DE1600389C3

DE1600389C3 - Belüfteter Wirbelstromverstärker mit einer Wirbelstromkammer

Info

Publication number: DE1600389C3
Application number: DE1600389A
Authority: DE
Inventors: Endre A. Birmingham Mich. Mayer (V.St.A.)
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1966-05-13
Filing date: 1967-04-13
Publication date: 1973-09-13
Also published as: US3456667A; GB1134489A; DE1600389A1; DE1600389B2

Description

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Die Erfindung betrifft einen belüfteten Wirbelstromverstärker mit einer Wirbelstromkammer, in welche ein von einer Vorsorgungsdruckquelle gespeister Leistungsstrahl radial einführbar und in dieser durch mindestens einen tangential zur Umfangswand der Wirbelstromkammer mit einem Steuerkanal eingeführten Steuerstrahl ablenkbar ist, wobei der Leistungsstrahl aus einer im Boden der Wirbelstromkammer konzentrisch angeordneten Austrittsöffnung auf ein koaxial dazu angeordnetes Auffangrohr in einer belüfteten Kammer auftrifft.

Es ist bereits vorgeschlagen, bei einem derartigen belüfteten Wirbelstromverstärker eine sich konisch erweiternde Austrittsöffnung vorzusehen, diese sich konisch erweiternde Austrittsöffnung stellt jedoch hier die Wandung der belüfteten Kammer dar, d. h. dem aus der Austrittsöffnung austretenden Strömungsmittel wird hierbei nicht die Möglichkeit gegeben, an der sich konisch erweiternden Wandung der Austrittsöffnung entlangzustreichen. Vielmehr ist die sich konisch erweiternde Austrittsöffnung im Bereich ihres größten '■ Durchmesser hermetisch abgeschlossen und die so gebildete Kammer wird über eine in die konisch verlaufende Wandung der Austrittsöffnung einmündende Öffnung belüftet (deutsche Offenlegungsschrift 1 673 548).

Es ist zwar auch bereits ein nicht belüfteter Wirbelstromverstärker bekanntgeworden, bei dem die Austrittsöffnung zumindest teilweise sich konisch erweiternd verläuft, jedoch geht diese Austrittsöffnung dann in ein sich konisch verengendes Rohr über, so daß auch hier das aus der Austrittsöffnung austretende Strömungsmittel daran gehindert wird, an der Wandung der sich konisch erweiternden Austrittsöffnung entlangzustreichen, da auf Grund des sich daran anschließenden konisch verengenden Rohres ein Drückrückstau entsteht, der einem solchen Strömungsverlauf entgegenwirkt (USA.-Patentschrift 3 219 048).

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, den belüfteten Wirbelstromverstärker der eingangs definierten Art durch möglichst einfache Mittel in einen Wirbelstromverstärker mit bistabilen Eigenschaften bzw. mit Hysteresis-Eigenschaften zu verwandeln.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Wände der sich konisch in einen Winkel zwischen 5° und 45° erweiternden Austrittsöffnung eine vorbestimmte Länge aufweisen, derart, daß bei einem vorbestimmten Versorgungs- und Steuerdruck das austretende Strömungsmittel an den Wänden anhaftet und beim Überschreiten dieser Werte sich schlagartig von den Wänden löst.

Es hat sich in überraschender Weise herausgestellt, daß bei einer vorbestimmten Länge des Konus der Austrittsöffnung der belüftete Wirbelstromverstärker plötzlich ein bistabiles Verhalten mit Hysteresis-Eigenschaften hat. Es steht fest, daß für diesen überraschenden Effekt der bekannte Coanda-Effekt verantwortlich ist, der sich ab einer vorbestimmten Länge der sich konisch erweiternden Wand der Austrittsöffnung zwischen dieser und dem aus der Austrittsöffnung austretenden Strömungsmittel ausbilden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß in die Wände der-Auslaßöffnung Abtastkanäle münden, die über einen Ringraum strömungsmäßig miteinander verbunden sind.

