РЕГУЛЯТОР РАСХОДА
FLOW RATE GOVERNOR

Изобретение относится к системам гидравлической синхронизации движения исполнительных органов (ИО), испытывающих воздействие различных по модулю знакопеременных нагрузок, которые применяются в промышленных установках, в том числе на летательных аппаратах. Синхронизация ИО в таких системах осуществляется за счет обеспечения равенства их скоростей движения. Требование сохранения постоянной скорости движения ИО независимо от действующих на них нагрузок удовлетворяется использованием в таких системах регуляторов с высокой точностью поддержания постоянного расхода, функционирующих, как правило, в широком диапазоне перепадов давлений, определяемом значительным разбросом нагрузок на ИО. Однако (особенно при больших, более 10 МПа, перепадах давлений), в проточной части регулируемых сечений возникают гидродинамические силы, влияющие на динамику движения подвижного регулирующего элемента. Это выражается в виде заклинивания и разворота золотника относительно его продольной оси, что искажает расходно-перепадную характеристику регулятора расхода (РР). Наличие статизма (положительного и отрицательного) расходно-перепадной характеристики свойственен любому РР. Снижение статизма достигается совершенствованием конструкции элементов проточной части РР. Вместе с тем из опыта проектирования следует, что расходно-перепадная характеристика для РР такого типа не должна иметь отрицательного статизма для гарантированного устойчивого режима работы РР в системе (Гликман, Б.Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей / Гликман Б.Ф. М.: Машиностроение, 1974. - 396 с. на стр.246).
Известны РР, включающие в себя корпус со штуцерами входа и выхода, окна в корпусе, перекрываемые кромкой или отверстиями в цилиндрической части подпружиненного золотника, выполненного в форме стакана, калиброванный дроссель в торце золотника (Башта, Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика / Т.М. Башта. М.: Машиностроение, 1972, рис.78а). В качестве недостатков такой конструкции следует отметить, что точность поддержания заданного расхода нарушается из-за:
1) наличия пружины в проточной части РР перед регулируемыми окнами, вызывающей неравномерность течения рабочей жидкости (РЖ) и неравномерное распределение давления во внутренней полости золотника;
2) большой площади торцевой поверхности золотника, перекрывающей окна гильзы (отсутствие острой кромки), что приводит к возникновению осевой составляющей гидродинамической силы;
3) наличия перепада давлений между внутренней и внешней поверхностями золотника, что приводит к возникновению радиальной составляющей гидродинамической силы.
В конструктивной схеме, представленной на рис.78б, хотя пружина вынесена из зоны регулирования (отверстия a и c), отсутствие гидродинамических сил не гарантируется из-за недостатков, указанных в п.2) и 3).
Известен РР, предназначенный для поддержания настроечного расхода РЖ вне зависимости от изменения разности давлений (перепада давлений) в подводящем и отводящем трубопроводах (патент №2065198). Недостатком такого РР является то, что для уменьшения величины гидродинамической силы, действующей на золотник, в нем необходимо выполнить центральный канал, сокращающий эффективную площадь чувствительного элемента, для компенсации которой требуется увеличение наружного диаметра золотника, что приводит к увеличению габаритов и массы РР.
Целью изобретения является устранение недостатков известных РР и создание РР, позволяющего поддерживать с заданной точностью расход РЖ в заданном (от 5 до 35 МПа) широком диапазоне изменения перепадов давления на РР. Достижение цели обеспечивается тем, что в предложенном РР, включающем разъемный корпус со штуцерами входа и выхода, установленную в корпусе гильзу с окнами, подпружиненный золотник в форме стакана с двумя скользящими опорами на концах, одна из которых имеет острую кромку, скошенную вовнутрь золотника по набегающему на кромку потоку, размещенный в гильзе и перекрывающий острой кромкой проходные сечения окон гильзы калиброванный дроссель в торце золотника, стержень, установленный в пазах цилиндрической стенки золотника, закрепленный концами в гильзе и взаимодействующий со стенками пазов с возможностью перемещения золотника вдоль оси гильзы и препятствующий его повороту, отличающийся тем, что кольцевой канал между внутренней поверхностью гильзы и поверхностью золотника между опорами сообщен с внутренней полостью золотника системой отверстий круглого сечения, часть из которых расположена напротив каждого из окон гильзы.
