ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ КОРРЕКТОР

Пневматический динамический корректор
Заявленное устройство относится к пневмоавтоматике, и может быть использовано в системах автоматического регулирования (САР) ГТД для динамической коррекции пневматического сигнала.
Известно пневматическое струйное устройство для выдачи последовательности команд  см. Авторское свидетельство  N 263266, кл. G 06g, 1970 г.З, которое может использоваться для динамической коррекции пневматического сигнала. Устройство содержит генератор, систему счетных триггеров, цифроаналоговый преобразователь. Суть работы такого устройства в том, что система последовательно соединенных триггеров отсчитывает периоды пневматического сигнаяа, задаваемого струйным генератором,и выдает последовательность команд на вход цифроанаяогового преобразователя, который обеспечивает коррекцию пневматического сигнала по времени.Такое устройство сложно конструктивно.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому, является устройство для обеспечения необходимых динамических качеств переходной характеристики см. патент СЯМ N3587602, кл.Г15с1/14, содержащее последовательно соединенные входной дроссель, пневматическую емкость и выходной дроссель. Недостатком такого устройства при обеспечении постоянной времени запаздывания в несколько секунд является либо низкая надежность из-за применения емкости малых габаритов с дросселями малого проходного сечения, либо большие габариты емкости.
Задача заявленного устройства - создание динамического корректора для САР ГТД простого по конструкции и имеющего небольшие габариты и массу, обеспечивающего динамическую коррекцию пневматического сигнала с постоянной времени в несколько секунд.
Поставленная задача достигается тем, что в междроссельную камеру пневматического динамического корректора (ПДК), образованную последовательно соединенными входным дросселем, пневматической емкостью и выходным дросселем, введена тепловая емкость. Тепловая емкость конструктивно может быть выполнена в
МКЛ F15C1/14
ввде массивного тела, или в виде тонкостенной оболочки.
Тепловая емкость может быть теплоизолирована от стенок междроссельной камеры.
Тепловая емкость может быть выполнена в виде трубопровода, напршер тонкостенного.
Трубопровод может быть выполнен длиной 10 и более калибров.
Трубопровод, установленный между входным и выходным дросселями, может быть выполнен в виде пакета трубопроводов, например двух, соосно расположенных.
Вход в трубопровод, установленный в пневматической емкости, и выход из входного дросселя могут быть выполнены в виде струйного эжектора.
Выход из трубопровода, установленного в пневматичес}юй емкости,, и вход входного дросселя могут быть выполнены в виде струйного эжектора.
В трубопроводе может быть установлен дроссель типа диафрагмы или сопла Лаваля.
Входной дроссель ЩК может быть выполнен в виде сопла Лаваля с площадью выходного сечения большей, чем плоящдь узкого сечения выходного дросселя.
Предложенная полезная модель иллюстрируется чертежами, где: на фиг.1 представлен пневматический динамический корреКтор; на фиг.2-3 - варианты его исполнения;на фиг.4 представлено изменение давления в междроссельной камере ПДК при ,«$ 1|в|1 давления и температуры на входе в устройство.
Динамический корректор содержит: последовательно соединенные входной дроссель 1, пневматическую емкость 2 и выходной дроссель 3, образуюнще междроссельную камеру (Ж), в которую введена тепловая емкость 4, выполненная тонкостенной, например, в виде трубопровода,расположенного между входным дросселем 1 и выходным дросселем 3 в пневматической емкости 2 (см. фиг.2). В трубопроводе тепловой емкости 4 установлен дополнительный дроссель 5 и выполнен канал 6 отбора информационного сигнала со
%
входа в дроссель 3 (см. фиг. 3). Оптимальная длина трубопровода 4 10-30 калибров. Тепловая емкос гь 4 может быть выполнена в виде пакета трубопроводов, например, двух, соосно расположенных. Выход из дросселя 1 и вход в трубопровод могут быть выполнены в виде струйного эжектора. Выход из трубопровода и вход в дроссель 3 также можно выполнить по типу струйного эжектора. Дроссель 5 может быть выполнен в виде сопла Лаваля или диафрагмы. Выходной дроссель 3 также может быть выполнен в виде сопла Лаваля с площадью выходного сечения, большей чем площадь узкого сечения выходного дросселя.
