DE1600543B2 - Fluidischer Turbulenzverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen fluidischen Turbulenzverstärker mit einem Eingangskanal, einem Ausgangskanal, Steuerkanälen, eine von zwei in seitlicher Richtung gegen den Eingangskanal und den Ausgangskanal versetzten Seitenwänden begrenzte Wechselwirkungskammer und mit Entlüftungskanälen.

Aus der GB-PS 9 95 828 ist bereits ein Turbulenzverstärker bekannt, der unter Ausnützung des COANDA-Effektes arbeitet. Sobald der laminare Luftstrom aus dem Eingangskanal so abgelenkt wird, daß er entweder zu dem einen Ausgangskanal oder zu einem anderen Ausgangskanal strömt, wird er durch den Wandhaftungseffekt entweder an der einen Wand oder der anderen Wand festgehalten. Der Strom erfolgt jedoch im wesentlichen weiterhin laminar. Es hat sich gezeigt, daß bei diesen unter Ausnützung des COANDA-Effektes oder Wandhaftungseffektes arbeitenden Turbulenzverstärkern eine beträchtliche Verzögerung beim Abschalten des Steuerluftstrahls auftritt, bis der ursprüngliche Betriebszustand wieder hergestellt ist. Eine derartige Verzögerung ist jedoch bei modernen Steuerschaltungen, bei denen Turbulenzverstärker benötigt werden, von sehr großem Nachteil.

Aus der US-PS 31 87 763 ist eine Steuervorrichtung bekannt, mit der die Verteilung des einem Eingangskanals zugeführten Luftstromes auf zwei Ausgangskanäle gesteuert wird. Bei einer Steuerung des Luftstromes wird ein Absinken des Druckes in dem einen der Ausgangskanäle bei gleichzeitigem Ansteigen des Druckes im anderen Ausgangskanal herbeigeführt.

In der US-PS 32 34 955 sind theoretische Überlegungen enthalten, die für den Bau von strömungsgesteuerten Bauelementen von Bedeutung sind. Es wird jedoch nicht angegeben, wie diese theoretischen Grundlagen in den heutigen Anforderungen entsprechenden Steuervorrichtungen verwirklicht werden können.

In der Zeitschrift »Ingenieur digest« vom Oktober 1965, S. 37 bis 42 wird ein Turbulenzverstärker der eingangs beschriebenen Art dargestellt und beschrieben. Dieser bekannte Turbulenzverstärker weist einen Eingangskanal, einen Ausgangskanal, Steuerkanäle, eine von in zwei seitlicher Richtung gegen den Eingangskanal und den Ausgangskanal versetzten Seitenwänden begrenzte Wechselwirkungskammer und Entlüftungseinrichtungen zum Ablassen von turbulent strömendem Strömungsmittel aus der Wechselwirkungskammer auf.

Bei diesem bekannten Turbulenzverstärker ist der Querschnitt der Wechselwirkungskammer kreisförmig, und der Eingangskanal ragt ein beträchtliches Stück durch die zuströmseitige Stirnwand der Wechselwirkungskammer in diese Kammer hinein. Wenn bei dem bekannten Turbulenzverstärker eine vom Eingangskanal zum Ausgangskanal strömende laminare Luftströmung zur Erzielung einer starken Druckabsenkung im Ausgangskanal in eine turbulente Luftströmung umgewandelt werden soll, dann muß ein Druckluftstrahl in seitlicher Richtung gegen den laminaren Luftstrom gerichtet werden. Dieser der Ablenkung dienende Druckluftstrahl muß einen genügend großen Druck aufweisen, um den laminaren Luftstrom vollständig vom Ausgangskanal wegzulenken und in eine turbulente Luft-SS strömung umzuwandeln. Zum Ablenken des Luftstromes und zum Halten dieses Stromes in abgelenktem Zustand tragen bei dem bekannten Turbulenzverstärker keine weiteren Effekte bei. Wegen der zylindrischen Ausgestaltung der Wechselwirkungskammer können sich keine vom abgelenkten Luftstrom abgeschlossenen Räume bilden, in denen sich ein erniedrigter Druck ausbilden kann, der zum Festhalten des abgelenkten Luftstromes beitragen könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbulenzverstärker zu schaffen, bei dem das Umschalten von einem Betriebszustand in den anderen mit einem Steuersignal erfolgen kann, das einen wesentlich niedrigeren Pegel aufweist als der, der bei den bisher

