БИБЛИОТЕКА ПО АВТОМАТИКЕ
Выпуск 478
ЭЛЕМЕНТЫ
И УСТРОЙСТВА
СТРУЙНОЙ
ТЕХНИКИ
Под редакцией Ф. А. Короткова
ш
«Э Н Е Р Г И Я»
МОСКВА 1972

6П2.12
Э 45
УДК 62-522.6
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:
И. В. Антик, Г. Т. Артамонов, А. И. Бертинов, А. А. Воронов,
Л. М. Закс, В. С. Малов, В. Э. Низе, Д. А. Поспелов,
О. В. Слежановский, Б. С. Сотсков, Ф. Е. Темников,
М. Г. Чиликин, А. С. Шаталов.
Авторы: А. В. Богачева, А. Н. Добрынин, В. Г. Завьялов,
К. Н. Петров, А. И. Скобелев, Е. Б. Тарасова, Л. И. Толокнова.
Элементы и устройства струйной техники. Под
Э45 ред. Ф. А. Короткова, М., «Энергия», 1972.
96 с. с ил. (Б-ка по автоматике. Вып. 478).
На обороте тит. л. авт.: А. В. Богачева, А. Н. Добрынин,
В. Г. Завьялов и др.
Е книге представлен обзор иностранных патентов по струйной тех-
нике. Назначение книги: ознакомить читателя с зарубежными изобре-
тениями в области элементов, устройств и систем струйной техники и
показать направления решений технических проблем в этой новой об-
ласти.
Книга рассчитана на инженерно-технических работников конструк-
торских бюро, НИИ и заводов, разрабатывающих системы и устрой-
ства автоматического управления и контроля. Она может быть также
полезна студентам и аспирантам соответствующих специльностей.
3-3-13
Ш2 6П2Л2
Антонина Васильевна Богачева, Александр Николаевич Добрынин,
Вадим Григорьевич Завьялов, Константин Николаевич Петров,
Александр Иванович Скобелев, Евгения Борисовна Тарасова,
Людмила Ивановна Толокнова
Элементы и устройства струйной техники
Редактор Б. С. Шкрабов
Редактор издательства Н. Б. Фомичева
Технический редактор О. Д. Кузнецова
Корректор И. А. Володяева
Сдановнабэр 25/VII 1972 г. Подписано к печати 14/XII 1972 г. T-19679
Формат 84хЮ87за Бумага типографская № 2
Усл. печ. л. 5,04 Уч.-изд. л. 6,63
Тираж 8000 экз. Заказ 1281 Цена 33 коп.
Издательство «Энергия». Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.
Московская типография № 10 Союзполиграфпрома при Государственном
комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии
и книжной торговли.
Шлюзовая наб., 10.

ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие автоматики и широкое применение ее во
всех отраслях (промышленности поставило перед учены-
ми и инженерами многих стран задачу создания деше-
вых, надежных и простых систем регулирования, способ-
ных выполнять сложные функции.
Один из возможных путей .решения этой задачи —
применение пневмогидроавтоматики. За ■■последнее деся-
тилетие в нашей стране и за рубежом был разработан
ряд пневматических систем регулирования. В СССР были
последовательно разработаны Агрегатная унифицирован-
ная система (АУС), содержащая ряд блоков, каждый
из которых мог выполнять самостоятельную функцию
автоматического регулирования, и Универсальная система
элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА),
решающая 'более .сложные задачи управления, в том чис-
ле и логические, и нашедшая широкое применение
в СССР и за рубежом.
Системы, не содержащие подвижных деталей и
использующие принцип .непосредственного взаимодейст-
вия потоков, известные под общим названием «Струй-
ная техника» или «Пнезмоника», могут быть значительно
более дешевы и надежны по сравнению с системами, со-
держащими подвижные детали. Струйной технике уде-
ляется все большее внимание в науке и промышленности
многих стран.
Серьезное значение придается развитию струйной
техники в СССР и социалистических странах. Работы по
струйной технике изложены в трудах ряда организаций,
например: Института проблем управления (ИАТ), в тру-
дах Яблонской конференции, созданной по инициативе
Польской Академии наук в 1966 г., и многих других.
Большое количество информации о практическом
применении струйной техники содержится в патентной
литературе высокоразвитых капиталистических стран —
США, Англии, Франции.
Предлагаемая книга представляет собой обзор па-
тентной информации, который, по мнению авторов, мо-
жет дать достаточно полное представление о направле-
нии развития и применении струйной техники за ру-
бежом.

В книге кратко освещены процессы, протекающие
в различных струйных элементах, и дается классифика-
ция последних, приводятся конструктивные схемы и ха-
рактеристики аналоговых и дискретных логических эле-
ментов; дано описание ряда датчиков, преобразователей
и аналоговых вычислительных устройств; рассмотрены
некоторые возможные системы управления конкретными
объектами, построенные на струйных элементах.
Последняя глава книги посвящена специальному во-
просу методики и особенностей подбора патентной
информации. В ней содержится справочный материал,
облегчающий специалистам поиск необходимой инфор-
мации в патентной литературе и помогающий точно
определить классы патентов разных стран по струйной
технике.
Следует обратить внимание читателей на то, что
в патентной литературе зачастую присутствует значи-
тельный элемент рекламы, это особенно характерно для
первого этапа развития струйной техники. Из зарубеж-
ной периодической печати и патентных материалов
трудно получить данные о конкретных конструктивных
и рабочих характеристиках.
Тем не менее эти материалы могут явиться основой
для дальнейшего серьезного изучения струйной техники.
Настоящая книга не ставит себе целью детальный
разбор конкретных схем и устройств. Ее цель — ознако-
мить широкий круг читателей с направлениями развития
струйной техники за рубежом и конкретными техниче-
скими решениями, разрабатываемыми в промышленности.
Авторы надеются, что книга будет полезна специа-
листам, занимающимся изучением струйной техники и
конструированием различных устройств с применением
струйной техники.
Авторы приносят благодарность рецензенту, сделав-
шему ряд ценных замечаний, которые были учтены при
окончательном редактировании книги.
Авторы будут признательны лицам, которые при-
шлют замечания по данной книге в изд-во «Энергия» по
адресу: Москва М-114, Шлюзовая набережная, 10.
Авторы

Глава первая
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СТРУЙНОЙ ТЕХНИКИ
1. Развитие, современное состояние струйной техники
и ее промышленное применение
В настоящее время в системах автоматического управления про-
изводственными процессами и энергетическими установками все боль-
шее применение находит струйная техника. Приборы и устройства,
работа которых основана на взаимодействии струй воздуха, газа или
жидкости и использовании свойств пристеночных течений (без при-
менения механических подвижных частей), в настоящее время можно
встретить в различных отраслях промышленности.
Одной из перзых попыток применения струйной техники можно
считать предложение румынского инженера Коанда в 1934 г. исполь-
зовать эффект прилипания потока воздуха к криволинейной стенке
(эффект Коанда), запатентованное в различных странах.
Серьезные разработки по практическому применению струйной
техники начались во второй половине 50-х годов. В 1959 г. Институт
проблем управления получил авторские свидетельства в СССР и за-
патентовал за рубежом ряд устройств струйной техники, разработал
модульный принцип построения приборов струйной техники под
общим названием «Система модулей струйной техники» (СМСТ).
Разработку элементов струйной техники ведет также ряд других на-
учно-исследовательских организаций и конструкторских бюро СССР.
В Чехословакии в 1962 г. были опубликованы работы по созда-
нию системы пневматической логики «Пневмолог» с элементами,
основанными на принципе взаимодействия свободных струй. Разра-
ботки по применению струйной техники ведутся широким фронтом
в химической, станкоинструментальной, горнорудной и других отрас-
лях промышлености; проводятся работы по созданию искусственного
сердца, представляющего собой систему струйных генераторов коле-
баний, автоматического оптимизатора производственных процессов и
другие работы.
Теоретические разработки в области струйной техники проводят-
ся также в Польской Академии наук, в Болгарском институте техни-
ки регулирования и управления и АН ГДР.
Развитие этого нового технического направления нашло отраже-
ние и в патентной литературе. Особенно много заявок по струйной
технике на устройства, работа которых основана на взаимодействии
5

струй, было подано различными американскими фирмами после ре-
гистрации советских заявок [Л. 63] © феврале 1960 г. в патентном
ведомстве США. Количественный рост заявок и выдач патентов па-
тентным ведомствам США показан на рис. 1, где /— число заявок;
2 — число выданных патентов.
500
450
¥00
*J50
| 300
Jj| Z50
<§ 200
% 150
^ 100
| 50
5 S ^ ^ «о N. «О 0>
rO cv & & ^9 <о Ч> Ч> ^ <Ъ
^ *»ч *^ *^ N Ч к К ^ К
Годы
Рис. 1. Количество заявок и выдачи патентов
в США по струйной технике с 1959 по 1969 г.
Из графика видно, что за рубежом с 1959 по 1969 г. различным
национальным и зарубежным фирмам был выдан 471 патент по
струйной технике. Аналогичное положение наблюдается и в других
Годы
Рис. 2. Рост числа фирм США, применяющих
струйную технику, с 1959 по 1969 г.

капиталистических странах. Так, например, в Англии за этот же пе-
риод выдано более 160 патентов, а во Франции более 200 патентов.
О бурном развитии струйной техники за последние годы свидетель-
ствует и тот факт, что число фирм США и отдельных авторов изо-
бретений, владеющих патентами по струйной технике, увеличилось
в 40 раз и достигло в 1969 .г. цифры 82.
На рис. 2 представлен график, показывающий рост числа фирм,
занимающихся разработкой различных объектов, содержащих элемен-
ты, детали и узлы, использующие принципы струйной техники.
Рис. 3. Расширение количества классов
патентов США по струйной технике
с 1959 по 1969 г.
На широкое применение струйной техники в различных отраслях
промышленности указывает разнообразие названий классов (табл. 1),
в которые отнесены патенты США по струйной технике. К 1970 г.
элементы струйной техники были зарегистрированы в 32 классах па-
тентной классификации США. Графически это представлено на рис. 3.
Такое широкое распространение струйной техники объясняется ее по-
тенциальными преимуществами перед другими техническими средст-
вами, используемыми в системах контроля и управления. Применение
элементов струйной техники, которые не содержат каких-либо меха-
нических подвижных частей, позволяет повысить надежность и дол-
говечность системы, сократить их вес и габариты. Неподверженность
струйных элементов радиационным воздействиям, возможность ра-
боты при низких и высоких температурах позволяют широко исполь-
зовать их в специальных отраслях техники, таких, например, как
авиация и ракетостроение. Важными преимуществами приборов, по-
строенных на принципах пыевмоники, являются более низкая стои-
мость их изготовления (например, методом печатных схем), просто-
та и надежность в эксплуатации.
7

Таблица 1
№ класса
Количест-
Наименование классов и подклассов патентов США
во патен-
тов
15
Чистка щетками, скребками и общая чистка
3
60
Силовые установки
8
73
Измерения и испытания
11
74
Детали и механизмы машин
1
83
Резание
1
84
Музыкальные инструменты
1
91
Моторы
7
98
Вентиляция
1
102
Боеприпасы и взрывные устройства
1
103
Насосы
1
114
Суда
1
116
Сигнальные устройства и указатели
2
128
Хирургия
со
137
Процессы (методы управления, регулирование
двигателей, клапанов, гидросистем и т. д.)
33
137-81.5
Механизмы регулирования расхода по измене-
нию давления
294
138
Трубопроводы
1
165
Теплообмен
2
197
Пишущие машины
2
209
Классификация, сепарация и сортировка твер-
3
дых тел
1
1
210
Фильтры
222
Распределительные устройства (дозаторы)
230
Компрессоры, вентиляторы
3
234
Способы резания
1
235-61
Вычислительные устройства
> оо оо
235-200
Струйные усилители
235-201
Цифровые системы
СП
236
Автоматическое регулирование температуры и
влажности
со
237
Системы отопления
1
239
Разбрызгивание, распыление и рассеивание жид-
кости
3
241
Измельчение и дробление твердых материалов
1
244
Авиация
3
253
Гидравлические двигатели
2
261
Аппараты для контактирования газов и жидко-
стей
1
8

Эти качества позволяют струйным элементам завоевывать новые
отрасли техники. Устройства, работающие на струйных элементах,
можно встретить сейчас в самых различных отраслях, например:
в дыхательном аппарате (Л. 62] и в системе управления газотурбин-
ного двигателя [Л. 71]; в системе измерения высоты морских волн
[Л. 75] и в часовом механизме со струйным приводом (Л. 78];
в устройстве возбуждения органной трубы [Л. 67] и в системе очист-
ки стекол автомашины |[Л. 79]; в устройстве для выборочной подачи
моющего раствора ![Л. 81] и в системе управления ракетой |[Л. 60].
Большое число выданных патентов на изобретения отражает ши-
рокий фронт работ, проводимых фирмами-патентовладельцами и про-
мышленностью по разработке, изготовлению и применению струйной
техники в различных областях.
Наиболее характерные патенты будут рассмотрены в последую-
щих главах.
Глава вторая
КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
СТРУЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
2. Классификация струйных элементов
В настоящее время еще не существует единой и общепринятой
классификации струйных элементов. В данной главе сделана попыт-
ка распределить множество имеющихся элементов по группам. При-
веденная ниже классификация струйных элементов в известной сте-
пени условна.
С энергетической точки зрения элементы струйных систем делят-
ся на два больших класса: активные и пассивные. Струйный элемент
называют активным в том случае, если к нему подводится энергия
от постороннего источника питания. Активные элементы являются
усилителями мощности. Пассивным называют струйный элемент,
к которому не поступает энергия от постороннего источника. Пас-
сивный элемент не может быть усилителем мощности. К пассивным
относятся также такие элементы струйных систем, как различные
сопротивления, емкости, индуктивности, фильтры и т. д.
Активные струйные элементы в свою очередь можно разделить
на две группы: пропорциональные (аналоговые) и дискретные.
Струйный элемент называют пропорциональным или аналоговым,
если параметры выходной струи меняются непрерывно с изменением
параметров входной (управляющей) струи. Элемент называют ди-
скретным, если параметры выходной струи могут принимать только
два дискретных значения, определяемых входным (управляющим)
сигналом.
Каждая из указанных групп активных струйных элементов, про-
порциональных или дискретных, состоит в свою очередь из ряда под-
групп. Деление на подгруппы производится по аэродинамическим
эффектам, используемым при построении простейших струйных эле-
ментов. Имеется два механизма, положенных в основу построения
струйных элементов: взаимодействие струй жидкости, обладающих
определенным количеством движения, и взаимодействие потока со
стенкой.
9

При разработке активных пропорциональных (аналоговых) струй-
ных элементов используются два основных физических закона: закон
сохранения количества движения (взаимодействие свободных струй,
столкновение двух противоположно направленных свободных струй)
и сохранения момента количества движения (вихревые усилители).
Принцип действия многих дискретных элементов основан на взаимо-
действии струи со стенкой (эффект Коанда), турбулизации ламинар-
ной питающей струи управляющей струей и кромочном эффекте.
Кроме указанной основной классификации струйные элементы
могут подразделяться и по другим признакам.
По выполняемым функциям струйные элементы можно разделить
следующим образом. Основными первичными струйными элементами
дискретного действия являются: реле, элементы памяти, генераторы
колебаний, элементы, выполняющие элементарные логические опера-
ции (НЕ, ИЛИ, И и др.). Основными первичными функциями актив-
ных элементов пропорционального действия являются: усиление
давления и мощности, сравнение двух величин. Пассивные элементы
могут выполнять простейшие логические операции: И, ИЛИ, сравне-
ние сигналов.
На рис. 4 приведена описанная выше классификация струйных
элементов.
3. Активные дискретные элементы и принципы
их построения
Дискретные элементы с прилипанием струи к стенке. Принцип
действия многих дискретных струйных элементов основан на исполь-
зовании эффекта прилипания струи к стенке канала или камеры
[Л. 11].
Причина этого явления состоит в том, что во время движения
струя эжектирует жидкость из окружающей среды. Эта захваченная
и унесенная со струей жидкость должна быть возмещена жидкостью
из более отдаленных областей. Если вблизи струи с одной стороны
имеется стенка, этот поток возмущения ограничен, что приводит
к появлению разности давлений с обеих сторон струи. Между пото-
ком и стенкой образуется зона разрежения. Давление в зоне разре-
жения ниже, чем давление с внешней, выпуклой стороны струи. Воз-
никающий градиент давлений стремится прижать струю к стенке ка-
нала. Струя изгибается и притягивается к стенке, еще более затруд-
няя проникновение в область пониженного давления потока возме-
щающей жидкости. Образование такого типа • пристеночных течений
называют эффектом Коанда. Распределения скоростей w в свобод-
ной, полу ограниченной струе и в струе, прилипшей к стенке дискрет-
ного элемента, приведены на рис. Ъд—в. Обычно в струйных эле-
ментах с прилипанием струи к стенке сочетаются два явления —
взаимодействие потока со стенкой и непосредственное взаимодей-
ствие струй. Эффект Коанда позволяет получить характеристики
с двумя или более устойчивыми состояниями, требуемыми для по-
строения многих дискретных устройств.
Типовой струйный дискретный элемент состоит из питающего
сопла, двух управляющих сопл и примыкающих к ним двух стенок
(рис. 5,0). Здесь и ниже обозначено: рп — давление питания, ру—
давление управления, pRIu—давление выхода. Питающая струя,
вытекающая из сопла питания, прилипает к левой или правой стенке
П

и .подается на соответствующий выход элемента. В среднем положе-
нии при равных расстояниях между стенками струя статически не-
устойчива.
Струя питания может быть переключена от одного выходного
отверстия к другому подачей управляющей струи. Предположим, что
поток управления подается через сопло -/. Питающая струя отклоняет-
ся вправо от сопла питания и прилипает к внешней стенке выходного
канала 3 в направлении вниз от управляющего сопла 4. При умень-
шении давления управления pyi ниже уровня давления управле-
ния переброса или даже при полном его прекращении струя удержи-
вается у правой стенки и выходит через канал 3. В этом случае го-
Рис. 5. Схемы дискретных элементов с прилипанием струи и
турбулентных элементов.
ворят, что на выходе элемента «запоминается» поданный сигнал
управления ру\. Свойство струи сохранять (после снятия сигнала
управления) положение, которое она заняла в канале под действием
управляющего сигнала, называется памятью или гистерезисом эле-
мента.
Изменением геометрии можно получить элементы, характеристи-
ки которых меняются в широком диапазоне — от эффекта памяти
(большой гистерезис) при умеренном коэффициенте усиления до
практически нулевого гистерезиса при большом коэффициенте усиле-
ния [Л. 22].
Существуют два основных способа переключения дискретного
элемента с прилипанием струи к стенке [Л. 26]. Первый способ реа-
лизуется главным образом в тех случаях, когда расстояние между
стенками довольно большое. По мере того как поток управления вво-
дится в зону разделительных вихрей, образующуюся между стенкой
и струей питания, точка прилипания струи, находящейся, например,
12

Л правой стенки, перемещается вниз по течению потока. Когда в зо-
ну, разделительного вихря поступает количество жидкости, достаточ-
ноё\для заполнения вихря и выравнивания давлений по обе стороны
струи, питающая струя сдвигается к центру элемента. При дальней-
шем увеличении потока управления струя питания отклоняется к про-
тивоположной стенке. Увлечение жидкости питающей струей, как уже
указывалось, обеспечивает понижение давления у этой стенки эле-
мента. Под действием возникающего градиента давлений питающий
поток прилипает к левой стенке. Работа элемента, основанного на
принципе взаимодействия потока со стенкой, зависит от параметров
управляющего сигнала.
Второй способ переключения осуществляется в тех случаях, ког-
да расстояние между стенками относительно невелико. По мере уве*
личения подачи управляющего потока последний заставляет струю
питания примкнуть к противоположной граничной стенке, образуя
второй разделительный вихрь. По мере увеличения расхода, посту-
пающего в зону первого разделительного вихря, жидкость вытекает
из зоны вновь образованного разделительного вихря. Новая точка
прилипания сдвигается вниз по потоку, и струя питания, оторвавшись
от прежней стенки, постепенно прилипает к новой граничной стенке.
К этой же группе относятся дискретные элементы, основанные
на отрыве потока от профильной стенки.
Дискретные элементы, действие которых основано на использова-
нии отрыва потока от стенки. Исходными для создания модели про-
цесса подобных элементов являются представления о пограничном
слое в потоке, обтекающем аэродинамический профиль, и об эффекте
отрыва потока от стенки при определенных условиях течения в при-
стеночной области. Предполагается, что в этих элементах при отсут-
ствии управляющего сигнала реализуется безотрывное обтекание
аэродинамического профиля потоком питания. При подаче через ка-
нал, выполненный в этом профиле, управляющего сигнала в погра-
ничном слое искусственно создаются условия, благоприятствующие
отрыву струи от профиля. Под действием управляющего потока
точка отрыва пограничного слоя перемещается вверх по течению.
Примером такого элемента может служить реле (рис. 5,г).
Другим примером использования явления отрыва пограничного
слоя является индукционный элемент (рис. 5,д).
Индукционный элемент (рис. 5,д). Струя питания протекает
вдоль одной из двух поверхностей, напоминающих по форме крыло
самолета, и выходит из выходного канала, одну из стенок которого
образует эта поверхность. При этом через второй канал управления
струей питания увлекается поток воздуха из атмосферы. В активном
канале струя питания увлекает жидкость из области пограничного
слоя и понижает давление на этой стороне струи [Л. 19].
Атмосферное давление на одной стороне струи питания и пони-
женное на другой ее стороне создают поперек струи градиент давле-
ния, который поддерживается самой струей, обеспечивая стабильный
выход из активного канала.
Струя питания может быть переключена из одного выхода в дру-
гой путем введения некоторого воздействия в противоположный
управляющий канал. Управляющая струя течет по касательной
к струе питания и выходит через второй выходной канал. Вследствие
эжектирую'щего действия управляющей струи давление между нею
и струей питания понижается. Знак градиента давления изменяется,
и струя питания переключается в противоположный выходной канал.
13

Турбулентный элемент. Работа элемента такого типа основана
на переходе свободной затопленной струи из ламинарного режима,те-
чения в турбулентный (рис. 6,а, б) [Л. 19]. Ламинарный поток воз-
никает в данном случае за счет того, что жидкость вытекает из длин-
ного канала с гладкими стенками — капилляра.
На рис. 6,а представлена схема ламинарной струи, вытекающей
из капилляра. Имеется три характерных участка струи. На уяастке /
диаметр ламинарной струи возрастает, как показывает опыт [Л. 4],
примерно в 1,7 раза по сравнению с диаметром капилляра dn, при-
чем тем больше, чем больше питающее давление. На участке // струя
Рис. 6. Принципиальные схемы дискретных элементов раз-
личных типов.
практически имеет цилиндрическую форму, угол раствора конуса
приблизительно равен 1°. На участке /// ламинарная струя турбули-
зуется и приобретает коническую форму. Угол раствора конуса (3 =
= 15°. Эта естественная турбулизация происходит без воздействия
потока управления. При отсутствии внешних возмущений (сигнала
управления) струя на участке // практически сохраняет цилиндриче-
скую форму на расстоянии от выходного сечения канала питания,
доходящем до 30—40 диаметров канала питания. На этом участке
не происходит существенного изменения механической энергии частиц
жидкости. Если коллинеарный приемный канал располагается на рас-
Н

стоянии около 30—40dn от конца питающего канала, то значительная
часть ламинарного потока улавливается приемным каналом (рис. 6,6).
Струя, подаваемая по управляющему соплу, турбулизует ламинарную
питающую струю на частке II. Форма струи меняется. Образуется
характерный для турбулентных струй расходящийся конус. Скорость
движения частиц вниз по течению .быстро затухает. Давление в при-
емном канале резко падает. После снятия сигнала управления лами-
нарная структура потока восстанавливается.
Элемент с кромочным эффектом. В быстродействующем плоском
двустабильном элементе, изображенном на рис. 6,в, для увеличения
быстродействия используется гидродинамический эффект, названный
кромочным [Л. 19]. Острый выступ, расположенный на пути питаю-
щей струи, — основное отличие рассматриваемого элемента от эле-
мента с прилипанием струи к стенке. В элементе с кромочным
эффектом струя питания совершает непрерывные высокочастотные
колебания относительно своего среднего положения в одном из вы-
ходных каналов, что позволяет в несколько раз увеличить быстро-
действие элемента [Л. 25].
Питающая струя колеблется между клиновидным разделителем 1
и выступом 2 выходного канала подобно маятнику и сохраняет это
динамически стабильное состояние до тех пор, пока управляющий
поток не переключит ее, в противоположный выходной канал.
Частота колебаний струи зависит от скорости питающего потока
и расстояния до вершины клина: увеличение скорости струи питания
увеличивает частоту, а увеличение расстояния до клина — уменьшает.
Поскольку струя колеблется, то даже незначительный сигнал
управления может переключить поток в противоположное выходное
отверстие. При подаче сигнала управления в камере взаимодействия
возникает вихревой поток, стабилизирующий питающую струю. Под
действием управляющего сигнала струя питания смещается на дру-
гую сторону клина, где продолжает колебаться между противопо-
ложным выступом и клином.
Элемент, основанный на использовании закона сохранения коли-
чества движения. Струйные устройства такого типа содержат колли-
неарные питающие и приемные сопла (рис. 6,г и д).
Работа элемента основана на столкновении двух противополож-
но направленных питающих струй, обладающих определенным коли-
чеством движения ([Л. 27]. Количество движений одной из струй пи-
тания может изменяться сигналом управления, подаваемым через
соосно расположенный с соплом питания канал. В качестве примера
на рис. 6,г и д изображена картина течения жидкости в струйном
реле подобного типа. При отсутствии сигнала управления (рис. 6,г)
питающие струи, обладающие определенным количеством движения,
сталкиваются, образуя радиально расходящийся поток. Количества
движения обеих питающих струй подобраны так, что зона их столк-
новения находится на некотором расстоянии от кромки приемного
канала и давление на выходе элемента отсутствует. При подаче
управляющего сигнала результирующее количество движения первой
струи увеличивается. Зона взаимодействия отодвигается к кромке
приемного канала (рис. 6,(5). Часть потока, поступающего от первого
питающего сопла, и весь поток от второго питающего сопла попа-
дают в приемный канал. На выходе элемента появляется сигнал.
При снятии сигнала управления зона взаимодействия струп ото-
двигается от кромки приемного канала и сигнал на выходе элемента
исчезает.
15

4. Активные пропорциональные элементы
и принципы их построения
Пропорциональные элементы, основанные на использовании за-
кона сохранения количества движения свободных струй.
Питающие и управляющие сопла .в таких элементах мог/ут быть
расположены различным образам относительно друг друга/' Рассмо-
трим три характерных случая взаимодействия.
1. Элемент с управляющими соплами, расположенными перпен-
дикулярно к соплу питания. Пропорциональный элемент такого типа
напоминает по форме элемент с прилипанием струи за исключением
камеры взаимодействия (рис. 7,а). В пропорциональном элементе
05м$стъ динамического
Рис. 7. Схемы струнных аналоговых элементов.
камера взаимодействия имеет такую форму, что в иен устраняется
возможность воздействия близлежащих стенок на питающую струю
[Л. 27].
При отсутствии управляющего потока питающий поток наталки-
вается на разделитель и равномерно распределяется между двумя
выходными каналами. Если поток управления подается к соплу /,
то питающий поток отклоняется таким образОхМ, что большая часть
его направляется через выходной канал 3, а меньшая — через ка-
нал 2.
16

