DE2239309C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Veränderung des hydraulischen Widerstands einer Druckleitungsstrecke - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Veränderung des hydraulischen Wisich bei einem aus der USA.-Patcntschrift 34 ^c)4 3d¹) bekannten Strömungsclement, bei dem in aus der Fluidics-Tcchnik bekannten Weise ein Hauptstrahl in Abhängigkeit von seiner Ablenkung Auffangkaniile verschieden beaufschlagt und in diesen verschiedene Ausgiings-Drucksignale erzeugt. Dabei wird hier i'ie Ablenkung durch einander gegenüberliegende Elek-11 öden erreicht, zwischen denen der Hauptstrahl kurz nach Verlassen seiner Düse als Freistrahl durchströmt. Als Strömungsmedium dient Transl'oimatorenöl, und die Anlegung von hohen Gleichspannungen an die Elektroden bewirkt die Ablenkung.

Dies; bekannte Ausbildung ist jedoch nur in der Fluidics-Tcchnik einzusetzen und setzt einen druckes freien Abschnitt in der Strömung mit Ausbildung eines Freistrahls voraus, so daß auf diese Weise du vorliegende Problematik einer Lösung nicht nähergebracht wird

A-'fcabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein

Bau eines eiektrohydraulischen Wandlers geeig-

^ZUnl Verfahren zur Veränderung des hydraulischen

uM rstandcs im Strom einer reinen dielektrischen

er· dßkeit zu schaffen, bei dem durch die Änderung r)nlCKCeWUiC> UaS LI\-l\tllN>-l'«- i-'Mj.. 1IsMIL₁IIIII Uli"

Molbar Γη ein auswertbares bzw. weiterverarbeitu" ς hydraulisches Ausgangssignal umgesetzt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäi.'. dadurch g«.- ... . ^aß auf der Druckleitungsstrecke eine Laininar-

une der reinen dielektrischen Flüssigkeit durch

n^hun" an einem dielektrischen Einsatzstück bei des-

.^"ijmsirömnng mit statischer Elektrizität aufgeht-

!f'¹ ν r'i! und ein zur Strömuna quergerichtetes elek-

• lu-s F''ld erzeugt wird, das"mi't dem aufgeladenen ti"^C-"pl-e^ssirom derart zusammenwirkt, daß die Sintn»'turbulent wird.

Dicse/Verfahren wird angewandt in einem weiter- ^vorgeschlagenen eiektrohydraulischen Wandler mit tinem Gehäuse mit Ein- und Ausgangsrohrsiut/cn, n-w über einen Durchganeskanal für die reine dielek-•he Flüssigkeit miteinander verbunden sind und ^|n-t einer Vorrichtung zur Veränderuni: des hydraiiiischcn Widerstandes aus einer Gleich-pannungsquelle .!r,fl -in diese angeschlossene Elektroden und einem •Gehäuse untergebrachten Flüssiukeitsaufladungs-"? ment und mit einer veränderlichen Drossel, wobei eifindunnsgcmäß als Außenelektrode das Wandler-1 niise dient und die innerhalb des Gehäuses unternthnchte Innenelektrode als zylindrische, Metallstab Gebildet ist der abaerundete Stirnflächen mit Hinhnitten aufweist die gleichmäßiu auf dem Außennn ane dieser Stirnflächen verleih sind, wobei das Sitsaufladunoselemcnt Fäden aus einem Di-

' d.rstcllt "die in diesen Einschnitten unter-Ädiobci die Innenelektrode mu dem tsaufladunuscleinent mittels dielektrischer BudS S Ausschnitten zum Flüssi.keitsdurchgang ncSb des Gehäuses unterbrach, ist. so daß /wi-„ ih und dem Gehäuse ein Kanal /um Flüssig- <° eiSurchgang entsteht, der die Druckleilungsstrccke 5Scitk. die veränderliche Drossel darstellt. BfiÄct zweckmäßie, daß innerhalb des CIe

li tor, der mit der Flüssigkeilsart und konstruktiven Wandlergrößen zusammenhängt, und V die Strömungsgeschuindigkeit der Flüssigkeit bedeuten.

Beim Anlegen eines Hingangssignals an den Wandler entwickelt sich darin zwischen den Elektroden

miili

\. 1 1 1 *_ 1 V_ Λ I I I .1*_ 1 1V. Π 1 HU, U U I \. I I >»VI«.lll..l »J ^ · · »—£, strom turbulent wird und das Druckgefälle am Wandler steigt. Es gilt dabei

ρ _ _p ^ k,-v",

wo A\, l'roportionalitätsfaktor und α eine den Turbulenzgrad des Flüssigkeitsstromes kennzeichnende Zahl darstellen.

