7-4. ДРОССЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Общие сведения. Важными элементами пневматической системы воздушного выключателя являются дроссельные устройства, сокращенно называемые дросселями и предназначенные для создания сопротивления движению воздуха. Простейший дроссель представляет собой канал той или иной длины в перегородке, установленной в канале, по которому движется воздух (рис. 7-31). Поперечное сечение канала дросселя может иметь любую форму. Однако в большинстве случаев используются дроссели с поперечным сечением канала в виде круга 1 или кольца шириной образованного внутренней поверхностью канала 2 и наружной поверхностью цилиндрического 3 или конического стержня 4. Первые называются цилиндрическими дросселями, а вторые — щелевыми.
В щелевых дросселях проходное сечение канала может изменяться в тех или иных пределах путем перемещения стержня 3 или 4 при настройке дроссельного устройства. Гидравлическое сопротивление цилиндрического дросселя с каналом постоянного проходного сечения будет неизменным преданных конструктивных размерах дросселя. Изменение гидравлического сопротивления щелевого дросселя достигается изменением проходного сечения дросселя (ширины щели б), изменением длины /, на которую входит стержень 3 в канал 2г или же
одновременным изменением длины I и проходного сечения дросселя путем перемещения конического стержня 4 в таком же отверстии 2.
Дроссели, в которых поперечное сечение канала не может изменяться при работе, называются нерегулируемыми. Дроссели, в которых длина /, либо ширина щели 6, либо то и другое одновременно могут изменяться при работе, называются регулируемыми.
Изменение гидравлического сопротивления регулируемого дросселя может быть достигнуто изменением длины канала постоянного сечения. Например, на стержне 5 (рис. 7-31) может быть нарезана спиральная канавка прямоугольного, полукруглого или иного сечения. Для того чтобы весь воздух, поступающий в дроссель, проходил только через спиральную канавку, стержень 5 должен, плотно* но без натяга входить в канал 2. Гидравлическое сопротивление дросселя увеличивается при перемещении стержня вглубь канала и уменьшается при перемещении его в обратном направлении.
Рис. 7-31. Дроссели различных типов
Возможны и иные конфигурации дросселей, например с шариком, с заслонкой и т. д. Однако они не получили существенного применения в воздушных выключателях и в данной книге не рассматриваются. С их конструкцией можно ознакомиться в [5, 6, 7].
Прохождение воздуха через дроссель сопровождается необратимой потерей механической энергии воздуха, а именно переходом механической энергии воздуха в тепло.
Потери механической энергии, возникающие при движении воздуха через дроссель, характеризуются уменьшением полного давления. Они складываются из местных потерь при входе воздуха в канал дросселя, потерь полного давления при выходе из этого канала, потерь на трение в самом канале дросселя.
Потери полного давления на входе в дроссель (местные сопротивления) обусловливаются конфигурацией кромок входного отверстия канала, его формой, состоянием стенок канала (гладкие, шероховатые и т. п.) и могут быть определены по формуле (2-45). Подробные данные о потерях на входе и выходе приведены в § 2-6.
Потери полного давления, обусловленные трением воздуха о стенки канала, определяются по формуле (2-42), в которой wср представляет собой среднюю скорость движения воздуха по каналу дросселя, а р1 и р2 — соответственно абсолютные давления воздуха перед дросселем и за ним. Значения коэффициента местного сопротивления могут быть взяты из табл. П-2.
Потеря полного давления в дросселе равна сумме потерь давления на входе и выходе и потерь на трение в канале.
В дросселях с различными геометрическими данными в зависимости от значений давления до и после дросселя могут превалировать местные потери на входе и выходе или потери на трение при движении воздуха по каналу дросселя. Движение это может быть ламинарным или турбулентным, в зависимости от чего меняются основные характеристики дросселя. При турбулентном движении воздуха на характеристики дросселя в некоторых случаях оказывает влияние состояние стенок канала (шероховатость), в то время как при ламинарном движении воздуха влияние этого фактора не проявляется.
Качественно новые явления в дросселе возникают при достижении в его канале скорости движения воздуха, равной скорости звука. Хотя при этом расход воздуха через дроссель и зависит от температуры и давления воздуха перед дросселем, однако он сохраняется постоянным и при изменении давления за дросселем. В некоторых случаях, например при надкритическом истечении, в потоке воздуха на выходе из канала дросселя или в самом канале образуется система скачков уплотнения, в которой так же, как и от действия сил трения, при обычном движении происходит необратимый переход механической энергии потока в тепло. Возникающие при этом потери складываются с потерями, определяющими процесс прохождения воздуха через дроссель.
