой основан на динамическом взаимодействии частиц жидкости струи, истекающей из конического насадка, с частицами жидкости в приемных соплах.

В нейтральном (среднем) положении струйной трубки ее ось совпадает с серединой перемычки между входными окнами приемных сопел и усилия, приложенные к струйной трубке со стороны датчика или преобразующего элемента и со стороны пружины, создают одинаковые моменты относительно оси вращения струйной трубки. Струя, вытекающая из конического насадка, ударяется о рабочую жидкость, находящуюся в приемных соплах, и в нейтральном положении струйной трубки вследствие одинакового перекрытия входных окон приемных сопел создает в них равные давления. Так как гидравлический двигатель, подключенный к гидравлическому усилителю со струйной трубкой, при этом неподвижен, то и рабочая жидкость в приемных соплах не перемещается. Рабочая жидкость, поступающая из струйной трубки, заполняет колпачок и переливается из него в корпус гидравлического усилителя, а затем поступает по сливной линии в резервуар насоса.

При изменении усилия датчика или преобразующего элемента возникает разность моментов, приложенных к струйной трубке, и трубка отклоняется от нейтрального положения. В этом случае

струя, истекающая из насадка, перекрывает входные окна приемных сопел уже различно (рис. VIII. 17, в). Это различие заключается в изменении площадей входных окон, перекрываемых струей, в перераспределении скоростей частиц жидкости по площади каждого входного окна, а также в изменении направлений скоростей в плоскости входных окон (см. рис. VIII. 19). В результате в одном из приемных сопел давление рабочей жидкости возрастает, а в другом падает. Образовавшийся перепад давлений приводит в движение гидравлический двигатель, и в приемных соплах и соединительных трубопроводах возникает поток рабочей жидкости. Через одно из сопел жидкость поступает к гидравлическому двигателю, а через другое идет из нерабочей полости гидравлического двигателя в колпачок, корпус усилителя и далее по сливной линии в бак насоса.

При неподвижном гидравлическом двигателе струя взаимодействует с рабочей жидкостью в приемных соплах и создает в них давления, набегая как бы на неподвижную преграду. При перемещении гидравлического двигателя рабочая жидкость движется в приемных соплах и струя набегает как бы на подвижную стенку. В последнем случае в одном приемном сопле жидкость движется в том же направлении, что и струя, а в другом — навстречу. В результате при одинаковых положениях струйной трубки давления, создаваемые струей в приемных соплах при перемещении гидравлического двигателя, отличаются от давлений при неподвижном гидравлическом двигателе.

Таким образом, формирование давлений (или перепада давлений) рабочей жидкости в приемных соплах зависит от динамического взаимодействия струи, истекающей из насадка струйной трубки, с неподвижной или движущейся жидкостью, находящейся в приемных соплах. Следовательно, физическая картина образования перепада давлений на выходе гидравлического усилителя со струйной трубкой отличается от образования перепада давлений в междроссельных камерах усилителей с золотником или с соплом и заслонкой.

Входной величиной (координатой) гидравлического усилителя со струйной трубкой является ее угол поворота или пропорциональное ему линейное перемещение конца струйной трубки.

На рис. VIII. 18, а изображен типичный характер зависимости давлений в приемных соплах от перемещения конца струйной трубки при различных постоянных давлениях питания и отсутствии расхода рабочей жидкости на выходе гидравлического усилителя со струйной трубкой.

Отклонение конца струйной трубки или угол ее поворота от нейтрали и внешняя нагрузка на гидравлический двигатель определяют расход рабочей жидкости, поступающей к гидравлическому двигателю, а следовательно, и скорость его перемещения. На рис. VIII. приведена зависимость расхода рабочей жидкости на выходе усилителя от перемещения конца струйной трубки при нулевом перепаде давлений в приемных соплах.

Аналогично гидравлическим усилителям с золотником или с соплом — заслонкой в гидравлическом усилителе со струйной трубкой зависимость между перепадом давлений в приемных соплах, расходом рабочей жидкости на выходе усилителя и его входной координатой (перемещением конца струйной трубки или углом ее поворота) описывается обобщенной характеристикой.

Рис. VIII. 18. (см. скан) Статические характеристики усилителя: а — зависимость давлений в приемных соплах от входной координаты и постоянного давления питания гидравлического усилителя со струйной трубкой при отсутствии расхода рабочей жидкости на выходе усилителя; б — зависимость расхода рабочей жидкости на выходе гидравлического усилителя со струйной трубкой от его входной координаты при нулевом перепаде давлений в приемных соплах

Во входных окнах приемных сопел гидравлического усилителя со струйной трубкой происходит дросселирование потока рабочей жидкости, сопровождающееся потерями давления. Дросселирование вызвано тем, что при повороте струйной трубки векторы скоростей частиц жидкости изменяют свои направления и величины в каждой точке поперечного сечения входных окон (рис. VIII. 19). В силу этого гидравлический усилитель со струйной трубкой можно условно представить схемой, показанной на рис. VIII.20. В этом случае путь движения рабочей жидкости от плоскости одного входного окна через гидравлический двигатель до плоскости другого входного окна представляет собой гидравлическую цепочку с последовательно расположенными дросселями 1 и 2 с переменными проходными сечениями.

Гидравлический усилитель со струйной трубкой представляет усилитель мощности. На управление усилителем на его входе

Рис. VIII. 19. Расположение эпюры 1 скоростей частиц жидкости в переходном сечении ПС струи, истекающей из струйной трубки, по отношению ко входным окнам приемных сопел 2: а — при нейтральном положении струйной трубки; б — при отклонении струйной трубки от нейтрального положения

затрачивается небольшая мощность. Она расходуется на преодоление различных сил, препятствующих повороту струйной трубки с какой-либо скоростью. При этом на выходе гидравлического усилителя со струйной трубкой возможно получить значительную мощность в виде мощности потока рабочей жидкости. Эта мощность, являющаяся произведением перепада и расхода рабочей жидкости на выходе гидравлического усилителя, во много сотен раз превышает мощность управления усилителем.

Рис. VIII.20. Схема гидравлического усилителя со струйной трубкой

Преимуществами гидравлических усилителей со струйной трубкой являются простота их конструкции и регулировки, возможность работы на слабоочищенных рабочих жидкостях, надежность в эксплуатации.

Недостатками гидравлических усилителей со струйной трубкой являются неполное использование мощности потока рабочей жидкости, подводимой к усилителю, вследствие холостого перетока жидкости в месте взаимодействия струи с приемными соплами и обусловленный этим невысокий к. п. д., возможность произвольного смещения подвижных частей гидравлического двигателя при изменении внешней нагрузки на него (если двигатель подключен к усилителю со струйной трубкой без обратных связей), несколько увеличенные габариты и вес и меньшая чувствительность по сравнению с другими классами гидравлических усилителей.