ЦИФРОВОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДРОССЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК G05D7/06 F02K9/58 

Область техники
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД), авиации, космонавтике, энергетических и химических установках, а также в системах добычи и транспортировки газов и жидкостей.

Предшествующий уровень техники
Известен "дискретный клапан-дроссель с импульсной системой управления", защищенный патентом РФ 2114457 по МКИ 6 G 05 D 7/06, опубликованным 27.06.98г. В этом устройстве имеется корпус с перегородкой, отделяющей входную полость от выходной. Дискретный клапан-дроссель имеет запорные органы. Запорные органы имеют управляющую полость и подпружиненный на перекрытие расходной шайбы двухпозиционный поршень. Устройство содержит двухпозиционный электромеханический привод. Это техническое решение принимаем в качестве аналога заявляемого изобретения.

Недостаток аналога в том, что в нем сложно обеспечить высокое быстродействие при открытии двухпозиционных поршней. Дело в том, что этот клапан содержит коллектор подвода, управляющую полость запорного органа, коллектор утилизации рабочей среды. Такое конструктивное исполнение не позволяет обеспечить высокое быстродействие дросселя, особенно на жидкостных магистралях, что особенно важно для ЖРД.

Известно цифровое клапанное устройство, защищенное патентом США 4019533 по НКИ 137/599, опубликовано 26.04.1977 г. Это устройство принимаем за прототип предлагаемого изобретения. Прототип имеет корпус с расположенными вдоль его оси входом и выходом и имеющим соответственно входную и выходную полости. Устройство содержат пилотные клапаны и исполнительные клапаны с затворами. Перегородка корпуса снабжена проточными каналами с дроссельными отверстиями и седлами для затворов исполнительных клапанов, а затворы исполнительных клапанов подвижно герметизированы в корпусе и расположены в периферийных частях корпуса вокруг продольной оси цифрового клапанного устройства, которое имеет также электромагниты. Каждый электромагнит управляет своим пилотным клапаном.

Недостаток прототипа в сложности конструкции и проблематичности обеспечения высокого быстродействия из-за большого объема управляющей полости мембранного клапана и относительно малого проходного сечения в центре мембраны. Кроме того, применительно для ЖРД больших тяг прототип не применим из-за того, что на дросселе может быть большой перепад давлений и большой его разброс, который приводит к большому разбросу по быстродействию клапанов.

Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача создания цифрового гидравлического дросселя для ЖРД с высоким быстродействием изменения его гидросопротивления при простоте конструктивного исполнения. Эта задача является актуальной и диктуется особенностями работы ряда современных ЖРД, где перепады давлений на дросселе могут достигать весьма больших значений, например 200 атм.

Сущность изобретения заключается в том, что в имеющемся корпусе вдоль его оси расположены вход и выход. Цифровой гидравлический дроссель имеет соответственно входные и выходные полости, разделенные между собой перегородкой. Цифровой гидравлический дроссель содержит пилотные клапаны и исполнительные клапаны. И те, и другие клапаны имеют затворы. При этом перегородка корпуса снабжена проточными каналами с дроссельными отверстиями и седлами для затворов исполнительных клапанов. Затворы подвижно герметизированы в корпусе и расположены в периферийных частях корпуса вокруг продольной оси цифрового гидравлического дросселя. Устройство имеет также электромагниты, каждый из которых управляет своим пилотным клапаном. Возможны конструкции цифрового гидравлического дросселя, когда число исполнительных клапанов может быть и больше, и меньше числа пилотных клапанов. Подвижные части пилотных и исполнительных клапанов выполнены кинематически развязанными между собой (т. е. перемещающимися независимо друг от друга). Каждый пилотный клапан имеет вход и две командные полости, одна из которых сообщена со сливом, а вторая - с внутренней (например, входной) полостью цифрового гидравлического дросселя, при этом выход пилотного клапана сообщен с управляющей полостью исполнительного клапана. Затвор исполнительного клапана выполнен в виде ступенчатого поршневого патрубка и каждый исполнительный клапан снабжен заглушкой.

Такое конструктивное исполнение цифрового дросселя позволяет избежать и применения в нем мембранных элементов. Применение таких элементов в устройствах аналогичных прототипу для ЖРД проблематично, так как они должны работать и при больших перепадах давлений на мембранах, что не позволяет обеспечить их высокое быстродействие.

В частном случае каждый исполнительный клапан имеет последовательно расположенные цилиндрические направляющие поверхности среднего, большого и малого диаметров подвижных уплотнений затвора в виде ступенчатого поршневого патрубка, установленного в корпусе и заглушке. Причем полость между средним и большим диаметром сообщена с дренажом, а полость между большим и малым диаметрами сообщена с выходом пилотного клапана.

В другом частном случае, в перегородке число отверстий не менее чем на одно отверстие больше числа исполнительных клапанов.

Еще в частном случае перегородка имеет форму участка оболочки цилиндрической и усеченной конической формы.

В следующем частном случае подвижное уплотнение каждого ступенчатого поршневого патрубка затвора с корпусом и соответствующей заглушкой осуществлено с помощью резиновых колец с фторопластовыми шайбами, устанавливаемых в выполненные для этой цели на направляющих поверхностях кольцевые проточки.

В другом частном случае на корпусе цифрового клапана выполнены два коллектора, один из которых гидравлически сообщен с командными полостями слива пилотных клапанов, и полость этого коллектора выведена в слив. Второй коллектор гидравлически сообщен с полостями управляющего давления, например входной полостью цифрового гидравлического дросселя, и вторыми командными полостями пилотных клапана.