Обозначим через Mi—pw^F количество движения струи жидко-
сти, плотность которой равна р, скорость Wi, а площадь поперечного
сечения F. Пусть струя меньшей мощности с количеством движения
М2, которую назовем управляющей струей, направлена под прямым
утлой к струе большей мощности, которую назовем питающей и ко-
личество движения которой Mi. Из теоремы о сохранении количества
движения следует, что количество движения результирующей струи
равно геометрической сумме количеств движения струй питания и
управления Me = Mi-f-M2. Питающая струя при действии на нее
управляющей отклонится'приблизительно на угол 0 = arctg-щ-. При
возрастании управляющей струи питающая струя будет отклоняться
на все больший угол и все меньшая часть питающего потока будет
попадать на выход 2.
Если противоположные управляющие сигналы pYi и ру2 подают-
ся одновременно, отклонение питающей струи меняется пропорцио-
нально дифференциальному сигналу управления.
Выход пропорционального струйного элемента определяется как
разность между расходами, количествами движения потока, давле-
ниями и мощностями в его двух приемных каналах. Все эти величи-
ны зависят от распределения скоростей отклоненного потока и угла,
на который он отклоняется.
2. Элемент с двумя питающими струями, направленными под
углом, и управляющей струей, перпендикулярной основной питающей
струе. Работа элемента основана на взаимодействии количеств дви-
жения струй первой питающей, второй питающей и управляющей
(рис. 7,6, в) (Л. 27]. Если нет управляющей струи (рис. 7,6), то пер-
вая и вторая питающие струи взаимодействуют на торце приемника
и суммарный вектор количества движения струй направлен в выход-
ной канал. Весь поток питания, первый и второй, попадает в выход-
ной канал. В этом случае в точке столкновения двух питающих струй
не образуется радиального конусообразного потока, как это имеет
место в элементах со столкновением противоположно направленных
питающих струй.
Если в управляющий канал подается небольшой сигнал (рис. 7,в),
то распределение количества движения потока первой питающей
струи изменяется. Это вызывает перераспределение количества дви-
жения результирующей струи, что приводит к уменьшению потока
в выходном канале. Если в управляющий канал подается сильный
сигнал, то первая питающая струя отклоняется таким образом, что
она перестает взаимодействовать со второй питающей струей на
торце приемника. Вторая питающая струя свободно выходит из соп-
ла, лишь частично попадая в выходной канал элемента. Элемент
обладает инвертирующим действием, поскольку по мере увеличения
управляющего сигнала выходной сигнал уменьшается.
3. Элемент со столкновением двух противополооюно направлен-
ных питающих струй. Разработаны два типа подобных элементов:
с продольным расположением струй (рис. 7,г) и с поперечным распо-
ложением струй (рис. 7,д) [Л. 27].
Две питающие струи, вытекающие навстречу друг другу из сопл
питания 1 к 2, соударяются, образуя в точке равновесия радиальный
конусообразный поток (рис. 7,г). Выходное сопло 3 улавливает этот
поток. Управляющий поток подается к соплу 4. Изменение количе-
ства движения какой-либо из струй питания или обоих струй вызы-
вает перемещение точки равновесия (зоны динамического соударения
2—1281
17

струй), что приводит к изменению расхода и давления в выходном
сопле.
В рассматриваемом элементе имеется лишь по одному управляю-
щему и выходному каналу, что делает его более чувствительным
к изменению давления питания. Особенностью этого элемента .явля-
ется высокий коэффициент усиления. Поскольку поток на йыходе
изменяется прямо пропорционально управляющему сигналу, то эле-
мент с продольным расположением струй является пропорциональ-
ным усилителем прямого действия.
В элементе с поперечным расположением струй (рис. 7,д) управ-
ляющий сигнал подается в направлении, перпендикулярном коллине-
арным питающим струям. Одна из питающих струй вследствие обмена
количеством движения с управляющей струей отклоняется, а точка
равновесия передвигается в направлении потока управления вверх
к соплу отклоненной струи. По мере того как точка равновесия ото-
двигается от выходного сопла, давление и расход на выходе умень-
шаются. Поскольку выход изменяется обратно пропорционально
управляющему потоку, то данный элемент является инвертирующим
усилителем.
Пропорциональные элементы, основанные на использовании за-
кона сохранения момента количества движения.
К 'этой группе пропорциональны к элементов относится вихревой
элемент, изображенный на рис. 7,е |[Л. 27]. Вихревой поток, возни-
кающий в устройстве такого типа, используется для регулирования
гидравлического сопротивления в потоке.
При отсутствии управляющего сигнала струя питания непосред-
ственно устремляется по радиусу цилиндра к выходному отверстию,
так что устройство оказывает малое сопротивление потоку. При
подаче сигнала управления струя питания увлекается потоком управ-
ления и закручивается по спирали. По мере спиралеобразного про-
движения струи к выходу радиус вращающейся жидкости умень-
шается, а тангенциальная скорость вследствие сохранения момента
количества движения (mwr=const) возрастает. Касательные напря-
жения, возникающие во вращающейся жидкости, вызывают дополни-
тельное падение давления внутри цилиндра. Возрастающее сопротив-
ление цилиндра уменьшает расход на выходе элемента. Чем больше
управляющий поток, тем больше сопротивление цилиндра и меньше
расход на выходе. В некоторых вихревых элементах выходной рас-
ход может полностью блокироваться.
5. Пассивные элементы
К пассивным элементам струйных систем относятся различного
рода сопротивления (сопла, дроссели, капилляры), фильтры, объемы,
резонаторы и т. д.
Представляет определенный интерес использование электрогазо-
динамических аналогий для расчета подобных пассивных элементов.
При соблюдении двух основных упрощающих предположений,
а именно линейной зависимости между перепадом давления и рас-
ходом (поток считается ламинарным и несжимаемым) и изотермиче-
ского изменения состояния в системе, существует известная аналогия
между напряжением и током в электротехнике и давлением и расхо-
дом в струйной технике.
Почти для любого пассивного элемента струйной техники можно
найти электрический аналог. При этом схемы, построенные из паосив-
18

ных элементов, можно рассматривать как аналогичные электрические
цепи (Л. 12]. Приближенный расчет таких схем может производиться
по формулам, используемым в электротехнике.
Основными простейшими элементами электрических цепей явля-
ются активные сопротивления, конденсаторы, индуктивности. Рас-
смотрим пассивные элементы струйной техники, являющиеся анало-
гами указанных электрических элементов.
Активное сопротивление. Полное гидравлическое сопротивление
создает падение давления, пропорциональное потоку, проходящему
через него. Подобно электрическому сопротивлению полное сопро-
тивление струйных элементов в общем случае может быть представ-
лено в виде суммы сопротивлений: активного, индуктивного и емкост-
ного.
Если полное сопротивление имеет только действительные члены,
то имеет место активное сопротивление без сдвига фазы между рас-
ходом и падением давления. Активные сопротивления выполняются
в вице дросселей, пористых заглушек и сопл. Величина сопротивле-
ния зависит от вязкости жидкости и геометрии дросселей.
Сопротивление элемента определяется как отношение прираще-
ния разности давлений на входе и выходе из дросселирующего эле-
Д (Р\ — Р2)
мента к приращению массового расхода R = до • В струйных
системах желательно иметь дроссели, обеспечивающие одинаковое
сопротивление проходящему через них потоку при- различных рабо-
чих условиях. Зависимость падения давления от расхода должна
быть линейной в рабочем диапазоне давлений. Как известно, линей-
ная зависимость падения давления по расходу обеопечивается при
ламинарном режиме .течения жидкости. На практике для получения
ламинарного режима течения попользуются капилляры.
К сожалению, для большинства дросселирующих элементов,
используемых в струйной технике таких, как отверстия или каналы
малой длины, соотношение между расходом и перепадом давлений
описывается зависимостью типа параболической [Л. 28]. Так как
функция Ap=f(G) нелинейна, то значение сопротивления следует
определять в номинальной рабочей точке по расходу. Более точно
D D 6 1 — Р«>
сопротивление R определяется как производная К = •
Емкость. Основными элементами, необходимыми для построения
частотных пневматических цепей, являются шунтирующая емкость и
индуктивность.
Пока не создано пассивного емкостного элемента — аналога бло-
кирующего конденсатора и выполненного в виде устройства без по-
движных частей. Там где такие элементы необходимы, можно исполь-
зовать камеры, разделенные упругими мембранами.
Пневматическим эквивалентом шунтирующего конденсатора
является объем, заполненный сжимаемой средой, количество которой
в объеме может изменяться. Расход на емкостном сопротивлении
опережает по фазе перепад давления.
Величина емкости объема V определяется соотношением С—
= £ [Л. 28].
Здесь С — емкость, V — объем, k — отношение удельных тепло-
емкостей, р — давление,
Г 19

Емкостное сопротивление объема определяется по формуле
кс -= 2nfC '
где f — частота пневматического сигнала.
Индуктивность. Гидравлическая индуктивность представляет со-
бой канал с большой длиной и малым диаметром. Расход на индук-
тивном сопротивлении отстает но фазе на некоторый угол от паде-
ния давления. В большинстве случаев величина сопротивления ги-
дравлической индуктивности незначительна по сравнению с величи-
ной активного сопротивления.
Индуктивность (инерционность) в случае параллельных стенок
р/
канала определяется соотношением L— —рг- |[Л. 27, 28], а в случае
сходящихся или расходящихся прямолинейных стенок канала фор-
мулой
L==z F1-F2 j F2'
где L — индуктивность, / — длина канала, р — плотность воздуха,
F — площадь поперечного сечения канала, Ft и F2 — площади попе-
речного сечения соответственно на входе и на выходе из канала.
Индуктивное сопротивление определяется соотношением Rb—2nfL.
Индуктивная составляющая сопротивления струйных элементов
на частотах, не превышающих 100 гц, незначительна. Однако на вы-
соких несущих частотах от величины индуктивности сильно зависят
как ослабление сигналов, так и отставание их по фазе.
Линии задержки. Линии задержки используются для введения
запаздывания пневматических сигналов в системе. Для задержки
сигнала в струйных системах применяют индуктивные и емкостные
сопротивления. В логических схемах иногда возникает необходи-
мость в замедлении передачи сигнала. В этом счучае для передачи
сигнала можно использовать длинный трубопровод. Время прохож-
дения сигнала в трубопроводе приближенно может быть определено
по формуле x=t/as, где / — длина трубопровода, as — скорость рас-
пространения ударной волны.
Другой метод задержки сигнала — включение элементов «дрос-
сель— емкость», играющих роль ^С-цепочки в электротехнике. Вре-
мя запаздывания пневматического сигнала при прохождении камеры
определяется как время, идущее на заполнение и опорожнение каме-
ры. Время заполнения и опорожнения пневматической камеры зави-
сит от газо- и термодинамических параметров потока, геометрических
размеров камеры и дросселя.
"Задержка сигнала может осуществляться также и в активных
элементах путем последовательного расположения усилителей, из
которых каждый предыдущий включает последующий. Полученная
в результате задержка является суммой времени включения усилите-
лей и времени прохождения сигналов между усилителями.
Фильтры. Эти элементы передают сигналы заданного диапазона
частот и не пропускают сигналы, лежащие Вне этого диапазона. В не-
которых случаях возникает необходимость в применении фильтра
низких частот для того, чтобы устранить звуковые и высокочастот-
ные помехи. Правильно сконструированный фильтр низких частот
отбрасывает шумы и пропускает сигнал низкой частоты без запазды-
20

ванмя. Если фильтр является элементом системы, то его сопротивле-
ние на входе и выходе должно быть согласовано с сопротивлением
этой системы. Существует несколько типов пневматических фильтров,
разработанных на основании различных теорий: акустической, элек-
трических аналогов, линий задержек. Ряд фильтров разработан
эмпирически.
Простейшие акустические фильтры состоят из ряда последова-
тельно расположенных камер, соединенных узкими трубками
(рис. 8,а).
Такой фильтр пропускает лишь сигналы, частота которых лежит
ниже собственной частоты фильтра fc. Эффективность фильтра рас-
тет с возрастанием частоты.
Рис. 8. Пассивные элементы пневмоники.
Собственная частота фильтра, как известно, вычисляется по фор-
муле
где а — скорость звука в данном газе при данной температуре, F —
площадь поперечного сечения трубки, / — длина трубки, V—объем
камеры.
Фильтры, разработанные на основе теории электрических анало-
гов. Подобные фильтры, содержащие комбинацию емкостных и
индуктивных элементов, представлены на рис. 8,6 и в. Необходимые
значения величин емкости С и индуктивности L могут быть рассчи-
таны по известным в электротехнике соотношениям с учетом приве-
денных выше аналогий. Предварительные исследования показали, что
для фильтров низких частот необходимо согласование сопротивления
нагрузки Rn с волновым сопротивлением фильтра Z. В данном случае
Rn = Z.
Собственная частота колебательного контура
f L_
21

Волновое сопротивление колебательного контура (активное со-
противление принимается равным нулю)
Z = VL/C; Ъ = VL/C; L = R2nC,
Определяем емкость фильтра С для известных fc и Ru
1
~ 2nfeR^
Тогда индуктивность фильтра
Этим расчетным значениям L и С могут удовлетворять фильтры
двух типов: со сосредоточенными параметрами (рис. 8,6), когда дрос-
сели являются индуктивностями L, а объем — емкостью С (рис. 8,6);
и с распределенными параметрами (рис. 8,8).
Фильтры, разработанные на основе теории линий задержек.
Одним из наиболее эффективных фильтров является фильтр с ли-
нией задержки fJI. 27]. Конфигурация этого фильтра показана на
рис. 8,г. Этот фильтр действует как фильтр низких частот. При не-
которых значениях избыточного давления один из выполненных
образцов подобного фильтра имел коэффициент ослабления 20 дб/дек
на частотах выше fc.
Наиболее перспективным можно считать LC-фильтр со сосредо-
точенными параметрами, но для его включения в систему потребует-
ся лучшее согласование сопротивлений фильтра и системы. Фильтр
LC с распределенными параметрами является менее перспективным.
Фильтр с линиями задержки очень эффективен, однако он должен
быть настроен на определенный уровень давления.
Резонаторы. К пассивным элементам струйных систем относятся
также и резонаторы '[Л. 27, 28]. Часто они используются как источ-
ники эталонной частоты в системах с модуляцией несущей частоты.
Схема параллельного резонатора Гельмгольца, используемого в струй-
ных системах, приведена на рис. 8Д где обозначено: / — индуктив-
ность трубки L; 2 — сопротивление трубки R; 3— емкость полости
резонатора С; pi — давление на входе в резонатор; р0 — давление
в полости резонатора; Ri — входное сопротивление.
Расчет резонатора может быть сведен к расчету колебательного
контура с потерями [Л. 28]. При подаче сигнала переменной частоты
на вход резонатора и при приближении этой частоты к собственной
частоте резонатора амплитуда и фаза давления в полости изменяют-
ся в соответствии с частотными характеристиками системы. Собст-
венная частота полости определяется емкостью С, зависящей от тем-
пературы внутри полости. Частота также изменяется и при измене-
нии температуры внешней среды.
Приближенно собственную частоту струйного резонатора Гельм-
гольца можно найти по формуле Том сон а
22

6. Основные характеристики струйных элементов
и влияние на них внешних условий
Трудно создать такое струйное устройство, которое можно было
бы применить во всех случаях. Технические требования к струйным
элементам определяют, какая из рабочих характеристик — набор дав-
ления, расхода, к. п. д. или коэффициент усиления по расходу, давле-
нию или мощности — должна быть оптимальной.
Основными характеристиками, которыми руководствуются при
выборе того или иного типа струйного элемента, являются: коэффи-
циент усиления, линейность характеристики (для пропорциональных
устройств), соотношение «сигнал — шум», давление, расход и мощ-
ность на выходе, быстродействие, нагрузочная способность.
Для современной струйной техники характерен резкий контраст
между простотой и относительной легкостью изготовления устройств
и сложностью процессов, происходящих в струйных системах. Кон-
структивная простота струйных элементов обманчива. До сих пор
много вопросов, связанных с работой струйных элементов, остаются
неясными.
Разработки элементов струйной техники показали, что требуются
тщательные и углубленные аналитические и экспериментальные иссле-
дования процессов, протекающих в струйных элементах, и влияния
этих процессов на внешние характеристики.
Одним из преимуществ струйных элементов считается независи-
мость их характеристик от условий окружающей среды, т. е. воз-
можность нормальной работы этих элементов в условиях интенсив-
ных вибрационных и ударных нагрузок или ускорений до нескольких
тысяч g, высоких температур и интенсивных радиационных полей
[Л. 8]. Однако более тщательные испытания пропорциональных и ди-
скретных струйных усилителей в условиях изменяющейся внешней
среды (температуры, звука, вибрации и удара) показали, что харак-
теристики этих элементов изменяются с изменением внешних условий
[Л. 21].
При исследованиях основное внимание было обращено на обна-
ружение принципиальных изменений в работе элементов, таких как
потеря устойчивости из-за нарушения прилипания к стенке, измене-
ние ширины петли гистерезиса в бистабилькых усилителях, а также
потеря стабильности выходного сигнала или изменение коэффициента
усиления в пропорциональных усилителях. Были сделаны выводы
о чувствительности исследованных элементов к внешним воздейст-
виям. Так, пропорциональные усилители склонны к увеличению коэф-
фициента усиления и дрейфу нуля при увеличении температуры, не-
чувствительны к„вибрациям лишь до 40g и акустическим воздейст-
виям до 150 дб.
Б.истабильные усилители также нечувствительны к вибрационным
воздействиям лишь до 40g (при комнатной температуре) и ударам
до 180g. К внешним акустическим воздействиям бистабильные усили-
тели с выдвинутым разделителем нечувствительны до 150 дб\ в уси-
лителях с прилипанием струи акустический шум в 150 дб может вы-
звать колебания. Характеристики усилителя с выдвинутым раздели-
телем почти не зависят от температуры до 800 °С, а усилитель с при-
липанием струи теряет бистабильность при ^ = 400^600 °С.
При проектировании струйных систем и выборе типа усилителей
необходимо критически подходить к заявленным в патентной лите-
23

ратуре характеристикам струйных элементов и систем и учитывать
возможность изменения этих характеристик в переменных условиях
внешней среды.
Глава третья
СТРУЙНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
7. Дискретные усилители
Усилители с прилипанием струи
Струйные усилители с прилипанием потока выполняются откры-
тыми или закрытыми. /Камера взаимодействия струй открытого уси-
лителя связана с атмосферой так называемыми вентиляционными
каналами (отверстиями). Закрытые усилители не имеют подобных
каналов.
Многоканальный дискретный усилитель закрытого типа. Конст-
руктивная схема многоканального дискретного усилителя с прилипа-
нием струи, предложенная Уорреном и Боулсом, показана на рис. 9,а.
Поток питания через сопло / поступает в камеру взаимодействия 3.
С обеих сторон камеры взаимодействия расположены управляющие
сопла 2 и 12. Каналы 5, 7 и 10 являются выходными. Разделители
потока 6 и 9 выполнены в форме острого клина. Если поток питания
подастся к элементу, то струя питания прилипает к одной из двух
стенок камеры взаимодействия 3 и направляется соответственно
в приемный канал 4 или 11. Струя питания переключается скачком
от одного приемного канала к другому под действием управляющего
сигнала, поданного к управляющему каналу, расположенному со
стороны активного выходного канала (из которого в данный момент
вытекает струя).
Если, например, осуществить подачу управляющего потока из
канала 12, то струя питания отклонится и прилипнет к внешней
стенке канала 4. Между струей и стенкой камеры взаимодействия
образуется зона разрежения. Ro^gk будет продолжать выходить из
4 5 6 7 8 3 10
/ 2 3
3
2 1 а) 12
Рис. 9. Конструктивные схемы дискретного усилителя закрытого
типа с прилипанием струи.
24

этого канала и. после прекращения действия управляющего сигнала;
поток в этом состоянии является устойчивым (стабильным).
Если теперь переключить управляющий поток и подать его
в управляющий канал 2, то зона (разрежения у стенки исчезнет; струя
питания переместится (переключится) к внешней стенке приемного
канала В этом положении поток также является стабильным.
Имеются патенты на одно-стабильные (моностабильные), двухста-
бильные (бистабильные) и многостабильные усилители, которые отли-
чаются по числу устойчивых состояний. Показанные на рис. 9 уси-
лители являются двухстабильными, поскольку струя питания и после
прекращения потока управления остается устойчивой и сохраняет
свое положение в любом из двух приемных каналов 4 и И (рис. 9,а).
При одновременной подаче управляющего потока с двух сторон, из
управляющих каналов 2 и 12, струя вытекает из центрального кана-
ла 8.
При частичной или полной блокировке выходов 5 и 10 струя
колеблется между приемными каналами 4 и 11\ при этом в централь-
ном выходном канале 8 возникает пульсирующий поток. Струя в цен-
тральном канале будет [стабильной, если центральный канал выпол-
нить значительно шире струи питания. В этом случае элемент пре-
вращается в трехстабильный. При перекрытии центрального канала
усилитель работает но схеме с одним разделителем. В усилителе на
рис. 9,а ширина обоих управляющих сопл 2 и 12 одинакова и равна
ширине сопла питания dn. Ширина приемных каналов 4, 8 и И
равна 2du. Расстояние между срезом сопла питания и приемными
каналами составляет приблизительно 5dn. Выходные каналы могут
выполняться с профилированными стенками
Если возбуждения колебаний в центральном канале не требует-
ся, то элемент выполняется в виде, представленном на рис. 9,6. В этом
случае разделители 1 и 3 профилируются, а центральный канал 2
принимает форму раструба [Л. 50].
Давление в выходном канале усилителя с прилипанием струи
восстанавливается приблизительно до 0,6/?п, где рп— давление пита-
ния. При специальной профилировке стенок камеры взаимодействия
и разделительного клина, по данным работы {Л. 22], максимальное
восстановление давления превышает 0,9/?п.
Струйный дискретный усилитель открытого типа. Дискретный
струйный усилитель с прилипанием струи [Л. 30] представлен на
рис. 10,а. В соответствии с действием управляющих потоков, подво-
димых к каналам 1 к 3, поток питания из канала 2 течет в один из
выходных каналов 6 или 8. К выходным каналам может быть под-
ключен распределительный золотник 7, играющий роль усилителя.
С помощью вентиляционных каналов 4У расположенных с обеих
сторон камеры взаимодействия 10 и соединенных трубопроводом 9
с атмосферой, ограничивается чрезмерное нарастание давления в вы-
ходных каналах 6 и 8. Величина выходного давления регулируется
клапаном 5. Стенки камеры взаимодействия 10 профилируются
так, чтобы струя, идущая к выходным каналам, сохраняла свое по-
ложение и направление движения под воздействием вихревых пото-
ков, возникающих в области разделителя и вентиляционных каналов.
Схема вихревых потоков показана на рис. 10,6, в. На рис. 10,6 пред-
ставлена схема потока при подаче управляющего сигнала ру из ка-
нала / и расходе через выходной канал 6. На рис. 10,6 обозначение
каналов такое же, как на рис. 10,а. При отсутствии расхода через
оба выходные канала схема потока показана на рис. 10,<з. Раздели-
25

тель потока 3 (рис. 10,<з) симметричен и находится на одной оси .
с продольной осью сопла питания /. Разделитель снабжен прямо-
угольной камерой. Камера расположена симметрично относительно
оси сопла питания. Размеры камеры и расположение вентиляцион-
ных каналов подбирают из условия получения оптимальных рабочих
характеристик. В патенте приводятся следующие соотношения: Ь =
= 2,5dn; c=dn\ /=l,'5dn; а = 60°; здесь dn — ширина сопла питания.
На рис. 10,г и д показаны другие возможные формы камеры разде-
лительного клина — треугольная и полукруглая. В этом патенте пред-
ложен также попорциональный усилитель (рис. 10,е), описание кото-
рого дано ниже.
Характеристика дискретных усилителей. На характеристики мо-
ностабильных и бистабилыных усилителей влияют газодинамические
параметры потока и геометрия проточной части усилителя: располо-
жение и форма стенок камеры взаимодействия струй и разделителя
SQAA
f aWa
AWA
r^n 11
12 e)
Рис. 10. Конструктивные схемы дискретного усилителя открытого
типа с прилипанием струи и пропорционального усилителя,
26

потока, размеры и форма камеры в вершине разделителя, ширина
приемных каналов, размеры, форма и расположение вентиляционных
каналов.
Ввиду сравнительной новизны струйной техники еще мало систе-
матизированного экспериментального материала. В ряде статей, по-
мещенных в различных зарубежных журналах, опубликованы мате-
риалы по исследованию влияния отдельных геометрических и газо-
динамических параметров на характеристики струйных элементов.
Как правило, эти исследования проводятся на укрупненных моделях
с изменяемой или постоянной геометрией.
В работе {Л. 22] исследовалось влияние газодинамических пара-
метров потока и геометрии бистабильного усилителя на его характе-
ристики. Опыты проводились на моделях плоских бистабилыных уси-
лителей с изменяемой геометрией. Ширина сопла питания для всех
трех моделей составляла dn = 6,35 мм, отношение ширины сопла пи-
тания к высоте ил /п=4. Каждая модель была испытана при различ-
ных значениях геометрических параметров, ^ри различных скоростях
питающего воздуха, при наличии связи камеры взаимодействия
с атмосферой и при отсутствии этой связи. Полученные в этих опы-
тах характеристики показаны на рис. \\,а—в.
На рис. 11,г указаны относительные, выраженные в долях шири-
ны сопла питания, значения оснозных геометрических параметров
трех моделей усилителей, при которых были получены максимальные
значения коэффициентов усиления. Как известно, различают коэффи-
циенты усиления по давлению, расходу и мощности.
Коэффициентом усиления давления (расхода) для дискретного
усилителя является отношение изменения выходного параметра
к изменению управляющего параметра, необходимого для переключе-
ния относительно установившегося режима. Давление (расход) во
всех управляющих каналах, кроме рассматриваемого, должны при
этом поддерживаться на уровне установившегося режима. Выходной
расход (давление) должен быть нулевым или иметь значение, соот-
ветствующее максимальному коэффициенту усиления по давлению
(расходу).
Показанные на рис. 11,г—е модели, отличались друг от друга
формой стенки в области камеры взаимодействия потоков: на
рис. 11,г — стенки камеры взаимодействия выпуклые, на рис. 11,д —
вогнутые и на рис. 11,е — плоские.
Одной из важных характеристик усилителей является коэффи-
циент восстановления давления. Влияние формы стенок камеры взаи-
модействия на коэффициент восстановления давления иллюстрирует-
ся рис. 11,а, где приведены характеристики изменения коэффициента
восстановления давления рвых//?п (относительного выходного давле-
ния) от относительного выходного расхода QbuxIQu при закрытых
управляющих каналах.
Кривые на рис. 11,а: / — стенки камеры взаимодействия выпук-
лые, 2 — плоские, 3— вогнутые. Здесь: рВых— статическое давление
на выходе из активного канала усилителя, (Эвых — расход на выходе
из активного канала усилителя, рп—давление питания, Qn — расход
питания. На рис. 11,а экспериментальные кривые, показанные пунк-
тирными линиями, определялись при вентиляционных каналах, откры-
тых в атмосферу; экспериментальные кривые, показанные сплошными
линиями, определялись при закрытых вентиляционных каналах. Ха-
рактеристики рвых1рп = 1 (QBbix/Qn) сняты для условий: wn =
27