Dies bedeutet somit, daß bei konstant bleibendem Flüssigkeitsdurchfluß durch den Wandler der Uiuckabfall an diesem mit der Vergrößerung des Eingangssignals auch steigt. Der Flüssigkeitsdurchfluß wird dabei durch Durchflußregler konstant gehalten. Es ist somit

..Ip = A., ■ v,, - A-, · v.

Nachstehend wird eine ausführliche Beschreibung der Auslegungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnähme auf die /.,.-ichnunger, vorgeführt, m denen zeigt

F i g. 1 den eiektrohydraulischen Wandler im Länussehnilt schematisch dargestellt,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel des clektrohydraulischen Wandlers im Längsschnitt, F , g. 3 den Schnitt HMIl der F ' B- 2.

F ig. 4 ein anderes Ausführungsbc.sp.el des elekirohuiraulischen Wandlers im Längsschnitt, F i g. 5 den Schnitt V-V der F . g. 4.

Der erfindungsgemäße elektrohydraulisch«: W andler kann in eine Rohrleitung eingebaut werden. Dabei dien, als Gehäuse 1 , Γ i g. 1) des Wandlers cm Rohrabschnitt desselben Durchmessers wie bei der Rohrleitung selbst. Das Wandlergehause ,st mit der Rohrleitung durch Buchsen 2 und 3 verbunden, de aus einem Dielektrikum. be,sp,elswe,se aus orga, schem Glas, gefertigt -.verden Das C, eh a se I^ auch eine der Elektroden des Wandlers. N^hstclund wird das Gehäuse Außenelektrode genannt Inner-

BB;f % f

Druckleitungsstrecke und gleichzen.g d,e verande,-liehe Drossel darstellt.

Das physikalische Ρπηζ,ρ des vorl.egcmlen \oisehlags besteht in folgendem: Iknn -chlcn emcs elektrischen Eingangssignals an. X andler set/t nn Durchgangskanal des Gehäuses d,e [^^^ der Flüssigkeit cn, die sich durch emc R, ο Ids 1 Rc < 2300 charakterisiert. Das Druckuelal e an clsemStrömungsabschnitl ergibt sich aus der Gluchung P₁ - Ρ,' K,-V.

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_c^^J^^_omi]UCn_c 8 anzuschließen.

un,l in den Buchsen 2 und 3 Bohrungen vorgesehen,

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^ ^ ,V^w 12 vorgesehen werden, die zur ^w des Flifssiakeitsdruckos am Eingang in den

^^//^,^^^^^Vandicrausfuhrung wird die Inneneiek.rode 4 (F ig. 2) des Wandlere wie folgt

Hilfe von Buchsen 13 festgelegt, die aus Dielektrikum gefertigt sind und RingaussehniUc zum Flüssigkeitsdurchgang aufweisen.

Auf den abgerundeten Stirnflächen der Elektrode 4. an deren Kreisumfang gleichmäßig verteilt, sind Einschnitte gelegt. Das Element 5 zur Aufladung der Flüssigkeit stellt einen Faden, beispielsweise aus Vinnol, dar, der lungs der Seitenfläche der Elektrode 4 mit maximalem Anzug aufgewickelt ist. Die Fadenwicklungen gehen dabei in die genannten Einschnitte auf den Stirnflächen der Elektrode 4 hinein. Diese Ausführung des Wandlers besitzt einen verhältnismäßig geringen hydraulischen Widerstand.

In einer weiteren Wandlerausführung wird ins Gehäuse 1 (Fig. 4) ein zylindrischer Diclcktrikumsstab 14 eingepreßt. Auf den Erzeugenden dieses Stabes 14 sind diametral gegenüberliegend Rcchtccknuten ausgefräst.

Am Boden dieser Rcchtccknuten wird ein Metallband eingelegt, das als Inncnclcktrodc 4 dient. Über das Metallband werden in diesen Nuten die Faden des Elementes 5 zur Flüssigkcitsaufladung aufgewikkclt. In einer der Stirnflächen des Dielektrikumsstabcs 14 ist eine Bohrung ausgespart, in welcher ein mit der Inncnclcktrodc 4 in Kontakt tretender Metallstab 15 eingelegt wird. Bei dieser Auslegung des Wandlers dienen die Rechlecknuten im Diclcktrikumsstab 14 als Durchgangskanälc für Flüssigkeit. Wie die Untersuchungen zeigen, ist der Flüssigkeitsdurchfluß durch die Spalte des Rcchtcckquerschnitts um ein Mehrfaches größer als durch die Ringspaltc derselben Querschniltsfläche. infolgedessen kann der Wandler bei dieser Ausführung auch bei verhältnismäßig großen Flüssigkeitsdurchflußmengcn seine Anwendung finden.

