РЕГУЛЯТОР РАСХОДА
FLOW RATE GOVERNOR

Изобретение относится к машиностроению, а именно к арматуростроению, и предназначено для регулирования расхода криогенных газов по командам от системы управления и может быть использовано в пневмогидросистемах различных отраслей промышленности.
Известен регулятор расхода, предназначенный для регулирования расхода рабочей среды, содержащий корпус с входным и выходным каналами, связанными между собой через дросселирующие элементы, выполненными заодно со штоком, который вращается и перемещается поступательно-возвратно в двух опорных узлах, имеющих уплотнение по штоку, который, в свою очередь, с одной стороны соединен через шлицевое соединение с шаговым электродвигателем, последний соединен электрической связью с блоком управления, а блок управления - с датчиком обратной связи, который с другой стороны механически соединен со штоком через тарель, перемещающуюся поступательно-возвратно по направляющей поверхности корпуса и поджатую пружиной через шарикоподшипник по торцу штока. Датчик обратной связи выдает электрический сигнал на блок управления о текущем положении штока (патент RU №2409828 С2, МПК F16K 1/44, опубл. 20.01.2011 г. - прототип).
Известный регулятор расхода имеет следующие недостатки:
- нестабильность расходной характеристики при изменении входного давления;
- недостаточная точность регулирования расхода рабочей среды при изменении в широком диапазоне входного давления;
- сложная конструкция уплотнительных элементов, требующая обязательного наличия дренажной системы;
- в конструкции использована механоэлектрическая обратная связь, в которой применен датчик обратной связи, связанный механически с исполнительным органом, что усложняет конструкцию и снижает надежность;
- импульсный режим управления шаговым электродвигателем не используется в качестве учета импульсов, поданных на шаговый электродвигатель, с целью сравнения с командными импульсами, подающими от системы управления для изменения (поддержания) расхода рабочей среды.
Целью предлагаемого изобретения является регулятор расхода, обеспечивающий возможность стабильного регулирования расхода криогенной рабочей среды с повышенной точностью в широком диапазоне изменения входного давления.
В предложенном регуляторе расхода поставленная цель достигается применением схемы двухкаскадного регулирования расхода, а также тем, что в корпусе регулятора расхода с одной стороны в осевом направлении установлена пара клапан-седло, которая разделяет полость высокого и низкого давления, с одной стороны клапан поджат пружиной к седлу, с другой стороны клапан от седла отжимается штоком, выполненным за одно целое с узлом сильфона, который является чувствительным элементом, внутри сильфона расположена нагрузочная пружина, создающая усилие, необходимое для выдачи постоянного низкого давления, необходимого для стабильного регулирования расхода рабочей среды при изменении входного давления, в корпусе регулятора расхода с другой стороны в перпендикулярном направлении в полости низкого давления установлен регулирующий орган регулятора расхода, выполненный в виде подвижного конусного клапана и неподвижного седла в виде отверстия с острой кромкой по торцу в корпусе регулятора расхода, клапан имеет возможность самоустановки на седло при воздействии осевого усилия, направленного в сторону седла, обеспечивая нулевой расход, в регуляторе расхода применен сильфон, который одной стороной приварен к клапану, а другой стороной к корпусу регулятора расхода, который является подвижным уплотнением клапана с атмосферой, и обеспечивает работу регулятора расхода на криогенной рабочей среде, в регуляторе расхода применен электропривод, состоящий из шагового электродвигателя, обладающего малой дискретностью и высокой приемистостью и дающего возможность регулирования с повышенной точностью, и механического редуктора, состоящего из двух цилиндрических передач и винтовой передачи, основание крепления шагового электродвигателя к корпусу регулятора расхода выполнено из материала, обладающего малой теплопроводностью (стеклотекстолит), которое служит термомостом между криогенной частью регулятора и шаговым электродвигателем, что обеспечивает использование при криогенных температурах.
В предложенном регуляторе расхода исключен датчик обратной связи (датчик положения исполнительного органа) и, соответственно, обратная связь с системой управления, взамен введена операция обеспечения нулевого положения регулирующего органа, используется импульсный режим управления шаговым электродвигателем в качестве учета импульсов, поданных на шаговый электродвигатель с целью сравнения с командами, поступающими от системы управления для изменения (поддержания) расхода рабочей среды.
Предлагаемый регулятор расхода рабочей среды представлен на чертеже, где
1 - корпус;
2 - входной канал;
3 - выходной канал;
4 - клапан;
5 - седло;
6 - пружина;
7 - шток;
8 - узел сильфона;
9 - втулка;
10 - кольцо;
11 - прокладка;
12 - пружина;
13 - клапан;
14 - сильфон;
15 - шток;
16 - корпус переходной;
17 - колесо;
18 - шаговый электродвигатель;
19 - основание.