= 91,5 м/сек, Re=3 900, М=0,273; где wa — скорость потока питания,
Re — число Рейнольдса, М — число Маха.
Анализ характеристик /—3 на рис. 11,а приводит к следующему
выводу: для усилителя заданной геометрии наибольший коэффициент
восстановления давления достигается в там случае, когда вентиля-
ционные каналы связаны с атмосферой. В некоторой области изме-
нения выходного расхода характеристики восстановления давления,
Рис. 11. Влияние на характеристики усилителя его геометрии и пара-
метров потока.
28

полученные при открытых и закрытых вентиляционных каналах, со-
впадают. Следовательно, в этой области выходных расходов усили-
тель может работать как с открытыми, так и с закрытыми вентиля-
ционными каналами и обеспечивать практически одинаковые выход-
ные характеристики. Наибольший коэффициент восстановления
давления в данных опытах получен для усилителя с выпуклыми
стенками, наименьший коэффициент восстановления имел усилитель
с вогнутыми стенками.
Влияние скорости потока питания, а также наличия или отсут-
ствия потока управления на восстановление давления видно из
рис. 11,6, где показаны характеристики изменения коэффициента
восстановления давления от относительного выходного расхода
Рвых/pn^f (QiJbix/Qn) для усилителя, с выпуклыми стенками. Харак-
теристики 1—3 сняты при закрытых управляющих каналах, характе-
ристики 4—6— при открытых управляющих каналах. Для кривых 1
и 4 скорость потока питания wn = 23 м/сек, для кривых 2 и 5 —
wa=9\,b м/сек, для кривых 3 и 6 ауп=140 м/сек. Опытные кривые,
показанные пунктирными линиями, определены при открытых венти-
ляционных каналах, сплошными линиями — при закрытых вентиля-
ционных каналах.
Из рис. 11,6 следует: коэффициент восстановления давления наи-
больший при закрытых каналах управления, открытых вентиляцион-
ных каналах и наименьших скоростях питающего потока; при откры-
тых каналах управления коэффициент восстановления наибольший
при открытых вентиляционных каналах и наименьших скоростях пи-
тающего потока.
Зависимость относительного управляющего давления ру/рп от
коэффициента восстановления давления рВых/Рп для усилителя с вы-
пуклыми стенками приведена на рис. li,e. Эти характеристики выра-
жают следующие функциональные зависимости: кривая 1 — зависи-
мость Pyi/Pu = /(/?Bbix/Pn), Кривая 2—заВИСИМОСТЬ рУ2/Рп = /(Рвых/Рп),
кривая 3 — зависимость py3/Pn = f (Рвых/Рп). Здесь pyi —давление на
орезе управляющего канала со стороны активного выходного канала,
при котором происходит переключение струи; ру2 — давление на оре-
зе управляющего канала со стороны пассивного выходного канала
при полностью закрытых управляющих каналах; руз — давление на
срезе управляющего канала со стороны активного выходного канала
при полностью закрытых управляющих каналах.
На величину управляющего давления влияет нагрузка. Управ-
ляющее давление несколько увеличивается при увеличении нагрузки
и уменьшении расхода через активный выходной канал.
Турбулентные усилители
На рис. 12,а показана схема турбулентного усилителя, предло-
женного Аугером 1[Л. 49]. Здесь 1 — камера; 2 — питающая трубка;
3 — приемная трубка; 4 — управляющая трубка. Ламинарный режим
течения в этом усилителе возникает в том случае, когда поток выте-
кает из питающего трубопровода ic гладкими стенками, имеющего
внутренний диаметр dn около 0,76 мм. Приемная трубка 3 распола-
гается соосно с питающей трубкой на расстоянии от ее конца L, рав-
ном приблизительно 19 мм, что составляет около 25 калибров (L/dn =
= 25). В этом случае значительная часть ламинарной струи питания
улавливается приемной трубкой 3. Управляющий сигнал, поступаю-
щий по трубке 4, турбулизирует поток, т. е. переводит ламинарный
29

поток в турбулентный. Давление в приемной трубке в этом случае
резко уменьшается. Элемент может быть снабжен несколькими
управляющими каналами. Если действие управляющей струи прекра-
щается, то восстанавливается ламинарный режим течения и давле-
ние в выходной трубке 3 снова возрастает. Разработаны различные
модели турбулентных усилителей, имеются не только осесимметрич-
ные, но и плоские конструкции. Один из образцов плоского турбу-
лентного усилителя, скомпонованного из пластин, имеет ширину ка-
налов 0,38 мм; форма поперечного сечения канала — квадрат [Л. 27].
мм вод. ст.
77777
"бы*
tzzzzzzzzzzzzz
750
500
250
Рбых
—
в
\
\
\
-
Ру
а)
0 250 500 750мм бод.ст.
0
К 4 I
uzzzzzz.
мм вод. cm,
"T
1
Tl
^ I
—A
/
/
i
/
rS* 1
1
/
/
/
/
V-
t
Ф
2Чбв Юмсек
г)
750
\
\
—
0 25 50 15 мм вод. cm
Щ
put
ill
1111
30
Рис. 12. Турбулентный усилитель и его характеристики.

На рис. 12,6 приведен график (кривая А) изменения выходного
давления рВых в усилителе, выполненном по схеме, показанной на
рис. 12,а. Один из вариантов модификации турбулентного усилителя
показан на рис. 12,в. В корпусе 1 размещены трубки: питающая 2,
приемная 3, промежуточная 4 и управляющая 5 '[Л. 77].
Характеристики турбулентных усилителей. Преимущество усили-
теля с промежуточной трубкой иллюстрируется характеристикой пе-
реходного процесса, которая показана на рис. 12,г, кривая /. Время
перехода потока от турбулентного к ламинарному режиму в усили-
теле с промежуточной трубкой составляет приблизительно 1 мсек.
Время включения других, ранее известных турбулентных усилителей
находится в пределах от 2 до 12 мсек (кривые 2—4).
Изменение выходного давления рВых турбулентного усилителя
с промежуточной трубкой в зависимости от давления питания пока-
зано на рис. 12,6 (кривая^В). Изменение рвых от управляющего дав-
ления ру показано на рис. 12Д Конструкция такого усилителя видна
из рис. 12,е. Камера турбулентного усилителя (рис. \2,е) состоит из
корпуса боковых крышек 2 и верхней крышки 3- В камере рас-
положены трубки: питающая 4, управляющая 5, промежуточная 6
и приемная 7.
Поперечное сечение усилителя показано на рис. 12,;ж. Все трубки
имеют одинаковое сечение, внутренний диаметр 0,762 мм при наруж-
ном диаметре 1,57 мм. Длина питающей трубки равна 71,45 мм,
промежуточной — 9,15 мм, управляющей — 19,05 мм и приемной —
27 мм. Расстояние между питающей 4 и промежуточной 6 трубками
выбрано равным 2,38 мм. Расстояние между промежуточной труб-
кой 6 и приемной трубкой 7 составляет 6,37 мм. По утверждению
автора патента коэффициент восстановления по расходу (отношение
QBbix/Qn) усилителя с промежуточной трубкой достигает величины
порядка 0,75, в то время как для стандартного турбулентного уси-
лителя он составляет примерно 0,48.
8. Пропорциональные усилители
Усилители, основанные на использовании закона
сохранения количества движения свободных струй
Струйный пропорциональный усилитель открытого типа, показан-
ный на рис. 13,а, имеет сопло питания 1, под углом к которому рас-
положены управляющие сопла 2 и 11. В данном случае этот угол
равен 90°. В камеру взаимодействия 3 усилителя поступают питаю-
щая и управляющая струи. Камера взаимодействия ограничена боко-
выми стенками 4 и 10.
В пропорциональных струйных усилителях стееки камеры взаимо-
действия отодвигают от оси сопла питания на значительное расстоя-
ние для того, чтобы избежать взаимодействия пограничного слоя со
стенкой камеры и устранить тем самым возможность прилипания
струи к стенке.
При отсутствии управляющего потока питающая струя, наталки-
ваясь на разделитель 7, равномерно распределяется между двумя
приемными каналами 6 и 8. Если управляющий поток подается к соп-
лу 2, то -струя питания отклоняется так, что большая его часть на-
правляется к приемному каналу 8 и меньшая часть — к приемному
каналу 6. Угол отклонения струи питания пропорционален отношению
количеств движения управляющего и питающего потоков. Если управ-
31

ляющие (потоки подаются одновременно из обеих сопл (2 и //), то
угол отклонения питающей струи пропорционален отношению раз-
ности количеств движения (управляющих струй к количеству движе-
ния питающей струи. Для сообщения камеры взаимодействия 3
с атмосферой предусмотрены вентиляционные каналы 5 и Р. Другая
схема пропорционального усилителя с вентиляционными каналами
[Л. 30] показана на рис. 10,е.
В высококачественных системах управления одним из важных
элементов является усилитель с достаточно большим коэффициентом
усиления и стабильными характеристиками. Напомним, что коэффи-
циент усиления по давлению для пропорционального усилителя опре-
деляется как отношение разности давлений в выходных каналах уси-
Рис. 13. Струйный пропорциональный усилитель, основанный на
использовании закона сохранения количества движения свободных
струй.
лителя к разности управляющих давлений. Аналогичным образом
определяются коэффициенты усиления по расходу и мощности. Зна-
чение коэффициента усиления в одном каскаде струйного пропорцио-
нального усилителя при хорошем его исполнении достигает величины
порядка 10—11. Ограничение объясняется сравнительно низким отно-
шением сигнала к шуму в усилителе этого типа.
Отношение «сигнал — шум» представляет собой отношение ма-
ксимальной амплитуды выходного сигнала к максимальной амплиту-
де шумов. Эта характеристика является весьма важной для пропор-
циональных усилителей. В дискретном усилителе выход находится
на одном из двух дискретных уровней, каждый из которых имеет
допустимый предел. До тех пор пока скачки шумов в выходном сиг-
нале не превышают допустимых пределов, дискретный усилитель
функционирует нормально. В пропорциональном же усилителе шум
входного сигнала усиливается одновременно с полезным входным
сигналом.
Одним из методов стабилизации струи, а следовательно, и увели-
чения отношения сигнала к шуму является введение канала, соеди-
няющего боковые стенки камеры взаимодействия между собой
с целью выравнивания давления между струей и боковыми стенками
камеры с обеих сторон струи.
Струйный усилитель закрытого типа с уравновешенный давле-
нием в камере взаимодействия представлен на рис. 13,6. Усилитель
32

имеет сопло литания /, два управляющих сопла 2 и //, приемные
каналы 5 и 9, разделитель потока 7 и выходные каналы 6 и 8. В бо-
ковых стенках камеры взаимодействия 3 имеются отверстия 4 и 10
для выравнивания давления с обеих сторон струи. Усилитель выпол-
нен в плоском варианте. На рис. 13,б показан поперечный разрез
усилителя. Здесь 4 — основная плата, в которой выполнен профиль
проточной части усилителя; 1 и 5 — крышки; 3 — промежуточная
плата; 2 — соединительный канал.
Рис. 14. Схема и характеристики пропорционального усили-
теля.
Основные характеристики. Рассмотрим основные характеристики
струйных усилителей, основанных на использовании закона сохране-
ния количества движения свободных струй, и влияние на эти харак-
теристики некоторых параметров.
В связи с расширяющимся использованием струйных элементов
в промышленности, а также в авиационной и ракетной технике было
проведено исследование влияния внешней среды, в том числе темпе-
ратуры, на характеристики струйных элементов (Л. 21]. Усилители
испытывались при различной, но постоянной "температуре, которая
в различных экспериментах задавалась в пределах от 22 до 820 °С.
Чтобы изменение размеров усилителей при исследованиях было ми-
нимальным, образцы выполнялись из нержавеющей стали.
На рис. 14,а показан профиль испытываемого струйного пропор-
ционального усилителя. Испытаны шесть образцов, различающихся
между собой размерами проточной части элемента.
При увеличении температуры отмечено уменьшение выходного
м аюсового р асхода.
На рис. 14,6 приведены характеристики Л/7Вых=/(Ару) струйного
пропорционального усилителя, профиль которого показан на рис. 14,а,
т. е. зависимость выходного давления Л/?вых = Рвых1—Рвыхг от вход-
ного давления ApY = pyi—ру2 при различных постоянных температу-
рах t, соответственно равных для кривых / — 23 °С; 2 — 529 °С и
3 — 804 °С. Основные размеры усилителя следующие: А=0,53 мм;
£ = 1,40 мм; С=0,76 мм; £=5,24 мм; £=-1,50 мм; F=l,83 мм. Глуби-
на сопла питания h =1,32 мм; отношение ft/A =2,48. Давление пита-
ния /?п=0,35 кгс[см2; опорное давление 0,07 кгс/см2; выходные кана-
лы усилителя закрыты.
Из графиков следует, что с увеличением температуры коэффи-
циент усиления возрастает, а диапазон линейности уменьшается.
3 — 1281
33

Для другого образца усилителя с малой относительной глубиной
элемента h/A =0,69 и размерами £=1,96 мм; £=0,79 мм, Я=0,37 мм
(остальные размеры элемента одинаковы с предыдущим образцом)
с увеличением температуры наблюдалось непрерывное уменьшение
коэффициента усиления. Характеристика Д/?вых=/(Ару) при t>
>200 °С оказалась 'существенно нелинейной.
При испытаниях некоторых образцов пропорциональных усили-
телей наблюдалось даже отрицательное значение коэффициента уси-
ления в области нулевой разности управляющих давлений при t>
>650 °С.
Отрицательный коэффициент усиления и нестабильность выход-
ного сигнала объясняются наличием шума — пульсаций давления
с частотой порядка 20 кгц в области камеры взаимодействия усили-
теля и выходных отверстий. Шумы зависят от давления питания, дав-
ления управления и температуры окружающей среды.
В этих экспериментах при изменении температуры воздуха был
обнаружен дрейф нуля, т. е. отклонение от нулевого значения разно-
сти выходных давлений при нулевой разности входных сигналов.
Усилители со столкновением двух встречных питающих струй
Струйные элементы, принцип действия которых основан на соуда-
рении встречных питающих струй, могут выполнять различные функ-
ции, в частности: пропорционального усилителя, дискретного усили-
теля и генератора колебаний. Различный закон функционирования
достигается вариацией геометрии и величины параметров потока.
Струйный усилитель с соударяющимися струями в патентной лите-
ратуре называют также модулятором с непосредственным столкнове-
нием потока, импульсным модулятором или динамическим усилите-
лем. Струйные пропорциональные усилители со встречными струями
выполняются двух типов: прямого действия и обратного действия
(инверсные) [Л. 27].
Конструктивная схема струйного пропорционального усилителя
давления со встречными струями прямого действия показана на
рис. 15,а. В корпусе 1 размещены: первый канал питания 2, канал
управления 3, приемный канал 4, второй канал питания 5 и выход-
ной канал 6. Оба канала питания 2 и 5 располагаются на одной оси;
потоки питания направлены навстречу друг другу. Канал управления
располагается осесимметрично первому каналу питания, а приемный
канал—второму. Таким образом, в пропорциональном усилителе
прямого действия управляющий поток параллелен обоим потокам
питания и находится с ними на одной оси.
Характеристика рвых=/(ру) и зм ен ен и я в ы х о д ного д а в л е ни я Рвых
в зависимости от изменения давления управления ру, по данным ра-
боты [Л. 27], показана на рис. 15,6 (кривая 2). Характеристика снята
при давлении питания pni=0,98 кгс/см2 и /?П2, подобранном из усло-
вия /?вых=0 при ру=0.
Усилитель с продольным расположением управляющей струи
является пропорциональным усилителем с положительным коэффи-
циентом усиления, что иллюстрируется кривой 1 на рис. 15,6.
Коэффициент усиления в одном каскаде достигает величины по-
рядка 50. Диапазон пропускаемых частот — до 200 гц. Область рабо-
чих выходных давлений — до 0,8 кгс/см2. На базе струйного элемента
со встречными струями можно реализовать операционный усилитель,
элемент сравнения, суммирующие устройства [Л. 38, 76].
34

Струйный усилитель обратного действия [Л. 27] показан на
рис. 15,#. В корпусе 1 размещены: первый канал питания 2, канал
управления 3, -приемный канал 4, второй канал питания 5 и выход-
ной канал 6. В струйном пропорциональном усилителе со столкнове-
нием встречных питающих струй обратного действия управляющий
поток подается в направлении, перпендикулярном к направлению
питающих струй. Питающие струи расположены на одной оси и на-
правлены навстречу друг другу. Поток и давление в приемном кана-
кГс/смг
0,8
О Ч 8 12 16 кГс/см2
Рис. 15. Струйный пропорциональный усилитель со
встречными струями и его характеристики.

ле уменьшаются пропорционально управляющему сигналу. Коэффи-
циент усиления струйного усилителя с поперечным расположением
струй отрицательный. На рис. 15,6 показана выходная характеристи-
ка рвых = }(ру) (кривая 2) усилителя с поперечным расположением
струй. Характеристика снята при давлениях питания /?т = 1,4 кгс/см2,
Рп2=0,91 кгс/см2.
При заданной геометрии усилителя выходное давление рвых за-
висит от первого pni й второго рп2 давления питания, а также от
управляющего давления pY.
Конструктивная схема осесимметричного струйного усилителя
обратного действия со встречными питающими струями в соответст-
вии с ![Л. 38 и 76] показана на рис. 15,г (/ — канал управления, 2 —
первый канал питания, 3— приемный канал, 4 — выходной канал,
5 — второй канал питания). Геометрические размеры устройства /1 =
=0,456 мм; £>=2,34 мм; d=0,406 мм; L=l,75 мм; /=0,127 мм; п =
=0,406 мм.
Характеристики. Представляет интерес оценка влияния геомет-
рии на работу усилителя со встречными струями. По литературным
данным, в частности из работы |[Л. 14], допустимый диапазон изме-
нения геометрических параметров определяется физическими явле-
ниями, протекающими в усилителе. Так, наименьшее расстояние L
ограничивается нестабильностью области соударения из-за прилипа-
ния отраженных струй к поверхности сопл. Наибольшее расстоя-
ние L ограничено уменьшением эффективности усилителя вследствие
рассеяния энергии соударяющихся струй. Требование отсутствия на-
чального избыточного давления на выходе (при ру=0) определяет
величину расстояния между соплами /. В этой работе [Л. 14] экспе-
риментально получены данные о влиянии геометрии и параметров
потока (рис. 15Д е) на характеристики усилителя прямого действия,
выполненного по схеме, представленной на рис. 15,а.
На рис. 15,д показано влияние расстояния / между приемным
и вторым питающим соплом на давление в кольцевом канале 6
(рис. 15,а), подключенном к непроточной камере. Кривые, представ-
ленные на рис. 15,(9, сняты при следующих значениях давления пи-
тания, выраженном в кгс/см2: 7 — 0,84; 2 — 0,7; 3 — 0,56; 4 — 0,42.
Поскольку приемная часть усилителей с продольным и поперечным
расположением управляющих струй выполняется аналогично, то по-
лученные в работе [Л. 14] данные о влиянии расстояния / на давле-
ние в кольцевом канале усилителя прямого действия можно распро-
странить и на усилители обратного действия (рис. 15,в, г).
Размеры сопл исследуемого усилителя Л = 2,46 мм, d=2,\S мм,
обозначения соответствуют рис. 15,2. Из рис. Т5,д следует, что в вы-
ходном канале может создаваться разрежение.
По мнению автора работы [Л. 14], допустимый рабочий диапа-
зон изменения параметров: расстояния L—от 7,6 до 10 мм; расстоя-
ния между соплами / — от 1,15 до 1,4 мм; .давления питания — от
0,28 до 0,42 кгс/см2.
Характеристика /7Вых = /(ру) для различных давлений питаниярп
и отношения L/1 при постоянной нагрузке иллюстрируется рис. 15,е.
Кривые 1 и 2—/?п = 0,42 кгс/см2; кривые 3 и 4—рп = 0,28 кгс/см2. Зна-
чения L/1 для кривых: / — 7,0; 2 — 6,67; 3 — 1,П; 4 — 6,04.
Наибольший коэффициент усиления достигается при отношении
L/1, близком к 7,5. (Коэффициент усиления возрастает с увеличением
давления питания. Однако для /?п>0,45 кгс/см2 трудно обеспечить
стабильность области соударения при /?Вых = 0. Наибольшая крутиз-
36

на статической характеристики /?Вых=/(Ру) наблюдается при малых
управляющих давлениях. Сравнительно низкие значения коэффициен-
та усиления, оолученные на практике, автор объясняет неточностью
экспериментальной модели.
Еще мало данных для обоснования количественных рекоменда-
ций, однако имеющийся экспериментальный материал может служить
основой качественной оценки элементов при .их проектировании.
Вихревые усилители
Вихревой усилитель применяется в основном в качестве усили-
теля расхода и мощности. Он выполняет также функцию различных
струйных регулируемых сопротивлений. В вихревом усилителе для
целей управления используется падение давления в вихре.
Типичная схема вихревого усилителя показана на рис. 16,а, где
/ — вихревая камера (радиусом г), 3— управляющий канал (один
или несколько), 2 — канал питания, 6 — выходной канал (один или
1
Рис. 16. Вихревой усилитель и его характеристики.
37

два). Поток питания Qn подводится к вихревому усилителю по кана-
лу 4 и поступает в цилиндрическую камеру 1 высотой h через ка-
кал 2 в направлении, перпендикулярном продольной оси камеры от
периферии к центру. Канал 2 выполнен по всей высоте камеры.
В вихревых усилителях поток питания обычно подается по радиаль-
но направленным каналам, расположенным на равных расстояниях
друг от друга по периферии камеры, или через кольцевые отверстия
в крышках камеры. Управляющий поток Qy подается по каналу 3
тангенциально к внешней стенке цилиндрической камеры. Ось выход-
ного отверстия, расположенного в крышке, совпадает с продольной
осью цилиндрической камеры. Площадь проходного сечения канала
питания значительно превышает площадь сечения выходного канала.
При отсутствии потока управления (Qy=0) питающий поток Qn
из канала 2 движется в цилиндрическую камеру по радиусу г и
затем поступает к выходному отверстию 5. Падение давления пи-
тающего потока на его пути от канала 4 до выхода из камеры не-
значительно. В этом случае выходной расход Qbux определяется пло-
щадью выходного отверстия 5 и величиной давления питания рп.
Давление в самой вихревой камере с точностью до величины потерь
постоянно и равно давлению питания.
Если через тангенциальное отверстие 3 подается управляющий
поток Qy, то IB камере 1 возникает вихревое движение с характер-
ным для него радиальным градиентом давления. Вследствие этого
при неизменном давлении в канале 6 на выходе из усилителя выход-
ной поток и поток питания уменьшаются. Выходной расход на этом
режиме работы усилителя определяется радиальным градиентом дав-
ления в вихревой камере. Для полного прекращения потока питания
(т. е. для Qn=0) требуются весьма большие Qy и ру.
Рассмотрим характеристики выходного расхода вихревого уси-
лителя [Л. 20]. Усилитель имеет одно выходное отверстие, площадь
сечения которого /7вых = 0,161 см2, площадь сечения канала управле-
ния /^у=0,019 см2. Выход усилителя открыт в атмосферу.
На рис. 16,г приведена характеристика изменения относительного
выходного расхода Свых^вых.макс в зависимости от относительного
давления управления Ару=(ру—рп)/рп (кривые / и 2), по данным
работы (Л. 20]. Здесь QBbix—расход на выходе из вихревой камеры,
С^вых.макс — максимальный расход (расход на выходе из камеры
при ру = ри), Ру — давление управления, рп — давление питания. Кри-
вая 1 для давления питания рп=1,4 кгс/см2, кривая 2 — для рп =
= 7 кгс/см2.
Недостатком вихревого усилителя является то, что для управле-
ния потоком питания необходимо давление большее, чем выходное
давление. Коэффициент усиления по давлению вихревого усилителя
является отрицательным. Вихревые усилители выполняются без вы-
хода части потока в атмосферу (рис. 16,а) и с выходом части потока
в атмосферу.
Усилитель с выходом части потока в атмосферу показан на
рис. 16,6, где 5 — выходное отверстие вихревой камеры, 6 — выход
в атмосферу, 7 — приемная трубка. Значения 1—4 те же, что и на
рис. 16,а. Приемная трубка смещена по оси от выходного отверстия
вихревой камеры. Когда вихреобразование отсутствует (Qy=0),
струя из выходного отверстия 5 вихревой камеры попадает в прием-
ную трубку 7. Если управляющий поток мал, то большая часть вы-
ходного потока улавливается приемной трубкой. С увеличением по
38

тока управления большая часть потока на выходе отводится в атмо-
сферу через отверстие 6, поскольку при образовании вихревого дви-
жения поток на выходе из камеры формируется в виде полого ко-
нуса.
На рис. 16,д показана характеристика QBbix/QBbix.MaKc=f(рвых).
В этой серии экспериментов давление питания изменялось от 1,4
до 7 кгс/см2. Здесь Свых.макс — расход на выходе из вихревой каме-
ры при отсутствии вихревого движения и критическом истечении из
выходного отверстия; ръых = рпых/рп; /?вых — давление на выходе из
усилителя; рп — давление питания. Для каждой кривой относитель-
ное давление управления ру = ру/рп постоянно и равно для кривой/—
1,00; 2—1,25;" 5—1,35; 4—1,60; 5—1,80. Отношение подсчитыва-
лось в абсолютных единицах давления.
В вихревом усилителе с выходом в атмосферу на выходе из ка-
меры / давление равно атмосферному. Изменение нагрузки не оказы-
вает влияния на вихревое движение в камере. _____
Выходная характеристика (Эвых/Овых.макс^/(Ару) вихревого
усилителя с выходом в атмосферу приведена на рис. 16,г; кривая 3—
для давления питания рп=1,4 кгс/см2, кривая 4 — для рп = 7 кгс/см2.
Площадь выходного отверстия FB =0,161 см2, управляющего отвер-
стия Fy=0,019 см2. Здесь С?Вых — расход через нагрузку, Свых.макс—
расход через нагрузку при отсутствии вихревого движения. Кри-
вые 1 и 3 для /?гг=1,4 кгс/см2 и кривые 2 и 4 для рп — 7 кгс/см2
МаЛО ОТЛИЧаЮТСЯ Друг ОТ Друга ПрИ Qbux/Qbux.макс ^0,4. При
Рвых/Свых.макс<0,4 увеличение давления ру приводит к увеличению
выхода части потока в атмосферу, поэтому расход через нагрузку
уменьшается.
Рисунок 16,0 показывает изменение относительного максималь-
ного расхода через нагрузку в функции давления питания. Здесь
Q в ы х. м а к с—максимальный расход через нагрузку; QK — расход че-
рез вихревую камеру; рп — давление питания. При низком рп расход
через нагрузку больше расхода через камеру за счет подсоса из
атмосферы. При высоких рп расход через нагрузку меньше расхода
через камеру, поскольку часть его уходит в атмосферу.
На рис. 16,е приведена характеристика зависимости относитель-
ного выходного давления от относительного входного рВых=!(Ару).
Кривая 1—для /?п=1,4; кривая 2 — для рп = 7 кгс/см2. Максималь-
ное значение коэффициента восстановления давления при малых
относительных давлениях управления Ару составляет примерно 0,95.
С увеличением относительного давления управления Ару относитель-
ное давление на выходе _рВых=рвых//?п уменьшается, при Ару~
—0,5-^-0,6 выходное давление близко к нулю.
Заметим, что на характеристики вихревых усилителей оказывают
влияние также свойства рабочей среды и размеры усилителя.
9. Многокаскадные усилители и возможности
применения струйных усилителей
Для повышения коэффициента усиления в аналоговых струйных
системах управления применяется каскадирование усилителей, при
котором отдельные усилители последовательно соединяются в цепоч-
ки. Коэффициент усиления таких многокаскадных усилителей дости-
гает нескольких сот и даже тысяч.
39