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verwendeten Turbulenzverstärkern zur Erzielung der gleichen Ergebnisse erforderlich ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, daß der am Zuströmende liegende Abschnitt der Wechselwirkungskammer einen rechtwinkligen Querschnitt hat und mit scharfem Übergang gegen den Eingangskanal versetzte Seitenwände aufweist. Ein Vorteil ist, daß sich bei dem erfindungsgemäßen Turbulenzverstärker bei der Ablenkung des aus dem Eingangskanal austretenden laminaren Luftstromes in der neben dem Eingangs- ιό kanal liegenden Ecke der Wechselwirkungskammer, in deren Richtung der Strahl abgelenkt wird, ein Bereich mit niedrigem Druck ausbildet, der die Wirkung hat, den laminaren Luftstrom nach einer erstmaligen geringfügigen Ablenkung selbsttätig gegen die entsprechende Seitenwand zu ziehen. Der Steuerstrahl aus dem Steuerkanal muß also nur so stark sein, daß er das Ablenken des laminaren Luftstromes einleitet. Die vollständige Ablenkung des Luftstromes wird dann von der Sogwirkung im Bereich mit niedrigerem Druck stark unterstützt. Aus diesem Grunde kann die aufzuwendende Steuerenergie beträchtlich herabgesetzt werden. Eine derartige vorteilhafte Wirkung läßt sich nur erzielen, wenn die Wechselwirkungskammer einen rechtwinkligen Querschnitt hat und wenn infolge des scharfen Übergangs zwischen dem Eingangskanal und den Seitenwänden der Wechselwirkungskammer Eckbereiche gebildet werden, in denen sich ein Unterdruck aufbauen kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegen-Standes sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die spezielle geometrische Ausbildung des Turbulenzverstärkers kann der Abstand zwischen dem Zuströmende des Eingangskanals und dem Aufnahmeende des Ausgangskanals ganz erheblich verkürzt werden, wodurch höhere Schaltgeschwindigkeiten erzielt werden und wodurch im Ausgangskanal auch höhere Drücke erreicht werden können. Der verkürzte Abstand zwischen dem Eingangskanal und dem Ausgangskanal erhöht zusätzlich die Betriebsstabilität und verringert die Empfindlichkeit gegenüber Schallwellen und Umfangsschwingungen und/oder -stoßen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine genutete Platte, die einen Teil des fluidischen Turbulenzverstärkers bildet,

F i g. 2 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie 2-2 der Fi g. 1,

F i g. 3 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie 3-3 der Fi g. 1,

Fig.4 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie 4-4 der F i g. 1 und

F i g. 5 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines fluidischen Turbulenzverstärkers.

Es sei speziell auf die F i g. 1 und 2 Bezug genommen. Der dargestellte fluidische Turbulenzverstärker weist ein zusammengebautes Gehäuse 300 auf, welches eine untere Platte 301 und eine darüber angeordnete Deckplatte 302 hat. Die Deckplatte 302 ist in abgedichteter Weise an der genuteten Oberfläche 303 der unteren Platte 301 befestigt. Die verschiedenen Nuten in der Platte 301 begrenzen mehrere Kanäle für ein fluides Medium, und es ist ein Eingangskanal 310 vorgesehen, der an einem Ende mit einem Einlaß 311 für ein fluides Medium verbunden ist. Das andere Ende des Eingangskanals 310 steht mit dem stromauf gelegenen Ende einer Wechselwirkungskammer 312 in Verbindung.

