Регулятор расхода
FLOW RATE REGULATOR

Изобретение относится к регуляторам расхода прямого действия, предназначенным для регулирования расхода жидкости или газа или поддержания заданного расхода в широком диапазоне входных давлений, и может применяться в ракетных двигателях для поддержания расхода или заданного соотношения компонентов топлива, а также в различных химических реакторах с той же целью.
Известен регулятор расхода, содержащий входную полость, образованную корпусом, приемник рабочей среды с выходной полостью и окном, сообщающим входную и выходную полости, и упругий элемент в виде пластины, расположенной над указанным окном и закрепленной с одной стороны на приемнике рабочей среды (а.с. СССР №758087, опубл. 23.08.1980, бюл. №31).
Такой регулятор имеет сложное устройство и для поддержания стабильного заданного расхода рабочего тела в широком диапазоне перепадов давления между входной и выходной полостями требует очень точного согласование упругих свойств материала пластины и ее толщины по длине.
Наиболее близким по технической сущности является 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, закрепленной одним концом относительно втулки на каретке. Свободный конец пластины поджат к плоскости окна термочувствительным элементом (патент РФ №2190247, опубликовано 27.09.2002, бюл. №27).
Такой регулятор расхода также требует проведения сложных процедур для настройки стабильного требуемого расхода рабочего тела в широком диапазоне перепадов давления между входной и выходной полостями. Кроме того, при запуске жидкостных ракетных двигателей малой тяги, для улучшения их динамических характеристик, требуется в первые миллисекунды повышенный расход, позволяющий двигателю быстро выйти на режим номинальной тяги. Известный регулятор расхода практически сразу переходит в режим регулирования, и его расходные характеристики не в полной мере обеспечивают пусковой расход компонентов топлива.
Задачей данного изобретения является создание регулятора расхода, способного поддерживать стабильный расход рабочего тела или заданный переменный расход в широком диапазоне перепадов давления на нем при простоте изменения и настройки расходных характеристик.
Указанная задача решается с помощью регулятора расхода, содержащего корпус с входной полостью и с 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, закрепленной консольно относительно втулки на каретке. Согласно изобретению под свободным концом упругого пружинного элемента в виде пластины выполнены дополнительные окна, минимум одно, меньшей площади, сообщенные с выходной полостью.
Основное окно, в предпочтительном варианте, сообщено с дополнительными окнами канавкой, выполненной на втулке под пластиной, или от входного окна до дополнительного окна (дополнительных окон) может быть выполнена щель, сообщающая между собой входную и выходную полости.
Ширина щели может быть равна ширине (диаметру) дополнительного окна (дополнительных окон).
Для тонкой настройки расходных характеристик упругая пластина может быть консольно закреплена на каретке, установленной с возможностью перемещения относительно входного окна в продольном и поперечном направлениях.
Дополнительные окна, для повышения плавности регулирования расхода, могут быть выполнены постепенно уменьшающейся площади к свободному концу консольно установленной пластины.
Предлагаемое решение поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведен продольный разрез регулятора расхода с дополнительным окном под концом консольно установленной упругой пластины.
На фиг. 2 приведен вариант с канавкой, выполненной от основного окна до дополнительного.
На фиг. 3 показан регулятор, в котором основное и дополнительное окна сообщены щелью, прорезанной соосно указанным окнам.
На фиг. 4, 5, 6 и 7 приведены виды вариантов выполнения основного и дополнительных окон на втулке (приемнике рабочего тела).
Регулятор расхода состоит из корпуса 1, образующего входную полость А, с установленной в нем втулкой 2, в которой выполнен выходной канал 3, образующий выходную полость Б. Из входной полости А в выходную полость Б выполнено основное окно 4 и дополнительное окно (дополнительные окна) 5. Над указанными окнами на каретке 6 установлена упругая пластина 7. Между окнами 4 и 5 может быть выполнена канавка 8 (фиг. 2, 5) или сквозная щель 9 (фиг. 3, 6). На фиг. 7 показан вариант регулятора с тремя дополнительными окнами 5 уменьшающегося диаметра от основного окна к концу упругой пластины 7.
