DE2013741C3 - Fluidische Verstärkeranordnung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine fluidische Verstärkeranordnung zur Verminderung des bei hohem Betriebsdruck auftretenden Abfalls in der Druckausbeute eines aktiven Freistrahlverstärkers, der eine Wechselwirkungskammer enthält, in die eine Leistungsstrahldüse und eine Steuerdüse eintreten und von der ein Entlastungskanal und ein Ausgangskanal ausgehen.

Bei einem Freistrahlverstärker hat der Ausgangsdruck seinen Höchstwert, wenn der Ausgangskanal den gesamten freien Strahl, der aus der Leistungsstrahldüse ausströmt, aufnimmt. Derartige Verstärker besitzen die wünschenswerte Eigenschaft, daß sie wenigstens bei relativ niedrigen Versorgungsdrücken eine sehr hohe Druckausbeute aufweisen, und das bedeutet, daß der maximale Druck, der an dem Ausgangskanal verfügbar ist, einen sehr hohen Bruchteil des Versorgungsdruckes bildet, der an der Leistungsstrahldüse anliegt. Daher steht bei einem gegebenen Versorgungsdruck ein sehr hoher Ausgangsdruck zur Verfugung. Die Brauchbarkeit dieser Verstärker blieb jedoch bisher nur auf den Betrieb bei niedrigen Versorgungsdrücken beschränkt, da, wenn, wie es bisher übliche Praxis war, der Belüf-

tungsausgang gegen Atmosphäre oder gegen einen anderen konstanten Druck offenblieb, ein Anwachsen des Versorgungsdruckes über einen vorherbestimmten relativ niedrigen Wert hinaus, bis zu dem die Druckausbeute im wesentlichen konstant blieb, bewirkte, daß die

Druckausbeute schnell abfiel. Unter der Druckausbeute wird dabei das Verhältnis des Druckes am Ausgangskanal zum Druck an der Leistungsstrahldüse verstanden.

Aus »Archiv für technisches Messen«, Bl. Z 64-8 (Februar 1969, S. 43) sind verschiedene fluidische Bauele-

mente, die als Verstärker arbeiten, bekannt, deren Druckausbeute jedoch bei hohen Drücken nicht konstant gehalten werden kann, und die daher bei hohen Drücken auch nicht zufriedenstellend stabil arbeiten.
Aus der US-PS 34 17 772 ist es bekannt, einen Ausgangskanal eines fluidischen Proportionalverstärkers als Steuereingang einem Vortexverstärker zuzuführen, der einen variablen Fluidwiderstand darstellt. Durch eine derartige fluidische Anordnung ist es möglich, den Fluß eines Treibmittels unter erhöhten Druckbedingungen darzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine fluidische Verstärkeranordnung zu schaffen, die bei hohem Betriebsdruck stabil arbeitet und darauf gerichtet ist, dem bei hohem Betriebsdruck auftretenden Abfali in der Druckausbeute eines Freistrahlverstärkers entgegenzuwirken.

Diese Aufgabe wird mit einer fluidischen Anordnung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß der Entlastungskanal einen veränderlichen Fluidwider-

stand enthält, dessen Steuereingang in an sich bekannter Weise an einen der Ausgangskanäle eines aktiven Analogverstärkers angeschlossen ist, der eine Wechselwirkungskammer besitzt, in die eine Leistungsstrahldüse und mindestens eine Steuerdüse eintreten, und von der zwei Ausgangskanäle und ein Entlastungskanal ausgehen, und daß der andere Ausgangskanal des Analogverstärkers an die Steuerdüse des Freistrahlverstärkers angeschlossen ist.
Mit »Entlastungskanal« wird in Anlehnung an »Vorschlage zur Normung bei strömungsmechanischen Elementen und Schaltungen«, VDl-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1968, S. 87. eine öffnung zum Normaldruckniveau mit Zusatzwiderstand bezeichnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Entlastungskanal des Analogverstärkers gleichfalls an den Eingang des veränderlichen ersten Fluidwiderstandes angeschlossen.

Vorzugsweise ist der Analogverstärker ein Proportionalverstärker, dessen Leistungsstrahldüse an die

f>o gleiche Druckmittelquelle wie die des Freistrahlverstärkers angeschlossen ist.