Dieselbe Wirkungsweise läßt sich nun auch erreichen, wenn die Austrittsöffnung sich stufenweise konisch erweitert.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können bei einem belüfteten Wirbelstromverstärker mit einem in der Wirbelstromkammer mit Abstand angeordneten Zylinder, aus welchem mindestens ein Steuerkanal tangential austritt, neben den Steuerkanälen in dem Zylinder, mittels welcher ein Vorspanndruck einführbar ist, zwei weitere, ebenfalls tangential austretende Steuersignalkanäle vorgesehen sein, die jedoch nach entgegengesetzten Richtungen weisen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung nach der Linie 1-1 der F i g. 2 eines belüfteten Wirbelstromverstärkers,

F i g. 1 a eine vergrößerte Schnittdarstellung einer stufenförmig ausgebildeten Austrittsöffnung,

F i g. 2 eine Schnittdarstellung nach der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 Hysteresis-Schleifen für drei verschiedene Steuerdrücke, wobei auf der Abszisse der zugeführte Versorgungsdruck P_s und auf der Ordinate der Ausgangsdruck P₀ aufgetragen ist,

F i g. 4 eine vergrößerte Teilschnittdarstellung der Austrittsöffnung, wobei der Strömungsmittelverlauf des Strömungsmittels veranschaulicht ist,

F i g. 5 eine vergrößerte Teilschnittdarstellung der Austrittsöffnung zur Veranschaulichung eines zweiten Betriebszustandes, gemäß welchem sich der Coanda-Effekt zwischen der Wand der Austrittsöffnung und dem aus dieser austretenden Strömungsmittel bemerkbar macht,

F i g. 6 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Austrittsöffnung mit über einen Ringraum strömungsmäßig miteinander verbundenen Abtastkanälen, und

F i g. 7 eine Schnittdarstellung nach der Linie 7-7 der F i g. 6.

In F i g. 1 ist ein belüfteter Wirbelstromverstärker 20 mit zylindrischem Gehäuse 22 dargestellt, wobei eine Platte 23 ein Ende der Wirbelstromkammer abschließt. Im Gehäuse 22 ist eine Einlaßöffnung 24 ausgebildet, die mit einer Strömungsmittel-Versorgungsdruckquelle 25 in Verbindung steht. Im Gehäuse 22 ist ein Zylinder 26 mit Abstand von der Platte 23 angeordnet, so daß dazwischen eine Wirbelstromkammer 27 gebildet ist. Der Zylinder 26 ist auch mit Abstand von der Wandung des Gehäuses 22 angeordnet, um einen Ringraum 28 zu formen.

In der Mitte des Zylinders 26 ist ein Steuerkanal 29 ausgebildet, der mit radial verlaufenden Steuerkanälen 30 in Verbindung steht, die in tangential am Umfang des Zylinders ausmündende Steuerkanäle 32 übergehen. Wenn der Druck des Strömungsmittels aus der Quelle 31 ausreichend ist, so tritt das Strömungsmittel aus den Steuerkanälen 32 tangential in den Ringraum 28 ein und bewirkt dabei eine Wirbelströmung des durch die Einlaßöffnung 24 eintretenden Strömungsmittels, die um so stärker wird, je mehr sie sich der Austrittsöffnung 44 nähert, die zentral in der Platte 23 bzw. in einer Nabe 45 angeordnet ist.

Ein Strömungsmittelkanal 34 führt in den Zylinder 26 und ist mit dem Steuersignalkanal 36, der über den Steuersignalkanal 38 tangential am Umfang des Zylinders 26 ausmündet, verbunden. Über diese Strömungsverbindung kann von einem Drucksignalgenerator 35 ein Steuersignaldruck in den Ringraum 28 eingeführt werden. Dieser Steuersignaldruck erhöht dabei die Wirkung der Strömung aus den Steuerkanälen 32.

