РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE REGULATOR

Регулятор давления относится к средствам автоматического управления и может быть использован в различных отраслях промышленности для регулирования давления газа и перекрытия трубопроводов, например в автоматических системах регулирования давления в отсеках летательных аппаратов, в линиях подмеса горячего воздуха при регулировании температуры в пассажирском салоне самолета.
Известны регуляторы давления непрямого действия, содержащие запорно-регулирующий орган в виде заслонки, расположенный в трубопроводе, пневмопривод, осуществляющий управление им с помощью механизма командного, который включает в себя редуктор подготовки силового воздуха, электромагнитный клапан и задатчик давления (М.Д.Голубев Газовые регуляторы давления, М.: Машиностроение, 1964 г.).
Наиболее близким техническим решением является регулятор давления по полезной модели №40505 от 30.03.2004 г., содержащий регулирующий орган, установленный в трубопроводе между входной и выходной его полостями и кинематически связанный с поршневым исполнительным механизмом, рабочая камера которого соединена с входной полостью усилителя давления, сообщенной через сопло с атмосферой и через последовательно соединенные блок задержки, редуктор и электромагнитный клапан - с входной полостью регулятора давления, задатчик давления, подмембранная камера которого связана с выходной полостью регулятора давления и с внутренней полостью сильфона усилителя давления, причем камеры сильфона усилителя давления сообщены с атмосферой, в поршневом исполнительном механизме установлены разнесенные опоры относительно узла уплотнения, выполненные в виде разрезных колец, расположенных в канавках поршня, а уплотнение, разделяющее рабочую камеру поршневого исполнительного механизма с атмосферой, выполнено в виде резинового кольца, установленного в канавке поршня в П-образную манжету из антифрикционного материала.
Недостатком известного регулятора давления является его низкая степень герметичности в закрытом положении, что ведет к непроизводительным потерям рабочего тела, зачастую недопустимым в работе системы. Это обусловлено сложностью обеспечения герметичности заслонок вращения в трубопроводе по периметру без каких-либо эластичных уплотнений. В ходе эксплуатации герметичность перекрывного органа понижается из-за износа рабочих поверхностей, чему способствует контактное скольжение с элементом вращения в момент установки заслонки в закрытое положение. Использовать эластичные уплотнения в зоне контакта по периметру заслонки зачастую не представляется возможным из-за их низкотемпературных характеристик, низкой износостойкости, старения в процессе эксплуатации. Кроме того, для создания герметичности в момент установки заслонки в закрытое положение требуется дополнительное усилие на обжатие упругих элементов уплотнения, которое отрицательно сказывается на работе регулятора при вступлении его в работу. При открытии пневмопривод первоначально накапливает энергию на преодоление упругих сил обжатых элементов уплотнения, образовавшихся при закрытии заслонки, а в момент освобождения ее от этих сил происходит резкий заброс давления на выходе за регулятором, приводя систему в динамическую неустойчивость.
Целью изобретения является повышение герметичности запорно-регулирующего органа в закрытом положении регулятора, увеличение его ресурса и диапазона рабочих температур.
Поставленная цель достигается за счет того, что в регуляторе давления, содержащем регулирующий орган - поворотную заслонку, установленную в трубопроводе между входной и выходной полостями регулятора и кинематически связанную с пневматическим исполнительным механизмом, рабочая камера которого последовательно соединена с усилительной камерой задатчика давления, электромагнитным клапаном, имеющим канал сброса давления в атмосферу, постоянным дросселем, редуктором и через фильтр с входной полостью регулятора, задатчик давления, подмембранная полость которого связана с выходной полостью регулятора, а его усилительная камера через переменный дроссель «сопло-заслонка» сообщена с атмосферой, во входной полости разъемного трубопровода, имеющего цилиндрическую проточку, в соосных направляющих с уплотнениями установлено подвижное седло, входящее своей уплотняющей поверхностью в контакт с поворотной заслонкой и разделяющее уплотняемой перегородкой цилиндрическую проточку трубопровода на две камеры, в одной из которых (запорной) размещена возвратная пружина, причем эта камера сообщена с атмосферой, а другая камера (рабочая) через устройство задержки в виде обратного клапана с выполненной в его перекрывном элементе дюзой сообщена с каналом управления пневмоприводом на участке между постоянным дросселем и усилительной камерой задатчика.
Принципиальная схема регулятора давления представлена на чертеже.
Регулятор содержит разъемный трубопровод 1 с установленным в нем подвижным седлом 2, поджатым возвратной пружиной 3 к запорно-регулирующему органу-заслонке 4, связанной через передаточный механизм с пневмоприводом 5. Входная полость регулятора сообщена каналом через последовательно установленные фильтр 6, редуктор 7, дроссель 8, усилительную камеру 9 задатчика 10 с рабочей камерой 11 пневмопривода 5. Участок канала 12 между дросселем 8 и усилительной камерой 9 задатчика 10 имеет отвод на электромагнитный клапан 13, имеющий сброс в атмосферу. Одновременно этот отвод через клапан задержки 14, содержащий перекрывной элемент 15 с выполненной в нем дюзой, сообщен с рабочей камерой 16 подвижного седла 2. Задатчик 10 содержит чувствительный элемент в виде подпружиненной мембраны 17, контактно связанной с клапаном 18 усилительной камеры 9, который осуществляет задание требуемой величины давления в рабочей камере 11 пневмопривода 5 посредством дросселирования силового воздуха через седло 19 в атмосферу. Подмембранная полость задатчика 10 связана с выходной полостью регулятора трубопроводом, образующим обратную связь. Пневмопривод 5 включает в себя поршень 20 с возвратной пружиной 21, перемещающийся в рабочем цилиндре 22. Запорная камера 23 сообщена с атмосферой и служит для размещения в ней возвратной пружины 3. Подвижное седло 2 перемещается в соосных направляющих 24 и уплотняется кольцами 25.
