ДАТЧИК ОТНОШЕНИЯ АБСОЛЮТНЫХ ДАВЛЕНИЙ

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения отношения абсолютных давлений в системах автоматического управления (САУ) газотурбинных двигателей (ГТД).
Известен датчик отношения абсолютных давлений (далее - датчик), содержащий входное сопло, вход которого соединен с источником большего из двух сравниваемых давлений, например, с полостью за компрессором через регулировочный элемент. Соосно входному соплу установлено приемное - выходное сопло, выход которого соединен, например, с управляющим каналом струйного усилителя. Межсопловая полость (камера между входным и выходным соплами) соединена с источником меньшего из двух сравниваемых давлений (см. Трехвальный ТРДД Д18Т. Руководство по технической эксплуатации 18Т.00.00.000РЭ. Раздел 075.30.01 «Автоматы управления клапанами 4017.7, 4017.13», стр.1-10, издательство ЗМКБ «Прогресс», 1990 г).
Недостатком известного устройства является маленький гистерезис, что препятствует широкому применению датчика в системах автоматического управления ГТД.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является датчик, содержащий соосно установленные выходное сопло и входное, входная часть которого соединена с источником большего из двух сравниваемых давлений, и межсопловую полость, соединенную с источником меньшего из сравниваемых давлений (см. патент США №3489009, Кл. 73-388, G01L 7/00, заявлен 09.05.1968 г).
Недостатком прототипа является низкий коэффициент чувствительности (в случае применения датчика с выходным соплом, не имеющим сужения входной части сопла) или маленький гистерезис (в случае применения датчика с выходным соплом, имеющим сужение входной части сопла), что препятствует широкому применению датчика в САУ ГТД.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является создание датчика отношения абсолютных давлений, имеющего повышенный коэффициент чувствительности или повышенный (большой) гистерезис.
Для достижения указанного технического результата в датчике, содержащем соосно установленные выходное сопло и входное, входная часть которого соединена с источником большего из двух сравниваемых давлений, и межсопловую полость, соединенную с источником меньшего из сравниваемых давлений, причем входное сопло имеет критическое сечение, а выходная часть его выполнена с расширением.
Дополнительно сопла датчика выполнены круглого сечения, причем диаметр d в узком критическом сечении входного сопла, диаметр D выходного сечения входного сопла и расстояние h от критического сечения до выходного связаны зависимостями:
- при 0,1≤h/d≤0,25 (D-d)/h выполнено в диапазоне от 1 до 5;
- при 0,25<h/d≤2 (D-d)/h выполнено в диапазоне от 0,2 до 1,2.
Отличительным признаком заявленного датчика, а именно, выполнение во входном сопле критического сечения, а в выходной части входного сопла расширения, позволяет изменить (увеличить) коэффициент чувствительности или гистерезис датчика.
Выполнение сопла круглого сечения, причем диаметр d в узком критическом сечении входного сопла, диаметр D выходного сечения входного сопла и расстояние h от критического сечения до выходного связаны зависимостями:
- при 0,1≤h/d≤0,25 (D-d)/h выполнено в диапазоне от 1 до 5;
- при 0,25<h/d≤2 (D-d)/h выполнено в диапазоне от 0,2 до 1,2;
позволяет получить максимальное увеличение чувствительности или максимальное увеличение гистерезиса датчика при выбранной длине выходной части входного сопла. Это подтверждается - проведенными испытаниями датчиков с различными сочетаниями размеров диаметров d, D и расстояния h.
Выполнение выходной части входного сопла цилиндрической и выполнение у этого цилиндра фасок (или радиусных сопряжении), позволяет улучшить технологические свойства датчика (позволяет снизить стоимость его изготовления).
Предлагаемый датчик представлен на чертежах фиг.1…5, где:
на фиг.1, 2 представлены схемы заявленных датчиков отношения абсолютных давлений с аналоговой см. фиг.1 (не имеющей сужения входной части выходного сопла) и релейной см. фиг.2 (имеющей сужение входной части выходного сопла) переходными характеристиками;
на фиг.3, 4 представлены переходные характеристики заявленных датчиков отношения абсолютных давлений с аналоговой фиг.3 и релейной фиг.4 переходными характеристиками, аналоговые у датчиков, не имеющих сужения входной части выходного сопла (см. фиг.3), и релейные у датчиков, имеющих сужения входной части выходного сопла (см. фиг.4);
на фиг.5 представлена зависимость гистерезиса предлагаемого датчика отношения абсолютных давлений с релейной переходной характеристикой от диаметра цилиндра с введенной в датчик выходной частью входного сопла.