Ein zweiter Strömungsmittelkanal 34 ist ebenfalls mit dem Drucksignalgenerator 35 verbunden und führt in den Zylinder 26 hinein. Innerhalb des Zylinders 26 ist der Strömungsmittelkanal 34 mit dem Steuersignalkanal 42 verbunden, der über den Steuersignalkanal 43 tangential am Umfang des Zylinders 26 ausmündet. Ein in den Steuersignalkanal 42 eingeführter Druckimpuls wirkt der Wirkung der Steuerkanäle 30, 32 entgegen.

Die Austrittsöffnung 44 weist Wände 46 auf, die sich konisch in einem Winkel zwischen 5° und 45° erweitern. Die Austrittsöffnung 44 kann dabei auch zwei verschiedene Durchmesser aufweisen, wie dies in F i g. 1 a veranschaulicht ist. Die Austrittsöffnung erweitert sich hierbei stufenförmig, was zum gleichen Ergebnis führt. Die Wandung der Austrittsöffnung 44 weist bei 44« einen größeren Durchmesser auf als bei ihrem Beginn.

Eine ringförmige Wand 52 ist mit der Platte 23 verbunden und formt eine belüftete Kammer 54, welche die Nabe 45 umschließt. Die Kammer 54 ist über

ίο die Öffnung 56 zu einem Druck hin belüftet, der geringer ist als der Druck des Strömungsmittels, welches in die Einlaßöffnung 24 eintritt. Dieser Druck kann z. B. atmosphärischer Druck sein.

Mit axialem Abstand von der Austrittsöffnung 44 ist ein koaxial zu dieser Austrittsöffnung verlaufendes Auffangrohr 58 angeordnet. Das vom Auffangrohr 58 aufgefangene Strömungsmittel bzw. dessen Druck ist abhängig von der aus der Austrittsöffnung 44 austretenden Strömung. Die aus der Austrittsöffnung 44 austretende Strömung hat einen axialen Anteil, der von einem konischen Strömungsmittelanteil umgeben ist, wobei der axiale Anteil abnimmt und der konische Strömungsmittelanteil zunimmt, wenn die Wirbelströmung in der Wirbelstromkam-

mer 27 erhöht wird, und umgekehrt. Wenn der Steuerdruck P₆. von der Quelle 31 erhöht wird, so wird die Ausgangsströmung im Auffangrohr kleiner und der axiale Anteil der Strömung nimmt ab, wodurch der Druck im Auffangrohr 58 ebenso kleiner wird, was am Druckmeßgerät 59 angezeigt wird. Wird jedoch der Steuerdruck P_c vermindert, so wird auch die Wirbelströmung schwächer, wodurch der axial gerichtete Anteil des Strömungsmittels an der Austrittsöffnung 44 zunimmt und demzufolge der Druck im Auffangrohr 58 ansteigt.

Die Wirkungsweise des belüfteten Wirbelströmungsverstärkers nach der Erfindung ist nun wie folgt:

Erster Zustand: Bei einer vorbestimmten Durchsatzmenge des aus der Austrittsöffnung 44 austretenden, verwirbelten Strömungsmittels bildet sich ein innen offener Konus mit einenr Rückströmung R bzw. R' (siehe F i g. 4) infolge des Unterdrucks im Konus. Der an der Wand 46 auftretende Coanda-Effekt ist wegen der geringen Strömungsmittelmenge und -geschwindigkeit gering.

Zweiter Zustand: Bei größer werdender Durchsatzmenge wird der Konus iri seinem Inneren langsam aufgefüllt, da bei stärkerer Versorgungsströmung diese auch in der Austrittsöffnung noch gebündelt austritt (Rückstrom geht gegen Null). Diesem Auffüllen des Konus wirkt der wegen der größeren Strömungsmittelgeschwindigkeit stärker werdende Coanda-Effekt entgegen, wodurch das austretende Strömungsmittel wieder auseinandergezogen wird.

