Струйное устройство для измерения отношения абсолютных давлений

Струйное устройство для измерения отношения абсолютных давлений относится к технике автоматического управления и, в частности, к струйной пневмоавтоматике и может быть использовано в системах регулирования клапанами перепуска воздуха и направляющими аппаратами компрессора газотурбинного двигателя. Содержит чувствительный элемент с каналом питания, приемным каналом и межсопловой камерой, подключенной к каналу управления элемента сравнения с наклонным каналом питания. Угол наклона оси канала питания относительно продольной оси элемента сравнения в сторону канала управления, соединенного с источником низкого давления, менее угла наклона выходных каналов устройства. Технический результат: повышение точности измерения отношения абсолютных давлений, что в свою очередь улучшает качество регулирования компрессоров газотурбинных двигателей. 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к технике автоматического управления и, в частности, к струйной пневмоавтоматике и может быть использовано в системах регулирования клапанами перепуска воздуха и направляющими аппаратами компрессора газотурбинного двигателя.

Известна система ограничения расхода топлива газотурбинного двигателя, работающая по сигналу отношения абсолютных давлений воздуха (см.: Теория автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов. Управление ВРД. Под ред. д-ра техн. наук, проф. А.А.Шевякова. - М.: Машиностроение, 1976. - С.294). Сигнал, пропорциональный отношению давлений воздуха, вырабатывается нелинейным газодинамическим делителем с помощью проточной камеры с двумя соосно расположенными соплами. Большее давление р_к, участвующее в делении, подводится к входному соплу, меньшее давление p₁ - к камере. В выходном сопле имеем давление р_с как результат деления давлений р_к/p₁. В опорном плече пневматический редуктор вырабатывает давление p_r, обеспечивая пропорциональное редуцирование абсолютного давления р_к. При этом настройка величины пропорциональности p_r/p₁=const осуществляется изменением проходного сечения выходного дросселя редуктора. Сигналы давлений р_с и p_r сравниваются между собой в струйном элементе сравнения. Равенство давлений р_с и p_r соответствует отношению давлений, при котором происходит срабатывание ограничителя расхода топлива. Основными недостатками известного устройства являются ограниченный диапазон измерения отношения давлений из-за необходимости поддержания критического отношения давлений на выходном дросселе пневматического редуктора и невысокая точность из-за погрешности срабатывания элемента сравнения.

Наиболее близким по технической сущности и числу совпадающих признаков является «Устройство для измерения отношения абсолютных давлений» (патент РФ №1674602), которое содержит элемент сравнения с каналом питания, соединенным с источником высокого давления р_к, двумя каналами управления, один из которых соединен с источником низкого давления р_н, двумя выходными каналами, симметричными относительно его продольной оси и расположенными к ней под углом, и чувствительный элемент с соплом питания, соединенным через регулирующий элемент с источником высокого давления р_к, приемным каналом, соединенным с источником низкого давления р_н, и межсопловой камерой, выход которой соединен с другим каналом управления элемента сравнения.

Высокое давление р_к подается в канал питания элемента сравнения и через регулирующий элемент в сопло питания чувствительного элемента, конструкция которого обеспечивает заданное значение отношения π₀=(Р_к/р_н)₀ абсолютных давлений, при котором давление сравнения р_с в межсопловой камере равно низкому давлению рн, и, следовательно, перепад давлений Δр_у в каналах управления элемента сравнения в этом случае равен нулю.

Недостатком известного решения является невысокая точность измерения, т.к. элемент сравнения переключается не в точке заданного значения отношения давлений π₀, при котором перепад давлений в его каналах управления равен нулю, а при большем значении отношения давлений, необходимом для его переключения. Это вносит погрешность измерения Δπ заданного значения отношения давлений π₀.

Цель предлагаемого изобретения - повышение точности измерения отношения абсолютных давлений.

Эта цель достигается тем, что в устройстве для измерения отношения абсолютных давлений, содержащем элемент сравнения с каналом питания, соединенным с источником высокого давления, двумя каналами управления, один из которых соединен с источником низкого давления, двумя выходными каналами, симметричными относительно его продольной оси и расположенными к ней под углом, и чувствительный элемент, канал питания которого соединен с источником высокого давления, приемный канал - с источником низкого давления, а выход - с другим каналом управления, согласно предлагаемому изобретению ось канала питания элемента сравнения отклонена от его продольной оси в сторону канала управления, соединенного с источником низкого давления, на угол менее угла наклона его выходных каналов.

На фиг.1 показана принципиальная схема устройства.

На фиг.2 - конструктивная схема (а) и статическая характеристика чувствительного элемента (б).

На фиг.3 - конструктивная схема элемента сравнения с оптимальным углом наклона канала питания (а), характеристика переключения элемента сравнения с оптимальным углом наклона канала питания (б) и статическая характеристика чувствительного элемента (в).

На фиг.4 - конструктивная схема элемента сравнения с предельно допустимым углом наклона канала питания (а), характеристика переключения элемента сравнения с предельно допустимым углом наклона канала питания (б) и статическая характеристика чувствительного элемента (в).