Датчик содержит входное сопло 1 (см. фиг.1, 2), входная часть которого соединена с источником большего из двух сравниваемых давлений - с источником воздуха высокого давления (например, с полостью за компрессором). Соосно с входным соплом 1 установлено выходное сопло 2, выходная часть которого может быть соединена с управляющим каналом струйного усилителя (на чертежах не показан). Межсопловая полость 3 соединена с источником меньшего из двух сравниваемых давлений (на чертежах не показан). Входное сопло 1 имеет узкое критическое сечение 4 и выходную часть 5, у которой проходное сечение больше сечения 4.
Сопла датчика могут быть выполнены круглого сечения. Узкое сечение 4 сопла 1 имеет диаметр, равный d. Выходное сечение 6 выходной части 5 сопла 1 имеет диаметр, равный D. Расстояние от критического сечения 4 до выходного сечения 6 сопла 1, равно h.
Геометрические размеры выходной части 5 сопла 1 связаны зависимостями:
- при 0,1≤h/d≤0,25 (D-d)/h выполнено в диапазоне от 1 до 5;
- при 0,25<h/d≤2 (D-d)/h выполнено в диапазоне от 0,2 до 1,2.
Выходная часть 5 сопла 1 от критического сечения 4 до выходного сечения 6 выполнена в виде цилиндра 7.
2
1
2
1
2
вых
2
вых
2
2
Датчик фиг.1, 2 работает следующим образом. Воздух от источника большего из двух сравниваемых абсолютных давлений (с давлением P) подводится к входному соплу 1, а от источника меньшего из сравниваемых абсолютных давлений (с давлением P) подводится к межсопловой полости 3. При отношениях давлений π=P/P, меньших настроечного значения π', которое может находиться, например, в диапазоне 3,5…5,5 и при котором происходит сработка датчика при увеличении давления Р, подводимого к входному соплу 1, в выходном сопле 2 формируется давление Р, близкое к давлению Р (Р=0,85·Р…0.95·Р).
вых
вых
2
2
вых
2
2
При достижении настроечного значения отношения давлений π' датчик срабатывает. При этом, вследствие взаимодействия потока воздуха, выходящего из входного сопла 1 со сверхзвуковой скоростью, с выходным соплом 2, перед входом в сопло 2 имеющаяся система скачков уплотнения перестраивается (при изменении π). Это ведет к увеличению потерь полного давления на входе в выходное сопло 2 и к резкому (релейному) понижению давления Р (Р=0,4·P…0,6·Р). При дальнейшем увеличении π величина потерь давления сохраняется. При снижении π большая величина потерь сохраняется до величины π=π", меньшей π' на величину Г, называемую гистерезисом датчика. При достижении π=π" датчик срабатывает в обратную сторону. Потери полного давления на входе в выходное сопло 2 уменьшаются (Р=0,85·P…0,95·Р).
вых
1
2
1
Экспериментально зафиксированные зависимости Р/Р=f(P/P) для датчиков с разными выходными и входными соплами представлены на фиг.3, 4.
Из представленных зависимостей видно, что выполнение входного сопла 1 с расширяющейся выходной частью 5 позволяет изменять коэффициент чувствительности датчика отношения абсолютных давлений (см. фиг.2) и изменить (увеличить) величину гистерезиса (см. фиг.4). Зависимость относительной величины гистерезиса от относительного увеличения диаметра цилиндра 7 выходной части 5 входного сопла 1 представлена на фиг.5 (для выходного сопла 2 с сужающейся выходной частью как на фиг.2). Аналогичный тип зависимости имеет место для коэффициента чувствительности (при применении выходного сопла 2 без сужающейся входной части как на фиг.1).
Форма проходного сечения сопла может быть прямоугольной, круглой или эллипсной. Как показали экспериментальные исследования, датчики с круглыми соплами имеют больший гистерезис.
...
1
Выполнение (D-d)/h в диапазоне 15 при 0,1≤h/d≤0,25 или выполнение (D-d)/h в диапазоне 0,2…1,2 при 0,25<h/d≤2,0 (выполнение выходных кромок выходной части 5 входного сопла 1 вблизи границы истекающей из сопла 1 сверхзвуковой струи) позволяет получить повышенную величину гистерезиса датчика (например, относительную величину гистерезиса Г/P порядка 0,1…0,25).
Выполнение выходной части 5 входного сопла 1 цилиндрической формы с фасками (или радиусными сопряжениями) позволяет упростить трудоемкость изготовления датчика, снизить его стоимость.