Конструктивная схема предлагаемого РР представлена на фиг.1, на которой позициями обозначены: 1 - разъемный корпус (деталь 1), 2 - гильза, 3 - острая кромка золотника, 4 - окна, 5 - пазы, 6 - стержень, 7 - калиброванный дроссель, 8 - разъемный корпус (деталь 2), 9 - штуцер выхода, 10 - пружина, 11 - отверстия круглого сечения, 12 - кольцевой канал, 13 - золотник, 14 - штуцер входа.
РР работает следующим образом. Устройство имеет два последовательно расположенных дросселирующих сечения, из которых первое сечение (калиброванное 7) является нерегулируемым. Золотниковая пара - окна 4 гильзы 2 и острая кромка 3 золотника 13, являются вторым дросселирующим сечением, регулирующим расход РЖ в зависимости от перепада давления на РР. При отсутствии реактивных сил и сил трения (идеальный РР) принцип функционирования РР определяется соотношением сил - силы, создаваемой перепадом давления на калиброванном дросселе 7, и силы, создаваемой пружиной 10 на золотнике 13. Если перепад давления на РР повышается, то расход РЖ через него отклоняется от настроечного значения (расход увеличивается) и, следовательно, повышаются перепады давлений на калиброванном дросселе 7 и золотнике 13. Вследствие этого золотник 13 перемещается, сжимая пружину 10 и перекрывая острой кромкой 3 окна 4, уменьшая их проходное сечение, при этом расход РЖ снижается до настроечного значения. При снижении перепада давления РР восстанавливает настроечное значение расхода РЖ в соответствии с принципом действия, представленным выше.
Как указывалось ранее, при больших перепадах давления на РР в результате дросселирования потока РЖ в окнах 4 формируются струйные течения, которые вызывают появление гидродинамической силы (осевой и радиальной составляющих). Эта сила создает неравномерное распределение давления на цилиндрических поверхностях золотника 13, в результате чего возникают дополнительные силы трения, приводящие к торможению его движения. В предлагаемой конструкции РР кольцевой канал 12 сообщен с внутренней полостью золотника 13 системой отверстий 11. Часть из этих отверстий большего диаметра расположена напротив окон 4 гильзы 2 и способствует взаимной компенсации энергии истекающих из противоположных окон 4 струй РЖ. Другая часть отверстий предназначена для снижения перепада давления (разгрузки золотника) между внутренней полостью золотника 13 и кольцевым каналом 12 и уменьшения воздействия на него радиальной составляющей гидродинамической силы. Для фиксации взаимного (напротив друг друга) расположения окон 4 и отверстий 11 служит стержень 6, исключающий угловое перемещение золотника 13.
Совокупность острой кромки 3 (скошенной внутрь золотника 13 по набегающему на острую кромку потоку) в золотниковой паре и отверстий 11 в цилиндрической части золотника 13 позволяет существенно уменьшить осевые и радиальные составляющие гидродинамической силы предлагаемого РР, снизить положительный статизм его расходно-перепадной характеристики и улучшить, в конечном счете, параметры систем гидравлической синхронизации. В результате экспериментальных исследований заявленной конструкции РР установлено, что при выполнении соотношения:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mn>0,15</mn><mo><</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mrow><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>в</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo><</mo><mn>0,22</mn><mo>;</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>6</mn><mo><</mo><mrow><mi>l</mi><mo>/</mo><mrow><mi>h</mi><mo><</mo><mn>9,</mn></mrow></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>в</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
пов
где
- площадь i-го круглого отверстия в золотнике, N - количество круглых отверстий золотника, S - площадь поверхности золотника между опорами без учета отверстий, l - длина кольцевого канала (расстояние между опорами), h - величина зазора между гильзой и золотником в кольцевом канале, обеспечивается динамическая разгрузка золотника от влияния радиальной составляющей гидродинамической силы. Расходно-перепадная характеристика РР, подтверждающая этот результат, представлена на фиг.2.