Wie die Fig.2 zeigt, ist die Nut der Wechselwirkungskammer 312 etwas tiefer ausgeschnitten als die Nut des Eingangskanals 310. Ein Ausgangskanal 313 verbindet das andere Ende dieser Wechselwirkungskammer 312 mit einer Austrittsöffnung 314. Der Eingangskanal 310, der Ausgangskanal 313 und die Wechselwirkungskammer 312 erstrecken sich im wesentlichen entlang einer Längsachse, und die Wechselwirkungskammer 312 ist jm wesentlichen symmetrisch zu dieser Längsachse ausgebildet. Das stromab gelegene Ende der Wechselwirkungskammer 312 weist zwei seitliche Ansätze 315 und 316 auf, die mit zwei Entlüftungsöffnungen 317 und 320 in Verbindung stehen. Die.beiden Seitenwände 322 und 323 der Wechselwirkungskammer 312 weisen vier Steueröffnungen 324, 325, 326 und 327 auf, und diese Öffnungen bilden die Enden von vier kleinen Steuerkanälen 330, 331, 332 und 333. Die Steuerkanäle 330, 331, 332 und 333 stehen mit Kanälen 334,335,336 und 337 in Verbindung. Diese Kanäle sind ihrerseits mit vier Öffnungen 340, 341,342 und 343 verbunden. Mehrere Anschlüsse 355 erstrecken sich durch die untere Platte 301. hindurch und sind an dieser befestigt. Die Bohrungen dieser Anschlüsse bilden die Öffnungen 311, 314, 340, 341, 342 und 343. Über diese Anschlüsse können die verschiedenen Steuerkanäle mit äußeren Leitungen verbunden werden, die einen Teil des Kreises für ein fluides Medium bilden, in welchem der fluidische Turbulenzverstärker verwendet werden kann. Die Entlüftungsöffnungen 317 und 320, die in der Platte 301 ausgebildet sind, stehen direkt mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung.

Alle Kanäle, die in der unteren Platte 301 ausgebildet sind, haben im wesentlichen rechteckige Querschnittsprofile. Die Draufsichtansicht der verschiedenen Kanäle in F i g. 1 ist im tatsächlichen Maßstab gezeigt. Die Länge des Eingangskanals 310 sollte das Fünfunddreißig- bis Fünfundachtzigfache der größten Breiten- oder Tiefenabmessung des Querschnittsprofils des Eingangskanals sein. Die Tiefe der Wechselwirkungskammer 312 sollte zwischen dem Ein- bis Vierfachen der Tiefe des Eingangskanals 310 liegen, während die Breite der Wechselwirkungskammer 312 kleiner sein sollte als das Zehnfache der Breite des Eingangskanals 310. Das Verhältnis der Tiefen- und Breitenabmessungen des Querschnittsprofils des Eingangskanals sollte zwischen 1 :1 und 2 :1 liegen, wobei ein quadratisches Profil sehr wünschenswert ist. Der Abstand zwischen dem Eingangskanal 310 und dem Ausgangskanal 311, d. h. zwischen den Punkten 345 und 346, sollte zwischen dem Fünfzehn- und Vierzigfachen der kürzesten Breiten- und Tiefenabmessung des Querschnittsprofils des Eingangskanals 310 liegen. Ein hergestellter fluidischer Turbulenzverstärker war so bemessen, daß der Eingangskanal eine Breite W von 0,04 cm hatte, die Steueröffnungsbreite 0,015 cm betrug und eine Breite des Ausgangskanals von 0,04 cm vorgesehen war. Die Breite der Wechselwirkungskammer betrug 0,25 cm. Die Tiefe des Eingangskanals betrug 0,038 cm und die Tiefe der Steueröffnungen 0,020 cm. Die Wechselwirkungskammer hat eine Tiefe von 0,1 cm, und die Tiefe des Ausgangskanals betrug 0,038 cm. Alle Tiefenabmessungen wurden von einer gemeinsamen Ebene aus gemessen, die durch die obere ebene Oberfläche 303 der unteren Platte 301 bestimmt wird. Der hier verwendete Betriebsspeisedruck beträgt etwa 0,07 kg/cm². Es sei bemerkt, daß die hier angegebenen speziellen Abmessungen für die Vorrichtung lediglich als Beispiel angegeben sind und daß zahlreiche andere entsprechende

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Abmessungen bei diesem fluidischen Turbulenzverstärker verwendet werden können. Von Bedeutung ist, daß durch den vorstehend beschriebenen Aufbau der am Zuströmende liegende Abschnitt der Wechselwirkungskammer 312 einen rechtwinkligen Abschnitt hat und mit scharfem Übergang gegen den Eingangskanal versetzte Seitenwände aufweist.