Струйное устройство для измерения отношения абсолютных давлений (фиг.1) содержит элемент сравнения 1 и чувствительный элемент 2. Элемент сравнения 1 содержит канал питания 3, соединенный с источником 4 высокого давления р_к, каналы управления 5 и 6, вентиляционные каналы 7 и 8, соединенные с источником низкого давления р_н, выходные каналы 9 и 10, симметричные относительно его продольной оси 0, расположенные к ней под углом β и являющиеся выходными каналами устройства. Чувствительный элемент 2 содержит канал питания 11, соединенный с источником 4 высокого давления р_к, приемный канал 12, соединенный с источником 13 низкого давления р_н, межсопловую камеру 14 с выходом 15 отбора давления сравнения р_с. Канал управления 5 соединен с источником 13 низкого давления р_н, канал управления 6 - с выходом 15. Ось 0₁ канала питания элемента сравнения 1 наклонена относительно его продольной оси 0 на некоторый угол α в сторону канала управления 5 в диапазоне 0<α<β.

Воздух с высоким давлением р_к подается к каналу питания 3 элемента сравнения 1 и к каналу питания 11 чувствительного элемента 2. Конструкция чувствительного элемента обеспечивает заданное значение отношения π₀=(р_к/р_н)₀ абсолютных давлений, при котором давление сравнения р_с в межсопловой камере равно низкому давлению р_н, и, следовательно, перепад давлений Δр_у в каналах управления элемента сравнения в этом случае равен нулю (фиг.2б). Если отношение р_к/р_н меньше заданного π_0, струя воздуха, вытекающая из канала питания 11 чувствительного элемента 2, целиком поступает в его приемный канал 12. При этом в межсопловой камере 14 за счет эжекции воздушной струи создается разрежение, т.е. давление р_с на входе 6 меньше давления р_н, и струя воздуха, истекающая из канала питания 3, отклоняется в сторону выходного канала 10, и на выходе устройства создается перепад Δр_вых соответствующего знака. Если отношение р_к/р_н становится больше π₀, струя воздуха, вытекающая из канала питания 11, вследствие увеличения угла ее раскрытия начинает попадать в межсопловую камеру 14, и давление р_с в ней, а следовательно, и на входе 6 элемента сравнения 1 возрастает. Когда давление р_с достигает давления срабатывания р_ср элемента сравнения 1, струя воздуха, истекающая из канала питания 3, переключается в выходной канал 9, и на выходе устройства создается перепад Δр_вых противоположного знака. Как видно из фиг.3б, измерение заданного отношения давлений π₀ осуществляется без погрешности, только тогда, когда давление срабатывания р_ср характеристики переключения элемента сравнения совпадает с осью ординат, т.е. выполняется условие р_с=р_н. Такую характеристику можно получить, если отклонять ось канала питания элемента сравнения от его продольной оси 0 на некоторый угол α в сторону канала управления, соединенного с источником низкого давления. При этом характеристика переключения элемента сравнения смещается влево относительно оси ординат пропорционально углу α.

Таким образом, при заданном π₀ и заданной конструктивной схеме элемента сравнения подбирается эспериментальным путем оптимальный угол отклонения α₀ в диапазоне 0<α<β, при котором величина давления срабатывания р_ср совпадает с осью ординат (фиг.3б). В этом случае переключение элемента сравнения происходит точно при заданном отношении π₀ давлений (т.1, фиг.3в), и погрешность измерения равна нулю. Любое отклонение давления срабатывания р_ср от оси ординат приводит к ошибке измерения. Так, при увеличении угла α наклона канала питания элемента сравнения больше α_0, например при α=β (фиг.4а), давление срабатывания р_ср смещается влево относительно оси ординат, и появляется ошибка измерения Δπ_н (фиг.4). Увеличение угла α больше угла β нецелесообразно, так как при этом нарушается структура течения струйного элемента сравнения и нормальное его функционирование.

Таким образом, угол α=α₀ и должен находиться в диапазоне 0<α<β. Принципиальное отличие характеристик переключения элементов сравнения с симметричным и наклонным соплами питания заключается в том, что элемент сравнения с симметричным соплом имеет характеристику переключения гистерезисного типа, симметричную относительно вертикальной оси. Такая характеристика всегда приводит к ошибке измерения. Элемент сравнения с наклонным соплом позволяет настроить характеристику переключения за счет подбора угла α таким образом, при котором давление срабатывание р_ср совпадает с осью ординат, т.е. удовлетворяет условию р_с=р_н, при котором ошибка измерения отсутствует.

Таким образом, предложенный в заявке элемент сравнения с наклонным каналом питания существенно повышает точность измерения отношения абсолютных давлений, что в свою очередь улучшает качество регулирования компрессоров газотурбинных двигателей.

Струйное устройство для измерения отношения абсолютных давлений, содержащее элемент сравнения с каналом питания, соединенным с источником высокого давления, двумя каналами управления, один из которых соединен с источником низкого давления, двумя выходными каналами, симметричными относительно его продольной оси, расположенными к ней под углом, и чувствительный элемент, канал питания которого соединен с источником высокого давления, приемный канал - с источником низкого давления, а выход - с другим каналом управления, отличающееся тем, что ось канала питания элемента сравнения отклонена от его продольной оси в сторону канала управления, соединенного с источником низкого давления, на угол менее угла наклона его выходных каналов.