Последовательное усиление б каскадах осуществляется путем
увеличения в каждом последующем струйном усилителе либо геоме-
трических размеров элемента при одинаковых давлениях питания,
либо давления питания при одинаковых геометрических размерах.
Применяется также смешанный способ, при котором одновременно
увеличиваются как геометрические размеры, так и давление питания.
Для сглаживания пульсаций потока между отдельными усили-
телями располагают емкости, выполненные в виде камер. Однако на-
личие таких емкостей уменьшает полосу пропускания многокаскад-
ного усилителя. Недостатками многокаскадных пропорциональных
усилителей являются также большие сдвиги по фазе и низкое отно-
шение сигнала к шуму.
Известно, что коэффициент усиления по давлению аналогового
усилителя, определяемый соотношением &р=|Д/?вых/Лру, где Д/?Вых —
разность давлений в выходных каналах; Ару — разность давлений
в управляющих каналах, зависит от нагрузки и частоты. Поэтому
величина коэффициента усиления отдельных усилителей многокаскад-
ного усилителя, собранного из одинаковых (одних и тех же) усили-
телей, различна. (Коэффициент усиления по давлению максимален
в том случае, когда усилитель работает на глухую камеру. По дан-
ным работы (Л. 16] в одном каскаде достигнут максимальный коэф-
фициент усиления kp = l\. Однако при работе на глухую камеру
в усилителе возникают высокочастотные автоколебания с частотой
порядка нескольких десятков килогерц. Для устранения автоколеба-
ний в выходных каналах усилителя устанавливают [Л. 16] по две
антирезонансные камеры. Если усилитель работает с протоком, т. е.
включен на нагрузку, то величина kv снижается. Коэффициент уси-
ления по давлению струйного усилителя, нагруженного таким же уси-
лителем, обычно не превышает 5—7.
По данным работы [Л. 5] полоса пропускания или частота, при
которой kp снижается на 30% от своего значения в статике, зависит
от размеров усилителя и величины нагрузки.
Приведем некоторые характеристики и конструктивные данные
трехкаскадного усилителя [Л. 5].
Размеры, мм
Геометрические параметры
Первый
каскад
Второй и
третий
каскады
Ширина сопла питания du . . •
0,254
щ
0,380
0,508
Ширина сопла управления d7
0,762
Ширина выходных каналов da
Расстояние от кромки сопла питания до разде-
лителя L
0,380
2,540
0,762
5,080
Расстояние между соплами управления х . .
0,762
1,524
Высота h
0,635
0,508
Давление струи питания первого, второго и третьего каскадов
соответственно pni = 0,42; рП2=0,35; /?пз=0,56 кгс/см2. Объем каждой
40

промежуточной емкости V=49,2 см3. Коэффициент усиления сто дав-
лению трехкаскадного усилителя при нагрузке его сопротивлением
0,006 кг • сек/см5 был около 65. Потребляемая мощность трехкаскад-
ного струйного усилителя составляла приблизительно 7,5 вт.
Вследствие отклонения геометрии реального усилителя от идеаль-
ной (например, асимметрии), его характеристика, как правило, не-
симметричная: кривая ApBbix=f (Ару) не проходит через нуль, макси-
мальные давления в выходных каналах отличаются между собой.
Трехкаскадное усиление применено, например, в операционном
усилителе [Л. 32] (см. гл. 5). Укажем на один из недостатков обыч-
ных аналоговых усилителей с непосредствен-
ным взаимодействием потоков, который осо- чГс/см?^Дрд.
бенно заметно проявляется при многокаскад-
ном усилении. С увеличением входного сигна-
ла усилителя выходной сигнал увеличивается,
достигает максимума (насыщается), затем
уменьшается (см. рис. 14,6). Падение выход-
ного сигнала можно устранить путем ограни-
чения угла отклонения струи [Л. ,16]. В по-
следнем случае выходное давление (насыще-
ние) при увеличении входного сигнала Ару
почти не изменяется.
Подобная характеристика приведена на
рис. 17.
Имеются сведения 1[Л. 21] об усилителях,
состоящих из нескольких близкорасположен-
ных каскадов. Характеристика Лрвых=/('Дру)
такого пятикаскадного усилителя приведена
на рис. 17. Коэффициент усиления по давле-
нию &р = 1 500. При частотах /<25 гц отноше-
ние сигнала к шуму не менее 200. Амплитудно-частотная характе
ристика постоянна до частот /~ 160 гц.
0,2-
0,1
-0,001
АРУ,
j
0,001 кГс/Ы*
-0,1
-0,2
Рис. 17. Характе-
ристика многокас-
кадного усили-
теля.
Возможности применения струйных усилителей
Струйный усилитель может выполнять в системе регулирования
различные функции: собственно усилителя, операционного усилителя,
регулятора давления, расхода, генератора колебаний, преобразова-
теля. Для этого к схеме классического усилителя добавляются неко-
торые пассивные элементы: линии запаздывания, дроссели, камеры.
Если к схеме классического усилителя добавить емкость и канал от-
рицательной обратной связи, то усилитель будет выполнять функ*
цию регулятора давления, расхода или скорости. При соответст-
вующем уровне сигнала и времени задержки его в линии обратной
связи усилитель с отрицательной обратной связью может использо-
ваться в качестве осциллятора, т. е. генератора периодических ко-
лебаний.
Одно- и многокаскадные струйные усилители применяются в раз-
личных устройствах и системах автоматического управления, описан-
ных ниже.
41

t лав а четвертая
ЭЛЕМЕНТЫ ЛОГИЧЕСКИХ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
УСТРОЙСТВ
10. Элементы, реализующие логические функции
За последние годы большое внимание уделяется разработке и
исследованию цифровых вычислительных устройств и систем, по-
строенных на струйных элементах и выполняющих те же операции,
что и электронные системы. Цифровые системы собираются из стан-
дартных струйных блоков, выполняющих логические и вычислитель-
ные функции.
Элементы, служащие для практической реализации логических
функций, носят название логических элементов. Характер их работы
является дискретным, т. е. все входные и выходные величины изме-
няются скачком или в некоторых пределах плавно, но для работы
логических элементов важны только их предельные, крайние значе-
ния, которые условно принимаются за нуль и единицу. Для анали-
тического описания устройств дискретного действия используется
аппарат математической логики.
В математической логике основное значение имеет важнейшее
математическое понятие — функционалыная зависимость. Логические
функции выражают зависимость выходных сигналов (переменных)
от входных. Эти функции в зависимости от числа входных перемен-
ных могут быть функциями одной, двух и многих переменных. Наи-
более простые логические зависимости выражают функцию одной
переменной. Их четыре, а именно: две функции — константы У==0
и У=1, функция повторения Y=X и функция отрицания Y=X.
Основными функциями алгебры логики являются функции двух пе-
ременных. Две входные переменные дают четыре комбинации значе-
ний: 0,0; 0,1; 1,0; 1,1.
Общее количество различных логических функций, которые мож-
но построить для четырех комбинаций значений двух переменных,
равно 16. Среди них: две функции — константы, две функции — по-
вторения, две функции — отрицания (инверсии), две функции не
являются самостоятельными. Особенности оставшихся восьми ориги-
нальных функций состоят в следующем:
Функция «дизъюнкция» (ИЛИ) принимает значение 0 тогда и
только тогда, когда оба аргумента имеют значение 0.
Функция «конъюнкция» (И) принимает значение 1 тогда и толь-
ко тогда, когда оба аргумента имеют значение 1.
Функция «импликация» принимает значение 0 тогда и только
тогда, когда первый аргумент имеет значение 1, а второй — значе-
ние 0.
Функция «равнозначность» (эквивалеиция) принимает значение 1
в тех случаях, когда оба аргумента имеют одинаковое значение, и
значение 0, когда аргументы имеют разные значения.
Функция «штрих Шеффера» обращается в 0 тогда и только
тогда, когда оба аргумента имеют значение 1.
Функция «исключенное ИЛИ» обращается в 1, когда либо пер-
вый, либо второй аргумент равен 1, но не оба вместе.
Значения функции «запрет» совпадают со значениями первого
аргумента, когда второй аргумент равен 0, если же второй аргу-
42

мент равен 1, то функция будет иметь значение 0, каким бы при
этом ни был первый аргумент.
Функция «Даггера» («стрелка Пирса») обращается в 1 тогда и
только тогда, когда оба аргумента равны 0.
Каждую из рассмотренных функций можно выполнить с по-
мощью дискретных струйных устройств.
Существуют различные тенденции построения логических эле-
ментов в виде стандартных блоков в зависимости от того, какие ло-
гические функции или их сочетания должны выполнить эти отдель-
ные логические блоки. Любые сложные схемы могут быть построены
с помощью двух или даже одного типа простейших логических эле-
ментов. Однако сложная логическая схема, построенная из одинако-
вых элементов, будет содержать большое число элементов по сравне-
нию с минимально возможным.
Число логических элементов в той же схеме может быть сокра-
щено, если для ее построения использовать различные типы логиче-
ских элементов, такие, например, как И, ИЛИ и НЕ. Поэтому
многие фирмы, выпускающие логические элементы, положили в осно-
ву разработки своих логических элементов именно эти три типа логи-
ческих функций.
Наиболее широко применяются дискретные устройства, построен-
ные но принципу взаимодействия свободных струй и на использова-
нии эффекта прилипания потока к стенке (эффект Коанда)
(см. гл. 2). Этот эффект позволяет получить элементы с двумя устой-
чивыми состояниями, требуемыми для построения многих дискрет-
ных устройств.
Рассмотрим работу простейших логических элементов, необходи-
мых для построения струйных цифровых вычислительных машин.
Элементы И
На выходе элемента И появляется сигнал только в случае нали-
чия всех входных (управляющих) сигналов.
Пассивные элементы, построенные на использовании закона со-
хранения количества движения. Логическую операцию И легко
реализовать, превращая энергию давления двух или более сигналов
в скоростной напор. Величина и направление количества движения
результирующей выходной струи определяются величиной и направ-
лением количеств движений струй на входе.
Логический элемент, показанный на рис. 18л, представляет схе-
му И с двумя входными соплами / и 2 [Л. 57]. Эти сопла, получая
сигнал через отверстие 3 от источника сигналов А и через отверстие 9
от источника сигналов Я, направляют поток в приемные сопла 4, 6
или 8. В сопло 4 поток поступает из сопла / с логической информа-
цией В при отсутствии информации А. Условно это обозначают
в виде В • А (функция «запрет»). В приемник 8 поток поступает че-
рез сопло 3 только с информацией А (А В). Но если ко входам АиВ
.. одновременно поданы сигналы давления примерно равных амплитуд,
результирующая струя будет направлена под углом 45° к первона-
чальному направлению и попадает в выходной канал 5, расположен-
ный как раз под этим углом.
При соответствующей конфигурации элемента не требуется точ-
ного равенства давлений двух струй: они могут даже отличаться
в отношении 2:1. Каналы 5 и 7 соединяют камеру взаимодей-
ствия 10 с окружающей средой. В силу направленного характера
43

струй перетечки газа из одного входного канала в другой будут
очень невелики, если только выходной канал полностью не перекрыт.
Назначение обеих боковых каналов 5 и 7 как раз и состоит в том,
чтобы обеспечить выход струям в этом случае.
На рис. 18,6 показана еще одна модификация логического эле-
мента И, обеспечивающего четкое переключение струи даже тогда,
когда на выходе действует значительное по величине обратное дав-
ление [Л. 59].
в 1
А \
) \щ
1 1
а)
Рис. 18. Схемы элементов И.
В этом элементе использованы и закон сохранения количества
движения и принцип прилипания струи к стенке. Как показано на
рис. 18,6, логический элемент получает два входных сигнала А и В
через сопла 11 и 14 в камеру взаимодействия 10. Входные сопла рас-
полагаются перпендикулярно друг другу.
Приемные каналы 3 и 5, выходящие из камеры 10, расположены
с некоторым смещением против сопл 11 к 14 соответственно. Прием-
ный канал 5, выходящий также из камеры 10, выполнен под углом
45° к каналам 3 и 8. В камере 10 между каналами 3 и 5, 8 и 5
имеются специальные дефлекторы 4 и 6. Щелевой канал 2, перпен-
дикулярный плоскости элемента, сообщает камеру взаимодействия 10
с внешней окружающей средой для сброса обратного давления.
Приемные каналы 3 и 8 объединяются общим выходным каналом 7.
44

При отсутствии струи из сопла 11 питающая струя по входному ка-
налу / через сопло 14 направляется в приемный канал 7. При этом
струя, проходя вдоль стенки 9, создает зону пониженного давления
и вызывает эффект прилипания. Одновременно в дефлекторе 6 воз-
никает зона высокого давления, которая также прижимает силовую
струю к стенке 9. Аналогичный эффект наблюдается при подаче пи-
тающей струи по входному каналу 12. Когда струи протекают одно-
временно через сопла 11 и 14, результирующая струя направляется
в канал 5.
Наличие выемки 13 и смещение приемных каналов 3 и 8 относи-
тельно сопл // и 14 позволяет значительно повысить мощность вход-
ных сигналов в широком диапазоне изменения давлений.
Активные элементы, использующие эффект прилипания струи
к стенке. Рассмотрим теперь логические элементы И второго типа.
Типовые элементы, в которых используется эффект прилипания струи
к стенке, обычно включают: питающее сопло /, к которому подво-
дится давление питания, пару управляющих 2, 3 и пару выходных
каналов 4, 5, камеру взаимодействия 7 (рис. 18,в). Выходной ка-
нал 4 соответствует состоянию 0 элемента, а выходной канал 5 соот-
ветствует состоянию 1 логического элемента. Элемент испытывает
изменение состояния всякий раз, когда выходной поток переключает-
ся из канала 4 в канал 5. Во время отсутствия управляющего сигна-
ла элемент находится в нулевом состоянии. При одновременном
действии обеих управляющих сигналов 2 и 3 питающая струя пере-
ключается в выходной капал 5. Необходимо обеспечить возврат по-
тока в выходной канал 4 всякий раз, когда пропадает действие
управляющих сигналов. Существует несколько способов возврата
струи в нулевое состояние, а именно: асимметричное расположение
делителя потока ближе к правой стенке камеры взаимодействия, чем
к левой относительно центра питающего сопла; расположение боко-
вой стенки камеры взаимодействия, связанной с левым выходным
каналом, ближе к отверстию питающего сопла, чем боковой стенки,
связанной с правым выходным каналом; использование сигнала вос-
становления (струи подпора), как это выполнено в элементе, пока,-
занном на рис. 18,в (канал 6).
На рис. 18,г изображен логический элемент И, в котором струя
автоматически стабилизируется потоком отрицательной обратной
связи, создаваемым в элементе [Л. 53]. Сопло / служит для подвода
давления питания. Подвод управляющих сигналов осуществляется
через сопло 5, которое получает управляющие воздействия из кана-
лов 3 и 4. Сопло 5 объединяет управляющие сигналы из каналов 3
и 4 в один поток, который выходит из канала 6 в боковой стенке 7
камеры взаимодействия 13. Отверстие 2 расположено перпендику-
лярно плоскости //. Так как каждый управляющий сигнал, прила-
гаемый к каналам 3 и 4, имеет в основном определенную величину,
то радиус отверстия 2, размеры каналов 3—6, должны быть согла-
сованы друг с другом так, чтобы управляющая струя, выходящая
из канала 6, была в состоянии перебросить питающую струю из ка-
нала 8 в канал 9 только в случае действия обеих управляющих сиг-
налов 3 и 4. Если существует только один из управляющих сигналов,
то он почти весь выходит через отверстие 2 в атмосферу и, следо-
вательно, управляющая струя в канале 6 имеет недостаточную мощ-
ность для того, чтобы изменить состояние элемента. Таким образом,
элемент изменяет состояние только тогда, когда подаются оба сиг-
нала управления. Боковая стенка 12 камеры взаимодействия 13 до-
45

статочно удалена от отверстия 14 для предотвращения прилипания
питающей струи, а стенка 7 выполнена как можно ближе к этому
отверстию, чтобы силовая струя, наоборот, прилипала к стенке. При
сопряжении боковой стенки 12 и стенки канала 9 образован вы-
ступ 10 для отведения части объединенных управляющей и питаю-
щей струй по кругу, как показано стрелкой. При отсутствии управ-
ляющего сигнала из сопла 5 питающая струя будет прилипать
к стенке 7 и выходить в канал 8. При подаче управляющих сигна-
лов 3 и 4 струя, выходящая из сопла 5, преодолевает действие по-
граничного слоя между боковой стенкой 7 и питающей струей и
отклоняет результирующий поток в канал 9. Часть этого потока за-
держивается выступом 10 и отводится назад с энергией, достаточной
для отклонения питающей струи обратно к боковой стенке 7 при
прекращении подачи управляющего сигнала из сопла 5.
Таким образом, переброс струи из канала 9 в канал 8 осуще-
ствляется кинетической энергией обратного потока, направленной
поперек струи.
Элементы ИЛИ и ИЛИ—НЕ ИЛИ
На выходе элемента ИЛИ появляется сигнал в случае подачи
одного из управляющих сигналов или обеих одновременно.
Пассивные элементы, построенные с использованием закона со-
хранения количества движения. На рис. 19,а показан логический
элемент ИЛИ, построенный по принципу взаимодействия свободных
струй. Четыре входных канала 7—10 направлены в камеру взаимо-
действия / [Л. 57]. Вполне очевидно, что можно иметь любое другое
количество входных каналов для осуществления функции ИЛИ. Ка-
нал 4 является приемным. Каналы 3 и 5 обеспечивают .связь между
камерой взаимодействия и атмосферой. В концевых участках край-
них входных каналов выполнены карманы 2 и 6, служащие для улуч-
шения характеристик элемента. Соотношение между размерами
каналов не имеет решающего значения, однако авторы рекомендуют
принимать ширину приемных каналов вдвое больше ширины
входных.
Конструкция элемента ИЛИ, показанная на рис. 19,6, отличается
от конструкции на рис. 19,а тем, что канал 7, соединяющий камеру
взаимодействия 3 с атмосферой, расположен между входными кана-
лами /, 2, 5, 6. Сигнал в приемнике 4 возникает при наличии сигнала
в любом из входных каналов А, В, С или D.
Активные элементы, использующие эффект прилипания струи
к стенке. На рис. 19,8 изображен элемент ИЛИ, использующий
эффект присоединения струи к стенке. В пластине / имеются два
управляющих сопла 3, 4, сопло питания //, камера взаимодействия 9
и два выходных канала 6, 7 [Л. 53]. Боковая стенка 8 достаточно
удалена от отверстия 2, образованного соплом // в торцевой стен-
ке 10, поэтому между струей, выходящей из сопла //, и боковой
стенкой 8 отсутствует эффект прилипания. Стенка 5 расположена
ближе к отверстию 2, так что r отсутствие входного сигнала из соп-
ла 3 или 4 питающая струя будет прилипать к стенке 5 и выходить
из канала 6. При подаче управляющего сигнала струя, вытекающая
из сопла управления, преодолеет действие пограничного слоя и
отклонит питающую струю от стенки 5 в канал 7. Для возврата пи-
46

тающей струи в первоначальное состояние применяется способ, опи-
санный выше (рис. 18,г). В выходном канале 7 реализуется логиче-
ская операция ИЛИ, а в канале 6 — логическая операция НЕ ИЛИ.
01
( 7
1©
Рис. 19. Логические элементы ИЛИ—НЕ ИЛИ.
Элементы НЕ
Элемент НЕ выполняет функцию «отрицание». На выходе этого
элемента сигнал отсутствует при наличии управляющего сигнала.
Элемент, показанный на рис. 19,г, выполнен асимметричным, т. е.
один выходной канал 3 расположен соосно с питающим соплом,
а второй 4 направлен под некоторым углом к первому: управляющий
канал 2 перпендикулярен питающему 1. Если сигнал управления
отсутствует, струя, вытекающая из питающего сопла, направляется
в выходной канал 3. Когда сигнал управления достигает определен-
ного значения, питающая струя перебрасывается в выходной ка-
нал 4.
Эффект прилипания потока в выходном канале 4 настолько мал,
что при снятии управляющего сигнала силовая струя сразу перебра-
47

сывается в выходной канал 3. Таким образом, сигнал в выходном
канале 3 является инвертированным по отношению к управляющему
сигналу.
11. Элементы, выполняющие вычислительные операции
Характерной особенностью струйных элементов является воз-
можность реализации на простых элементах достаточно сложных
схем, в том числе и элементов цифровой техники, часть из которых
рассмотрена в этом параграфе.
Триггеры
Одним из основных элементов цифровой техники, действие кото-
рых связано с запоминанием сигналов, являе1ея .триггер. Триггер
может быть потенциальным или импульсным. Потенциальный триг-
гер меняет свое состояние при подаче сигнала любой длительности
и затем сохраняет это состояние до подачи следующего сигнала.
Рис. 20. Струйные триггеры с раздель-
ными входами.
Импульсный триггер меняет свое состояние при подаче импульса
определенной длительности, а если это условие не соблюдается, то
триггер не срабатывает или превращается в генератор импульсов.
Потенциальный триггер с раздельными входами представляет собой
бистабильное устройство, которое может быть реализовано на струй-
ном элементе, использующем эффект присоединения струи к стенке.
В струйном элементе, показанном на рис. 20,а, сигнал, поступающий
через канал управления Д отклоняет струю к стенке 5 и направляет
ее в выходной канал 4. При этом силовая струя поступает в выход-
ной канал 4 и после снятия управляющего сигнала / до тех пор,
пока сигнал, приложенный через канал управления 6> не переключит
силовую струю к стенке 2, после чего появляется сигнал в канале 3.
Таким образом, триггер обладает способностью запоминания вход-
ных сигналов.
На рис. 20,6 показан триггер с раздельными входами, в котором
введена дополнительная стабилизация питающей струи [Л. 43].
Струя питания поступает в полость / и затем по каналу 2 в ка-
меру взаимодействия струй 16, которая имеет форму воронки 14.
48

Выходные каналы 8 и 13 элемента расположены в конце камеры
взаимодействия. Под действием одного из управляющих сигналов 6
или 17 питающая струя прилипает, согласно эффекту Коанда,
к одной из боковых стенок камеры взаимодействия и поступает
в соответствующее выходное отверстие.
Для стабилизации струи предусмотрены вентиляционные кана-
лы 10 и 11, сообщающие элемент с атмосферой. Вследствие наличия
в этих каналах сначала сужений, а затем расширений 9 и 12, поток,
выходящий в атмосферу, ускоряется, благодаря чему создается
дополнительный подсос из канала 7 (или 15), удерживающий си-
ловую струю у соответствующей стенки камеры взаимодействия.
На рисунке показан момент, когда струя прилипла к левой стен-
ке. Вследствие наличия градиента давлений появляется циркуля-
ционный поток в каналах 19, 4, действующий в направлении, ука-
занном стрелкой.
Этот поток, подпитываемый основной жидкостью из полости /,
стабилизирует течение струи у левой стенки камеры взаимодействия.
Управляющий сигнал, поступающий по каналу 5 (или 18), откло-
няется потоком 4 в канал 6 и перебрасывает питающую струю к пра-
вой стенке. Вследствие отведения стабилизирующего потока в ка-
нал 6 эффект всасывания в вентиляционной камере 10 пропадает или
в значительной степени уменьшается, что в свою очередь способ-
ствует перебросу струи к правой стенке.
Каналы 19, 4 снабжены дросселями 3, 20, позволяющими осуще-
ствлять регулирование величины давления срабатывания.
Реверсивный счетчик импульсов
На рис. 21 приведена схема реверсивного счетчика импульсов
[Л. 46]. Он представляет собой последовательную цепочку триггеров
со счетным входом, между которыми включены логические элементы,
образующие суммирующий или вычитающий счетчик в зависимости
от поданной команды. Рассмотрим работу одного разряда счетчи-
ка 1, приведенного на рис 21,а. Давление питания подается по кана-
лу 7, который заканчивается соплом 14. Питающая струя из сопла 14
поступает в камеру взаимодействия 17, образованную двумя расхо-
дящимися стенками 4 и 19, и прилипает к одной из этих стенок.
Между двумя приемными каналами 20 и 3 имеется разделитель
с вогнутым дефлектором 2. Последний способствует образованию
вихревого потока, улучшающего стабилизацию струи. Каналы 18 и 5
соединяют камеру взаимодействия с атмосферой. Каналы 21 и 22,
заканчивающиеся соплами 16 и 15, играют роль установочных раз-
дельных входов, по которым подаются команды. Счетные импульсы
поступают по входному каналу 9 и соплу 10 во вторую камеру
взаимодействия //, которая соединяется каналами 12 и 8 с атмо-
сферой. Устройство работает следующим образом. Предположим, что
питающая струя из сопла 14 первоначально отклонилась к_ боковой
стенке 19, тогда в контуре, включающем управляющие каналы 13
и 6, установится циркуляционный поток, направленный по часовой
стрелке, так как у управляющего сопла 16 давление ниже, чем у соп-
ла 15. Но энергии этого потока недостаточно, чтобы перебросить
струю из приемного канала 20 в канал 3. При подаче сигнала на
вход 9 циркуляционный поток увлекает входную струю в канал 13
и питающая струя переключается к стенке 4. После окончания дей-
4—1281
49

ствия входного сигнала в каналах 13 и в устанавливается течение
против часовой стрелки. Следующий входной импульс переключит
питающую струю к стенке 19 и т. д. Итак, в одном из приемных ка-
налов появляется один импульс в ответ на два импульса источни-
ка 9, что является алгоритмом работы триггера со счетным входом.
На рис. 21,6 показан двоичный счетчик на три разряда для сче-
та импульсов в прямом и обратном направлениях. Каждый из раз-
рядов обозначен соответствующими цифрами 8, 29 и 27. Каждый из
трех разрядов включает в себя триггер со счетным входом 31, опи-
санный выше, и два логических элемента И 16 и 24, обеспечивающих
работу счетчика в прямом и обратном направлениях (сложение и вы-
читание). Элемент 31 получает непрерывное питание по каналу 7,
а элементы 16 и 24 получают пи-
тание по каналам 13 и 3 с выходов
триггера, причем в каждый мо-
мент времени только один из этих
элементов снабжается питающей
жидкостью в зависимости от на-
правления циркуляционного потока
в каналах 6, 11 и команд в уста-
новочных раздельных входах 4, 12.
Импульсы, поступающие на вход
разряда 9, 30> 28, являются в то
же время управляющими сигнала-
ми для логических элементов 16 и
24, куда они поступают по каналам
10 и 5 соответственно. Энергии
струй в каналах 10 и 5 недостаточ-
но для того, чтобы отклонить пи-
тающую струю 13 или 3 из прием-
ных сопл 15 или / в каналы 18
или 22. Рядом с управляющими ка-
9 8 5) 30 29 Ъ 27
Рис. 21. Схема реверсивного счетчика импульсов.
50