Характер движения воздуха через дроссель является весьма сложным и изменчивым, так как определяется различным сочетанием указанных выше условий.
По условиям работы дроссели можно разделить на три типа:
Турбулентные дроссели, имеющие канал цилиндрической формы с малым отношением длины к диаметру, в которых эффект дросселирования вызывается местными сопротивлениями на входе и выходе из канала, а влияние сил трения при движении воздуха по каналу практически не сказывается. Как правилу движение воздуха в этих дросселях оказывается турбулентным и обычно адиабатным.
Ламинарные дроссели, имеющие цилиндрический канал с большим отношением длины к диаметру, при котором обеспечивается ламинарное движение воздуха и основное значение приобретают потери на трение при протекании воздуха по каналу дросселя. К ламинарным дросселям относятся дроссели и другой формы, в частности щелевые, при условии, что процесс течения воздуха в них удовлетворяет указанным выше признакам. Ламинарные дроссели работают в условиях под- критического режима.
3. Дроссели смешанного типа, работающие при любых других сочетаниях условий течения воздуха.
Каждый из трех указанных типов дросселей может быть выполнен регулируемым, т. е. предусматривается возможность измерения его гидравлического сопротивления, или нерегулируемым, т. е. с постоянным гидравлическим сопротивлением.
Основной характеристикой дросселя является характеристика расхода, т. е. изменение массового секундного расхода воздуха в зависимости от давления воздуха до и после дросселя. При разработке дросселей необходимо учитывать разнообразные специфические факторы, влияющие на характеристику расхода, и те требования, которым она должна удовлетворять по условиям эксплуатации. Например, в ряде случаев необходимо иметь строго линейную характеристику расхода, обеспечить надежную работу клапана при малых расходах воздуха и т. д.
При разработке ламинарных дросселей приходится преодолевать трудности, обусловленные тем, что движение воздуха в канале дросселя оказывается ламинарным только при очень малых перепадах давления до и после дросселя, очень малых проходных сечениях и больших отношениях длины канала дросселя к его диаметру. Если при этом необходимо получать достаточно большие расходы воздуха, приходится использовать элементы, состоящие из нескольких параллельно соединенных дросселей.
К регулируемым дросселям в ряде случаев предъявляется требование обеспечения неизменной характеристики расхода при перерегулировках дросселя. Например, если регулируемый дроссель снабжен шкалой, то после перестройки при повторных установках его в одно и то же положение характеристика расхода для него должна оставаться строго неизменной. Опыт показывает, что при одних и тех же давлениях до и после дросселя расход через щелевой дроссель при повторных установках стержня может меняться в довольно широких пределах, если нарушается концентрическое положение стержня относительно стенок канала. Так, например, если стержень будет прижат к стенке канала, то расход воздуха будет примерно в 2,5 раза больше, чем при концентрическом расположении стержня относительно стенок канала, хотя диаметры стержня и канала в обоих случаях не меняются. Поэтому щелевой дроссель должен быть выполнен так, чтобы всегда было обеспечено концентрическое положение стержня относительно канала. Примеры такого конструктивного выполнения стержня дроссельного устройства приведены на рис. 7-32. Стержень имеет цилиндрическую головку / с четырьмя вырезами для прихода воздуха (см. разрез по А—А). Наружный диаметр головки и внутренний диаметр канала обрабатываются под ходовую посадку по первому или второму классу точности.
Рис. 7-32. Щелевые дроссели
Турбулентные дроссели.
При адиабатном турбулентном движении воздуха его расход через эти дроссели для подкритических и надкритических режимов определяется по формулам (2-54) и (2-55), где р1 — абсолютное давление перед дросселем, Рг — абсолютное давление за дросселем. Переход от подкритического режима истечения к надкритическому совершается при (Р1/Рй)кр=0,527.
Ламинарные дроссели.
