Регулятор расхода и пусковое устройство с регулятором расхода
FLOW REGULATOR AND STARTING DEVICE WITH FLOW REGULATOR

Изобретение относится к регуляторам расхода прямого действия, и пусковым устройствам (устройствам дозирования) предназначенным для регулирования расхода жидкости или газа, или поддержания заданного расхода в широком диапазоне входных давлений, и дозирования пускового расхода рабочего тела и может применяться в различных устройствах, например, в ракетных двигателях для поддержания расхода или заданного соотношения компонентов топлива и дозирования пускового расхода, а также в различных химических реакторах с той же целью.
Известен регулятор расхода, содержащий корпус с входной полостью и расположенной во входной полости втулкой с выходным каналом в ней, образующим выходную полость, и окном, выполненным во втулке, сообщающим входную и выходную полости, с установленным над этим окном упругим пружинным элементом в виде пластины, закрепленном одним концом относительно втулки на каретке. Свободный конец пластины поджат к полости окна термочувствительным элементом (патент РФ №2190247, опубликовано 27.09.2002, бюл. №27).
2
Такой регулятор расхода имеет сложное устройство и требует проведения сложных процедур для настройки стабильного расхода рабочего тела в широком диапазоне перепадов давления между входной и выходной полостями, кроме того поджатие пластины к площади наружной втулки в зоне окна создает нерегламентированную силу трения, которая препятствует движению пластины в процессе ее прогиба, при изменении перепада давления, что не обеспечивает стабильность расходных характеристик регулятора расхода при небольших (до 1,5-2,5 кгс/см) перепадах давления.
Наиболее близкий по технической сущности регулятор расхода содержит корпус, между входным и выходным каналами которого расположена втулка с выполненным в ней окном, над которым установлена упругая пластина, один конец которой закреплен на втулке, а другой опирается на элемент настройки упругой пластины. Элемент настройки упругой пластины выполнен в виде плоской пружины, первый конец которой закреплен относительно корпуса, а второй - взаимодействует с другим концом упругой пластины. Перенастройка расхода производится перемещением опоры второго конца упругой пластины. Регулирование расхода происходит при поперечном перемещении толкателя, взаимодействующего с опорой второго конца упругой пластины (а.с. СССР №1073752, МПК G05D 7/01, з. №3434518 от 04.05.1982, опубл. 15.02.1984, бюл. №6).
Недостатком данного устройства является сложность конструкции и технологии производства. Кроме того, настройка расхода и его регулирование разделены и требуют для изменения номинального расхода дополнительной настройки в процессе эксплуатации, что усложняет процесс регулирования при перенастройках на новый расход. Еще один существенный недостаток - траектория перемещения опорной поверхности при настройках и регулировании не является прямой, что существенно усложняет процесс регулирования.
Дополнительно взаимодействие плоской пластины с упругой пластиной может привести к упругим колебаниям пластин в зоне их касания, что является причиной гидродинамической неустойчивости рабочего тела при его прохождении через регулятор расхода и, как следствие, неуправляемых колебаний расхода и давления рабочего тела.
Кроме того, при перемещении толкателя задатчика расхода изменяется усилие взаимодействия плоской пластины с упругой пластиной, тем самым изменяется не только расход, но и непредсказуемо изменяется расходная характеристика регулятора расхода.
Известно также пусковое стабилизирующее устройство, в котором для обеспечения броскового расхода в момент запуска используется внутренняя полость сильфона, которая соединена с выходной полостью пускового стабилизирующего устройства через окна, выполненные параллельно дросселирующему отверстию, что обеспечивает достаточный для высокодинамичного запуска и заполнения рабочим телом объемов (бросковый расход) расположенных за выходной полостью стабилизирующего устройства (патент №2529453 з. №2012100295 от 10.01.2012).