Регулятор расхода содержит расположенные в корпусе 1 входной 2 и выходной 3 каналы. В корпусе 1 с одной стороны в осевом направлении установлены клапан 4 и седло 5, разделяющие полость высокого и низкого давления, с одной стороны клапан 4 поджат пружиной 6, с другой стороны клапан 4 отжимается от седла 5 штоком 7, выполненным за одно целое с узлом сильфона 8. Узел сильфона 8 своей неподвижной частью герметично установлен в корпусе 1, а подвижная часть которого, являющаяся основанием штока 7, направляется во втулке 9, поджимающей седло 5 к корпусу 1 через кольцо 10 и прокладку 11. Внутри узла сильфона 8, являющегося чувствительным элементом, расположена нагрузочная пружина 12, создающая усилие, необходимое для выдачи постоянного низкого давления, необходимого для стабильного регулирования расхода рабочей среды при изменении входного давления. В корпусе 1 с другой стороны в перпендикулярном направлении в полости низкого давления установлен регулирующий орган регулятора расхода, выполненный в виде подвижного конусного клапана 13 и неподвижного седла в виде отверстия в корпусе 1 с острой кромкой по торцу. Клапан 13 имеет возможность самоустановки на седло при воздействии осевого усилия, направленного в сторону седла. Сильфон 14, примененный в качестве подвижного уплотнения клапана 13 с атмосферой, одной стороной приварен к клапану 13, другой стороной - к корпусу 1. Внутри сильфона 14 расположены шток 15 и направляющая часть корпуса переходного 16, в которой поступательно-возвратно перемещается шток 15. Резьбовая пара, выполненная на штоке 15 и колесе 17, преобразует вращательное движение колеса 17, закрепленного от осевого перемещения в корпусе переходном 16, в поступательное движение штока 15. Вращательное движение колесу 17 придается от шагового электродвигателя 18, закрепленного на основании 19, через две цилиндрические передачи, установленные в корпусе переходном 16 и основании 19. Основание 19, выполненное из стеклотекстолита, служит термомостом между криогенной и электрической частями регулятора расхода.
Регулятор расхода работает следующим образом.
Регулятор расхода приводится в нулевое положение. Нулевое положение соответствует закрытому положению. Для приведения регулятора расхода в нулевое положение необходимо подать на шаговый электродвигатель 18 установленное для конкретной конструкции количество импульсов. Приведение регулятора расхода в нулевое положение является обязательной операцией при эксплуатации, технологических операциях, испытаниях. Рабочая среда высокого давления, подведенная к входному каналу 2, поступает в полость высокого давления. В нулевом положении клапан 4 герметично разделяет полость высокого и низкого давления. При подаче команды от системы управления на определенное увеличение расхода рабочей среды шаговый электродвигатель 18 получает необходимое количество импульсов, происходит изменение положения клапана 13 относительно седла корпуса 1, что соответствует определенному расходу рабочей среды. При этом происходит прохождение рабочей среды через кольцевую щель, образованную клапаном 4 и седлом 5 в полость низкого давления. Происходит двухкаскадное регулирование рабочей среды. Давление рабочей среды в полости низкого давления снижается и поддерживается постоянным при изменении входного давления. Регулирование расхода рабочей среды происходит при постоянном с достаточной точностью давлении первого каскада (редуктора). Изменение расхода рабочей среды происходит при изменении проходного сечения между клапаном 13 и седлом корпуса 1, которое происходит в результате вращения вала шагового электродвигателя 18 на величину угла (оборотов), соответствующую количеству импульсов, полученных шаговым электродвигателем 18 от системы управления. Система управления анализирует процесс регулирования и подает команду на изменение расхода рабочей среды, подав на шаговый электродвигатель 18 соответствующие импульсы, сравнивает текущее количество импульсов с командой, поданной на изменение расхода рабочей среды и, в случае рассогласования, опять дает команду на изменение расхода до момента согласования.
Предлагаемая конструкция позволяет производить стабильное регулирование расхода криогенной рабочей среды с повышенной точностью при широком диапазоне изменения входного давления.
Положительный эффект от использования изобретения в составе разгонного блока с криогенными компонентами топлива:
- снижение потерь криогенных компонентов (гелий, водород) при дренаже за счет точного регулирования расхода рабочей среды при наддуве баков;
- повышение пожаровзрывобезопасности за счет уменьшения объема кислорода и водорода, отводимых при дренаже;
- уменьшение запасов топлива в системе обеспечения наддува баков криогенных компонентов (кислорода и водорода);
- увеличение полезной нагрузки разгонного блока за счет снижения потерь рабочих сред при наддуве баков и уменьшения запасов топлива.
В настоящее время успешно прошли исследовательские испытания макетов регуляторов расхода. Испытания проводились с целью подтверждения работоспособности конструкции. На основании полученных результатов испытаний макетов регуляторов расхода, работоспособность конструкции подтвердилась и была рекомендована для разработки опытных образцов для наземно-стендовой отработки.
На данный момент разработана рабочая документация регуляторов расхода, технические условия, программа испытаний и оборудование для испытаний опытных образцов, а также ведется разработка системы управления регуляторами расхода.