Dritter Zustand: Beim Überschreiten eines vorbestimmten Durchsatzes wird der Coanda-Effekt an der Wand 46 schlagartig zerstört, da das austretende Strömungsmittel die Haftkraft überwindet und damit gebündelt von dem Auffangrohr 58 aufgefangen wird. Da zwischen den beiden Zuständen 2 und 3 eine schlagartige Vergrößerung der von dem Auffangrohr aufgefangenen Strömungsmittelmenge eintritt, ist der Wirbelstromverstärker bistabil. Dabei ist dieses Umschalten jedoch nicht richtungsunabhängig, d. h. es ist nicht unerheblich, ob von dem Zustand 3 auf den Zustand 2 oder umgekehrt geschaltet wird, da dieses Umschalten je nach der Richtung bei einem verschie-

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denen Steuerdruck P₀ auftritt. Daraus ergibt sich größerem Öffnungswinkel kann jedoch trotzdem ein dann auch das Hysteresis-Verhalten, wie es F i g. 3 Unterdruck V erzeugt werden, was von dem Ausmaß veranschaulicht. der Verwirbelung des aus der Austrittsöffnung 44 • Beim Betrieb des in den F i g. 1 und 2 dargestell- austretenden Strömungsmittels abhängig ist.
ten Wirbelstromverstärkers wird ein Steuervorspann- 5 Dabei ergibt sich (siehe F i g. 3) für einen gegebedruck P₀₁. an den Steuerkanal 29 angelegt, um den nen Versorgungsdruck P_sl, daß zwei stabile Betriebs-Arbeitspunkt zu bestimmen, der durch Anlegen eines zustände entsprechend den Punkten 1 und 2 be-Strömungsmittelsteuersignals an den Steuersignal- stehen. Die stabilen Betriebszustände können jekanal 38 oder 43 erhöht oder abgesenkt wird. Wenn doch umgeschaltet werden, was entweder durch der Versorgungsdruck von Null ausgehend ansteigt, io Absenken des Versorgungsdruckes P_s unter den so folgt der Ausgangsdruck am Druckmeßgerät 59 Punkt F" erfolgen kann, wenn der stabile Zustand der Linie A der mittleren Hysteresis-Schleife in der sich am Punkt 2 befinden soll, oder durch Erhöhen Darstellung gemäß F i g. 3. Wenn der Ausgangsdruck des Versorgungsdruckes auf den Wert B', wenn der den Punkt B erreicht, dann ergibt sich — dargestellt stabile Betriebszustand auf den Punkt 1 gehoben werdurch die Linie C — ein plötzlicher Anstieg bis zum 15 den soll, wobei dann natürlich zum Einstellen des Punkte, von welchem aus der Ausgangsdruck ge- jeweils gewählten stabilen Betriebspunktes der Vermaß der Linie D wieder proportional zum zunehmen- sorgungsdruck wieder auf P₄₁ zurückgeführt werden den Versorgungsdruck P_s, abgegeben von der Strö- muß.
mungsmittel-Versorgungsdruckquelle 25, verläuft. Die stabilen Zustände können auch umgeschaltet

Wenn der Versorgungsdruck P₅ abnimmt, dann 20 werden, indem man den Steuervorspanndruck P_cv

folgt der Ausgangsdruck der Linie D bis zum Punkt E, ändert. In der graphischen Darstellung nach F i g. 3

von wo ab eine plötzliche Abnahme des Ausgangs- sind zwei weitere Hysteresis-Schleifen dargestellt,

druckes stattfindet — dargestellt durch die Linie F — deren eine einem Steuervorspanndruck P_cv - AP₀ und

bis diese Linie F am Punkt F' die Linie A schneidet; deren andere einem Steuervorspanndruck entspricht

von da ab ergibt eine weitere Abnahme des Versor- 25 P_ov + AP₀. Die erstgenannte Hysteresis-Schleife er-

gungsdruckes eine proportionale Abnahme des Aus- hält man, indem man in den Strömungsmittelkanal 40

gangsdruckes entsprechend der Linie A. ein Drucksignal einführt, welches eine Strömung AP₀