Недостатком такого устройства является ограничение допустимого перепада давления на сильфоне и ограниченность ресурса сильфонов на циклические перемещения в зависимости от допускаемой величины рабочего хода. Эти недостатки значительно ограничивают возможности регулирования и снижают основные характеристики, например, реактивных двигателей малой тяги, где требуется широкий диапазон перепада давления на сильфоне и большой ресурс по количеству циклов.
2
Дополнительным недостатком этого устройства является недопустимый разброс характеристик регулятора на начальном участке регулирования в диапазоне перепадов до 3 кгс/см, связанный с нестабильностью расхода шток - дросселирующее отверстие на начальном участке движения штока относительно отверстия регулятора.
Задачей данного изобретения является устранение указанных недостатков.
Предлагается регулятор расхода, содержащий корпус регулятора с входной и выходной полостями, втулку с выходным каналом, являющимся частью выходной полости, окнами, не менее одного, расположенными на боковой поверхности втулки, соединяющими через выходной канал втулки входную и выходную полости, упругой пластины расположенной во входной полости над окнами.
Согласно изобретению упругая пластина, расположенная во входной полости над окнами, жестко закреплена по одну из сторон окон и свободно опирается по другую сторону окон на край подвижно установленной каретки с возможностью ее перемещения вдоль упругой пластины автоматически или вручную.
В связи с тем, что пластина свободно опирается на край каретки, в значительной степени повышена ее чувствительность к изменению перепада давления и точности регулирования расхода в широком диапазоне перепада давлений от десятых долей атмосферы. При этом верхний предел регулирования ограничен только предельными допустимыми напряжениями упругих характеристик пружины и размером окон, расположенных под пластиной на внешней поверхности втулки, и может достигать сотен атмосфер.
Это преимущество позволяет обеспечить неизменный постоянный расход, либо регулирование расхода с повышенной точностью (например, в реактивных двигателях) при наименьших потерях давления в гидравлических трактах устройств различного назначения.
Причем, такой регулятор расхода обладает простейшим устройством, состоящим из нескольких простых деталей, а значит, обладает наименьшей трудоемкостью. Кроме того, в отличие от прототипа, используется регулирование расхода только перемещением подвижной опоры в осевом направлении.
Исключительным преимуществом, за счет высокой точности стабилизации и регулирования, является экономия потребляемого топлива, например, реактивных двигателей, что обеспечивает высокую эффективность двигательных систем.
В случаях необходимости обеспечения высокой динамики заполнения рабочим телом гидравлических объемов, расположенных за регулятором расхода (по течению рабочего тела) предлагается пусковое устройство, состоящее из корпуса с входной и выходной полостями, установленного в нем вытесняющего элемента с закрепленным на нем регулятором расхода, имеющим возможность перемещения вместе с вытесняющим элементом.
Согласно изобретению регулятор расхода предлагается герметично установить в поршень между входной и выходной полостями пускового устройства, а вытесняющий элемент выполнить в виде подпружиненного поршня, имеющего ограничители перемещения, выполненные в корпусе.
Регулятор расхода вместе с поршнем в начальный момент движения рабочего тела перемещается на фиксированную величину (ход) под действием силы, образующейся от перепада давления между входной и выходной полостью и при уменьшении перепада давления до определенной величины, либо прекращении движения рабочего тела, под действием возвратной пружины, либо постоянного магнита, электромагнита, либо других устройств возвращается в исходное положение.
Для уменьшения габаритов и массы в качестве поршня может быть применен корпус регулятора расхода, а при этом возвратная пружина установлена в его выходном канале.
Для исключения недопустимых утечек топлива, между поршнем и внутренней поверхностью корпуса установлен герметизирующий элемент в виде, например, манжеты, либо другого герметизирующего устройства, обеспечивающего регламентированную утечку (дренаж при необходимости) для надежного возврата поршня в исходное положение.
Для исключения автоколебаний поршня в момент его возвращения в начальное положение между поршнем и корпусом поршня установлен герметизирующий запорный орган возвратного хода с диаметром герметизации меньшим диаметра поршня.
Перемещение поршня на определенный ход обеспечивает подачу дополнительного к регулятору расхода рабочего тела в объеме равном площади ограниченной наружным диаметром поршня умноженной на величину его хода.