На графике фиг. 4 представлен процесс изменения давления  в Ж ЩК при ступенчатом изменении давления 8 и температуры воздуха на входе в ПДК (давления и температуры воздуха за компрессором) .
Устройство работает следующим образом. На установившемся режиме воздух поступает в емкость 2 ПДК через входной дроссель 1, выходит через выходной дроссель 3. Выходной сигнал может отбираться по каналу 5 (в виде давления), либо через дроссе,яь 3(в виде расхода).
При одновременном изменении давления и температуры на входе в ПДК (что имеет место при сжатии воздуха (газа) в компрессоре), для расходов через входной и выходной дроссели, при малом объеме пневматической емкости, согласно закону сохранения массы, имеем:
GBX  бвых(1) , где
GBX -расход воздуха через входной дроссель, кг/с; бвых-расход воздуха через выходной дроссель, кг/с.
При критических режимах течения в дросселях ( при отношении давлений на дросселях больше критического), имеем :
Рвх ГвхМ/|/Твх  Рвых Гвых «гА/1/Твых (2) , где
FBX - площадь сечения входного дросселя, м2;
А - коэффициент, учитываюнщй режим течения воздуха через
дроссель, а также особенности его геометрии; Твх - температура воздуха на входе в ПДК,  К; Рв1ях- абсолютное давление воздуха на выходе в междроссельной
камере (МК) ПДК, Па;
Рвых- площадь сечения выходного дросселя, м2; Твых- температура воздуха на входе в выходной дроссель ЦЦК, К,
Из уравнения (2) следует, что давление в междроссельной камере ПДК при прочих постоянных условиях зависит от температуры воздуха:
Рвых  Твых .(3)
При изменении режима работы ГТД меняются степень повышения давления воздуха за компрессором и температура :
Тк/(Пк((К-1)/К)-1)  const(4) ,где
Тк - температура за компрессором К;
Пк-Рк/Рн - отношение абсолютных давлений на компрессоре; Рк - абсолютное давление за компрессором. Па; Рн - абсолютное давление на входе в компрессор. Па; k - показатель адиабаты.
Пренебрегая потерями давления и температуры в канале подвода воздуха из-за жэмпрессора к агрегату, имеем:
Рвх  Рк ;
Твх - Тк .
Таким образом, при увеличении степени сжатия воздуха Пк в компрессоре ГТД, например с 2 до 11, имеет место повышение его подогрева с 323 ° до 673  К (с 50 ° до 400  С).
-fтеплу, отбираемому от воздуха, проходящего через междроссельную камеру, то :
CJm Mm dTm/dt - (Твх - Твых) (5),где
Cm - теплоемкость материала тепловой емкости,Дж/(); Ш - масса элементов тепловой емкости кг; d - оператор дифференцирования; Тт - температура тепловой емкости,  К; t - время, с;
GB - расход воздуха, кг/с; Ср - теплоемкость воздуха при постоянном давлении,
Дж/(кгАград);
Твх - температура воздуха на входе в ЩК,  К; Твых- температура воздуха на входе в выходной дроссель ЩК,  К;
При подогреве воздуха в МК ЩК до температуры элементов тепловой емкости Тго«Твых, последнее уравнение будет:
Cпb Mr h Tвыx/dt « (Твх - Твых) (6).
Постоянную времени задержки, вызванную процессами теплообмена, определим, как
tT « MmvkCm/()(7).
Исследования системы уравнений (1) - (7) показывают, что для тепловой емкости 4 с массой Mm  10 г, выполненной ив меди, и при расходе воздуха через междроссельную камеру 6в  1 г/с, us  )фаш1в1шя вк едвлим постоянщр времени задержки tT  3.5 с. (см. график фиг. 4).
Для сравнения отметим, что для выполнении обычной цепи задержки с дросселями, пропускающими расход порядка 1г/с, обеспечение постоянной времени Ьт  3,5 сек достигается при использовании емкости порядка 2.5 литров.
Выполнение тепловой емкости в виде трубопровода позволяет увеличить площадь поверхности обмена и получить воздух на входе в выходной дроссель с температурой, близкой- / к температуре трубопровода (тепловой емкости), повысив таким образом чувствительность ЦЦК.