Der clcktrohydraulischc Wandler arbeitet wie folgt. Nach dem Anschluß der Elektroden 1 und 4 an den entsprechenden Pol der Gleichstromquelle 8 entwikkelt sich zwischen diesen Elektroden 1 und 4 ein elektrisches Feld. Die Flüssigkeit erreicht zunächst den Einirittsstutzen 6 des Wandle !gehäuses 1 und tritt dann in den Flüssigkcitsdurchgangskanal zwischen der Innenfläche des die Außenelektrode darstellenden Gehäuses 1 und der Inncnclcktrodc 4 hinein.

Der Slrömungszustand der Flüssigkeit ist dabei laminar, d. h.. er ist charakterisiert durch eine Rcynoldszahl Rc < 2300.

Bei ihrer Wirbelströmung zwischen den Elektroden 1 und 4 tritt die Flüssigkeit mit dem Element 5 zu deren Aufladung in berührung. Dabei erhält die Flüssigkeit infolge der Reibung am Dielektrikum eine elektrische Ladung, deren Größe mit der Art der Flüssigkeit und des Werkstoffs des Elementes 5 zusammenhängt.

ίο Die Feldstärke zwischen den Elektroden 1 und 4 erreicht den Wert von 5 ■ 10° V/m. Im allgemeinen hängt die Feldstärke von der Leistung der Stromquelle ab.

Die aufgeladene Flüssigkeit wirkt mit dem elektrisehen Feld zusammen, wodurch deren Strömungszusland in den turbulenten übergeht, d. h., er ist durch Rcynoldszahl Rc > 2300 charakterisiert. Bei diesem Strömungszusland vergrößern sich die Verluste zur Überwindung des hydraulischen Widcrslandes des Wandlers, und der Druck /'„ an dessen Austritt wird kleiner. Durch Abänderung der Feldstärke kann ein anderer Turbulcnzgrad der Strömung eingestellt und somit der erforderliche Wert des hydraulischen Signals am Ausgang des Wandlers erhalten werden.

Die Größe des hydraulischen Ausgangssignals hängt von den Hauptdaten des Wandlers der Beziehung cc maß ab

P₁ -/»„=*■

in welcher ν die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung bei U 0. I die Länge des Durchgangs-

kanals für die Flüssigkeit im Wandler, ή den Abstand zwischen den Elektroden und k den Proporlioualitälsfaktor sowie U Stromspannung an den Elektroden des Wandlers bedeuten.

Das heißt, daß bei gewählten konstruktionsmäßigcri

Kennwerten des Wandlers und festgelegter Spannung an den Elektroden 1 und 4 das hydraulische Au«" gangssignal. l ρ oder P„ gesteigert werden kann.

Der elektrohydraulische Wandler der crfindungs gemäßen Bauart und Arbeitsweise ist schnellwirkenc und betriebssicher, da er keine beweglichen mechanischen Bauteile enthält.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Veränderung des hydraulischen Widerstandes im Strom einer reinen dielektrischen Flüssigkeit auf einer Druckleitungsstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Druckleitungsstrecke eine Laminarströmung der reinen dielektrischen Flüssigkeit durch Reibung an einem dielektrischen Einsatzstück bei dessen Umslrömung mit statischer Elektrizität aufgeladen wird und ein zur Strömung quergerichtetes elektrisches Feld erzeugt wird, das mit dem aufgeladenen Flüssigkeitsstrom derart zusammenwirkt, daß die Strömung turbulent wird.

2. Elt-ktrohydraulischer Wandler zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I₁ mit einem Gehäuse mit Ein- und Ausgangsrohrslutzen, die über einen Durchgangskanal für die reine dielektrische Flüssigkeit miteinander verbunden sind und mit einer Vorrichtung zur Veränderung des hydraulischen Widerstandes aus einer Gleichspannungsquelle und an diese angeschlossene Elektroden und einem im Gehäuse untergebrachderstands im Strom einer reinen dielektrischen Flüsigkeit auf einer Druckleitung.vurecke sowie auf einen nach diesem Verfahren arbeitenden elektroiivdrauüschen Druckwandler, der unmittelbar elek-5 trische Sienalc in hydraulische Größen umsetzen kann. Gedacht ist dabei insbesondere an die Anwendung in Antrieben von eiektri;hydraulischen Selbststeuerungsanlagen u. dgl.

