8. КОМБИНИРОВАННЫЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ

Выше были рассмотрены однокаскадные пневматические двигатели. Их преимущества — простота, малая масса, высокая надежность и т. Однако в однокаскадных пневматических двигателях невозможно получить эффективное использование энергии, связанное с предельным циклом Карно. Кроме того, турбинные и газомоторные однокаскадные двигатели большой мощности обладают значительным собственным моментом инерции, в результате чего ухудшаются их динамические качества. Поэтому для получения пневматических двигателей с предельным значением к. п. д. и повышения динамических качеств рота тивных пневматических двигателей необходимо применять

комбинированные пневматические двигатели. Любой комбинированный пневматический двигатель состоит из определенного числа однокаскадных пневматических двигателей, причем в одну систему могут объединяться двигатели различных типов.

Комбинированные пневматические двигатели можно разбить на две группы: с повышенным к. п. д. и с улучшенными динамическими качествами.

Остановимся подробнее на принципах и методах построения комбинированных пневматических двигателей этих двух групп.

Комбинированные газовые двигатели с повышенным к. п. д. (многоступенчатые пневматические двигатели). Любой пневматический двигатель представляет собой тепловую машину, работающую на энергии сжатого газа, которую можно определить тремя параметрами: расходом газа давлением и температурой источника Предположим, что выхлоп газа из двигателя осуществляется в ресивер или окружающую среду сдавлением и температурой . Тогда максимальное значение к. п. д. пневматического двигателя будет определяться формулой (цикл Карно)

Рис. XI. 18. Принципиальная схема многоступенчатой пневматической турбины: 1 — неподвижные лопаточные аппараты (сопловые); 2 — подвижные лопаточные аппараты (колесные); 3 — ротор турбины; 4 — статор турбины

Однако условия термодинамического цикла в действительности не выполняются и к. п. д. пневматичёского двигателя может лишь приближаться к значению

Расчеты к. п. д. реальных циклов [2], [6] показывают, что в одной ступени расширения (однокаскадном пневматическом двигателе) обычно не удается использовать всю энергию газа от источника с высокими входными параметрами Поэтому основной конструктивной схемой создания высокоэкономичных комбинированных пневматических двигателей является такое сочетание однокаскадных пневматических двигателей, при котором выходные параметры предыдущего пневматического двигателя являются входными параметрами для последующего пневмодвигателя т. е.

Комбинированные двигатели, работающие по указанной схеме, называются многоступенчатыми.

Наиболее известным комбинированным пневматическим двигателем, выполненным по многоступенчатой схеме, является многоступенчатая пневматическая турбина, схема которой приведена на рис. XI. 18 Газ, выходящий из лопаточного аппарата колеса предыдущей ступени, направляется в сопловой аппарат последующей ступени. Такое разделение

ление энергии газа по ступеням дает выигрыш в развиваемом крутящем моменте многоступенчатой пневматической турбины по сравнению с одноступенчатой, имеющей тот же расход газа и ту же угловую скорость вращения. Отметим, что в этом случае необходим лишь один пневматический усилитель на входе в первую ступень.

Исследованию многоступенчатых пневматических турбин посвящено большое число работ, где подробно анализируются методы получения наивысшего к. п. д. за счет выбора оптимального числа ступеней, применения регенерации тепла, промежуточного подогрева и т. д.

Однако многоступенчатая пневматическая турбина с регенераторами представляет собой достаточно сложный агрегат, причем отдача мощности на единицу массы пневматического двигателя у нее будет значительно меньше, чем у одноступенчатой активной пневматической турбины. Поэтому, как правило, турбинные пневматические двигатели для приводов систем автоматического регулирования и управления выполняются одноступенчатыми. По тем же причинам использовать многоступенчатые турбинные пневматические двигатели можно лишь тогда, когда требования по экономичности пневматического двигателя имеют максимальные значения (например, мощный пневматический привод наземных стационарных систем).

Поршневые и диафрагменные однокаскадные пневматические двигатели обычно обладают еще меньшим к. п. д., чем одноступенчатые пневматические турбины, поэтому вопрос повышения их экономичности приобретает особое значение. Последнее привело к появлению многоступенчатых пневматических двигателей статического действия, подробно описанных в работе [7].

Комбинированные газовые двигатели с улучшенными динамическими качествами. Одним из путей повышения динамических качеств пневматических двигателей является уменьшение эквивалентного собственного момента инерции (собственной массы) комбинированного пневматического двигателя. Отметим, что для диафрагменных и поршневых пневматических двигателей собственная масса движущихся частей настолько мала, что обычно ее не учитывают. Для реактивных пневматических двигателей момент инерции вращающихся частей растет гораздо быстрее, чем развиваемый двигателем крутящий момент.