налами 10 и 5 расположены каналы 14 и 2, по которым поступают
командные сигналы прямого и обратного счета. Подчеркнем, что
управляющие сигналы в каналах 14 и 2 не могут существовать одно-
временно. Рхли управляющие сигналы 10 и 14 (5 и 2) поданы одно-
временно, струя переключится в канал 18 (22) и по трубопрово-
дам 17 (23), 25 поступит на вход 30 второго разряда счетчика.
27 23 в
Вход
ИалравлеА
иаетта\
1 0
/ 0
/ 0
\\
ll
0
X
X
X
ООО
0
X
F
X
X
X
001
1
X
X
X
X
01Q
2
X
X
X
х
011
3
X
X
X
X
too
#
X
X
X
X
101
5
X
X
X
X
110
6
X
R
1
X
X
X
101
5
X
X
X
X
wo
ц
X
X
X
X
011
3
X
F
X
X
X
100
Рис. 22. Схема и таблица состояний реверсивного счет-
чика импульсов.
Подобным же образом выходной сигнал второго разряда передается
на вход 28 третьего разряда по каналу 26. Для возврата элемен-
тов И в первоначальное состояние по каналам 19, 20, 21 подается
струя подпора.
4* 51

На рис. 22 изображены схема счета и таблица, иллюстрирующая
последовательность счета. Здесь обозначения такие же, как на
рис. 21. Допустим, нужно сосчитать последовательность из десяти
импульсов, причем первые шесть импульсов — в прямом направле-
нии, три импульса — в обратном и десятый импульс — в прямом.
Обозначим через 0 выходной канал 3 каждого разряда, передающий
сигнал в элемент И 24, соответствующий прямому направлению сче-
та, а канал 13, подающий сигнал в элемент 16, соответствующий
обратному направлению счета, — через 1. В начальный момент на
всех выходах счетчика стоят нули. При этом питающая струя выте-
кает из канала / первого разряда в атмосферу. В. подобном состоя-
нии находится также второй и третий разряды. Пусть импульсы
поступают в первый разряд счетчика 8. Счетчик считает в прямом
направлении (суммирует импульсы) при подаче управляющего сиг-
нала F в элемент 24, причем сигнал R в управляющем канале обрат-
ного направления в это время отсутствует. Сигнал переноса при этих
условиях может поступать из первого разряда счетчика во второй
только через логический элемент 24. Первый импульс, поступающий
по каналу 9, переключает первый разряд из состояния 0 в состоя-
ние 1, т. е. струя из канала 3 переключится в канал 13, и сигналов
переноса в последующие разряды при этом не возникает. Следую-
щий импульс, поступающий на вход счетчика, переключает триг-
гер 81 из состояния 1 в состояние 0, и элемент 24 передает сигнал
на вход второго разряда 30. Этот сигнал переводит триггер 31 вто-
рого разряда из 0 в 1, и на счетчике устанавливается следующее
состояние (см. табл. рис. 22,6) после сложения двух импульсов. Сле-
дующие импульсы прямого счета переключают разряды счетчика
согласно приведенной таблице.
Когда меняется направление счета, сигнал F перестает поступать
в управляющие каналы сопла в прямом направлении, а идет в кана-
лы реверса. При этом сигнал передается в следующий разряд счет-
чика через логический элемент 16 только при наличии сигнала в ка-
нале 13 триггера 31. В этом состоянии счетчик меняет направление
счета, т. е. последовательно вычитает вновь поступившие импульсы
из числа, имеющегося в счетчике.
Допустим, что счетчик, работая в прямом направлении, сосчитал
шесть импульсов. После этого на вход 9 подается седьмой импульс
обратного направления, который переключает триггер 31 из состоя-
ния 0 в состояние 1. Благодаря наличию команды R импульс, минуя
элемент 16, поступает во второй разряд 29.. Триггер 31 второго раз-
ряда переключается из состояния 1 в состояние 0, и импульс в тре-
тий разряд 27 не передается. Такое состояние соответствует числу 5
в двоичном коде. Для того чтобы струя не попадала в каналы 18
и 22 при отсутствии управляющих сигналов 10 и 14 или 5 и 2
(рис. 21,6), следует обеспечить сигнал смещения, который поступает
по каналам 19 и 21 из источника 20.
Двоичный счетчик может быть заранее установлен па любое тре-
буемое число. Для этого предусмотрены два установочных входа 12
и 4 в триггере 31, по которым поступают сигналы установки.
Остановимся еще на одном моменте работы счетчика. Направ-
ление счета может измениться во время поступления сигнала на
входы 9, 30 и 28. При этом счетчик совершит ошибку. Чтобы избе-
жать ее, на входе во второй и третий разряды установлены импуль-
саторы 33 (рис. 22,а). Импульсатор представляет собой струйный
усилитель с отрицательной обратной связью, заведенной через линию
52

задержки. Он предназначен для получения кратковременных импуль-
сов, продолжительность которых определяется временем прохожде-
ния сигнала из сопла 32 к управляющему соплу. Благодаря наличию
импульсаторов на входы разрядов поступают сравнительно короткие
импульсы вместо продолжительных, что исключает сбои в процессе
переключения.
Сдвигающие регистры
Сдвигающие регистры содержат ряд последовательно соединен-
ных ячеек. Сигналы в регистрах передаются из одной ячейки в сле-
дующую по тактовым командам и удерживаются в соответствующих
ячейках до поступления дальнейших команд {Л. 54]. На рис. 23,а
показана схема комбинированного логического элемента, который,
будучи включен между двумя триггерами, образует ячейку сдвигаю-
щего регистра (рис. 23,6). Комбинированный логический элемент, вы-
Рис. 23. Сдвигающий регистр.
полненный в плате 12, содержит канал 3 и сопло 4, служащие для
подачи тактовых сигналов, а также каналы 2 и 6 с соплами 1 и 5
соответственно, являющиеся входными и служащими для записи
в регистр 1 или 0. Каналы 7, 10 и 13 связаны с атмосферой, а кана-
лы 8 и 11, являющиеся выходными каналами комбинированного ло-
гического элемента, соединены с управляющими каналами 8 и И
выходного триггера 9 (рис. 23,6). Сигнал в каждом из этих выход-
ных каналов может появляться только в момент подачи тактовых
импульсов, т. е. комбинированный логический элемент представляет
собой сочетание двух элементов И. Форма камеры взаимодействия 14
препятствует образованию пограничного слоя.
Ячейка регистра работает следующим образом. Пусть входной
триггер 4 (рис. 23,6) находится в состоянии /, т. е. в сопле 6 кана-
ла 5 есть сигнал. Этот сигнал сможет поступить к выходному триг-
53

геру 9 только в момент подачи тактового импульса по каналу 3,
после чего состояние входного триггера будет передано на выход
регистра — канал 10. Вторая пара управляющих каналов 2, 8 служит
для записи нулевого состояния.
Глава пятая
УСТРОЙСТВА СТРУЙНОЙ ТЕХНИКИ
12. Область применения и типы устройств
Из большого числа патентов и материалов периодической лите-
ратуры выбраны наиболее характерные устройства, которые, по
мнению авторов, могут дать достаточно полное представление о воз-
можностях применения струйной техники.
В приведенном ниже описании выделены следующие группы
струйных устройств:
1. Генераторы колебаний, подразделяющиеся по. конструкции,
диапазону рабочих частот и способу возбуждения колебаний.
2. Устройства для формирования и модуляции импульсов.
3. Датчики физических параметров регулируемого объекта, под-
разделяющиеся по роду параметра, принципу действия и по виду
выходного сигнала — аналогового или частотного.
4. Аналоговые . вычислительные устройства — операционный уси-
литель, интегрирующие и дифференцирующие блоки.
5. Элементы сравнения величин сигналов.
6. Функциональные преобразователи.
13. Генераторы колебаний и формирователи импульсов
Чисто струйные генераторы
В основу построения схем большинства генераторов положено
явление запаздывания передачи сигнала в цепи обратной связи ди-
скретного струйного усилителя. Частота импульсов определяется дли-
ной канала, связанного с управляющими соплами усилителя.
Некоторые из применяемых струйных генераторов описаны
в гл. 3, ниже приводится обзор наиболее характерных схем.
Из общего числа запатентованных чисто струйных генераторов
можно выделить два характерных типа [Л. 27] — первый использует
образование перепада давлений в канале, соединяющем оба управ-
ляющих сопла струйного дискретного усилителя, второй использует
линию задержки в канале отрицательной обратной связи, т. е. часть
рабочей жидкости из выходного канала генератора поступает через
длинный канал в управляющее сопло. Основным узлом генератора
в обоих случаях является дискретный струйный усилитель с эффек-
том прилипания струи к стенке рабочего канала.
Генератор с соединительным каналом, изображенный на
рис. 24,я, работает следующим образом: рабочая жидкость, подан-
ная через питающий канал /, поступает в дискретный струйный уси-
литель и прилипает к стенке одного из выходных каналов 3 или 4.
Если питающая струя прилипла к стенке 4, то немедленно начинает-
ся подсос жидкости из сопла 5, где падает статическое давление и
увеличивается расход. Волна давления, проходя по каналу 6, приво-
дит к падению давления в зоне сопла 2, в то же время компенсируя
54

разрежение в зоне сопла 5, тогда под действием перепада давлений
на управляющих соплах питающая струя отходит от стенки кана-
ла 4 и перебрасывается в канал 3\ при этом начинается подсос
жидкости из канала 2 и цикл повторяется, т. е. происходит непре-
рывная пульсация давления в выходных каналах дискретного усили-
теля. Период колебаний т генератора определяется временем про-
хождения волны давления по соединительному каналу 6. В идеаль-
ном случае период колебаний такого генератора будет равен:
т = 2//а, где / — длина соединительного канала, а — скорость распро-
странения звука в рабочей среде. Однако практически период коле-
Рис. 24. Струйные генераторы.
баний генератора зависит еще от ряда факторов — объема канала,
его сопротивления, характера возникающей ударной волны и т. д.
Поэтому точное значение частоты колебаний струйного генератора
следует определять экспериментально.
Генератор с линией задержки в канале обратной связи изображен
на рис. 24,6. Рабочая среда, поданная через канал /, поступает в ди-
скретный усилитель, и струя питания прилипает к стенке канала 3
или 2. Если струя прилипла, например, к стенке канала 5, то часть
рабочей жидкости из выходного канала попадает через канал обрат-
ной связи 4, в котором происходит задержка волны давления,
к управляющему каналу усилителя. Давление, возникшее в управ-
ляющем канале, перебрасывает струю питания в противоположный
канал, и цикл повторяется. Частота импульсов такого генератора
будет также определяться длиной канала обратной связи, составляю-
щего линию задержки. Усилитель в генераторе может быть также
несимметричным, т. е. с одним выходным каналом, тогда канал
обратной связи также используется один.
Генератор, использующий источник питания с высоким давле-
нием рабочей жидкости и малыми расходами, основанный на эффек-
те соударения струй, приведен на рис. 24,в [Л. 27]. Струя, вытекаю-
щая из сопла источника питания /, попадает в сопло ресивера 3
с емкостью 4, в результате чего давление в ресивере начинает повы-
шаться. При достижении определенной величины выходного давле-
ния рабочая жидкость начинает вытекать из ресивера. Струя, выте-
кающая из ресивера, соударяется с питающей струей, и зона
соударения струй начинает, по мере падения давления в ресивере,
перемещаться в сторону сопла ресивера. Когда зона соударения до-
ходит до сопла ресивера, взаимодействие двух соударяющихся струй
прекращается и цикл генератора повторяется. Частота колебаний
55

такого генератора будет зависеть от емкости ресивера 4. Выходной
сигнал поступает к потребителю через канал 2.
Генератор для создания колебаний давления относительно низ-
кой частоты приведен на схеме, показанной на рис. 25 [Л. 65]. Два
дискретных струйных усилителя 1 и 2 включены так, что выходной
канал 4 первого усилителя /, выполняющего роль собственно генера-
тора, соединен с управляющим каналом 3 выходного усилителя 2
генерирующего усилителя в такой
Рис. 25. Струйный генератор схеме будет определяться не
нала по каналу обратной связи,
но и временем заполнения и опо-
рожнения емкости 5, которое при постоянной емкости можно регу-
лировать сопротивлением подводящих каналов.
Стабильность работы чисто струйного генератора зависит от
многих факторов: от величины давления питания, температуры и
плотности рабочего газа, параметров окружающей среды и т. п. Для
создания более стабильных импульсов применяются струйные гене-
раторы с механической системой возбуждения частоты.
Генератор с камертоном, показанный на рис. 26,а [Л. 66], пред-
ставляет собой два последовательно включенных струйных усилите-
ля 6 и 8. В целях увеличения чувствительности генератора их разде-
лители выполнены с дефлекторами 7. Управляющие каналы усили-
теля 6 соединены с соплами 2 и 3, заслонками которых являются
противоположные стороны одной из ножек камертона /. Выходные
каналы усилителя 6 соединены с управляющими каналами усилите-
ля 8. Выходные каналы конечного усилителя соединены с приемными
каналами потребителя 9, а также с соплами 4 и 5, направляющими
струи на другую ножку камертона с целью его возбуждения. При
отклонении ножки камертона одно сопло, связанное с управляющим
каналом усилителя 6, прикрывается, а второе открывается. При этом
струя питания, поступающая в сопло первого усилителя, проходит
в один из каналов управления второго усилителя 8. Давление, по-
являющееся в выходном канале усилителя 5, возвращает ножку ка-
мертона в первоначальное положение и тем самым соединяет одно
и емкостью 5. Управляющий ка-
нал усилителя 1 соединен с его
выходом каналом обратной связи 6
аналогично схеме генератора, опи-
санного выше (рис. 24,6).
В противоположные управляю-
щие каналы усилителей 1 я 2 по-
дано опорное давление, обеспечи-
вающее переключение питающей
струи при снятии управляющего
сигнала. В канале обратной связи
и канале подвода управляющего
давления к усилителю 2 установ-
лены сопротивления в виде жик-
леров, пористых вставок, капил-
ляров и т. п. Время переключения
низкой частоты.
только временем прохождения сиг-
Струйно-механические генераторы
56

из сопл управляющего канала первого усилителя с окружающей
средой, а другое прикрывает. Повышение давления в закрытом ка-
нале вызовет переброс питающей струи в первом усилителе, и эта
струя переключит поток во втором усилителе. Выходной поток из
второго усилителя отклоняет ножку камертона в противоположную
сторону. Такая последовательность работы вызывает непрерывное
колебание давления на выходе усилителя #, возбуждающее в свою
очередь соответствующие колебания в управляющих каналах усили-
теля 6.
Рис. 26. Струйно-механические генераторы.
Частота колебаний такого генератора определяется собственной
частотой колебаний камертона, при этом она будет значительно более
стабильной, чем частота обычного струйного генератора. Поскольку
характеристика усилителя последней ступени выбирается линейной,
то форма выходных колебаний может быть близка к синусоидальной.
Если вместо пропорционального усилителя 8 установить дискретный
усилитель, то форма выходных импульсов может быть прямо-
угольной.
Вариант конструкции струйного генератора с одним соплом,
перекрывающимся камертоном, показан на рис. 26,6 [Л. 72]. Струя,
поступающая к камертону, возбуждает колебания последнего. Дав-
ление питания подводится в канал питания элемента 1 и из него
поступает в выходные каналы 2 или 3. Струя, попадая в канал 5,
отклоняет упругую пластинку 4, так что последняя открывает канал
обратной связи 6 и отклоняет питающую струю на выход 2. Давле-
ние в канале 3 падает, и упругая пластинка (механический резона-
тор) возвращается назад, перекрывая канал обратной связи заслон-
кой 5, жестко установленной на упругой пластинке 4. Давление
в канале 6 падает, рабочая струя вновь перебрасывается в канал <?,
и цикл генератора повторяется.
Переброс струй будет возбуждать колебания пластинки камер-
тона, и, следовательно, частота колебаний такого генератора будет
равна собственной частоте пластинки.
Формирователи импульсов
Выходные импульсы генераторов и построенных на их базе ча-
стотных датчиков могут быть неоднородными по амплитуде и про-
57

Рис.
27. Формирователь
импульсов.
должителыюсти. Для того чтобы струйная система регулирования
могла получать однородные импульсы, разработан ряд устройств под
общим названием «формирователи импульсов», задача которых —
нормировать импульсы частотных устройств по амплитуде и продол-
жительности.
Импульсный формирователь, созданный на основе дискретного
струйного усилителя с эффектом прилипания струй к стенке [Л. 31],
изображен на рис. 27. Входные сигналы, поступающие в управляю-
щее сопло 1, отклоняют питающую
струю, поданную в канал 2, так что
она прилипает к стенке канала 7 и не
меняет своего направления при снятии
сигнала в сопле /, при этом в канале 7
поддерживается постоянное давление,
поступающее на выход. Часть выходно-
го расхода жидкости поступает через
канал 6 и дроссель в камеру задерж-
ки 5, а через нее во второе управляю-
щее сопло 3 дискретного усилителя, сиг-
нал в котором переключает струю пита-
ния в атмосферный канал 8. Однако
переключение струи питания в канал 8
произойдет не сразу, а после того, как
рабочая струя заполнит камеру 5 и дав-
ление в ней достигнет величины, необ-
ходимой для возврата струи в канал 8. Время заполнения камеры
задержки 5, определяющее продолжительность выходного импульса
при неизменных параметрах рабочей среды, однозначно определяет-
ся ее объемом. Продолжительность импульса можно регулировать,
меняя объем камеры поршнем 4. Амплитуда импульсов будет по-
стоянной, поскольку входное давление и коэффициент восстановле-
ния давления струйного усилителя остаются неизменными.
Широтно-импульсный модулятор показан на рис. 28 [Л. 47].
Импульсы от генератора 5 поступают в управляющие каналы ди-
скретного струйного усилителя 2, и одновременно с ними через
отдельные каналы 3 и 1 подается аналоговый сигнал. Вследствие
равенства каналов 6 и 4, соединяющих ге-
нератор с дискретным усилителем, пере-
брос потока питания из одного канала
дискретного усилителя в другой будет про-
исходить через определенные промежутки
времени, обеспечивая на выходе из струй-
ного дискретного усилителя прямоугольные
импульсы равной ширины. При подаче до-
полнительного аналогового сигнала в ди-
скретный усилитель по каналам 3 и / в ви-
де перепада давлений максимальное дав-
ление в одном из управляющих каналов за
счет суммирования сигнала смещения
с сигналом генератора станет больше,
а в другом — соответственно меньше, и пе-
реброс струи произойдет раньше в сторону
канала с меньшим давлением и позднее
в сторону большого давления. Таким обра-
зом, ширина импульсов на выходе из ди-
Рис. 28. Широтно-
импульсный моду-
лятор.
58

скретного усилителя будет меняться пропорционально величине ана-
логового сигнала, обеспечивая модуляцию импульсов по ширине.
14. Датчики и преобразователи
Датчик расхода
Частотный датчик расхода, показанный на рис. 29 [Л. 52], пред-
ставляет определенный интерес, так как частотные схемы, для кото-
рых он предназначается, обладают более высокой точностью и ста-
бильностью по сравнению с аналоговыми. Такой датчик состоит из
дискретного струйного усилителя / и вихревой камеры 2. Рабочая
среда, проходя через дискретный усилитель, попадает в один из его
выходных каналов и через него поступает тангенциально в вихревую
камеру 2, вызывая закрутку потока в ка-
мере. При этом по каналу 3, также танген-
циально подведенному к вихревой камере,
в дискретный усилитель поступает сигнал
обратной связи, перебрасывая поток пита-
ния в другой канал. Рабочая жидкость
в вихревой камере начинает закручиваться
в противоположном направлении. Таким
образом, в устройстве происходит непре-
рывное колебание давления жидкости. Пе-
риод колебаний определяется временем, не-
обходимым для переключения направления
движения вихря в камере 2. Жидкость
в камере должна затормозиться, переме-
нить направление движения и раскрутиться
до прежней скорости в обратном направ-
лении. Очевидно, что угловое ускорение
вихря будет зависеть от момента инерции
вращающейся массы жидкости. Масса
жидкости будет определяться перепадом
полного давления между выходным (цен-
тральным) и входным (тангенциальным)
каналами вихревой камеры, т. е. частота
колебаний . датчика будет функцией перепада давления на
вихревой камере. Если к датчику подводится перепад давления
на мерной шайбе 5, установленной в потоке измеряемого расхода, то
этот перепад будет определяться частотой колебаний давления
на выходе из вихревой камеры датчика. Рабочая жидкость на входе
в мерную шайбу подается в датчик через демпфирующую камеру 4
и регулируемое сопротивление 6. По утверждению авторов патента,
частота колебаний датчика меняется линейно с изменением пере-
пада.
Рис. 29. Частотный
датчик расхода.
Датчики угловой скорости
Эти датчики наиболее широко представлены в патентной инфор-
мации и периодической литературе. Это в основном датчики для
систем регулирования силовых установок, которые можно класси-
фицировать по характеру выходного сигнала и конструктивным осо-
бенностям.
В качестве аналоговых датчиков в ряде случаев предлагается
использовать отдельные элементы конструкций регулируемых объек-
59

гов. Например, давление воздуха в центробежном нагнетателе или
в осевом зазоре воздушного подшипника.
Аналоговый датчик [Л. 24], использующий влияние на струю газа
поворотного ускорения, возникающего при сложном вращении. Ра-
бочая жидкость направляется через вращающийся заборник датчика
в канал питания струйного элемента, плоскость которого расположе-
на в плоскости вращения датчика. Струйный элемент имеет два
Ч
Рис. 30. Струйные датчики угловой скорости.
канала сообщения с атмосферой и один выходной канал, ось которого
параллельна оси вращения. Струя рабочей жидкости, поступая в вы-
ходной канал, поворачивается, и в ней при вращении датчика возни-
кает Кориолисова сила, отклоняющая струю питания и меняющая
давление на выходе из датчика.
Датчик малых угловых скоростей, разработанный на основе вих-
ревого усилителя, изображен на рис. 30,й [Л. 68]. Этот датчик может
быть использован и как генератор колебаний. Питающий поток по-
ступает в камеру 3, а управляющий — во внутренние каналы 1 кор-
пуса 2, в котором имеется ряд тангенциальных выходов. Поток, вы-
ходящий из центрального отверстия 5, попадает в приемник 6,
60

находящийся в камере 7. Камера 7 сообщена с окружающей средой
через вентиляционное отверстие 4.
Принцип работы такого устройства аналогичен работе обычного
вихревого усилителя. При подаче давления в управляющий канал /
основной поток закручивается и выходит из центрального отверстия
в виде конуса, угол раствора которого увеличивается с ростом угло-
вой скорости вихря. При этом в приемник 6 поступает только часть
потока питания, обратно пропорциональная величине управляющего
давления. При определенных соотношениях размеров выходного соп-
ла 4 и приемного канала 5 выходной сигнал может быть пульсирую-
щим. Пульсация возникает тогда, когда конус выходящего потока
несколько меньше диаметра приемника и поток начинает подсасы-
вать рабочую жидкость из камеры 7, где создается разрежение, при-
водящее к увеличению угла конуса струи. Часть выходящего потока
начинает заполнять камеру 7, разрежение в ней исчезает, и конус
вновь сужается. Время периода пульсации зависит от объема каме-
ры. По заявлению разработчиков экспериментально обнаружено,
что частота пульсации уменьшается с ростом управляющего давле-
ния. Это явление позволило создать частотный датчик угловой ско-
рости для малых скоростей. Рабочее давление поступает в датчик
через сглаживающие фильтры 8 из пористого материала и т. п. Когда
датчик начинает вращаться вокруг своей оси, рабочий поток закру-
чивается и выходной сигнал меняется. В зависимости от размеров
камеры и приемного сопла выходной сигнал может быть частотным
или непрерывным.
Описанный датчик может применяться как указатель крена са-
молета; он жестко крепится на корпусе самолета, параллельно его
оси. Поскольку при крене самолет может вращаться в любую сторо-
ну, а датчик должен показывать и направление вращения, то
в канал 1 подается опорное давление, смещающее нейтральное поло-
жение характеристики датчика. При этом частота или аналоговый
сигнал на выходе может изменяться в обе стороны.
Частотный датчик угловой скорости изображен на рис. 30,6
[Л. 41]. Этот датчик состоит из генератора синусоидальных сигна-
лов — наклонного диска /, приводимого во вращение. Наклонный
диск закрывает попеременно два сопла 2 и 15, к которым подведено
давление питания через канал 3 и дроссели. Синусоидальные сигна-
лы поступают в камеру 14, а затем через соответствующие дроссе-
ли — в камеры 4 и 13, из которых одна имеет больший объем,
а оттуда — к управляющим соплам 6 и 12. Струи, вытекающие из
этих сопл, отклоняют струю питания, поступающую через канал 5.
Отклонение струи питания ограничено стенками канала 7. Этот
каскад датчика формирует рабочие импульсы. Для повышения ста-
бильности и линейности первого усилителя в нем предусматриваются
две пары дренажных отверстий. На выходе этого каскада полу-
чаются импульсы прямоугольной формы той же частоты, что и вход-
ные синусоидальные импульсы. Прямоугольные импульсы поступают
в следующую «дифференцирующую» ступень 8, к которой управляю-
щий поток рабочей жидкости подводится также через два канала.
В одном из этих каналов имеется емкость 9. Благодаря запаздыва-
нию в емкости 9 сигнал на выходе из дифференцирующей ступени
имеет форму производной от ступенчатого сигнала, т. е. представ-
ляет собой пики определенной формы, зависящей от размеров емко-
сти. Рабочая частота датчика и постоянная времени дифференци-
рующей ступени должны выбираться так, чтобы не было наложения
61