Die Betriebsweise des in den F i g. 1 bis 4 dargestellten fluidischen Turbulenzverstärkers soll nun beschrieben werden. Ein unter Druck stehendes fluides Medi- ίο um, welches von einer nicht dargestellten Druckquelle kommt, strömt in die Öffnung 311 und strömt dann durch den Eingangskanal 310, und zwar derart, daß eine laminare Strömung 344 gebildet wird, die normalerweise vom stromab gelegenen Ende 345 des Eingangskanals 310 ausgeht. Die laminare Strömung 344 ist in das offene Ende 346 des axial fluchtenden Ausgangskanals 313 gerichtet, und das fluide Medium kann durch diesen Ausgangskanal 313 und die Austrittsöffnung 314 strömen, und zwar zu einer Vorrichtung, die gesteuert oder betrieben werden soll. Eine gleichzeitige Strömung in der Wechselwirkungskammer 312, die nicht in den Ausgangskanal 313 fließt, kann den fluidischen Turbulenzverstärker über die Entlüftungsöffnungen 317 und 320 verlassen. Im ersten Betriebszustand des fluidischen Turbulenzverstärkers ist der Ausgangsdruck in dem Ausgangskanal 313 verhältnismäßig hoch. Wenn es gewünscht ist, den Betriebszustand des fluidischen Turbulenzverstärkers zu ändern, so wird ein Steuerdruck durch einen der vier Steuerkanäle 330, 331, 332 oder 333 zugeführt. Wenn beispielsweise ein entsprechender Steuerdruck durch den Steuerkanal 332 zugeleitet wird und gegen die Seite der laminaren Strömung 344 gerichtet wird, so treten drei erhebliche Änderungen auf. Zuerst wird die laminare Strömung, die von dem Eingangskanal ausgeht, turbulent. Weiterhin wird die Strömung, die von dem Eingangskanal ausgeht, in erheblichem Maß zur Seitenwand 322 hin abgelenkt, wobei die Achse dieser turbulenten Strömung in diesem Fall, wie in F i g. 1 dargestellt, nach links abgelenkt wird. Drittens haftet die auf diese Weise abgelenkte turbulente Strömung an der Seitenwand 322 an oder wirkt mit dieser zusammen und in einem gewissen Maß auch mit der Seitenwand 323 der Wechselwirkungskammer 312, wobei eine Strömung dann zu den Entlüftungsöffnungen 317 und 320 am stromab gelegenen Ende der Wechselwirkungskammer 312 erfolgt. Die Pfeile 347 und 350 zeigen lediglich die Grenzen der abgelenkten turbulenten Strömung, die sich zu den Entlüftungsöffnungen 317 und 320 hin bewegt, und es werden nicht die verschiedenen örtlichen Wirbelströmungen und Rückströmungen angegeben, die in der Wechselwirkungskammer auftreten können. Es sei bemerkt, daß in diesem Betriebszustand der turbulente Hauptstrom anfangs an der Seitenwand 322 haftet, und zwar in einem Bereich, der näher am Ende des Eingangskanals 345 liegt als der Bereich, in dem die Strömung an der gegenüberliegenden Seitenwand 323 anliegt. Dies war im Hinblick auf die oben erwähnte Ablenkung der Achse der Strömung nach links zu erwarten. Der größte Teil des fluiden Mediums strömt bei diesem Betriebszustand durch die Entlüftungsöffnungen 317 und 320, und lediglich ein geringer Teil des fluiden Mediums wird in den Ausgangskanal 313 geleitet. Bei diesem Betriebszustand ist der Ausgangsdruck in dem Ausgangskanal 313 verhältnismäßig niedrig. Wenn der durch den Steuerkanal 332" zugeführte Steuerdruck abgeschaltet wird, so kehrt die Strömung in der Wechselwirkungskammer 312 unmittelbar in den ersten Zustand zurück. Wenn der Steuerdruck über einen der Steuerkanäle 330 oder 331 auf der anderen Seite der Wechselwirkungskammer 312 zugeführt wird, so wird die laminare ({ Strömung 344 in entsprechender Weise im allgemeinen nach rechts abgelenkt und die Hauptströmung erzeugt eine Zwischenwirkung mit der Wand 323 in einem Bereich, der näher am Ende des Eingangskanals 345 liegt als der Bereich, in dem die Hauptströmung mit der Wand 322 zusammenwirkt. Der Austritt des fluiden Mediums erfolgt hier wieder durch die Entlüftungsöffnungen 317 und 320, und der Ausgangsdruck in der Ausgangsnute 313 ist wieder verhältnismäßig gering.