Регулятор давления работает следующим образом:
При выключенном электромагнитном клапане 13 запорно-регулирующий орган - заслонка 4 закрыт (регулятор нормально закрытого типа). Воздух из входной полости трубопровода 1, проходя через фильтр 6 и редуктор 7, принимает стабильное, определяемое тарировкой редуктора 7 значение по давлению и ограниченное по расходу дросселем 8, сбрасывается в атмосферу через дренажное отверстие электромагнитного клапана 13, не доходя до рабочих камер 11 и 16 пневмопривода 5 и подвижного седла 2. При включении электромагнитного клапана 13 перекрывается канал сброса силового воздуха в атмосферу, и силовой воздух, проходя клапан задержки 14, поступает в рабочую камеру 16 подвижного седла 2, перемещая его на открытие, сжимая его возвратную пружину 3 посредством воздействия силового воздуха на эффективную площадь разделительного элемента седла 2. Одновременно силовой воздух поступает через усилительную камеру 9 задатчика 10 в рабочую камеру 11 пневмопривода 5, перемещая поршень 20, сжимая возвратную пружину 21 и через передаточный механизм переставляя заслонку 4 на открытие. Первым по очередности на открытие перемещается седло 2, предоставляя тем самым возможность вращения заслонке 4. Это достигается за счет того, что силовой воздух из канала 12, проходя в направлении прямого потока через клапан задержки 14, открывает его, причем клапан 14 имеет достаточное проходное сечение для быстрого заполнения рабочей камеры 16. Кроме того, камера 16 имеет меньший объем в сравнении с камерой 11 пневмопривода, возвратная пружина 3 подвижного седла 2 имеет меньшую рабочую нагрузку, чем пружина 21 пневмопривода 5, тем самым перестановочное усилие седла 2 требует меньшее по величине давление, чем заслонка 4.
Таким образом, заслонка 4, перемещаясь на открытие, открывает канал подачи рабочего тела в магистраль системы.
По линии обратной связи выходное давление из системы поступает в подмембранную полость задатчика 10. При достижении на выходе регулятора заданной величины давления, определяемой тарировкой задатчика 10, его рост приостанавливается. Это осуществляется посредством мембраны 17, которая, прогибаясь под действием выходного давления, перемещает клапан 18 усилительной камеры 9 на открытие седла 19, в результате чего происходит уменьшение величины давления силового воздуха в рабочей камере 11 пневмопривода 5. Поршень 20 под действием пружины 21 приостанавливает перемещение заслонки 4, и регулятор выходит на режим регулирования, в магистрали устанавливается заданное давление.
Закрытие регулятора осуществляется посредством выключения питания электромагнитного клапана 13. При этом открывается дренажное отверстие в клапане 13, и воздух из рабочей камеры 11 пневмопривода 5 и рабочей камеры 16 подвижного седла 2 под действием возвратных пружин 21 и 3 вытесняется в атмосферу. Сначала в закрытое положение устанавливается заслонка 4, так как установка поршня 20 в исходное положение и вслед за ним всей кинематики перестановки заслонки 4 осуществляется при большем давлении в сравнении с механизмом перестановки седла 2, о чем указано выше при описании последовательности открытия регулятора. Клапан задержки 14 способствует более плавному вхождению в контакт седла 2 с заслонкой 4 при перекрытии магистрали за счет того, что при уменьшении давления в канале 12 клапан задержки 14 в момент изменения направления потока воздуха закрывается, и сброс давления из рабочей камеры 16 осуществляется через выполненную в его перекрывном элементе 15 дюзу. Это способствует более устойчивой динамике в работе системы, исключаются резкие изменения давления, а безударное вхождение в контакт узла перекрытия «седло-заслонка» повышает эксплуатационную надежность и долговечность запорно-регулирующего органа регулятора.
Применение в описанной конструкции подвижного седла 2 и элементов его привода позволяет значительно повысить герметичность перекрытия трубопровода в закрытом положении регулятора. Кроме того, данная конструкция исключает необходимость контакта поворотной заслонки (по периметру) с проточной частью регулятора в моменты открытия - закрытия, а следовательно, предотвращается негативное влияние трения, что ведет к снижению износа перекрывного элемента и продлению срока его службы. Предложенное техническое решение позволяет длительно эксплуатировать регулятор давления в условиях как низких, так и высоких температур, что не позволяют запорные органы, оснащенные уплотнителями из эластомеров, широко применяемыми для повышения герметичности перекрытия трубопроводов.