Es ist ferner vorteilhaft, daß der Entlastungskanal des Analogverstärkers zwischen letzterem und dem Eingang des veränderlichen Fluidwiderstandes einen nicht im Entlastungskanal des Freistrahlverstärkers liegenden weiteren veränderlichen Fluidwiderstand enthält, dessen Steuereingang an einen im Freistrahlverstärker vorgesehenen zusätzlichen Ausgangskanal an-

If

geschlossen ist, welcher gegenüber dem eigentlichen Ausgangskanal im Sinne der durch die Steuerdüse bewirkten Ablenkung des Leistungsdüsenstralvs versetzt ist.

Die veränderbaren Fluidwiderstände sind Vorzugsweise Vortex- oder Wirbelkammerverstärker.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die Verstärkeranordnung aus genormten fluidischen Bauelementen zusammengesetzi ist, die durch andere Bauelemente, die ähnliche Funktionen ausüben, ersetzt werden können. So können z. B. die Wirbelkammerverstärker durch irgendwelche Bauelemente (z. B. eine veränderliche Drossel) ersetzt werden, die dem Strömungsmittelfluß aus den Entlastungskanälen einen variablen Widerstand entgegenbringen, und der Analogverstärker kann durch eine Anordnung ersetzt werden, die eine veränderliche Strömungsmittelzuführung für den Steuerstrahl des entlasteten Verstärkers liefert und veränderliche Widerstände in Abhängigkeit von der Strömungsmittelzuflußmenge steuert

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele von fluidischen Verstärkeranordnungen gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In den Figuren zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer fluidischen Verstärkeranordnung,

F i g. 2 eine grafische Darstellung, die das Eingangsdruckverhältnis zum Ausgangsdruckverhältnis des Verstärkers nach F i g. 1 wiedergibt,

F i g. 3 eine schematische Ansicht einer abgewandelten Form der fluidischen Verstärkeranordnung und

Fig.4 einen Vergleich der Kennlinien der Anordnungen nach den F i g. 1 und 3.

F i g. 1 zeigt einen Freistrahlverstärker 6, der eine Leistungsstrahldüse 8, einen Ausgangskanal 10, eine Steuerdüse 12 und einen Entlastungskanal 14 aufweist.

Der Freistrahlverstärker 6 wird durch einen Analogverstärker 16 (Proportionalverstärker) gesteuert, dessen Leistungsstrahldüse 8 mit einer nicht näher dargestellten fluidischen Quelle mit einem Druck Ps verbunden ist, und der einen Entlastungskanal 20 und zwei Ausgangskanäle 22 und 24 aufweist, von denen einer mit der Steuerdüse 12 des Freistrahlverstärkers 6 verbunden ist.

Der Analogverstärker 16 besitzt auch zwei Steuerdüsen 19 zur Steuerung des Verhältnisses der Strömungsmitteldrücke in jedem Ausgangszweig.

Die Strömung aus den Entlastungskanälen 14 und 20 wird durch einen Wirbelkammerverstärker oder Vortexverstärker 26 variiert. Der Wirbelkammerverstärker 26 weist eine Leistungsstrahldüse 28 auf, mit der beide Entlastungskanäle 14 und 20 verbunden sind, und eine Steuerstrahldüse 30, die durch den zweiten Ausgangskanal 24 des Analogverstärkers 16 versorgt wird.

Bei relativ niedrigen Betriebsdrücken besitzt der Freistrahlverstärker 6 eine nahezu lineare Eingangs-/ Ausgangsdruckverhältniskennlinie. Wenn er jedoch mit relativ hohen Drücken betrieben wird, üben die Drücke am Entlastungsausgang eine merkliche Wirkung auf die Verstärkerstabilität und die Druckausbeute aus (d.h., das Verhältnis des Druckes am Ausgangskanal zum Druck am Leistungsstrahleingang). Diese Wirkung ist in F i g. 2 durch die Eingangs-ZAusgangsdruckverhällniskennlinie näher aufgezeigt, wobei das Eingangsverhältnis PsIPv das Verhältnis des Druckes Pa an der Lei- f>5 stungsstrahldüse 8 und des Druckes Pv am Entlastungskanal 14 und das Ausgangsverhältnis PrIPs (die Druckausbeute) das Verhältnis des Druckes Pr am Ausgangs

kanal 10 und des Druckes Ps an der Leistungsstrahldüse 8 ist.