Eine andere Ausführungsform der genuteten unteren Platte ist in Fig.5 dargestellt. Hier ist die Form der Wechselwirkungskammer 312a abgeändert. Die Seitenwände dieser Wechselwirkungskammer divergieren symmetrisch unter einem Winkel A von einer Stelle aus, die stromab von den Steueröffnungen 324a und 327a liegt. Der Winkel A hat beispielsweise einen Wert, der geringer ist als 35° und beim dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der Wert zwischen 25 und 30°. Bei diesem Ausführungsbeispiel entsprechen die Bezugszeichen und die Abmessungen der verschiedenen Kanäle und der allgemeine Betrieb den Werten, die im Zusammenhang mit den F i g. 1 bis 4 erläutert wurden. Die Bereiche geringen Druckes in der Wechselwirkungskammer 312a sind hier mit 353a und 354a bezeichnet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

16 OO 543 Patentansprüche:

1. Fluidischer Turbulenzverstärker mit einem Eingangskanal, einem Ausgangskanal, Steuerkanälen, eine von zwei in seitlicher Richtung gegen den Eingangskanal und den Ausgangskanal versetzten Seitenwänden begrenzte Wechselwirkungskammer und mit Entlüftungskanälen, dadurch gekennzeichnet, daß der am Zuströmende liegende Abschnitt der Wechselwirkungskammer (312) einen rechtwinkligen Querschnitt hat und mit scharfem Übergang gegen den Eingangskanal versetzte Seitenwände aufweist.

2. Fluidischer Turbulenzverstärker nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungskammer (312a) nach ihrem rechtwinkligen Abschnitt divergierende Seitenwände aufweist.

3. Fluidischer Turbulenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Wechselwirkungskammer (312, 312a) bis zu viermal so groß wie die Tiefe des Eingangskanals (310,310a) ist.

4. Fluidischer Turbulenzverstärker nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Breite des am Zuströmende liegenden Abschnitts der Wechselwirkungskammer (312, 312a) den zwei- bis zehnfachen Wert des Eingangskanals (310,310a) hat.

5. Fluidischer Turbulenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die oberen Wände der Wechselwirkungskammer (312, 312a) und des Eingangskanals (310, 310a) bildenden Flächen in einer Ebene liegen.

6. Fluidischer Turbulenzverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungskammer (312,312a) und der Eingangskanal (310, 310a) nach oben von einer gemeinsamen Wand (302) begrenzt sind.

7. Fluidischer Turbulenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Eingangskanals (310, 310a) zwischen fünfunddreißig- und fünfundachtzigmal größer als sein größtes Querschnittsmaß ist.

8. Fluidischer Turbulenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Eingangskanal (310, 310a) und dem Ausgangskanal (313, 313a) zwischen fünfzehn- und vierzigmal größer als das kleinste Querschnittsmaß des Eingangskanals (310,310a) ist.

9. Fluidischer Turbulenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Tiefen- und Breitenabmessungen des Eingangskanals (310, 310a) im Bereich zwischen 1 :1 und 2 :1 liegt.