Предлагаемые решения поясняются чертежами.
На фиг. 1 приведена конструктивная схема регулятора расхода для систем, не требующих высокой динамики запуска, например, для маршевых реактивных двигателей.
На фиг. 2 приведена конструктивная схема пускового устройства с регулятором расхода.
На фиг. 3 приведена конструктивная схема пускового устройства, в котором корпус регулятора является поршнем, а возвратная пружина установлена в выходном канале регулятора.
Регулятор расхода состоит из корпуса регулятора 1 с входной 2 и выходной 3 полостями, втулки 4 с выходным каналом 5, упругой пластины 6, расположенной со стороны входной полости корпуса регулятора, над окнами 7, при этом упругая пластина жестко закреплена по одну из сторон втулки 4 в зоне 8 и свободно опирается на противоположной стороне втулки на край 9 подвижно установленной каретки 10 с возможностью ее перемещения вдоль упругой пластины вручную или автоматически (на чертеже не показано).
2
Следует отметить, что при фиксированном положении каретки независимо от перепада давления на регуляторе расхода реализуется постоянный (неизменный) расход рабочего тела, начиная с минимальных перепадов давления (~0,3-0,5 кгс/см).
При перемещении каретки вдоль пластины расход через регулятор расхода изменяется, что позволяет настраивать регулятор расхода на новую величину расхода, отличающуюся от первоначального значения. Таким образом реализуется настройка регулятора расхода на заданный расход. При перемещении каретки от автоматически управляемого привода (на чертеже не показан) реализуется автоматическое управление величиной расхода рабочего тела, что крайне важно для регулирования расхода по заданной программе различных устройств, например тяги реактивных двигателей. Кроме того, величину расхода можно устанавливать изменением (увеличением, уменьшением) высоты расположения кромки каретки, на которую опирается пластина и, дополнительно, изменением положения места крепления упругой пластины (зоны 8) на втулке относительно окон 7.
Для динамичного быстрейшего заполнения рабочим телом внутренних объемов, расположенных за регулятором расхода (по ходу движения рабочего тела), регулятор может быть герметично установлен в поршень 11 (фиг. 2) или его корпус 1 может являться поршнем (фиг. 3). Поршень установлен между входной 2 и выходной 3 полостями регулятора расхода и пускового устройства с возможностью перемещения поршня в корпусе 12 по цилиндрической внутренней поверхности на определенную величину хода h под действием силы, образующейся от перепада давления между входной и выходной полостями в период подачи рабочего тела и возвращения поршня в исходное положение под действием возвратной пружины 13, при снижении перепада до наименьшей величины либо прекращении движения рабочего тела.
Вместо возвратной пружины может быть установлен постоянный магнит, электромагнит, либо другое устройство, способное создавать необходимое усилие (на чертеже не показаны). Для исключения нерегламентированных утечек между поршнем и корпусом поршня установлен герметизирующий элемент 14 (уплотнительное кольцо, манжета и др.) Для исключения автоколебаний поршня при минимальных перепадах давления в поршне установлен запорный орган обратного хода 15. Диаметр запорного органа обратного хода определяется из соотношения:
2
1
при d<D
1
1
где ΔP - перепад давления на поршне, преодолевающий усилие пружины и воздействующий на площадь с наружным диаметром D;
1
1
S - площадь ограниченная диаметром D;
пр
F - усилие возвратной пружины при максимальном ходе h поршня;
К - коэффициент больше единицы исключающий автоколебательный процесс поршня;
2
2
2
пр
ΔP - перепад давления на поршне площадью S ограниченный диаметром запорного органа d создающий усилие КF.
Для ограничения прямого хода поршня установлен ограничитель хода поршня 16, который одновременно может выполнять роль герметизирующего элемента между поршнем и корпусом поршня.
Для исключения газовых пузырей в момент заполнения рабочим телом подпоршневой полости в поршне может быть выполнено отверстие 17 малого диаметра.