Wie daher aus der Kennlinie ersichtlich ist, bewirkt ein Ansteigen der Drückversorgung Ps, während Pv konstant gehalten wird, eine Verringerung der Druckausbeute, d. h. PrIPs. Dieser Verringerung jedoch kann durch ein Ansteigen des Entlastungsdruckes entgegengewirkt werden, und die fluidische Verstärkeranordnung nach F i g. 1 ermöglicht dies in einer Weise, die im folgenden beschrieben wird.

Ein unter dem Druck Ps stehendes Fluid wird von einer Quelle den Leistungsstrahldüsen 8 und 18 des entlasteten Freistrahlverstärkers und des Analogverstärkers zugeführt. Das Fluid aus dem Analogverstärker 16 tritt mit gleichen Drücken aus den zwei Ausgangskanälen 22 und 24 aus. Das Fluid aus dem Kanal 22 wird der Steuerstrahldüse 12 des Freistrahlverstärkers 6 zugeführt, um eine bestimmte Ablenkung des aus der Leistungsstrahldüse 8 austretenden Fluidstrahls zu bewirken. Das Fluid aus dem Ausgangskanal 24, das der Steuerstrahldüse 30 des Wirbelkammerverstärkers 26 zugeführt wird, übt mit dem Fluid, das in den Wirbelkammerverstärker 26 aus dem Entlastungskanal 14 und 20 eintritt, eine Wechselwirkung aus und baut in dem Wirbelkammerverstärker 26 einen Druck auf, der als ein Druckanstieg auf die Entlastungsitanäle 14 und 20 zurückwirkt.

Die Arbeitsweise des Wirbelkammerverstärkers 26 ist dabei wie folgt. Ein Hauptstrahl des Fluids tritt durch die Eingangsdüse 28 in den Wirbelkammerverstärker ein. Dieser Hauptstrahl bewegt sich radial in den Verstärker und tritt durch eine axiale zentrale Öffnung aus. Wenn ein Steuerstrahl über die Steuerstrahldüse 30 dem Verstärker zugeführt wird, wird der Hauptstrahl von seinem radialen Weg abgelenkt und verläuft in einem leicht kreisförmigen Weg um die zentrale Achse des Verstärkers, bevor er ihn durch die zentrale Öffnung verläßt. Als Folge davon wird ein Wirbel oder »Vortex« gebildet, und der Druck in dem Verstärker selbst wird erhöht. Das Aufbauen des Drucks wirkt natürlich auf den Haupteingangsstrahl zurück, und demzufolge erhöhen sich die Drücke in den Wechselwirkungskammern der Verstärker 6 und 16.

Da bei einem Freistrahlverstärker der Druck des Steuerstrahls das Maß der Ablenkung des Leistungsstrahls bestimmt, wird durch ihn auch die Menge an Fluid bestimmt, die den Verstärker durch den Ausgangskanal verläßt. Es ist bekannt, daß sich in einem Fluidstrom Turbulenz entwickelt, wenn der Druck des Stromes bezüglich des Fluids, durch das er strömt, anwächst. Bei niedrigen Eingangsdrücken des Leistungsstrahls entwickelt sich geringe Turbulenz, wenn überhaupt eine, in dem Leistungsstrahl, wenn diese die Wechselwirkungskammer durchströmt. Daher ist für die niedrigen Werte des Eingangsdrucks die Beziehung zwischen dem Steuerdruck und dem Ausgangsdruck konstant.

Bei hohen Drücken des Leistungsstrahls entwickelt sich jedoch Turbulenz in dem Leistungsstrahl, und daher ändert sich das Verhältnis von Steuerdruck zu Ausgangsdruck in dem Leistungsstrahl. Die Situation wird ferner durch die Tatsache kompliziert, daß, wenn der Steuerdruck anwächst, mehr Fluid um die Wechselwirkungskammer zu zirkulieren beginnt, und da der Entlastungskanal in der Wechselwirkungskammer eine konstante Größe besitzt, wächst folglich der Druck in der Wechselwirkungskammer an. Das Anwachsen des Druckes verringert die Turbulenz in dem Leistungs-

strahl.