Im folgenden soll unter Hinweis auf die F i g. 4 aus dem Steuersignalkanal 43 zur Folge hat, die und 5 versucht werden, den beim belüfteten Wirbel- dem Steuervorspanndruck P_cv aus dem Steuerstromverstärker nach der Erfindung auftretenden 30 kanal 32 entgegenwirkt, so daß diese dadurch Effekt zu erklären. F i g. 4 veranschaulicht den Strö- vermindert wird. Die zweite Hysteresis-Schleife mungsverlauf an der Austrittsöffnung 44 bei einem erhält man, wenn man eine Strömung AP₀ in Betrieb auf der Linie A gemäß der graphischen Dar- den Strömungsmittelkanal 34 einführt, die dann stellung nach F i g. 3. Die Strömung haftet dabei an aus dem Steuersignalkanal 38 austritt und die Wirder Wand 46 an und es findet die genannte gering- 35 kung des Steuervorspanndruckes P_ov des Steuerkanals fügige Rückströmung R bzw. R' statt. Diese Rück- 32 unterstützt.

strömung R, R' hat die Neigung, die aus der Aus- Wenn der belüftete Wirbelstromverstärker nach

trittsöffnung 44 austretende Strömung zu verringern. F i g. 1 beim Punkt 1 arbeitet und eine Strömung

F i g. 5 stellt nun die Strömung bzw. den Strömungs- AP₀ durch den Steuersignalkanal 43 eingeführt wird,

verlauf in der Austrittsöffnung 44 beim Punkt B auf 40 dann wird der Arbeitspunkt vom Punkt 1 auf den

der Linie A der graphischen Darstellung nach F i g. 3 Punkt 4 gehoben, und bei Verschwinden der Strö-

dar, wobei hier von Bedeutung ist, daß sich die Strö- mung AP₀ kehrt der Arbeitspunkt zum Punkt 1 zu-

mung von der sich konisch erweiternden Öffnung der rück, wobei keine Änderung des Ausgangsdruckes P₀

Wand 46 abhebt, so daß dadurch ein Ringraum mit aufgetreten ist. Wenn sich jedoch der Arbeitspunkt

einem Unterdruck V entsteht, welcher den Druck- 45 beim Punkt 2 befindet und eine Strömung AP₀ an-

abfall durch die Austrittsöffnung 44 erhöht und da- gelegt wird, dann springt der Arbeitspunkt zunächst

mit auch die Strömung bzw. Durchlaßmenge durch auf den Punkt 4, und wenn diese Strömung AP₀ wie-

die Öffnung; dies geschieht entsprechend dem Sprung der verschwindet, fällt der Arbeitspunkt nicht mehr

im Ausgangsdruck auf die Linie D gemäß der gra- auf den Punkt 2 zurück, sondern bleibt beim Punkt 1,

phischen Darstellung nach Fig. 3. Das plötzliche 50 was eine bedeutende Änderung im Ausgangsdruck P₀

Anwachsen des Ausgangsdruckes wird auch dadurch ergibt und gleichzeitig anzeigt, daß der Arbeitspunkt

unterstützt, daß die Rückströmung R, R' im wesent- sich am Punkt 2 befand.

liehen eliminiert wurde, wodurch der Widerstand Der Arbeitspunkt kann jedoch auch dadurch be-

gegen die austretende Strömung verringert wird. stimmt werden, indem man eine Strömung AP₀ durch

Man hat festgestellt, daß dann, wenn der in F i g. 1 a 55 den Steuersignalkanal 38 einführt. Wenn sich der Ar-

dargestellte öffnungswinkel der Austrittsöffnung 44 beitspunkt am Punkt 1 befindet und eine Strömung

zwischen 5° und 45° liegt, die bistabile Arbeitsweise AP₀ eingeführt wird, dann bewegt sich der Arbeits-

nach der Erfindung erzielt werden kann. Wenn der punkt zum Punkt 3 und beim Ende der Strömung