импульсов и между ними выдерживался определенный интервал,
который должен быть равен половине периода входного сигнала или
быть меньше его. Форма импульсов на выходе из дифференцирую-
щей ступени зависит только от размеров емкости 9 и не зависит от
частоты. Пиковые импульсы поступают в детектирующую сту-
пень 10, представляющую собой пропорциональный усилитель
с одним центральным выходным каналом. Сигнал на выходе из де-
тектора, появляется только тогда, когда на его управляющих входах
нет импульсов. Преобразованные импульсы далее поступают
в емкость 11, играющую роль сглаживающего фильтра. Давление на
выходе из емкости будет определяться суммарной площадью всех
импульсов, поступающих в нее за единицу времени. Поскольку вели-
чина всех импульсов одинакова, а количество их за единицу времени
зависит от числа оборотов наклонного диска, то давление на выходе
из сглаживающего фильтра // будет однозначно определяться чис-
лом оборотов.
Резонансный датчик отклонения от заданного числа оборотов
[Л. 13] содержит в качестве чувствительного элемента также вра-
щиющийся наклонный диск, возбуждающий синусоидальные колеба-
ния в каналах, к которым поступает рабочая среда. Сопла, связанные
с выходными каналами элемента, в котором возбуждаются колеба-
ния, подведены к двум упругим пластинкам, закрепленным консолью
и колеблющимся под действием подводимых струй. На упругих пла-
стинках в плоскости колебаний установлены заслонки, перекрываю-
щие струи жидкости, подводимые к управляющим каналам струйно-
го аналогового усилителя. Этот усилитель управляет в свою очередь
исполнительным механизмом, меняющим режим двигателя (подачу
топлива в двигатель внутренного сгорания, пара в паровую турбину
и т. п.). Упругие пластинки подобраны так, что собственная частота
колебаний одной из них несколько больше, чем возбуждаемая при
заданном режиме, а другой — несколько меньше. При отклонении
скорости вращения диска от заданной одна из пластин попадает
в резонанс с возбуждаемыми колебаниями и начинает колебаться
с большей амплитудой, открывая доступ управляющей струи к ана-
логовому усилителю. Выходной сигнал усилителя воздействует на
исполнительный механизм, восстанавливающий заданную скорость
вращения диска.
Н исполнительному
Рис. 31. Датчики регуляторов числа оборотов.
62

Датчик отклонения от заданного числа оборотов, использующий
пневматическую линию задержки, показан на рис. 31,а [Л. 18]. Во
вращающемся диске /, связанном с регулируемым объектом, сдела-
ны три щели, расположенные по окружности на различных диамет-
рах. Струя воздуха или газа проходит через среднюю щель, посту-
пает в линии задержки 4 или 3 и попадает далее в управляющие
каналы струйного усилителя 2 через две крайние щели. Выходные
каналы струйного усилителя подключены к исполнительному меха-
низму, меняющему режим работы регулируемого объекта. Если ско-
рость диска ниже заданной, то сигнал управления, переключающий
струйный усилитель 2 в направлении увеличения числа оборотов
объекта регулирования, выйдя из средней щели, успевает пройти ли-
нию задержки, попасть в крайнюю щель и отклонить рабочую струю
усилителя. В то же время щель диска на линии сигнала на умень-
шение числа оборотов не успеет дойти до выхода второй линии за-
держки и сигнала на уменьшение числа оборотов не поступит до тех
пор, пока скорость диска не увеличится. Величина заданной скорости
вращения зависит от размеров щелей диска и длины линии за-
держки.
Датчик приведенного числа оборотов, т. е. числа оборотов, скор-
ректированного обратно пропорционально квадратному корню из
значения абсолютной температуры окружающего воздуха, находит
широкое применение при регулировании лопаточных компрессоров и
газотурбинных двигателей. Струйный датчик такого типа по схеме
значительно проще других датчиков (например, гидромеханических
или электрических) [Л. 17]. Датчик (рис. 31,6) состоит из прерыва-
теля струи, создающего прямоугольные импульсы, — это диск /
с прорезью, который прерывает струю питания, поданную в канал 2,
связанный с валом компрессора или другого регулируемого объекта.
Частота импульсов пропорциональна числу оборотов вала. Струя от
прерывателя поступает к управляющим соплам струйного усилителя
по двум каналам 3 и 4, один из которых длиннее другого на вели-
чину А/. В результате задержки импульса в одном из каналов сигна-
лы от прерывателя, подходя к соплам струйного усилителя, оказы-
ваются смещенными во времени относительно друг друга. При этом
на выходе струйного усилителя формируются импульсы той же ча-
стоты, что и генерируемые прерывателем, но продолжительностью
равные времени запаздывания сигнала в длинном канале. Импульсы
давления попадают в камеры 5 и 6, в которых устанавливается
осредненное давление. Величина этого давления будет, очевидно,
определяться суммой длин величин импульсов давления, поступив-
ших в единицу времени. Для прямоугольных импульсов можно за-
писать:
Рср=/рт,
где р—амплитуда прямоугольного импульса, f — частота следования
импульсов, т — длина импульса, равная х=А1/а, где а — скорость
звука в газовой среде.
Скорость звука определяется известной формулой
a=VkgRT,
где k — показатель адиабаты, R — газовая постоянная, Т — абсолют-
ная температура газа в канале, g — ускорение свободного падения.
&

Величина kgR, определяющая скорость звука для данного рабо-
чего газа, постоянна. Подставляя все найденные значения в формулу
для усредненного давления с учетом того, что число оборотов диска
rc=2:rtf, и обозначив произведение всех постоянных через /С, можем
получить выражение для осредненного выходного давления в реси-
вере датчика
Pn = Kn/VT.
Если датчик будет работать на воздухе с температурой окру-
жающей среды или длинный канал датчика будет находиться в воз-
душном потоке при этой температуре, то выходное давление датчика
будет пропорционально приведенному числу оборотов лопаточного
компрессора.
Датчики температуры
Аналоговый датчик температуры в качестве термочувствительно-
го элемента использует биметаллическую пластину (рис. 32,а)
[Л. 24]. Датчик аналогичен по конструкции струйному усилителю
с разделительным клином. Разделительный клин имеет параболиче-
скую форму и выполнен из биметалла — спая меди с железо-нике-
левым сплавом. Этот сплав имеет коэффициент линейного расшире-
ния 1,2-Ю-6. Длина клина 15 мм, максимальная ширина 0,9 мм.
Нагретый газ или жидкость поступает через канал 1 в сопло датчика
и оттуда ь каналы 5 и 3, разделенные биметаллическим клином 4.
При изменении температуры клин отклоняется от оси канала пита-
ния, прикрывая одно из выходных сопл и открывая другое. Вслед-
ствие отклонения клина перепад давлений на выходных каналах ме-
Рис. 32. Датчики температуры.
няется пропорционально температуре. Для повышения стабильности
работы датчика в нем имеются вентилирующие отверстия 2 и 6.
Авторы указывают, что датчик пспытывался на горячей воде при
температуре до 140 °С, при этом постоянная времени его составляла
0,15 сек.
Частотные струйные датчики температуры, работающие на прин-
ципе замера скорости звука рабочей жидкости, обладают большими
преимуществами по сравнению с другими типами датчиков темпера-
туры, так как они практически безынерционны. Датчики такого типа
начали появляться в промышленности несколько раньше, чем начали
развиваться другие элементы и устройства струйной техники.
64

Акустический датчик температуры на принципе замера частоты,
запатентованный в 1949 г. [Л. 45], выполнен в виде газового свистка,
показанного на рис. 32,6. Свисток установлен в потоке, температуру
которого надо замерить. Газ попадает в камеру / через отверстие 2
и проходит через канал 3 на кромку клина 4, генерируя колебания
в резонансной камере 5. Частота колебаний в свистке определяется
скоростью звука в газе, соответствующей его температуре и геомет-
рическими параметрами резонансной камеры 5. Поскольку скорость
звука в газовой среде пропорциональна корню квадратному из зна-
чения абсолютной температуры Г, то частота на выходе акустиче-
ского датчика будет определяться следующим соотношением:
f = K Vt,
где К — постоянный коэффициент, зависящий от вида газа и разме-
ров датчика. В запатентованной схеме размер частоты производится
электрическим методом с помощью емкостного датчика 6 и частото-
мера 7. Шкала частоты, градуированная в значениях температуры,
обеспечивала показания практически без запаздывания.
Датчик температуры газов перед газовой турбиной турбореактив-
ного двигателя показан на рис. 32,6 [Л. 64]. Горячий газ из камеры
сгорания очищается фильтром 1 от твердых частиц и в качестве пи-
тающей струи поступает в канал питания дискретного усилителя 6
и далее в канал обратной связи 4. Пройдя через линию задержки Зу
расположенную в потоке горячего газа, сигнал обратной связи через
управляющее сопло 2 отклоняет питающую струю и выдает импульс
в приемный канал 5. После прекращения действия обратной связи
питающая струя вновь возвращается
в канал 3 и цикл повторяется. Рабо-
чее давление будет пульсировать на
выходе из датчика с частотой, опре-
деляемой длиной линии обратной
связи и скоростью звука в рабочей
жидкости, как описано в предыду-
щем параграфе. При неизменных
размерах датчика и постоянном со-
ставе газа частота пульсаций будет
пропорциональна квадратному корню
из температуры газа перед турбиной.
В качестве рабочей жидкости может
быть использован как горячий газ пе-
ред турбиной, так и отдельный ис-
точник питания.
Датчики ускорения
Датчик углового ускорения, скон-
струированный на базе струйного
генератора, показан на рис. 33
[Л. 58]. Канал питания 1 расположен
по оси вращения датчика; дискрет-
ный струйный усилитель 3 распола-
гается в меридианальном сечении,
а линия задержки 2 выполнена в ви-
де спирали, расположенной в пло- Рис. 33. Датчик углового
скости вращения датчика. В со- ускорения.
5—1281 65

стоянии покоя или установившегося движения на выходе
датчика появляются симметричные импульсы прямоугольной формы,
так как время перемещения потока по обоим каналам, определяющее
время переключения струи, одинаково. Если датчику сообщить угло-
вое ускорение, то сопротивление движению по спирали в направле-
нии ускорения будет больше и, следовательно, будет больше время
задержки. Вследствие этого ширина импульса будет меняться в за-
висимости от углового ускорения датчика. Импульсы, модулирован-
ные по ширине, могут быть далее преобразованы в аналоговый
сигнал.
Специализированные датчики и преобразователи
Датчик отношения давлений, разработанный для соответствую-
щего регулятора компрессора или турбины газотурбинного двигате-
ля, показан на рис. 34,а [Л. 15]. Датчик состоит из сопла 7, к кото-
рому подводится наибольшее из сравниваемых давлений plt и прием-
ника 5, выходное давление которого подведено к элементу
/ 2 3
Рис. 34. Специализированные датчики давления.
сравнения. Сопло и приемник находятся в камере 2, к которой под-
ведено наименьшее из сравниваемых давлений р2 через канал 4.
Скачок уплотнения, образующийся на выходе из сопла /, создает
на входе в приемник 3 условия, аналогичные условиям на входе
в воздухозаборник, установленный в сверхзвуковом потоке. Посколь-
ку система скачков зависит от величины отношения давления в соп-
ле к давлению в камере 2, а коэффициент восстановления давления
в воздухозаборнике зависит от системы скачков уплотнения перед
ним, то при определенных конструктивных размерах датчика обеспе-
чивается соотношение
Р2 РвЫХ
т. е. величина выходного давления рВых будет характеризовать отно-
шение измеряемых давлений.
Такой датчик нашел практическое применение в регуляторе соп-
ла газотурбинного двигателя, поддерживающего постоянную задан-
ную степень расширения давления газов на турбине.
Датчик срывного режима аэродинамического профиля — крыла
самолета или лопатки осевого компрессора представлен на рис. 34,6
[Л. 64]. Он выполнен в виде двух отверстий 1 и 2 на спинке аэроди-
намического профиля. В отверстие / подаются пробные сигналы
в виде периодически повторяющихся импульсов. Амплитуда импуль-
66

сов подбирается такой, чтобы в случае работы на режиме, близком
к срывному, они вызывали бы периодический срыв потока на кон-
тролируемом профиле. При появлении таких срывов в зоне отвер-
стия 2 возникает периодическое разрежение на частоте возбуждаю-
щих импульсов и в выходном канале, связанном с отверстием 2,
возникают сигналы приближения срывного режима крыла или пом-
пажного режима осевого компрессора.
Преобразователь светового сигнала [Л. 48] представляет собой
камеру, связанную с управляющим каналом струйного усилителя,
в которой заключен определенный объем смеси водорода и хлора.
Под действием света в камере происходит реакция окисления водо-
рода хлором. Давление в камере вследствие выделения тепла повы-
шается и отклоняет силовую струю усилителя, сигнализируя о по-
явлении светового сигнала.
Датчик плотности газа [Л. 70] может быть создан на основе ге-
нератора колебаний. Если известна удельная теплоемкость газа, то
частота колебаний давления в канале обратной связи определяет
плотность анализируемого образца газа.
Датчик перемещения, применяемый в струйной технике, запа-
тентованный в США [Л. 80], представляет собой профилированный
суживающийся канал, по которому движется полый шток с отвер-
стием для измерения статического давления. Поток рабочей жидко-
сти, проходящий через канал, по мере его сужения увеличивает
скорость, и, следовательно, статическое давление в потоке падает.
При изменении положения штока меняется точка замера статическо-
го давления, которое замеряется через канал в подвижном штоке.
Датчик измерения малых перемещений и контроля геометриче-
ских параметров поверхности, разработанный в ЧССР [Л. 23],
использует принцип отражения и улавливания струи. Он содержит
два сопла, струи, выходящие из них, направлены под углом к пере-
мещающейся поверхности. Часть отраженных струй попадает в труб-
ку-приемник, при этом величина давления в приемнике является
функцией расстояния ее от перемещающейся поверхности. Этот дат-
чик предназначен для измерения малых перемещений и контроля
геометрических параметров поверхности.
Электропневматический искровой преобразователь [Л. 56] пред-
ставляет собой струйный усилитель, управляющие сопла которого
соединены с камерами, в которых находятся электроды. При поступ-
лении электрического сигнала в камеру на электродах возникает
разряд. Ударная волна, возникающая при разряде, приводит к повы-
шению давления в камере и отклоняет питающую струю усилителя.
Электропневматический тепловой преобразователь разработан
в Польской Народной Республике [Л. 44]. В камере, из которой вы-
текает струя жидкости, находится электрический нагревательный
элемент, меняющий свою температуру при изменении электрического
сигнала. Изменение температуры также приводит к изменению дав-
ления в камере и к отклонению струи.
В литературе встречаются указания на то, что струйная техника
может применяться и в океанографических исследованиях, например,
при исследовании морских течений и силы прилива [Л. 82]. Прилив-
ная волна, поступающая в управляющий канал струйного усилителя,
отклоняет основную струю воды, меняя ее напор в выходном канале
и тем самым воздействуя на датчик давления, который передает ра-
диосигналы на корабли, сообщая о силе прилива в месте установки
датчика.
5*
67

15. Аналоговые вычислительные устройства
Схемы, построенные на базе операционного усилителя
Операционный усилитель [Л. 32] состоит из ряда последователь-
но включенных аналоговых усилителей, при этом последний усили-
тель связан на выходе обратной связью с первым (рис. 35,а). Дав-
ление питания, поступающее в каждый усилитель через сопла Jf,
может быть постоянным или увеличиваться в последующих ступенях.
Управляющий сигнал поступает к первому усилителю по каналу 3
через заборник 2. Результирующая струя попадает в приемные кана-
лы и через них в управляющие каналы следующего усилителя.
В выходном канале. 6 последнего усилителя блока имеются два ка-
нала обратной связи 7 и 5, в которых установлены дроссели. Сигнал
Рис. 35. Счетно-решающее устройство.
обратной связи поступает в первый усилитель через управляющие
сопла 4 и 8, которые одновременно являются активными сопротив-
лениями. Сигнал, поступающий через сопло 4, суммируется с управ-
ляющим сигналом, выходящим из сопла 3 — это положительная
обратная связь; сигнал, выходящий из сопла 8, соответственно отри-
цательная обратная связь. Такая схема применяется при нечетном
количестве усилителей, а при четном направление сопл 4 и 8 следует
изменить.
Струйный решающий усилитель должен аналогично электронно-
му операционному усилителю иметь высокий коэффициент усиления,
чтобы исключить влияние нагрузки на выходные параметры. При
68

этом число последовательно включенных струйных усилителей воз-
растает, так как каждый отдельный усилитель имеет меньший коэф-
фициент усиления, чем подобный ему электронный.
По аналогии с электронным уравнение струйного операционного
усилителя можно записать в следующем виде:
АРпых — 1 +Z0.c//?0.cA^x'
где Дрвых — изменение давления на выходе из усилителя, Арвх —
давление на входе в усилитель, ZBX — полное входное сопротивление
в усилителе, Z0.c — полное сопротивление каналов обратной связи,
Ry — активное сопротивление на входе в усилитель (сопротивление
управляющего сопла), R0.c — активное сопротивление в линии обрат-
ной связи.
Полное сопротивление цепи должно учитывать сопротивление
дросселей и реактивное (емкостное) сопротивление объемов, т. е.
изменение давления во времени в процессе заполнения объема. Если
емкости в каналах отсутствуют, то полное сопротивление цепи равно
только активному сопротивлению дросселей в каналах, при этом
устройство работает как обычный масштабирующий усилитель. Инте-
грирующий усилитель создается при установке в каналах усилителя
емкостей, как это показано на рис. 35,а. Тогда полное сопротивление
цепи становится переменным по времени, а выходной сигнал усили-
теля представляет собой интеграл от изменения входного сигнала.
Дифференцирующее устройство можно получить из интегрирую-
щего путем замены входной цепочки и линии обратной связи, как
показано на рис. 35,6. При этом остается только один канал поло-
жительной обратной связи, в который включены последовательно
четыре сопротивления — два активных 6 и 4 и два емкостных 7 и 5.
Входное давление поступает к первому усилителю по двум каналам
3 и 5, в каждом из которых установлены активные сопротивления
10 и / и емкости 2 и 9; каналы подведены к управляющим соплам
первого усилителя.
Обязательным условием создания дифференцирующего блока
является то, что емкость 2 должна быть больше емкости 9. При со-
блюдении этого условия и при изменении сигнала на входе задержка
нарастания давления в цепи с емкостью 2 будет больше, чем в цепи
с емкостью 9, что приведет к появлению перепада давления на выхо-
де, пропорционального скорости изменения выходного сигнала.
Описанные выше устройства могут работать как при подаче в их
управляющие каналы избыточного давления, так и при создании
в них разрежения, но при этом будет изменяться знак выходного
сигнала в каждом усилителе.
Время интегрирования в струйном интеграторе, как видно из
предыдущего описания, зависит от объема пневматической емкости.
Для получения большого времени интегрирования необходимо значи-
тельно увеличивать размеры емкости. Чтобы этого не делать, в цепь
обратной связи операционного усилителя включается еще один
струйный. усилитель с емкостью, составляющий дополнительную
ЯС-цепочку. В описании патента на интегратор такого типа [Л. 69],
имеющего в цепи обратной связи одну емкость и одно активное со-
противление, приведены основные их размеры. Например, для полу-
чения постоянной времени интегрирования 2 сек объем емкости дол-
жен быть равен 163 см3.
69

Упрощенное дифференцирующее устройство [Л. 73] может быть
построено на основе обычного аналогового струйного усилителя,
в один из каналов управления которого включается емкость. При
быстром изменении управляющего давления, которое подведено
к обоим каналам, нарастание давления в канале с емкостью происхо-
дит с запаздыванием, что приводит к отклонению питающей струи
усилителя. В этом случае выходное давление будет также меняться
пропорционально скорости изменения управляющего давления.
Элементы сравнения
Элемент сравнения двух сигналов по величине изображен на
рис. Зб,а [Л. 51]. Элемент содержит два входных канала / и 5, рас-
положенных под острым углом к оси симметрии. Соосно с каналами
или под небольшим углом к их осям расположены приемные кана-
лы 2 и 4, разделенные клином 3. Сравниваемые сигналы поступают
в каналы 1 и 5 элемента сравнения. Струя меньшей мощности откло-
няется более мощной струей в направлении приемного канала по-
следней. Возникающий при этом перепад давления в выходных кана-
лах будет зависеть от соотношения моментов количества движения
сравниваемых потоков.
Рис. 36. Элементы сравнения.
Селектор максимального сигнала, построенный на аналогичном
принципе, показан на рис. 36,6 [Л. 39]. Он также содержит два ка-
нала 1 и 2, выходящих в общую камеру. Оси этих каналов пересе-
каются на расстоянии примерно четырех диаметров от среза их окон-
чаний в приемном канале 3. Ядро струй, вытекающих из сходящихся
каналов, сохраняет первоначальное давление примерно на расстоя-
нии шести диаметров от среза каждого из каналов. Струя с большим
давлением стремится сместить струю с меньшим давлением от прием-
ного окна 3. В то же время приемное сопло, расположенное на рас-
стоянии четырех диаметров от среза входных каналов, всегда будет
находиться в зоне действия струи с максимальным давлением. Та-
ким образом, в приемный канал 3 селектора всегда будет попадать
сигнал большей мощности.
70

Функциональные преобразователи
Стабилизатор давления может применяться в тех случаях, когда
требуется поддержание постоянного давления питания рабочего газа.
Он может выполняться по следующей схеме, показанной на рис. 37,а
[Л. 37]. Струйный усилитель 2 получает давление питания через ка-
нал 5, и это же давление подводится к управляющим соплам 3 и 8
через сопротивления 4 и 7 и регулируемое сопротивление 7, величина
которого и определяет выходное давление.
Питающее давление, поступающее в камеру 6 направляется в вы-
ходной канал 10 или сливной канал /. Если давление на входе эле-
мента, т. е. в канале 5 возрастает, то возрастает и давление откло-
няющей струи сопла 8, уменьшая, таким образом, подачу рабочей
жидкости в канал 10. Если давление падает, то уменьшение управ-
ляющего давления приводит к увеличению подачи жидкости в рабо-
чий канал. Увеличение нагрузки, приводящее к падению выходного
давления, компенсируется притоком жидкости через дополнительный
канал Р, подпитывающий канал 10 из основной камеры 6.
Преобразователь частоты в аналоговый сигнал показан на
рис. 37,6 [Л. 74]. Входной сигнал в виде синусоидальных колебаний
поступает в каналы / и 8 струйного усилителя, а давление питания
подводится в канал 9. Каналы 4 и 5 являются выходными каналами.
Часть расхода из приемных каналов поступает в линии обратной
связи 3 и 6, содержащие емкости и обладающие определенными ча-
стотными характеристиками. Сигнал отрицательной обратной связи
действует на струю питания в сторону, противоположную командно-
му давлению, уменьшая коэффициент усиления струйного усилителя.
По мере роста частоты сигнала, поступающего в усилитель, ампли-
туда сигнала обратной связи падает, а коэффициент усиления по
каналу управления увеличивается до своего максимального значения.
Если диапазон рабочих частот находится в пределах частот пропу-
скания канала обратной связи, то такое устройство может служить
датчиком частоты. Для повышения стабильности работы датчика
в нем установлены каналы сообщения с атмосферой 2 и 7.
Струйный функциональный преобразователь для аналоговых
сигналов показан на рис. 37,в [Л. 42]. Назначение устройства — пре-
образование управляющего сигнала в определенную заданную функ-
цию давления. Струя питания, поступающая через сопло У, может
отклоняться на определенный угол управляющими сигналами, посту-
пающими в сопла 7 и 8. Приемное устройство выполнено в виде
двух камер 3 и 6 и разделительного клина 2, расположенного в пло-
скости, перпендикулярной плоскости взаимодействия струй. Клин
состоит из ряда пластик, которые могут отклоняться вверх или вниз,
повбрачиваясь относительно оси 5 в зависимости от того, какая
функция будет задана. Толщина пластин примерно равна или не-
сколько больше диаметра струи, вытекающей из сопла /. При изме-
нении управляющего сигнала, который поступает в сопла 7 и 8, струя
питания начинает перемещаться вдоль клина и попадает на кромки
пластин. Давление в камерах 3 и 6 будет меняться в зависимости от
того, под каким углом к плоскости клипа относительно оси пластин
будет направлена результирующая струя. Таким образом, обеспечи-
вается функциональная зависимость выходного давления преобразо-
вателя от управляющего давления. Требуемая функция задается
изменением положения пластин клина, регулируемых рычагами 4.
Ограниченное количество пластин клина, очевидно, не дает возмож-
ности задать в устройстве точную и сложную функцию.
71

Струйные диоды — это элементы, обладающие малым гидравли-
ческим сопротивлением протеканию рабочей жидкости в одном на-
правлении и большим сопротивлением в направлении обратного тече-
ния. Конструкции диодов обычно основаны на следующих эффектах.
u Вихревой диод использует разностороннюю проводимость вихре-
вой камеры, выражающуюся в том, что если входной сигнал подает-
ся через центральное отверстие к тангенциальному выходному, то
поток движется радиально и вихревая камера оказывает ему малое
Рис. 37. Функциональные преобразователи.
сопротивление. Если поток подается в тангенциальное отверстие, то
в камере образуется вихрь, жидкость движется к выходному цен-
тральному отверстию пс длинному спиральному пути, испытывая
в этом случае большее сопротивление.
Принцип работы диода с эффектом разносторонней проводимо-
сти^ заключается в том, что поток, проходя через плавно расширяю-
щийся диффузор, испытывает малое сопротивление. В обратном на-
72

правлении на пути потока встречается участок с внезапным расши-
рением, потери на таком участке резко возрастают и, следовательно,
обратная проводимость такого диода соответственно уменьшается.
Минимальной обратной проводимостью обладает ламинарный
диод [Л. 27], представляющий собой две соосные трубки, установлен-
ные на небольшом расстоянии друг от друга, причем одна из трубок
выполнена с коническим раструбом. Когда поток идет из цилиндри-
ческой трубки в сторону конического раструба, то ламинарный ре-
жим течения не нарушается. При обратном течении поток, выходя-
щий из раструба, становится турбулентным и приемная трубка
улавливает только незначительную часть всего расхода.
Глава шестая
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СТРУЙНОЙ ТЕХНИКИ
В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ
16. Простейшие управляющие устройства
В этой главе приводится описание нескольких систем управле-
ния, которые иллюстрируют возможности применения пневмоники
для целей автоматизации.
Струйный усилитель звуковых колебаний является простейшей
системой, использующей струйную технику [Л. 29] (рис. 38,а). Зву-
ковой сигнал воспринимается раструбом 3, играющим роль микро-
фона, который соединен каналом 4 с соплом управления 5 аналого-
Рис. 38. Простейшие управляющие устройства.
вого струйного усилителя 6. Последний создает колебания более
мощной силовой струи, идущей от автономного источника питания
в выходные раструбы 1 и 2. Для получения большей мощности мо-
гут понадобиться несколько каскадов усилителей.
Система управления вектором тяги [Л. 61]. Схема системы, в ко-
торой осуществляется отклонение, на небольшой угол потока газов
реактивного двигателя, создающего основную тягу, показана на
73