Регулятор расхода работает следующим образом. При включении расхода рабочего тела, например открытием клапана (на рисунке не показан), рабочее тело при движении через регулятор расхода создает перепад давления на упругой пластине 6 в зоне окон 7, расположенных на боковой поверхности втулки 4. Под действием сил от перепада давления упругая пластина, свободно опираясь на край 9 каретки 10, прогибается, перекрывая проходное сечение через окна 7 до равновесия упругих сил пружины и сил от перепада давления на пластине в зоне окон. При этом внутри корпуса 1 регулятора расхода реализуется расчетный расход между входной полостью 2 через окна 7, и выходным каналом 5 втулки 4, сообщенным с выходной полостью 3.
Установленный в пусковом устройстве регулятор работает аналогично. При этом одновременно под воздействием сил от перепада давления на площадь, ограниченную наружным диаметром поршня, поршень 11, двигаясь совместно с регулятором расхода в корпусе поршня 12, сжимает пружину 13 и выталкивает рабочее тело через выходную полость 3 в расположенный за регулятором расхода объем, обеспечивая высокую динамику его заполнения. Этот объем равен площади ограниченной наружным диаметром поршня умноженной на его рабочий ход h. При этом обеспечивается высокая динамика запуска устройства, расположенного за регулятором расхода, например, запуск ракетного двигателя малой тяги, обеспечивая его высокие энергетические и динамические характеристики на импульсных режимах работы длительностью менее 1 секунды (основном режиме работы двигателя). Необходимая величина "броскового" расхода устанавливается рабочим ходом поршня.
При снижении перепада давления на поршне, либо прекращении подачи рабочего тела, например, закрытие клапана (на рисунке не показан) под действием пружины 13 поршень 11 совместно с регулятором расхода возвращается в исходное положение, заполняя рабочим телом подпоршневой объем через окна 7 втулки 4, при этом осуществляется подготовка поршня с регулятором расхода для следующего "броскового" расхода. Обратное движение поршня огранивается запорным органом обратного хода 15, перекрывающим поступление рабочего тела в надпоршневую полость, и создающим повышенный перепад давления для следующего запуска регулятора расхода.
Между наружной поверхностью поршня и корпусом поршня расположено герметизирующее устройство, например, кольцо 14, манжета и ограничитель прямого хода поршня 16, который также может играть роль герметизирующего элемента между поршнем и корпусом поршня. Для исключения газовых пузырей в период начального заполнения рабочим телом подпоршневой полости в поршне может быть выполнено отверстие 17 малого диаметра.
Вместо пружины может быть использован постоянный магнит, электромагнит, либо иное устройство, способное создавать усилие возврата поршня в исходное положение. В этом случае исключается запорный орган обратного хода в связи с тем, что при возврате поршня усилие превышает усилие при рабочем ходе.
Возвратная пружина может быть расположена в выходном канале 5 втулки (фиг. 3). В этом исполнении наружный диаметр поршня равен наружному диаметру корпуса регулятора 1. При этом значительно снижаются габариты и масса пускового устройства. Кроме того, эти преимущества позволяют снизить трудоемкость устройства.
В системах, где не требуются высокие динамические характеристики, регулятор расхода может быть использован самостоятельно. При этом конструкция регулятора упрощается (см. фиг. 1) и ограничивается корпусом регулятора, что в значительной степени упрощает конструкцию в целом, снижает габариты и массу устройства при сохранении всех характеристик стабилизации и регулирования расхода через окна втулки с ограничением проходных сечений окон при воздействии сил на упругую пластину от перепада давления над окнами пластины.
В целом, предложенные устройства обеспечивают стабилизацию, либо регулирование расхода в диапазоне перепада давления на пластине и поршне в диапазоне от нескольких долей атмосферы до нескольких сот атмосфер в непрерывном и импульсном режимах работы устройств расположенных за регулятором расхода по ходу течения рабочего тела и ограничивается лишь рабочим давлением в системе хранения и подачи топлива.