Рассматривая выражения для максимального крутящего момента, развиваемого ротативными пневматическими двигателями, полученные в предыдущих параграфах, нетрудно заметить, что крутящий момент двигателя пропорционален диаметру его вращающейся части, т. е.

где — диаметр вращающейся части; — конструктивный коэффициент.

Момент инерции круглого вращающегося тела пропорционален четвертой степени диаметра, т. е.

где — конструктивный коэффициент.

Мощность ротативного пневматического двигателя можно определить как

где — угловая скорость вращения.

Так как величина угловой скорости ограничена условиями прочности вращающейся части и особенно условиями надежной работы подшипников, рост мощности пневматического двигателя может происходить только за счет увеличения развиваемого двигателем момента. Но тогда, сравнивая выражение для крутящего момента с соотношением (XI.68), можно сделать вывод, что увеличение мощности ротативного пневматического двигателя связано с непременным ухудшением его динамических качеств за счет увеличения собственного момента инерции (уменьшения располагаемого ускорения).

Уменьшение собственного момента инерции однокаскадного привода возможно лишь в малой степени за счет конструктивных тонкостей в выполнении ротора двигателя. В то же время можно создать многороторную систему комбинированного пневматического двигателя, у которой отношение развиваемого момента к эквивалентному (суммарному) моменту инерции будет значительно больше, чем в однороторном двигателе той же мощности.

Если развиваемый однороторным пневматическим двигателем момент

то собственный момент инерции двигателя

Для упрощения выкладок примем, что многороторная система состоит из одинаковых однороторных двигателей, соединенных с выходным валом через передачу с коэффициентом редукции, равным единице. Тогда для создания такого же момента в многороторной системе каждый ее ротор должен развивать момент

где — число двигателей в системе;

— диаметр ротора каждого двигателя.

Собственный момент инерции каждого двигателя равен

Эквивалентный собственный момент инерции многороторной системы

Из сравнения формул (XI.69) и (XI.70) видно, что при одном и том же развиваемом моменте собственный момент инерции

комбинированного пневматического двигателя в раз меньше, чем у однокаскадного пневматического двигателя. Но необходимо отметить, что реальное уменьшение эквивалентного собственного момента инерции комбинированного двигателя будет несколько меньше, так как в приведенном оценочном расчете не учтен добавочный момент редукторов. Однако с ростом числа роторов принципиально возможно добиться практически любой величины отношения т. е. располагаемого ускорения двигателя.

Конструктивная схема такого комбинированного двигателя с двухвенечными пневматическими турбинами показана на рис. XI. 19. Достоинство многороторного комбинированного двигателя — управление осуществляется одним пневматическим усилителем.

Рис. XI.19. Принципиальная схема многороторного двигателя: 1 — корпус; 2 — ротор; 3 — редуктор; 4 — выходной вал; — газовые потоки; давления

Рис. XI.20. Структурная схема двухдвигательного следящего привода: — следящий пневматический двигатель; — корректирующий пневматический двигатель; — пневматические усилители следящего и корректирующего пневматического двигателей; — углы поворота входного вала и вала нагрузки; — механический дифференциал

Кроме того, этот двигатель обладает повышенной надежностью по сравнению с однокаскадным двигателем, так как при выходе из строя одного из двигателей комбинированный пневматический двигатель может функционировать (с соответственным уменьшением мощности).

Одним из важнейших критериев динамических качеств следящей системы является порядок астатизма ее передаточной функции.

При использовании однокаскадного пневматического двигателя порядок астатизма может быть повышен только за счет введения в следящую систему связей по возмущению [11]. В следящей системе с двумя пневматическими двигателями, работающими на одну нагрузку через дифференциал, возможно получение астатизма второго порядка без добавочных связей по возмущению. Итак, за счет применения двухдвигательного комбинированного пневматического двигателя возможно существенно улучшить динамические качества системы. Структурная схема такого комбинированного двигателя показана на рис. XI.20. Сущность улучшения динамической точности системы состоит в том,

что один из двигателей (более мощный) компенсирует основную ошибку системы, а второй (маломощный) компенсирует ошибки мощного двигателя. Отметим, что в данном случае для управления комбинированным пневматическим двигателем необходимы уже два пневматических усилителя, каждый из которых управляется своим электромеханическим преобразователем. Методика расчета такой двухдвигательной системы подробно изложена в работе [5], [7], [11].