рис. 38,6. В выходном сспле / двигателя выполнены специальные
карманы 7, в которых расположены управляющие сопла 8 и 10.
Управление силовым потоком через эти сопла ведется с помощью
усилителя 6. Система работает в импульсном режиме. Поток в соп-
ле /, как правило, сверхзвуковой. Отдельные ступени усилителя мо-
гут быть выполнены как с дозвуковым, так и со сверхзвуковыми
каналами.
Геометрия сверхзвуковых ступеней усилителя несколько отли-
чается от дозвуковых за счет установки во входном и выходном
каналах специально спрофилированных насадок 5. Питание каналов
управления усилителя 6 осуществляется холодным газом, поступаю-
щим из емкости высокого давления 3. В канал питания подводится
горячий газ из резервуара 2. Включение сигналов управления осу-
ществляется с помощью электромагнитного клапана 4, работающего
в импульсном режиме и связанного с системой управления полетом
или датчиком углового отклонения. При подаче сигнала от датчика
на электромагнитный клапан происходит перераспределение управ-
ляющих струй и в соответствии с этим изменяется давление в кар-
манах 7, что в свою очередь вызывает отклонение основного пото-
ка в сторону на некоторый угол 0. При этом происходит поворот
вектора тяги на тот же угол, что приводит к изменению курса раке-
ты в соответствии с заданной программой.
Цифровое устройство разделения импульсов. Устройство служит
для исключения совпадения во времени импульсов, поступающих на
элемент по различным каналам. Нормальное функционирование неко-
торых систем может быть обеспечено только тогда, когда эти
импульсы не совпадают по времени, так как в противном случае мо-
гут происходить сбои в работе системы. Ниже описывается работа
одной из подобных блокирующих схем.
Схема устройства [Л. 55] показана на рис. 39,а. Оно состоит из
генератора колебаний 27 с выходами 28 и 29 и двух симметричных
цепей А и В, содержащих импульсаторы 4, 11, 19, триггеры 9 я 16 я
элемент И 14 (для цепи В соответственно элементы 26, 24, 20, 25,
22, 23). На входы А я В могут поступать импульсы с самым произ-
вольным расположением во времени. На выходах 17 я 21 число
импульсов должно оставаться таким же, как на входах, но по вре-
мени они не должны совпадать между собой. Для более четкой
работы устройства сигналам придается определенная остроугольная
форма. Это формирование осуществляется с помощью специального
элемента — импульсатора 4. Импульсатор построен на базе триггера
со счетным входом, боковые каналы 5 и 7 которого сообщены с атмо-
сферой. Между этими каналами расположен центральный канал 6,
который является выходом элемента. Управляющие сопла 1 я 3 со-
единены между собой и со входом 2. Пусть вначале питающая струя
была отклонена в канал 5, откуда она вытекает в атмосферу. В со-
ответствии с этим в каналах 6 я 7 давление отсутствует, а в сопле 3
создается разрежение, в результате которого по управляющему кон-
туру начнется циркуляция газа из сопла / в сопло 3. Когда на
вход 2 поступит импульс, то он под действием этого циркуляционно-
го потока направится в сопло 3 я переключит питающую струю
в боковой канал 7. В момент переключения струя проходит мимо
канала 6, создавая в последнем остроугольный импульс. После пере-
ключения соответствующее разрежение создается в сопле / и сле-
дующий импульс, поступающий на вход 2, направит питающую
струю обратно в канал 5, создавая при этом в выходном канале 6
74

очередной остроугольный импульс. Таким образом, на выходе 6 обра-
зуются остроугольные импульсы, частота которых равна частоте
входа. Q
По каналу 6 сигналы поступают к управляющему соплу б триг-
гера 9. Второе управляющее сопло 10 соединено с цепью обратной
связи. Если в сопле 10 сигнала нет, то выходной сигнал импульсато-
ра переключит питающую струю триггера в канал 12. Это состояние
10 11
Й to № 1?
в Л—
28 IJ^JTJTJTJIJTJ^
*м л д__а__у\ /v_
Рис. 39. Устройство разделения импульсов.
75

будет продолжаться до появления сигнала в канале 10. Сигнал по
каналу 12 поступает к элементу И 14. Вторым входом 13 элемен-
та 14 является сигнал с генератора колебаний 27. Работа генератора
была описана выше. Давление на выходе 15 элемента 14 появляет-
ся лишь тогда, когда оба сигнала совпадают. Таким образом, вход-
ной импульс, поступивший по каналу 2 запоминается в триггере 9
и проходит в канал 15 только тогда, когда от генератора 27 посту-
пает очередной импульс. Выходной сигнал элемента И направляется
к триггеру 16. Вторым управляющим давлением последнего является
сигнал в сопле 18 от генератора 27, прошедший через аналогичный
импульсатор 19 и противоположный по фазе выходному сигналу из
канала 13. Поэтому в момент появления импульса по каналу 15
управляющее давление в сопле 18 отсутствует и сигнал 15 повторяет-
ся на выходе 17. Одновременно по цепи обратной связи этот же
сигнал через импульсатор проходит к соплу 10 триггера 9 и сни-
мает давление в канале 12, подготовляя цепь к приему^ следующего
импульса по каналу 2. После окончания импульса генератора в кана-
ле 13 появляется давление в сопле 18, которое снимает выходной
сигнал в линии 17, возвращая элемент 16 в исходное состояние.
Совершенно аналогично работает и цепь, пропускающая импуль-
сы от входа В. Здесь управление осуществляется вторым выходом
генератора, а элемент И 23 пропускает сигналы лишь тогда, когда
элемент И 14 заперт. Таким образом, на выходе 21 сигналы могут
появляться лишь тогда, когда их нет на втором выходе 17. Если на
входы А и В импульсы поступают одновременно, то один из них за-
держивается в триггере 9 или 25 до тех пор, пока не прекратится
действие другого, так что на выходах 17 и 21 устройства сигналы
будут проходить в разные промежутки времени. При этом ни один
импульс не теряется, а их прохождение лишь сдвигается по вре-
мени.
Для правильной работы устройства необходимо, чтобы частота
генератора была выше частоты любого из входных сигналов А и В.
Работа системы иллюстрируется графиком на рис. 39,6, где показано
изменение по времени давления в различных точках системы. Цифры
характеризуют сигнал на выходе элемента или в канале согласно
обозначениям на рис. 39,а.
17. Регулятор числа оборотов паровой турбины
Схема регулятора числа оборотов, построенного на элементах
струйной техники, описана в [Л. 33—36]. Задачей регулятора являет-
ся поддержание постоянным заданного числа оборотов паровой тур-
бины за счет изменения псдачи пара. При построении схемы исполь-
зован принцип частотной модуляции, при котором равновесие систе-
мы обеспечивается при определенной разности частот сигналов
датчика и задатчика. В системе используются резонаторы, детекто-
ры, высокочастотные фильтры и т. д. Схема регулятора показана на
рис. 40.
Измерение числа оборотов. Рабочее колесо паровой турбины 2
приводится во вращение паром, вытекающим из сопла переменного
сечения /. На валу 3 турбины размещено зубчатое колесо 8, которое
вместе с соплом питания и приемным соплом образует датчик числа
оборотов 7. Зубцы 6 расположены так, что при вращении колеса 8
они проходят между соплом питания 4 и приемным каналом 5, пре-
76

рывая поток воздуха, поступающего в канал 10 и создавая в нем
пульсирующий поток с частотой, пропорциональной числу оборотов
турбины.
Канал 10 соединен с управляющим соплом 11 аналогового уси-
лителя 12. Его второе управляющее сопло 14, расположенное с про-
тивоположной стороны, свя-
2^3 4 5 9{
1»
зано с камертоном 17 через
канал 16 и сопло 18. Кана-
лы 10 и 16, кроме того, че-
рез дроссели 9 и 15 сооб-
щены с давлением питания.
Сечения дросселей выби-
раются такими, чтобы в слу-
чае, когда сопло 5 наполо-
вину перекрыто, а камер-
тон 17 находится в состоя-
нии покоя, давление и рас-
ход воздуха из сопл // и 14
были бы одинаковыми. При
этом струя питания, посту-
пающая из сопла 13, не от-
клоняется, а распределяется
равномерно между канала-
ми 19 и 20 усилителя 12.
Увеличение давления в од-
ном из сопл относительно
другого вызывает отклоне-
ние питающей струи, за
счет которого давление в од- iff?
ном из каналов 19 или 20
увеличивается, а в другом
падает. Частота изменения
давления в сопле 11 пропор-
циональна числу оборотов
турбины, а в канале 16
определяется собственной
частотой камертона 17. Та-
ким образом, на входы уси-
лителя 12 поступают сигна-
лы разной частоты. Здесь
происходит смешение и на-
ложение сигналов, а на выходе образуется сложный сигнал,
состоящий из двух составляющих: высокой и низкой частоты,
причем высокая частота выходного сигнала равна полусумме входя-
щих частот, а низкая — их полуразности. Если разность частот ка-
мертона и датчика на установившемся режиме работы турбины мала
по сравнению с абсолютным значением частот, то несущая частота
практически будет близка к собственной частоте камертона, а моду-
лированная частота (разностная) определит отклонение числа обо-
ротов турбины ст заданного режима. Если, например, задающая
частота равна 840 гц, а колесо 8 на равновесном режиме дает 800 гц,
то несущая частота будет составлять 820, а низкая — 20 гц.
Преобразование полученного сигнала. Если давление в канале 16
превышает сигнал в канале 10, то питающая струя отклоняется влево
и попадает в сопло 19. Чем больдце эта разность, тем больше откло-
Рис. 40. Схема регулятора числа обо-
ротов паровой турбины.
77

кение и тем больше развивается давление в канале 19. Сопло 20
в это время открыто, и давление в нем равно нулю. В противном
случае питающая струя отклоняется вправо и поступает в сопло 20.
При равенстве управляющих давлений в обоих выходных каналах
19 и 20 сигналов нет. Таким образом, элемент 12 производит разде-
ление сигналов, так что на его выходах получаются одинаковые
пульсирующие давления, сдвинутые по фазе на 180°.
Сигналы, образующиеся в приемных соплах усилителя 12, посту-
пают на вход детектора 21. Последний представляет собой элемент
с двумя входными каналами 19 и 20 и одним выходным 22. Располо-
жение каналов таково, что на выход всегда проходит наибольший
сигнал из поступающих на вход. В результате возникает последова-
тельный ряд положительных импульсов, огибающая которых соответ-
ствует колебаниям с частотой, равной полуразности частот камерто-
на и датчика, т. е. частоте биений этих колебаний.
Очевидно, что по мере изменения скорости турбины 2 разница
между частотами датчика 7 и камертона 17 меняется пропорцио-
нально числу оборотов турбины, а частота огибающей в канале 22
пропорциональна отклонению скорости турбины от заданного значе-
ния. Таким образом, вышеописанные элементы образуют цепь моду-
ляции, в которой частота модуляции определяется отклонением дей-
ствительной скорости турбины от заданной.
Полученный сигнал подается затем через емкость 23 к филь-
тру 24, работа которого была описана выше.
Емкость 23 с фильтром 24 настраивают на частоту среза, не-
сколько большую модулируемой частоты. Так если у нас эта частота
была принята равной 40 гц, то фильтр настраивают, например, на
60 гц. В этом случае все сигналы с частотой порядка 40 гц проходят
через фильтр почти без искажений, а несущая частота и все помехи
с частотами больше 70—80 гц значительно ослабляются и фактиче-
ски отфильтровываются. Таким образом, модулированный сигнал,
образующийся на выходе элемента 21, пройдя через устройства 23 и
24, превращается в низкочастотный сигнал, который в свою очередь
подается в дискриминатор 25. Здесь периодический сигнал преобра-
зуется так, что величина давления на выходе дискриминатора являет-
ся функцией частоты; причем сигнал равен нулю при заданной часто-
те, меняет знак и величину в зависимости от направления и степени
отклонения действительной частоты от заданной.
Работа дискриминатора. Дискриминатор состоит из двух конту-
ров, построенных по одинаковым схемам, но настроенных на разные
частоты. Воздух из фильтра 24 поступает к соплам управления двух
резонирующих контуров 27 и 28. Каждый из контуров состоит из
усилителя 26, длинного и узкого канала 29 и емкости 30.
Резонатор 28 настраивается на частоту, меньшую чем значение
частоты на выходе из фильтра 24, которая соответствует заданному
режиму (меньше 40 гц), а резонатор 27 на частоту, превышающую
это значение. На рис. 41 показаны резонансные характеристики со-
ответствующих контуров (кривые Л и В), которыми очевидно будет
определяеться амплитуда выходного давления. Так, например, если
частота на выходе из фильтра 24 соответствует 57 гц, то на выходе
из резонатора 27 наблюдается максимальная амплитуда колебаний,
а выходной сигнал резонатора 28 будет равен нулю. И, наоборот,
при частоте 30 гц максимальное значение амплитуды имеется на вы-
ходе контура 28, а минимальное — на выходе контура 27. Когда
частота равна 40 гц, то амплитуды на обоих выходах одинаковы.
78

Усиленный в резонаторе сигнал по трубопроводу 31 подается
в сопло управления аналогового усилителя 32. Усилитель имеет
второе сопло управления, в которое через дроссель подводится воз-
дух от источника питания. Величину сопротивления дросселя выби-
рают такой, чтобы давление на выходе из сопла равнялось среднему
значению давления в канале 31. Усилитель 32 имеет два выходных
канала, которые связаны с детектором 33. Принцип работы элемен-
тов 32 и 33 аналогичен соответствующим устройствам 12 и 21, а на
выходе из элемента 33 получается пульсирующий низкочастотный
сигнал, амплитуда которого определяется характеристикой резона-
тора 28, т. е. пропорциональна разности частот датчика 7 и камер-
тона 17.
s
^ „ и...
У
Xs
/С
* X
а/)
80 70 60 50 40 30 20 10 О
u_ -Л 1 ■ -* 1 —' ' j
760 ПО 780 730 800 810 820 850 МО
Рис. 41. Характеристики резонансных конту-
ров регулятора числа оборотов турбины.
Выход элемента 33 через дроссель 34 соединен с емкостью 35,
назначение которой сглаживать пульсации сигнала, выходящего из
детектора 33. Таким образом, поток в канале 36, расположенном за
емкостью 35, уже будет не пульсирующим, а величина его пропор-
циональна амплитуде колебаний в канале 31, т. е. частоте рассогла-
сования между датчиком и камертоном.
Так как цепи дискриминаторов, расположенные после резонато-
ров 27 и 28, идентичны, то принцип действия правой части дискри-
минатора аналогичен описанному выше, а давление в канале 37
также пропорционально рассогласованию, но абсолютное значение
его может быть иным, чем в канале 36. Это значение определяется
характеристикой резонатора 27, настроенного на другую частоту
(см. кривые Л и Б на рис. 41). На режиме заданного значения ча-
стоты (40 гц) давления в каналах 36 и 37 равны. При увеличении
частоты свыше 40 гц давление в канале 37 растет, а в канале 36 па-
дает; при уменьшении частоты — наоборот (см. кривые Л и Б на
рис. 41).
Каналы 36 и 37 в свою очередь связаны со встречно располо-
женными управляющими соплами аналогового усилителя 38, кото-
рый содержит, кроме того, контуры воздействия по производным, со-
стоящие из емкостей 41 и 45, сопротивлений 40, 42, 44, 46 и допол-
нительных управляющих сопл 39 и 43. Работа такого усилителя была
79

описана выше. Сигнал воздействия по производной необходим для
получения требуемой динамики системы регулирования и выбирается
в соответствии с характеристиками объекта. Так как выходные кана-
лы дискриминаторов направлены встречно, то суммарный сигнал
усилителя 38 будет равен нулю при равенстве амплитуд колебаний
давлений резонаторов 27 и 28, будет положительным при частотах
свыше 40 гц и отрицательным при частоте менее 40 гц, т. е. будет
определяться разностью амплитудных характеристик резонаторов
(кривая С на рис. 41). Таким образом, на выходах 47 и 48 усилите-
ля 38 получается непрерывный сигнал, пропорциональный как вели-
чине, так и скорости отклонения числа оборотов турбины от задан-
ного значения.
Усиление мощности. Сигнал из усилителя 38 подается на усили-
тель мощности 49 и затем на поршневой исполнительный меха-
низм 53. Связь между ними осуществлена каналами, в которых уста-
новлены дроссели 50 и 52. Элемент 49 сконструирован таким обра-
зом, что перепад давлений на его выходах пропорционален квадрату
перепада давлений на входах. Достигается это соответствующим
профилированием выходных сопл. Дроссели 50 и 52 обеспечивают
расход воздуха, пропорциональный квадратному корню из перепада
давлений на них. В этом случае расход воздуха, подводимый
к поршневому исполнительному механизму 53, а следовательно, и
скорость поршня 51 линейно зависят от давления на выходе из эле-
мента 38. Поршень 51 выполнен с достаточно большой площадью,
что позволяет иметь в процессе движения очень малые изменения
давления в его полостях и тем самым, обеспечить линейность ско-
ростной характеристики, которая к тому же легко поддается регули-
ровке. Поршень 51 перемещает иглу 54, которая изменяет сечение
сопла / и регулирует тем самым количество пара, поступающего на
рабочее колесо турбины.
Процесс регулирования. Рассмотрим теперь процесс регулирова-
ния. Пусть число оборотов турбины увеличилось (например, умень-
шилась нагрузка), тогда число частотных импульсов в канале 10
также увеличится. Так как камертон настроен на большую частоту,
то полуразность двух частот, образующаяся в усилителе 12, умень-
шится. Далее сигнал удваивается по частоте в элементе 21 и, пройдя
через фильтр 23, 24, где отфильтровывается высокая частота, посту-
пает в дискриминатор 25. Так как частота на входе в дискриминатор
оказывается ниже заданной, то давление воздуха в канале 37 будет
меньше, а в канале 36 больше равновесного значения. В силу этого
силовая струя в усилителе 38 отклонится влево, увеличив давление
в канале 47 и уменьшив соответственно в канале 48, что вызовет
смещение силовой струи в усилителе 49 вправо и увеличение подачи
воздуха в нижнюю полость пневмоцилиндра. Поршень 51 начнет
перемещаться вверх, уменьшая количество пара, подводимого к тур-
бине, число оборотов которой вследствие этого будет падать, стре-
мясь к равновесному положению. Если отклонение произошло резко,
то давление в канале 47 в первый момент возрастет резко за счет
воздействия по производной и первоначальная скорость поршня 51
будет большой. По мере того как турбина будет снижать обороты,
давление в канале 47 будет падать как за счет того, что уменьшается
сигнал рассогласования, т. е. давление в канале 36, так и вследствие
заполнения объема 45 воздухом. При этом увеличивается давление
в сопле 43, а скорость поршня 51 постепенно уменьшается до нуля
при подходе к равновесному положению.
80

18. Импульсный регулятор топливной системы ТРД
Особенности регулирования ТРД. Описываемый ниже регулятор
[Л. 64] предназначен для поддержания режима простейшего турбо-
реактивного двигателя (ТРД) и имеет ряд особенностей, связанных
с протеканием рабочего процесса последнего. Основным регулируе-
мым параметром ТРД является число оборотов. Оно поддерживает-
ся на заданном значении неизменным при широком изменении на-
грузки и условий работы, т. е. давления и температуры воздуха на
входе в двигатель. С целью изменения режима ТРД регулятор дол-
жен настраиваться на различные числа оборотов.
Поддержание режима осуществляется путем изменения количе-
ства топлива, подаваемого в камеру сгорания ТРД, являющегося
в данном случае единственным регулирующим фактором. Рабочий
процесс ТРД, помимо поддержания числа оборотов, определяется
еще целым рядом факторов, важнейшими из которых являются тем-
пература газов перед турбиной и срывные явления в компрессоре —
помпаж. Линия установившихся режимов всегда выбирается так,
чтобы работать с определенным запасом от границы помпажа. Одна-
ко при больших внешних возмущениях из-за несоответствия проход-
ных сечений по газовоздушному тракту ТРД может произойти за-
пирание компрессора, отрыв потока от лопаток и резкое уменьшение
расхода воздуха. Это явление (неустойчивый режим работы ком-
прессора) необратимо и может привести к разрушению двигателя.
Увеличение температуры газов выше допустимой величины также
может привести к разрушению двигателя, а снижение ее до некото-
рого нижнего значения может быть причиной самопроизвольного
выключения двигателя. Вместе с тем' для получения хороших харак-
теристик двигателя желательно иметь эти параметры близкими
к допустимым значениям. Величина рабочей температуры не являет-
ся однозначной функцией числа оборотов, а зависит от ряда других
факторов, например нагрузки. При наличии только одного регули-
рующего воздействия можно поддерживать неизменным только один
параметр, в качестве которого в системе выбрано число оборотов.
Для предотвращения чрезмерного роста остальных параметров вво-
дятся ограничения, при достижении которых автоматически изме-
няется подача топлива в двигатель. Это происходит в случаях пре-
вышения максимально допустимых значений температуры газов или
при приближении режима к границе помпажа. Число оборотов дви-
гателя при этом уменьшается. В описываемой схеме эти задачи вы-
полнены на элементах струйной техники.
Описываемая система работает в импульсном режиме и состоит
из импульсного датчика числа оборотов, за датчика, элемента
сравнения, формирователя импульсов, датчиков температуры и пом-
пажа, блокирующих устройств, пневмогидравлического преобразова-
теля. Работа некоторых из этих устройств была описана в предыду-
щих разделах и здесь не поясняется.
Блокирующие устройства. При регулировании с ограничениями
необходимо, чтобы до достижения предельного значения ограничи-
тель не влиял на работу основного регулятора. Это условие обеспе-
чивается блокирующим устройством, показанным на рис. 42,а, где
соответственно обозначены: усилитель — 2, триггер — 9 и емкость —
12. Р1мпульсы с частотой fA, подаваемые по линии / к усили-
телю 2, проходят в выходной канал 3 только в том случае, если
в момент их подачи не поступает блокирующий сигнал по линии 4,
6—1281 81

который образуется в триггере 9. На вход 6 триггера поступает тот
же сигнал с частотой fA, но с задержкой во времени т, получающей-
ся за счет заполнения емкости 12, а на вход 8 по каналу 10 — сигнал
с частотой /в. Струя питания из канала // триггера 9, отклоненная
в один из приемных каналов 5 или 7, сохраняет свое состояние до
тех пор, пока управляющий сигнал с другой стороны не переключит
ее. После подачи импульса в сопло 8 давление в канале 5 возрастает
и блокирует прохождение импульса из канала / в канал 3 до тех
пор, пока не поступит сигнал в сопло 6. Вследствие сдвига т эле-
мент 9 переключается уже после прекращения импульса в канале /.
Рис. 42. Схемы отдельных узлов регулятора топливной
системы ТРД.
Теперь блокировка снимается до появления следующего импульса
со стороны канала 8. Если /л>/в, то этот блокирующий импульс
появится уже после прохождения очередного сигнала по каналу 1,
который беспрепятственно пройдет на выход 3.
Когда }л<!в, то следующий импульс в канале 8 появится рань-
ше, чем в канале /, и выходной сигнал в канале 3 будет равен нулю.
Величина смещения т выбирается такой, чтобы открытие триггера 9
было возможным только после окончания сигнала в канале /.
При осуществлении блокировки по верхнему пределу, т. е.
когда нужно, например, ограничить максимальную температуру га-
зов, а частота колебаний, генерируемых датчиком, увеличивается
с ростом температуры, сигнал от датчика температуры подается
в канал 1, а от задатчика, настроенного на частоту, соответствую-
щую максимальной допустимой величине, — в канал 10. Тогда, пока
температура ниже предельной, частота импульсов fA меньше, чем fB>
и ограничитель выключен из работы: его сигнал блокируется. При
превышении заданной частоты на выходе появляется сигнал рассо-
гласования. При ограничении нижнего предела давление от датчика
подводится в канал 10, а от задатчика — в канал /.
Выходной преобразователь. Выходным сигналом регулятора
должно явиться изменение расхода топлива, поступающего в двига-
тель. Схема системы топливопитания с приемником и преобразовате-
лем пневматических сигналов показана на рис. 42,6. Питание топли-
82

вом осуществляется с помощью насоса 11, нагнетающего топливо
к дозирующей игле 3 и далее через тр\/бопровод 2 к форсункам дви-
гателя. На игле 3 с помощью клапана 1 поддерживается постоянный
перепад давлений. Игла 3 управляется механизмом, состоящим из
рычага 8, сильфонов 9 и 10, воспринимающих пневматический сигнал,
управляющего сопла 7, поршня 4, сильфона обратной связи 12, дрос-
селей 5 и 6.
Если давление воздуха, подводимого к сильфону 10, например,
увеличится, то рычаг 8 повернется против часовой стрелки, сопло 7
приоткроется, под поршень 4 увеличится приток топлива и он вместе
с иглой 3 начнет перемещаться вверх, уменьшая проходное сечение
и, следовательно, количество топлива, подаваемого к форсункам дви-
гателя. Число оборотов двигателя уменьшится.
Сильфон 12 предназначен для получения изодромного эффекта
с целью исключения статической ошибки.
Регулятор числа оборотов. Схема всей системы регулирования
представлена на рис. 43. ТРД 5 состоит из воздухозаборника /, ком-
прессора 2, камер сгорания 3, турбины 4 и реактивного сопла 6.
Командный импульсный сигнал числа оборотов задается генератором
переменной частоты 43 (камертоном) от рычага управления 44. Ча-
стота импульсов в канале 42 определяет заданное число оборотов.
В линии 42 устанавливаются один или несколько формирователей 7
с тем, чтобы на выходе иметь импульсы требуемой формы. Затем
сигнал поступает к элементу 9, который при отсутствии блокирую-
щих воздействий работает как обычный усилитель, пропуская
командный сигнал к элементу сравнения 25. Импульсы, характери-
зующие фактическое число оборотов, создаются тахометром 28, же-
стко связанным с валом двигателя. Частота их в канале 27 пропор-
циональна числу оборотов ТРД. После прохождения через
формирователь 19, канал 16 и усилитель 14 сигнал поступает на вто-
рой вход элемента сравнения 25. Выходные каналы элемента 25 со-
единены с сильфонами 20 и 21 пневмогидравлического преобразова-
теля 22 системы питания топливом 23. Так как форма всех
поступающих по каналам 24 и 26 импульсов одинакова (определяет-
ся формирователями 7 и 19), то сигнал рассогласования будет про-
порционален разности числа импульсов, т. е. разности частот. На
равновесном режиме частоты обоих элементов 43 и 28 равны, их
разность равна нулю и, следовательно, на выходе элемента 25 сигна-
ла нет. Если число оборотов ТРД становится больше заданного, то
частота импульсов, генерируемая датчиком 28, превышает частоту
задатчика 43. Число импульсов, поступающих к соплу управления 24,
будет больше, чем к соплу 26, появляется перепад давлений, который
отклоняет питающую струю элемента 25 вверх; при этом давление
в сильфоне 20 увеличится, а в сильфоне 21 снизится. Вследствие
появившегося перепада преобразователь 22 воздействует на систему
питания так, чтобы уменьшить расход топлива, поступающего в дви-
гатель. Это в свою очередь приведет к уменьшению числа оборотов
и частоты датчика 28 до заданного значения. Аналогично, но в обрат-
ную сторону, будет протекать процесс регулирования и в случае,
когда частота датчика 28 оказывается меньше заданной. Элемент
сравнения 25 имеет внутренние обратные связи с дросселями и емко-
стями, что позволяет регулировать коэффициент усиления и полу-
чать эффект воздействия по производной.
Антипомпажное устройство. При приближении к границе помпа-
жа (вследствие резкого увеличения расхода топлива или каких-либо
6*
83

Рис. 43. Регулятор топливной системы ТРД.