Регулятор расхода работает следующим образом.
Рабочее тело (жидкость или газ) поступает во входную полость А корпуса 1. Через зазор, образованный упругой пластиной 7 и плоскостью размещения основного окна 4 и дополнительного окна 5 рабочее тело дросселируется, создавая перепад давления между входной полостью и выходной полостью. За счет того, что дополнительное окно расположено близко к концу упругой пластины 7 для ее прогиба требуется небольшое усилие, возникающее под воздействием перепада давления, срабатываемого в зазоре между кромками дополнительного окна 5 и упругой пластиной 7. При перемещении упругой пластины 7 до упора с последующим перекрытием окна 5 этой пластиной, практически без регулирования, выдается бросковый расход рабочего тела, позволяющий быстро выйти двигателю или другому реактору на рабочий режим. Зазор между кромками основного окна 4 и упругой пластиной также уменьшается, увеличивая тем самым гидросопротивление регулятора. При этом устанавливается равенство упругих и гидродинамических сил, соответствующее заданному расходу. Регулятор входит в процесс регулирования или стабилизации расхода рабочего тела. Настройка на заданный расход проводится путем перемещения каретки 6 с упругой пластиной 7 в продольном направлении. Для гарантированного исключения полного перекрытия пластиной 7 окна 4 для регуляторов, работающих при больших перепадах давления, предусмотрено при настройках изменение положения каретки в поперечном направлении.
При повышении давления во входной полости А регулятора на кромках основного и дополнительного окон происходит увеличение перепада давления, что приводит к дальнейшей деформации упругогой пластины 7 и увеличению гидросопротивления регулятора. Увеличение гидросопротивления приводит к компенсации воздействия возмущающего фактора и тем самым к стабилизации расхода в узком настроечном диапазоне расхода рабочего тела.
При настройке регулятора для каждой совокупности параметров (жесткости упругой пластины, площади входного окна, величины зазора между пластиной 7 и рабочей плоскостью окон 4, 5) необходимо подобрать высоту каретки 6 или настроечных шайб (не показаны), рабочую длину упругой пластины 7, при которой регулятор расхода обеспечит стабилизацию желаемой величины расхода в широком диапазоне перепадов давления. Толщина, а следовательно, и упругость пластины 7, также может подбираться из различных партий этих пластин для увеличения диапазона регулирования по перепадам давления между полостями А и Б или увеличения точности настройки на заданный расход.
Канал 8, выполненный между основным 4 и дополнительным окном 5 при поджатии упругой пластины 7 к плоскости расположения основного и дополнительного окна 5 и уменьшения зазора между кромкой основного окна 4 и пластиной 7 будет обеспечивать перетекание рабочего тела по образовавшемуся байпасному каналу 8 из полости А в полость Б через дополнительное окно 5 и плавное изменение расхода за счет этого перетекания.
Щель 9 также позволяет производить плавное изменение расхода в зависимости от перепада давления или поддержание постоянного расхода без существенных отклонений от номинального расхода, при этом при прогибе упругой пластины 7 изменяется сечение, через которое осуществляется перетекание рабочего тела из входной полости А во выходную полость Б.
Вариант регулятора с постепенно уменьшающимся диаметром дополнительных окон 5 от основного окна к свободному концу упругой пластины 7 (фиг. 7) позволяет получить практически любую расходную характеристику регулятора в широком диапазоне входных давлений рабочего тела и существенно расширить диапазон регулирования или стабилизации расхода в сторону малых перепадов давления на устройстве.
Предлагаемый регулятор обеспечивает стабилизацию расхода рабочего тела или заданный его расход в широком диапазоне входных давлений. При этом он прост в изготовлении, позволяет в процессе настройки корректировать характеристики для обеспечения заданного расхода в рабочем диапазоне входных давлений, что делает регулятор универсальным для широкого круга задач.