Die Erfindung hat nun das Ziel, die Turbulenz des Leistungsstrahls bei hohen Drücken zu vermindern, und dies wird durch die Steuerung der durch den Entlastungskanal der Wechselwirkungskammer ausfließenden Fluidmenge erreicht, weil dadurch der Druck in der Wechselwirkungskammer gesteuert wird. Jedoch muß der Ausflußwiderstand für das Fluid aus dem Entlastungskanal umgekehrt proportional zu dem Strahlsteuerdruck sein. Daher muß ein Steuersignal entwikkelt werden, das umgekehrt proportional zu dem Strahlsteuerdruck ist. Hierzu dient der Analogverstärker 16.

Wenn nun an dem Analogverstärker 16 zwischen den Steuerdüsen 19 eine Druckdifferenz aufgebaut wird, welche den Druck in dem Ausgangskanal 22 senkt und dadurch die Wirkung des Steuerstrahls an der Steuerstrahldüse 12 des Freistrahlverstärkers 6 verringert, steigt demzufolge der Ausgangsdruck an dem Freistrahlverstärker 6 an. Gleichzeitig mit Drucksenkung am Ausgangskanal 22 des Analogverstärkers 16 steigt der Druck an dem Ausgangskanal 24 an und erzeugt eine stärkere Wechselwirkung zwischen der Steuerstrahldüse 30 und der Eingangsdüse 28 des Wirbelkammerverstärkers 26. Dies wiederum erhöht den Druck am Entlastungskanal 14 des Freistrahlverstärkers 6 und verbessert die Druckausbeute desselben.

Der Druck am Entlastungsausgang 20 des Analogverstärkers 16 wird ebenfalls erhöht, wodurch seine Druckausbeute verbessert wird (d. h. der Druck der beiden Zweige steigt an); hier tritt jedoch eine Rückkopplung ein, da der Druckanstieg in dem Ausgangskanal 24 einen weiteren Druckanstieg an dem Entlastungskanal 14 des Freistrahlverstärkers 6 über den Wirbelkammerverstärker 26 bewirkt, wodurch daher die Druckausbeute des Freistrahlverstärkers 6 noch zusätzlich verbessert wird.

Die F i g. 4 zeigt bei A die Eingangs-/Ausgangsdruckkennlinie der vollständigen fluidischen Verstärkeranordnung, wobei der Ausgangsdruck aus dem Freistrahlverstärker 6 auf der Ordinate und die positive und negative Druckdifferenz AP, die dem Analogverstärker 16 zugeführt wird, auf der Abszisse aufgetragen sind. Diese F i g. 4 stellt die Kennlinie für zwei beschriebene Ausführungsformen dar. Der Druck Po ist der Ausgangsdruck von dem Freistrahlverstärker 6, und die Drücke +4Pund —4P stellen entsprechende positive und negative Druckdifferenzen dar, die an die Steuerdüsen des Analogverstärkers 16 gelegt werden.

F i g. 4 zeigt, daß der lineare Teil der Kennlinie A für die Ausführungsform nach F i g. 1 erhöht werden kann, wie es durch die Kennlinie B für die Ausführungsform nach F i g. 3 gezeigt ist, indem einfach der zusätzliche Wirbelkammerverstärker 36 eingefügt und ein zusätzlicher Ausgangskanal 32 eingefügt wird, wie es in F i g. 3 dargestellt ist.

ίο Im folgenden wird nun die abgewandelte fluidische Verstärkeranordnung nach F i g. 3 näher beschrieben, in der Elemente, die mit denjenigen in F i g. 1 ähnlich sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

In der in F i g. 3 dargestellten Abwandlung ist der Freistrahlverstärker mit einem weiteren Ausgangskanal 32 versehen, an dem sich ein Fluiddruck in Abhängigkeit von der Größe der Wechselwirkung zwischen der Steuerstrahldüse 12 und der Leistungsstrahldüse 8 entwickelt Der weitere Ausgangskanal 32 ist mit der Steuerstrahldüse 34 des zusätzlichen Wirbelkammerverstärkers 36 verbunden, der zwischen dem Entlastungskanal 20 des Analogverstärkers 16 und der Leistungsstrahldüse 28 des Hauptwirbelkammerverstärkers 26 eingeschaltet ist.