других факторов) вступает в работу датчик помпажа 39, описанный
выше. При этом в канале 37 (рис. 43) возникают пульсации давле-
ния, которые, будучи усиленными в формирователе 8, поступают на
вход блокирующего элемента 9, препятствуя прохождению через
последний сигналов от камертона 43. Число импульсов, поступающих
в сопло 26, уменьшается по сравнению с генерируемым основным
задатчиком, что соответствует как бы перенастройке регулятора
числа оборотов на меньший режим, а следовательно, приводит
к уменьшению подачи топлива. Чем ближе режим работы двигателя
приближается к границе помпажа, тем больше импульсов поступает
от датчика 39, а следовательно, и на большую величину снижается
расход топлива. Изменяя объем камеры формирователя 8, можно
удлинять или уменьшать продолжительность импульсов, поступаю-
щих к элементу 9, и тем самым изменять степень воздействия анти-
помпажной системы на регулятор числа оборотов.
Ограничение температуры газов. Фактическая температура газов
перед турбиной воспринимается датчиком температуры 41, который
создает серию импульсов в канале 40 с частотой, пропорциональной
квадратному корню из абсолютной температуры. Они по каналам 29,
34, 36 подаются к соответствующим ограничителям температуры.
Ограничение максимальной температуры выполнено с помощью эле-
ментов 35, 38, 11. Импульсы от датчика температуры 41 и камерто-
на 35, настроенного на значение, соответствующее максимальной
температуре, подводятся к блокирующему элементу 38. Пока темпе-
ратура ниже допустимой, элемент 38 блокирует импульсы от датчи-
ка 41. При превышении максимального значения к формирователю 11
начинают проходить импульсы с частотой, пропорциональной ошибке
рассогласования. После формирователя они поступают к элементу 9
и уменьшают настройку регулятора числа оборотов (аналогично
антипомпажному устройству). Снижение настройки вызовет умень-
шение подачи топлива и температуры перед турбиной. Степень воз-
действия ограничителя температуры может регулироваться объемом
емкости в формирователе 11.
Ограничение нижнего значения температуры с целью предотвра-
щения самопроизвольного выключения двигателя можно рассматри-
вать как действие, противоположное предыдущему. Оно выполняется
с помощью элементов 31, 30, 15, 14. Здесь в блокирующий блок 30
подаются сигналы от камертона 31, настроенного на частоту, соот-
ветствующую нижнему пределу допустимой температуры, и сигнал
от термодатчика 41. Выход блока 30 через формирователь 15 соеди-
нен с одним из входов блокирующего элемента 14, второй вход ко-
торого связан с датчиком числа оборотов,. Пока значение температу-
ры выше заданного, сигнал от датчика температуры 41 блокируется
элементом 30 и не. оказывает влияния на работу системы. В случае
снижения температуры ниже минимально допустимой импульсы от
камертона 31 проходят через блокирующий элемент 14 и уменьшают
сигнал от датчика числа оборотов, что приведет к увеличению подачи
топлива и температуры газов.
В системе имеется еще один контур блокировки по температуре,
служащий для ограничения ее максимального значения во время
запуска, в процессе которого величина температуры является более
низкой, чем при нормальной работе. Контур составляют элементы
33, 32, 12, 13, 18, 17, а функционирование его аналогично ограничите-
лю максимальной температуры. Блок 32 сравнивает сигналы от ка-
мертона 33 и датчика 41. Пока температура ниже соответствующего
85

предельного значения, блок не пропускает сигналов. При превышении
температуры в формирователь 12 поступают колебания с частотой,
пропорциональной величине рассогласования. Эти импульсы по кана-
лу 10 проходят к усилителю 9 и уменьшают настройку регулятора
числа оборотов, а следовательно, и подачу топлива. Так как значе-
ние предельной температуры в процессе запуска ниже максимально
допустимого для установившегося режима, то после запуска этот
контур должен быть отключен, иначе он не допустит повышения
температуры. Отключение осуществляется при достижении двигате-
лем определенного числа оборотов с помощью устройств 13, 18, 17.
В блок 18 подается сигнал, определяющий истинное значение числа
оборотов (от датчика 28). Импульсы, поступающие по второму кана-
лу, являются показателем числа оборотов двигателя, при котором
система должна быть отключена. Они могут вырабатываться любым
устройством, определяющим это значение. С целью упрощения кон-
струкции в качестве такого сигнала используются импульсы от ка-
мертона 31 ограничителя минимальной температуры. Пока число
оборотов ниже минимальной величины на выходе блока 18 нет сигна-
ла, блокирующий элемент 13 открыт и воздействие от ограничителя
свободно проходит в канал 10. Когда число оборотов достигает за-
данной величины, то через формирователь 17 выдается блокирую-
щий сигнал на элемент 13, который закрывает прохрд импульсам от
ограничителя, т. е. выключает его из работы. Соответствующей на-
стройкой формирователя 17 можно получить нужную степень воз-
действия ограничителя.
19. Система контроля скорости движения нити
Представляет определенный интерес рассмотрение схемы контро-
ля скорости движения нити [Л. 40] (рис. 44). Задачей системы
является выдача аварийного сигнала в тех случаях, когда скорость
движения нити отклонится от заданной величины на недопустимое
значение в ту или иную сторону, а также в случаях обрыва нити.
Скорость движения нити 3 (см. рис. 44,а) контролируется с по-
мощью колеса /, сидящего на валу 2. Для того чтобы не было про-
скальзывания нити относительно колеса, она охватывает его больше
чем на один оборот. Таким образом, скорость вращения колеса пря-
мо пропорциональна скорости движения нити. Колесо / имеет по
окружности прорези 4. К торцу колеса по трубке 23 подводится воз-
дух от источника 22. С другой стороны колеса находится приемный
канал 5. При вращении колеса 1 прорези 4 будут периодически
открывать доступ воздуха из трубки 23 в канал 5, создавая в послед-
нем периодические импульсы давления. Частота импульсов опреде-
ляется скоростью вращения и числом прорезей 4. Ширина последних
выполняется такой, чтобы продолжительность импульсов и расстоя-
ние между ними во времени были одинаковы. Трубка 5 соединена
с управляющим каналом 7 триггера 6, ко второму управляющему
каналу 9 которого подведено опорное давление р0. Величина послед-
него выбрана такой, чтобы при наличии сигнала в канале 7 струя
питания переключалась бы в канал 10, а при отсутствии — в ка-
нал 8. Эти каналы соединены соответственно со входами 12 и 21
триггеров И, 20. Вторым управляющим сигналом 17 триггера 20
является выход 14 с элемента //. В свою очередь управляющее соп-
ло 13 усилителя // связано обратной связью через линию задерж-
ки 15 с триггером 20. Выходом системы является сигнал в канале 18,
86

который поступает в устройство 19, преобразующее давление возду-
ха р3 в аварийный сигнал. Это может быть, например, камера,
в которой установлена подпружиненная мембрана с микровыключа-
телем. При увеличении давления воздуха в камере больше значе-
ния заданного затяжкой пружины, мембрана прогибается и нажи-
мает на микровыключатель, который замыкает цепь включения ка-
кого-либо (звукового, светового и т. д.) аварийного сигнала.
'в 1 /
/
■19
а)
1случай
'XTLTLTL
8(20Г1Гии~
'^л_п_п_п_
» ПППГ
П случай
Ш случаи
шяаля
jmruw
itutjuul
SLJl IUU
Рис. 44. Система контроля скорости движения нити.
87

Могут встретиться четыре основных случая:
I. Скорость движения нити соответствует заданным пределам.
II. Скорость ниже нормы.
III. Скорость выше нормы.
IV. Произошел обрыв нити (полное прекращение движения).
С учетом имеющейся схемы эти случаи можно сформулировать
так: при частоте импульсов на входе (т. е. в трубке 5), равной за-
данной, усредненное давление на выходе (в канале 18) не должно
превышать определенной величины (I случай). Изменение частоты
импульсов (II и III случаи) или их полное прекращение (IV случай)
должно приводить к увеличению давления на величину, достаточную
для включения аварийного сигнала.
Настройка схемы на требуемую частоту производится элемен-
том 15, определяющим время задержки т прохождения импульса
между триггерами 20 и 11. Это время должно быть равно ширине
импульса в канале 5, соответствующего нормальной скорости движе-
ния нити 3. Система функционирует правильно при условии, что пи-
тающие давления триггеров 6, 20, И разные, причем pi<p2<Ps-
Работа схемы поясняется графиками на рис. 44,6, где показано
изменение давления в различных точках системы.
/ случай. Импульсы, поступающие в капал 7, усиливаются в эле-
менте 6 так, что в канале 10—12 они будут точно повторять входные
сигналы, а в канале 8—21 находиться в противофазе по отношению
к входным. Предположим, что давление в сопле 17 колеблется
строго в противофазе по отношению к каналу 21. Тогда на выходе 18
получим колебания, повторяющие входные 7, но с амплитудой, опре-
деляемой давлением р2.
Соответственно в канале 16 они опять будут в противофазе отно-
сительно входных. Элемент задержки 15 настроен так, чтобы сдви-
нуть в этом случае фазу импульсов на величину т, равную половине
периода, т. е. в сопле 13 усилителя 11 они будут совпадать по фазе
с сигналами в каналах 7, 18 и 10, 12. Так как р2>ри то давление
в канале 13 пересилит второй управляющий сигнал 12, а выход 14
усилителя 11 будет повторять колебания входного сигнала 13 и на-
ходиться в противофазе с импульсами 21, подтверждая, таким обра-
зом, принятое выше предположение. Следовательно, на выходе 18
схемы получаются симметричные колебания, а осредненное давление
в полости выходного устройства 19 будет примерно равно половине
среднего значения выходного сигнала элемента 20. Это значение не
приводит к подаче аварийного сигнала.
// случай. Скорость вращения ниже нормы. Здесь задержка
импульсов при прохождении через элемент 15 останется прежней (т),
по период колебаний стал больше. После того как сигнал поступил
в канал 21 и питающая струя переключилась в сопло 16, сигнал
обратной связи попадет в сопло 13 со сдвигом т, меньшим чем пол-
периода. Так как p2>Pi> то струя сразу же поступит в каналы 14
и 17. В этот момент к соплу 21 еще продолжает подводиться сиг-
нал. Но в силу соотношения Ръ>Р\ струя питания в триггере 20
перекладывается на выход 18, где будет оставаться и всю вторую
половину периода, так как давление в канале 21 в это время отсут-
ствует. Следовательно, время поступления р2 на выход 18 будет
больше полупериода и усредненное выходное давление рв больше,
чем в I случае. Оно переместит мембрану и включит аварийный
сигнал.
88

/// случай. Скорость вращения выше нормы. В этом случае вре-
мя полупериода меньше времени задержки X в элементе 15. Пусть
в канале 17 сигнала нет, а в 21 — есть. Струя триггера 20 поступает
в канал 16 и далее через задержку 15 к соплу 13. Так как время
прохождения импульса т через задержку 15 составляет в этом слу-
чае больше полупериода, то к соплу 13 импульс поступит после
того, как в канале 21 давление будет снято, а к соплу 12 соответ-
ственно подведено. Но так как рз>р2, сигнал пройдет в канал 17,
однако длительность импульса в этом канале будет большей, чем
в канале 13, так как к моменту его прекращения в канале 13 управ-
ляющий сигнал 12 также отсутствует. Импульс прекратится, когда
в следующем периоде давление в канале 12 возрастет, но в этот мо-
мент снимется сигнал в канале 21, а так как перед этим питающая
струя от р2 триггера 20 находилась в канале 18 [рг>р\ и сигнал 17
всегда пересиливает сигнал 21), то струя останется в этом состоянии
еще на полпериода до тех пор, пока не возрастет давление в кана-
ле 21. Таким образом, время пребывания питающей струи в кана-
ле 18 будет опять больше, чем в канале 16, и в этом случае также
включится аварийный сигнал.
IV случай. Обрыв нити. Он сопровождается остановкой колеса /.
Пусть колесо 1 остановилось, так что воздух из трубки 23 свободно
проходит в канал 5, а через триггер 6 в канал 10. При этом в кана-
ле 21 давления нет, и если струя находилась в 18, она там и оста-
нется, вызывая срабатывание сигнального устройства. Если же она
поступит в 16, то появившийся сигнал в каналах 13 и 17 переключает
струю в канал 18. Таким образом, и в этом случае в канале 18 будет
полное давление, которое включит аварийный сигнал.
Е:сли колесо / остановилось так, что воздух в канал 5 не посту-
пает, то опорное давление р0 перекинет струю в триггере 6 в кана-
лы 8, 21, а в триггере 20 — в канал 16. Появившийся сигнал обрат-
ной связи переключит питающую струю триггера 20 в канал 18 и
включит тем самым аварийный сигнал.
Таким образом, описанное устройство обеспечивает отсутствие
на выходе сигнала при нормальной скорости движения нити и вы-
дает сигнал аварии во всех остальных случаях.
Глава седьмая
ПОИСК ПАТЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ОБЛАСТИ
СТРУЙНОЙ ТЕХНИКИ
Выбор стран, по которым следует проводить поиск по заданной
теме, определяется с учетом уровня развития данной отрасли техни-
ки и количества национальных патентов, а также характера системы
выдачи патентов (исследовательская или явочная).
Из различных технических источников установлено, что первые
публикации, относящиеся к созданию новой области техники контро-
ля и управления, получившей название струйной техники (пневмони-
ки), появились в целом ряде американских журналов в начале
1960 г. Поэтому основной страной, по которой проводился поиск па-
тентных материалов, положенных в основу настоящей книги, были
выбраны США.
Американским патентным ведомством было выдано значительное
количество патентов английским и французским фирмам. Был про-
89

смотрен патентный фонд Англии и Франнии по классам возможного
наличия патентных описаний по струйной технике.
Американская система патентной классификации построена
в основном на функциональном принципе, который затрудняет тема-
тический поиск. Для отбора патентов по струйной технике были
просмотрены все еженедельные сборники патентных бюллетеней
США с 1959 по 1969 г. Выявлены все патенты по струйной технике,
выданные в США за эти годы, классы, в которых они находятся, и
фирмы-патентовладельцы. Материалы, полученные из патентного
бюллетеня и описаний изобретений по национальным классам патен-
тов Англии и Франции, сведены в табл. 2-6.
В табл. 2 и 3 приводятся перечень классов и подклассов, их
наименование и количество патентов по классам, выданных патент-
ными ведомствами Англии и Франции.
Таблица 2
№ класса Наименование классов патентов Англии
Количест-
во патен-
тов
G 3
Р
G 3
Н
G 4
В
Гидравлические и пневматические
сервомоторы
Регулирование и распределение те-
кучей среды
Механические счетно-решающие
устройства
31
98
24
В табл. 4—6 указаны для США, Англии и Франции фирмы,
индексы национальных классов, в которые отнесены патенты данной
фирмы, и количество патентов, выданных фирмам национальными
патентными ведомствами с 1959 по 1969 г.
По табл. 1—3 определяется интересующая тема и класс по стра-
нам США, Англии и Франции, а из табл. 4—6 — фирмы.
Как следует из табл. 1—3, распределение количества выданных
патентов по классам неравномерно.
Таблица 3
№ класса
Наименование классов патентов Франции
Количество
патентов
F 15
с
Элементы гидравлических схем для счетно-ре-
87
шающих машин
F 15
d
Динамика жидкостей
80
F 04
d
Насосы невытеснительного типа
1
F 04
f
Накачивание жидкости путем непосредствен-
3
ного контакта
G 06
b
Вычисления. Счет. Конструктивные элементы
26
G 06
2
Аналоговые вычислительные машины
2
G 06
k
Распознавание или изображение данных
6
G 06
J
Комбинированные вычислительные машины
2
90

В классах США 60, 73, 137 и 235 сосредоточено наибольшее ко-
личество патентов. Только во введенном в патентный классификатор
США в 1966 г. одном подклассе 137-81.5 «Механизмы регулирования
Таблица 4
Фирма
Классы патентов США
Количество
патентов
Bendix Corporation
Bowles Engineering Corp.
Corning Glass Works
Electro-Optical Systems
Foxboro Company
General Electric Company
General Motors Corporation
Honeywell Incorporated
International Business
Machines Corporation
Johnson Service Company
Moore Products Company
Martin-Marietta Corp.
Sperry Rand Corporation
United Aircraft Corp.
United States of America
60; 91; 116; 137; 230
73; 114; 137; 235; 244
137; 235
137
137; 235
60; 91; 103; 137; 230;
235; 236
15; 210; 222; 261
73; 74; 91; 137; 165;
235; 244
137; 235
91; 137; 235
137
235
60; 137; 138; 197; 209;
226; 234; 235
60; 137
60; 73; 102; 116; 128;
137; 235; 239; 253
15
42
11
5
26
39
6
37
17
9
12
6
81
4
62
расхода по изменению давления рабочей среды» находится 294 па-
тента. Во всех остальных подклассах этого класса имеется всего
33 патента.
В классе 235 «Контрольно-счетные и регистрирующие устрой-
ства» сосредоточено 72 патента, из них: в подклассе 201 «Цифровые
Таблица 5
Фирма
British Aircraft Corp. Lmt
British Telecommunications Re-
search Lmt
Dowty Fuel Systems Lmt
English Electric Company Lmt
Joseph Lucas (Industries) Lmt
Marconi Company Lmt
Martonair Limited
Rolls-Royce Limited
Sport Brothers and Harland Lmt
Westland Aircraft Limited
Классы патентов
Англии
Коли-
чество
патен-
тов
G 3 Н
1
G ЗН
1
G ЗР; G 3 Н
4
G 3 Н
1
G ЗР
3
G ЗН
1
G ЗН
1
G ЗР
1
G3H
1
G 3 Р; G ЗН
4
91

системы» — 56 патентов, а в «Вычислительных устройствах» (под-
класс 61) и «Струйных усилителях» (подкласс 200) находится по
8 патентов.
Наличие 98 патентов по струйной технике в классе G3H «Регу-
лирование и распределение текучей среды», введенного в националь-
Таблица 6
Классы
Количест-
Фирма
патентов
во патен-
Франции
тов
Bertin et Compagnie
F15c; F15d
3
Compagnie Francaise Thomson—
F15d
1
Hovston
Controle et Regulation
F15d
2
Felix Andrea
F15c; F15d
6
Institut Francous du Petrole,
F15c
1
des Carburants and Lubrifi-
onds
Societe Bertin and Cie
F15c; F15d
5
Societe Nationale d'Etude et de
F15c; F15d
Construction de Moteurs
G06g
5
deviation (SNECMA)
ный классификатор Англии б 1964 г., превышает общее число патен-
тов, относящихся к классам G3P «Гидравлические и пневматические
сервомоторы» и G4B «Механические счетно-решающие устройства»,
примерно в 2 раза.
В классах Франции F15c «Элементы гидравлических схем,
используемых для счетно-решающих устройств и устройств управ-
ления» и F15d «Динамика жидкостей, т. е. процессы или средства
для действия на газы и жидкости», находится основное количество
(167) патентов по струйной технике; 26 патентов сосредоточено
в классе G06b «Вычисления. Счет. Конструктивные элементы» и
14 — в других классах, указанных в табл. 3.
Такие фирмы США, как, например, Bendix Corporation, Bowles
Engineering Co., Foxboro Company, General Electric Company, Ho-
neywell Inc., International Business Machines Co., Sperry Rand Co.,
United States of America (см. табл. 4-6), имеют 319 патентов, отно-
сящихся к струйной технике, из 471, выданных всем фирмам США.
Значительная часть этих изобретений запатентована также в других
странах.
Количество фирм США, применяющих в своих разработках эле-
менты струйной техники, в 2 раза больше соответствующих фирм
Франции, а количество патентов, принадлежащих фирмам США,
в 8 раз больше соответствующего количества патентов Франции.

ЛИТЕРАТУРА
1. Артемьев Е. И. Патентная информация и технический про-
гресс. — «Вопросы изобретательства», 1966, № 7.
2. Васильев В. Д. Патентная информация и техническое прогно-
зирование.— «Вопросы изобретательства», 1969, № 1.
3. Васильев В. Д. Методы качественного преобразования па-
тентной информации. — «Вопросы изобретательства», 1968, № 1.
4. Градецкий В. Г., Дмитриев В. Н. О структуре ламинарной
свободной и затопленной струи, вытекающей из капилляра. — «При-
боры и системы управления», 1967, № 3.
5. Катц. Преобразование сигналов давления с помощью струй-
ных элементов. — «Конструирование и технология машиностроения»,
1966, № з.
6. Кравец Л. Г., Шендеров В. 3., Герасимова А. Г., Марко-
ва Н. А., Савин-Лазарева Э. С, Смородинова Е. В. Поиск патент-
ной информации. — В кн.: «Труды ЦИИИПИ», 1967.
7. Серх Г. Ф. Практическое пособие для работы с патентной
документацией. — В кн.: Труды ЦНИИПИ, 1969.
8. Струйная пневмогидроавтоматика. Под ред. Чернышева В. И.
М., «Мир», 1966.
9. Сушко А. Г. Патентная информация и ее использование,
ЛДНТП, 1966.
10. Фридман Б. А. Информационные источники для прогнозиро-
вания развития техники. — «Вопросы изобретательства», 1970, № 3.
11. Шальнев К. К., Чернявский Б. А., Демидов Ю. С. О меха-
низме прилипания струи к стенке струйного усилителя — эффект
Коанда. —В кн.: Доклады АН СССР, т. 175, № 1, 1967.
„12. Conference Digest, А-С Fluidies, IEEE and WEMA Fluidic—
Electronic Analogies (Wescon). — «Machine Design», 1968, Nov. 21,
p. 163—178.
13. Controlling turbine speed with fluid pulses. — «Machine De-
sign», 1969, Feb., 6, p. 128.
14. Desai Prateen V., Gregor Ronald W. Parametric considera-
tions in the design of a fluidic direct modulator. — «Рарег. Americ.
Soc. Mech. Eng.», 1969, NFlcs—38.
15. Fluidic fuel control for gas turbines. — «Fluid Power Interna-
tional 1968, Dec.
16. Griffin W. S. A fluid —jet amplifier with flat saturation cha-
racteristics. — «Рарег Amer. Soc. Mech. Eng.», 1969, NFlcs-21.
17. .Jerome J., Jonson. Fluidies for advanced engine controls. —
«Gas Turbine International*, 1969, Feb., 6.
93

18. Katz S., Iseman J. Angular speed control with a bistable fluid
amplifier. — «Control Engineerings 1963, July.
19. Kuhlmann E. I. Bauelemente der Fluid-Technik (Teil I, digi-
tale Elemente). — «Regelungstechnische Praxis», 1968, № 1.
20. Larson Ralph H. Vortex amplifier parameters. — «Instrum.
and Control Syst.», 1966, 39, 10, pt 1.
21. Madonna M. A., Harris W. J., Anderson R. G. Investigation
of environmental effects on pure fluid amplifiers. — «Рарег. Amer.
Soc. Mech. Eng.», 1968, NWA/FE-31.
22. Sarpkaya T. The performance characteristics of geometrically
similar bistable amplifiers. — «Рарег Amer. Soc. Mech. Eng.», 1968,
NWA/FE-18.
23. Steiner Eugene, Fluidics in Czechoslovakia. — «Fluid Power
International^ 1969, Apr.
24. Third Granfield Fluidics Conference, May, 1968, Turin.
25. Tippetts Т. В., Mingo C. R. Optical study of a fluidic tempe-
rature sensor. «Рарег Amer. Soc. Mech. Eng.», 1968, MWA/FE-29.
26. Wilson M. P. The switching process in bistable fluid ampli-
fiers. «Рарег Amer. Sco. Eng.», 1969, NFlca-29.
27. Wood O. L. Fluidic devices. «Machine Design», 1968, Septem-
ber, 19.
28. Woodson C. W. AC fluidics. «Wescon. Techn. Papers», 1968,
2, 15/3.
29. Патент Англии № 970985. 56. Патент США Nb 3263695.
30. Патент Англии № 974997. 57. Патент США Nb 3272214.
31. Патент Англии Nb 1055390. 58. Патент США Nb 3276464.
32. Патент Англии Nb 1059923. 59. Патент США Nb 3277915.
33. Патент Англии Nb 1078531. 60. Патент США Nb 3279185.
34. Патент Англии Nb 1078532. 61. Патент США Nb 3285262.
35. Патент Англии Nb 1078533. 62. Патент США Nb 3292623.
36. Патент Англии № 1078534. 63. Патент США Nb 3295543.
37. Патент Англии № 1101166. 64. Патент США Nb 3302398.
38. Патент Англии Nb 1113863. 65. Патент США № 3320966.
39. Патент Англии Nb 1117470. 66. Патент США Nb 3333596.
40. Патент Англии Nb 1126288. 67. Патент США № 3340884.
41. Патент Англии Nb 1141019. 68. Патент США Nb 3351080.
42. Патент Англии Nb 1161964. 69. Патент США № 3366327.
43. Патент Франции № 1537500. 70. Патент США Nb 3373600.
44. Патент Франции Nb 1555035. 71. Патент США Nb 3392739.
45. Патент США № 2582232. 72. Патент США № 3399688.
46. Патент США № 3199782. 73. Патент США Nb 3400725.
47. Патент США № 3228410. 74. Патент США № 3402427.
48. Патент США № 3228411. 75. Патент США Nb 3408864.
49. Патент США № 3234955. 76. Патент США № 3417769.
50. Патент США № 3238958. 77. Патент США Nb 3428068.
51. Патент США Nb 3238959. 78 Патент США № 3439695.
52. Патент США Nb 3238960 79. Патент США Nb 3448481.
53. Патент США № 3240219. 80. Патент США № 3461833.
54. Патент США № 3240220 81. Патент США № 3468325.
55. Патент США Nb 3260457. 82. Патент США № 3473376.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Глава первая. Современное состояние струйной техники 5
1. Развитие, современное состояние струйной техники и
ее промышленное применение 5
Глава вторая. Классификация и принципы построения
струйных элементов 9
2. Классификация струйных элементов 9
3. Активные дискретные элементы и принципы их по-
строения И
4. Активные пропорциональные элементы и принципы их
построения 16
5. Пассивные элементы . 13
6. Основные характеристики струйных элементов и влия-
ние на них внешних условий 23
Глава третья. Струйные усилители 24
7. Дискретные усилители 24
Усилители с прилипанием струи ....... 24
Турбулентные, усилители 29
8. Пропорциональные усилители 31
Усилители, основанные на использовании закона со-
хранения количества движения свободных струй . 31
Усилители со столкновением двух встречных питаю-
щих струй 34
Вихревые усилители 37
9. Многокаскадные усилители и возможности применения
струйных усилителей 39
Глава ч е тв е р г а я. Элементы логических и вычислительных
устройств 42
10. Элементы, реализующие логические функции ... 42
Элементы И 43
Элементы ИЛИ и ИЛИ —НЕ ИЛИ 46
Элементы НЕ 47
'11. Элементы, выполняющие вычислительные операции . 48
Триггеры 48
Реверсивный счетчик импульсов 49
Сдвигающие регистры . 53
95

Глава пятая. Устройства струйной техники .... 54
12. Область применения и типы устройств .... 54
13. Генераторы колебаний и формирователи импульсов . 54
Чисто струйные генераторы 54
Струйно-механические генераторы 56
Формирователи импульсов 57
14. Датчики и преобразователи 59
Датчик расхода . 59
Датчики угловой скорости 59
Датчики температуры 64
Датчики ускорения . 65
Специализированные датчики и преобразователи . . 66
15. Аналоговые вычислительные устройства .... 68
Схемы, построенные на базе операционного усилителя 68
Элементы сравнения 70
Функциональные преобразователи . .... 71
Глава шестая. Применение элементов струйной техники
в системах управления 73
16. Простейшие управляющие устройства ... 73
17. Регулятор числа оборотов паровой турбины . . 76
18. Импульсный регулятор топливной системы ТРД . 81
19. Система контроля скорости движения нити . . 87
Глава седьмая. Поиск патентных материалов в области
струйной техники 89
Литература 93