При выполнении трубопровода длиной 10 и более калибров достигается повышение чувствительности ПДК. Это достигается при конструкдаи тепловой емкости 4, обеспечивающей вход воздуха (газа) в выходной дроссель 3 с температурой, равной температуре тепловой емкости. Влияние длины трубопровода на работу устройства для воздуха определю по формуле В.Г.Шухова:
(Т(х) - Т4)/(Твх - Т4)  exp(-c6«r d x/Cp/G) (8)
здесь:
о( - коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенке трубопровода, Вт/м2/град;
л  3.1416;
d - внутренний диаметр трубопровода, м;
X - длина трубопровода, м;
Ср - теплоемкость воздуха, кг/град;
6 - массовый расход воздуха по трубопроводу, кг/с;
Т(х)  Твых - температура воздуха на выходе из трубопровода, равная температуре воздуха на входе в выходной дроссель 3,° К.
Значение коэффициента теплоотдачи а найдем из уравнения:
т  0.021  .8  .45(9)
здесь:
NU - (10)
Re  ,(11)
Ц, - коэффициент динамической вязкости воздуха;
р - плотность воздуха;
W  4 G/p/Jt/d2 - средняя скорость потока воздуха в трубопроводе.
Уравнение (8), с учетом (9)-(IS) и с учетом (для воздуха) .2, можно привести к виду;
(Твых-Т4)/(Твх-Т4) « exp(-0.)(13)
Следовательно, при x/d  10 поток отдает трубопроводу более 63% располагаемого тепла ((Твых-Т4)/(Твх-Т4)«0..63),
Учет повышения коэффиюриента теплоотдачи на начальном участке трубопровода дает 70%.
Дальнейшее повьш1ение длины трубопровода до 30 калибров повысит эту цифру до 95%, что даст соответствующее повышение чувствительности устройства при некотором увеличении его веса и габсцритов. Следовательно выполнение трубопровода длиной 10 и более калибров обеспечивает устройству достаточную (при применении в САР ГТД) чувствительность устройства.
Если трубопровод выполнить в виде двух соосно расположенных трубопроводов, то появляется возможность теплоизоляции потока от воздействия окружающей среды и тем самь повышение стабильности работы ВДК.
Выполнение выхода из дросселя 1 и входа в трубопровод по типу струйного эжектора позволяет направить воздух, вытекаюш й из дросселя 1, в трубопровод, образуя внутри трубопровода поток с достаточно высокой скоростью, что интенсифихщрует процесс теплообмена между воздухом и элементами тепловой емкости, повышает чувствительность устройства, позволяет уменьшить габариты.
Выполнение выхода из трубопровода и входа в дроссель 3 по типу струйного эжектора позволяет направить весь поток воздуха из трубопровода в дроссель 3, избегая утечек в полость междроссельной камеры, что позволяет снизить влияние теплообмена со
-to. . . . ,. :.-.. ,. ..- ...- :--Л . ..-- i
стенками междроссельной камеры, а следовательно и влияние температуры внешней среды на работу 1Щ.
Для того, чтобы не происходило подсоса воздуха из полости междроссельной камеры и тем самым не образовывалось циркуляции воздуха в междроссельной камере, ведущей к интенсификации теплообмена с внешней средой, в трубопроводе устанавливается дроссель 5, подбором которого можно добиться минимального (нулевого) подсоса. Дроссель 5 может быть выполнен в виде сопла Лаваля или диафрагмы.
Входной дроссель 1 также может быть выполнен в виде сопла Лаваля с плошддью выходного сечения, большей плошэди узкого сечения выходного дросселя 2, что позволяет газодинамические потери свести к потерям давления в системе скачков уплотнения в сопле Лаваля,т.г.к местным потерям, что снизит влияние потерь на трение в трубопроводе и повысит точность работы устройства.
Если теплоизолировать тепловую емкость от стенок междроссе.Ш)НОй камеры, то, снижая теплообмен с внешней средой, получим более стабильную постоянную времени ПДК.
Таким образом, предложенное устройство при сравнительно малых габаритах и массе позволяет получить значительную по величине постоянную времени задержки, что расширяет диапазон применения ЩК такого типа.
Начальник ОНТШ У )(Z р. в. Яук