Bisher werden hydraulische Größen in Leitungen vorzimsweise durch Drosseleinnchtungcn wie klappen, Ventile oder Schieber verändert, die ihrerseits elektrisch gesteuert sein können. Kennzeichnend hierfür ist also ein Umweg in dem Sinne, daß das elektrische Signal zuerst in eine mechanische Stellgröße

,₅ die Stellung des Drosselorgans — umgewandelt

wird und erst dieses die Druckparameter des in der Leitunsi strömenden Mediums beeinflußt und so die Gewinnung eines hydraulischen Ausgangssignals ermöglicht.

Der Hauptanteil ist hierbei die Notwendigkeit von bewcclichen mechanischen Bauteilen, die die Betriebssicherheit des Wandlers und die Genauigkeit der Steuerung herabsetzen und dem Verschleiß unterließen. Außerdem ist die Ansprechzeit durch die Hin

ten Flüssigkeitsaufladungselement und mit einer 25 schaltung mechanischer Teile unbefriedigend lang veränderlichen Drossel, dadurch gekennzeichnet, und der Aufbau insgesamt kompliziert.

Durch Verschmutzung der mechanischen Teile kann die Beweglichkeit derselben in Frage gestellt rden oder es müssen zu deren Bewegung über-

daß als Außenelektrode das Wandlergehäuse (1)
dient und die innerhalb des Gehäuses (1) untergebrachte Innenelcktrodc (4) als zylindrischer we
Metallstab ausgebildet ist, der abgerundete Stirn- 30 dimensionierte Antriebe vorgesehen werden, flächen mit Einschnitten aufweist, die gleichmäßig Bei der vorliegenden Erfindung geht es um eine

auf dem Außenumfang dieser Stirnflächen ver- unmittelbare Umwandlung des elektrischen Signals teilt sind, wobei das Flüssigkeitsaufladungscle- in eine hydraulische Ausgangsgröße. ment (5) Fäden aus einem Dielektrikum darstellt, An sich ist es bekannt, auf elektrischem Wege im-

die in diesen Einschnitten untergebracht sind und 35 mittelbar Strömungen zu beeinflussen. So ist z. B. aus

der deutschen Offcnlegungsschrift 19 56 760 eine Einrichtung zur Beeinflussung der Grenzschicht eines

wobei die Inncnelektrode (4) mit dem Flüssigkeitsaufladungselement (5) mittels dielektrischer Buchsen (13) mit Ausschnitten zum Flüssigkeitsdurchgang innerhalb des Gehäuses (1) untcrgc-

Strömungsmittel bekannt, bei der durch Aufbringen eines elektrokinetisch aktiven Materials auf die Oberbracht ist, so daß zwischen ihr und dem Ge- 40 fläche, deren Umströmung beeinflußt werden soll. häuse(l) ein Kanal zum Flüssigkcitsdurchgang und Anlegen einer Spannung an Elektroden zu beiden

Seiten dieses Materials erreicht werden soll, daß di,< Grenzschicht beschleunigt und der Strömungswiderstand verringert wird. Eine Lösung der vorliegenden

entsteht, der die Diuckleilungsstieeke und gleichzeitig die veränderliche Drossel darstellt.

3. Elektrohydraulischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb 45 Problematik wird hierdurch nicht geboten, da nur des Gehäuses (1) ein dielektrischer Zylinderslab eine Grenzschichtbeeinflussung vorliegt, die z. B. bei (14) mit diametral entgegengesetzt liegenden Torpedos, Schleppkörpern od. dgl. günstige Wirkun-Rechtecknuten in seiner Mantelfläche starr be- gen zeigen soll.

festigt ist und die Inncnelektrode (4) ein im Nu- Eine andere Art unmittelbarer Beeinflussung von

tenboden liegendes und die Fäden des i lüssig- 50 Strömungsparanietern durch elektrische Signale findet keitsaufladungselements (5) tragendes Metallband
darstellt, das mit einem Metallstab (15) in Kontakt tritt, der in eine in einer Stirnfläche des
dielektrischen Stabes (14) ausgesparte Bohrung
eingelegt ist, wobei die Innenelektrode (4) mit 55

dem Flüssigkeitsaufladungselement (5) zusammen mit den Wänden der Nuten im dielektrischen Zylinderstab (14) und dem Gehäuse (1) den Kanal für den Flüssigkeitsdurchgang bilden, der die Druckleitungsstrecke und gleichzeitig die vcränderliche Drossel darstellt.