Öffnungswinkel α zu klein ist, dann hebt sich die AP₀ bewegt sich der Arbeitspunkt zum Punkt 2, was

Strömung nicht von der konischen Wand unter BiI- 60 eine starke Veränderung des Ausgangsdruckes P₁

dung des Unterdruckes V ab, und wenn der Öff- ergibt,

nungswinkela zu groß ist, dann kann sich der Wenn sich jedoch der Arbeitspunkt am Punkt 2

Coanda-Effekt nicht an der Wand 46 ausbilden. Für befand, ergibt ein Einführen eine Strömung AP₀

kleinere Werte des Winkels α gilt, daß, je höher die über den Steuersignalkanal 38 eine Verschiebung des

Verwirbelung des aus der Austrittsöffnung 44 korn- 65 Arbeitspunktes zum Punkt 3, und bei dem Ende der

menden Strömungsmittels auf Grund eines höheren Strömung AP₀ kehrt der Arbeitspunkt zum Punkt 2

Steuerdruckes P₀ ist, die Wahrscheinlichkeit um so zurück, was keine Änderung des Ausgangsdruckes

geringer ist, daß sich ein Unterdruck V bildet. Bei P₀ zur Folge hat.

F i g. 6 veranschaulicht einen Schnitt der Austrittsöffnung 44, wobei mehrere radial verlaufende Abtastkanäle 62 an einer Stelle der Wand 46 angeordnet sind, bei der sich ein Unterdruck V ausbildet. Die Abtastkanäle 62 sind über einen Ringraum 64 untereinander verbunden und ebenso mit einer Auslaß-Öffnung 66, an die ein Druckmeßgerät 68 angeschlos-

sen ist. Wenn an der Wand 46 eine Unterdruckzone entsteht, dann wird der vom Druckmeßgerät 68 angezeigte Druck stark verringert sein. Wenn jedoch keine Unterdruckzone vorhanden ist, d. h. wenn bei einem niedrigen Ausgangsdruck entsprechend dem Punkt 2 gearbeitet wird, dann ist der vom Druckmeßgerät 68 angezeigte Druck relativ hoch.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Belüfteter Wirbelstromverstärker mit einer Wirbelstromkammer, in welche ein von einer Versorgungsdruckquelle gespeister Leistungsstrahl radial einführbar und in dieser durch mindestens einen tangential zur Umfangswand der Wirbelstromkammer mit einem Steuerkanal eingeführten Steuerstrahl ablenkbar ist, wobei der Leistungsstrahl aus einer im Boden der Wirbelstromkammer konzentrisch angeordneten Austrittsöffnung auf ein koaxial dazu angeordnetes Auffangrohr in einer belüfteten Kammer auftrifft, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (46) der sich konisch in einem Winkel zwischen 5° und 45° erweiternden Austrittsöffnung (44) eine vorbestimmte Länge aufweisen, derart, daß bei einem vorbestimmten Versorgungs- und Steuerdruck das austretende Strömungsmittel an den Wänden (46) anhaftet und beim Überschreiten dieser Werte sich schlagartig von den Wänden (46) löst.

2. Belüfteter Wirbelstromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wände (46) der Austrittsöffnung (44) Abtastkanäle (62) münden, die über einen Ringraum (64) strömungsmäßig miteinander verbunden sind.

. 3. Belüfteter Wirbelstromverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (44) sich stufenweise konisch erweitert.

4. Belüfteter Wirbelstromverstärker nach einem de.r vorhergehenden Ansprüche mit einem in der Wirbelstromkammer mit Abstand angeordneten Zylinder, aus welchem mindestens ein Steuerkanal tangential austritt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zylinder (26) neben den Steuerkanälen (30, 32), mittels welcher ein Vorspanndruck einführbar ist, zwei weitere, ebenfalls tangential austretende Steuersignalkanäle (42, 43; 36, 38), nach entgegengesetzten Richtungen weisend, vorgesehen sind.