При некоторых условиях эти дроссели могут иметь линейную характеристику расхода. Так, например, если разность давлений до и после дросселя мала по сравнению с абсолютными значениями этих давлений, то скорость воздуха в канале невелика и мало меняется по длине канала, а если не учитывать дополнительные потери при формировании ламинарного потока на начальном участке канала дросселя, то можно считать, что массовый секундный, расход воздуха и перепад давления в дросселе связаны между собой линейной зависимостью. Эта зависимость для канала круглого сечения определяется формулой Пуазейля:
(7-30)
где G — расход воздуха, кг/с; d — диаметр канала дросселя, м; р — плотность воздуха, кг/м*; ji —динамическая вязкость,
Па «с; 1 — длина канала; м; р\ и — абсолютное давление воздуха до и после дросселя, Па.
Линейность характеристики расхода дросселя нарушается с переходом от ламинарного течения к турбулентному. Однако и при ламинарном течении характеристика расхода дросселей этого типа может оказаться нелинейной вследствие влияния следующих факторов. Нелинейность характеристики расхода может вызываться увеличенными потерями на начальном участке канала дросселя, на котором происходит формирование ламинарного течения; длина этого участкд не остается постоянной, а меняется с- изменением разности Давлений до и после дросселя. При относительно больших, перепадах давления в дросселе, на характеристике расхода Может сказаться изменение плотностей воздуха по длине канала дросселя, его влияние может проявляться как при сравнительно малых, так и при больших скоростях движения воздуха, при больших изменениях скорости воздуха по длине канала дросселя на характеристики процесса движения воздуха, а в связи с этим и на потери, возникающие при дросселировании, могут оказать влияние силы инерции, обусловленные ускорением потока воздуха в канале дросселя. Одновременный учет влияния этих факторов представляет значительные трудности.
Дроссели смешанного типа.
К ним могут быть отнесены дроссели с цилиндрическим каналом, когда потери полного давления на входе и выводе соизмеримы с потерями на трение в канале и, следовательно, ни теми, ни другими пренебрегать нельзя. Кроме того, к этой категории могут быть отнесены дроссели с каналом нецилиндрической формы (типа сопло — заслонка, шариковые дроссели и др.).
Рис, 7-33. Пневматические камеры
Пневматические камеры, представляющие собой замкнутые объемы, широко применяются в пневматических системах управления воздушными выключателями. Заполнение камеры воздухом или ее опоражнивание осуществляется через регулируемые или нерегулируемые дроссели. Камера обычно имеет цилиндрическую, форму, В зависимости от конструктивной компоновки системы управления дроссели могут размещаться на торцевых или боковых поверхностях камеры. Конструктивное Выполнение Камеры может быть различным. Наиболее часто применяются (рис. 7-33):
единичная глухая пневматическая камера У с постоянным объемом;
единичная проточная (междроссельная) пневматическая камера 2 с постоянным объемом;
единичная проточная пневматическая камера 3 с переменным объемом;
наборная пневматическая камера 4, состоящая из нескольких одинаковых камер, соединенных между собой последовательно посредством дросселей.
Дроссели на входе и выходе камеры Могут иметь одинаковое или различное поперечное сечение, могут быть регулируемыми или нерегулируемыми.
Основной характеристикой пневматической камеры является изменение давления воздуха в камере р\ в зависимости от давления воздуха до камеры ро и после камеры /?2. Кроме того, характеристикой для камеры с регулируемым дросселем является изменение давления воздуха в камере в зависимости от положения дросселя.
Рис. 7-34. Статические характеристики Р1/р2 простейшей проточной камеры (2 на рис. 7-33) при турбулентных дросселях и различных значениях /i/f2
Определение давления воздуха в пневматической камере можно производить по кривым, приведенным на рис. 7^34. На этом рисунке указаны области, соответствующие различному сочетанию режимов истечения: область / охватывает режимы подкритического истечения в обоих дросселях (границы этой области cad) область II — режимы надкритического истечения в нервом дросселе и подкритического во втором (Оad), область lit— режимы под- критического истечения в первом дросселе и надкритического во втором (bас) и область IV — режимы надкритического истечения в обоих дросселях (ЬаО).
Пневматическая камера позволяет получить требуемую характеристику нарастания давления в каком-либо объеме за камерой во времени, замедляя нарастание давления в том или ином объеме. Кроме того, пневматическая камера, выполненная в виде дроссельного пакета, может выполнять роль редуктора для понижения давления (см. рис. 7-8).