Der zusätzliche Wirbelkammerverstärker 36 verhält sich so, daß bei hohen Ausgangsdrücken aus dem Ausgangskanal 10, wenn der Druck an dem zusätzlichen Ausgangskanal 32 des Freistrahlverstärkers 6 sehr niedrig ist, der zusätzliche Wirbelkammerverstärker 36 eine geringe oder gar keine Wirkung auf den Druck am Entlastungskanal 20 des Analogverstärkers 16 ausübt und dieser Druck daher durch den Hauptwirbelkammerverstärker 26, wie in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben worden ist gesteuert wird. Wenn jedoch

mit Verringerung des Ausgangsdruckes der Druck am zusätzlichen Ausgangskanal 32 des Freistrahlverstärkers 6 ansteigt so wird durch die Wirkung des Wirbelkammerverstärkers 36 eine Rückkopplung bewirkt, und so stellt sich eine etwas geringere Ausbeute an derr

Hauptausgangskanal 10 des Freistrahlverstärkers 6 ein Das Ergebnis davon ist, daß die untere Ausgangsdruck Grenze der Eingangs-ZAusgangskennlinie der fluidischen Verstärkeranordnung, wie durch die Kurve B ir F i g. 4 gezeigt herabgesetzt wird, ohne daß das obere Ende der Kennlinie beeinflußt wird. Im Ergebnis wire somit der geradlinige Teil der Kennlinie weiter verlän gert

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Fluidische Verstärkeranordnung zur Verminderung des bei hohem Betriebsdruck auftreteaden Abfalls in der Druckausbeute eines aktiven Freistrahlverstärkers, der eine Wechselwirkungskammer enthält, in die eine Leistungsstrahldüse und eine Steuerdüse eintreten und von der ein Entlastungskanal und ein Ausgangskanal ausgehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlastungskanal (14) einen veränderlichen Fluidwiderstand (26) enthält, dessen Steuereingang (30) in an sich bekannter Weise an einen der Ausgangskanäle (24) eines aktiven Analogverstärkers (16) angeschlossen ist, der eine Wechselwirkungskammer besitzt, in die eine Leistungsstrahldüse (18) und mindestens eine Steuerdüse (19) eintreten, und von der zwei Ausgangskanäle (22, 24) und ein Entlastungskanal (20) ausgehen, und daß der andere Ausgangskanal (22) des Analogverstärkers (16) an die Steuerdüse (12) des Freistrahlverstärkers (6) angeschlossen ist.

2. Fluidische Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlastungskanal (20) des Analogverstärkers (16) gleichfalls an uen Eingang (28) des veränderlichen ersten Fluidwiderstandes (26) angeschlossen ist.

3. Fluidische Verstärkeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Analogverstärker (16) ein Proportionalverstärker ist, dessen Leistungsstrahldüse (18) an die gleiche Druckmittelquelle (Ps) wie die des Freistrahlverstärkers (6) angeschlossen ist.

4. Fluidische Verstärkeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlastungskanal (20) des Analogverstärkers (16) zwischen letzterem und dem Eingang (28) des veränderlichen Fluidwiderstandes (26) einen nicht im Entlastungskanal (14) des Freistrahlverstärkers (6) He genden weiteren veränderlichen Fluidwiderstand (36) enthält, dessen Steuereingang (34) an einen im Freistrahlverstärker (6) vorgesehenen zusätzlichen Ausgangskanal (32) angeschlossen ist, welcher gegenüber dem eigentlichen Ausgangskanal (10) im Sinne der durch die Steuerdüse (12) bewirkten Ablenkung des Leistungsdüsenstrahls versetzt ist.

5. Fluidische Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbaren Fluidwiderstände (26,36) Vortexverstärker sind.