И еще в частном случае исполнительные клапаны расположены на корпусе в выполненных в нем гнездах, расположенных в двух поперечных плоскостях, притом соседние гнезда смещены в осевом направлении цифрового гидравлического дросселя друг относительно друга.

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является создание быстродействующего цифрового дросселя для ЖРД, обеспечивающего быстрое изменение гидравлического сопротивления, а следовательно, и перепада давления на нем. Дополнительный технический результат состоит в повышении технологичности конструкции и ее упрощении, в основном из-за того, что в ней вместо мембранных узлов применены затворы в виде ступенчатых поршневых патрубков.

Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен общий вид цифрового гидравлического дросселя в разрезе. По А-А (см. фиг.2).

На фиг. 2 представлено сечение Б-Б цифрового гидравлического дросселя (см. фиг.1).

На фиг. 3 представлено в увеличенном виде место I (пилотный клапан, повернуто) (см. фиг.1).

Пример реализации изобретения
Конструкция цифрового гидравлического дросселя представлена на чертежах фиг.1, 2, 3, где корпус цифрового гидравлического дросселя состоит из собственно корпуса 1 и герметично скрепленных с ним фланца 2 и перегородки 3. Устройство имеет входную полость 4 и выходную полость 5. Корпус 1 имеет бобышки 6 и 7 (по 4 равнорасположенных по окружности бобышки), в которых выполнены гнезда 8 и 9. Как видно на чертеже фиг.2 гнезда 8 и 9 принципиально выполнены одинаковыми и отличаются только размерами (в принципе все гнезда могут быть одинаковыми также, как и размещенные в них соответственно детали). В перегородке 3 выполнены седла 10 и 11, с которыми могут контактировать и взаимодействовать затворы 12 исполнительных клапанов 13.

Здесь и далее мы описываем исполнительные клапаны в гнездах 8 и 9 на примере исполнительного клапана 13. В гнезда 8 герметично установлены на резьбе заглушки 14. Затворы 12 посажены по ходовым посадкам в гнездах 8 и заглушках 14 соответственно по цилиндрическим поверхностям большого 15, среднего 16 и малого 17 диаметров. Затворы 12 герметично подвижно уплотнены в местах указанных ходовых посадок с помощью резиновых колец 18, 19, 20 и фторопластовых шайб 21, 22 и 23 соответственно. Исполнительные клапаны 13 имеют управляющую полость 24 дренажную полость 25. Дренажные полости 25 сообщены с дренажом, имеющим пылезащитное устройство 26 с пылезащитным резиновым кольцом 27. Корпус снабжен коллектором слива 28.

Цифровой гидравлический дроссель имеет пилотные клапаны 29, по количеству равные количеству исполнительных клапанов (13). В принципе один пилотный клапан может приходиться (т.е. обслуживать) на два и более исполнительных клапана, равно как и несколько пилотных клапанов могут обслуживать один исполнительный клапан. Каждый пилотный клапан 29 имеет электромагнит 30 с якорем 31, обмоткой 32 и ярмом 33. Пилотный клапан 29 имеет затвор в виде золотника 34 и гильзу 35. Золотник 34 под действием пружины 36 или якоря 31 через шток 37 может перемещаться в осевом направлении в гильзе 35. Пилотный клапан 29 имеет командные полости 38 и 39 и выход пилотного клапана 40. Командная полость 38 сообщена с коллектором 41, в который подводится управляющее давление, например из внутренней (входной) полости 4 цифрового гидравлического дросселя. Командная полость 39 сообщена с коллектором слива 28 через осевой и радиальные каналы в золотнике (затворе) 34. Выход 40 пилотного клапана 29 через канал 42 сообщается с управляющей полостью 24 исполнительного клапана 13.

За исполнительными клапанами 13 по магистрали выполнены соответствующие дроссельные отверстия 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 и 50 в перегородке 3, в которой выполнено также центральное дроссельное отверстие 51. К корпусу 1 приварены штуцер управляющего давления 52 и штуцер слива 53. Ось 54 корпуса 1 является одновременно осью цифрового гидравлического дросселя.

Работает цифровой гидравлический дроссель следующим образом. При подаче жидкости под давлением на вход заполняется входная полость 4, а затем выходная полость 5. Под давлением жидкости в полостях 4 и 5 перемещаются до упора в сторону заглушек 14 затворы 12, благодаря усилиям на разность площадей сечений поверхностей среднего 16 и малого 17 диаметров. При этом в каждом пилотном клапане 29 выход 40, благодаря пружине 36, отжимающей золотник (затвор) 34 к ярму 33, сообщен со сливом через штуцер слива 53.

Расход жидкости через цифровой гидравлический дроссель определяется в основном суммой проходных сечений девяти дроссельных отверстий 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51.

При необходимости изменить гидравлическое сопротивление цифрового жидкостного дросселя и соответственно расход через него производится закрытие соответствующих исполнительных клапанов 13 путем электрической команды на соответствующий(ие) электромагнит(ы) 30 пилотного клапана 29, который управляет этим исполнительным клапаном 13. При этом якорь 31 притягивается к ярму 33, благодаря чему шток 37 перемещает золотник (затвор) 34, сжимая пружину 36. Это приводит к разобщению полости слива 39 с выходом 40 и сообщению выхода 40 с командной полостью 38, сообщающейся с магистралью штуцера управляющего давления 52. После этого управляющее давление из штуцера 52 через пилотный клапан 29 и канал 42 попадает в управляющую полость 24 соответствующего исполнительного клапана 13. Вследствие этого затвор 12 исполнительного клапана 13 перемещается в сторону оси 54 цифрового гидравлического дросселя до его посадки на седло 10 (11). При этом соответствующее(ие) дроссельное(ые) отверстие(ия) из отверстий 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50 оказываются перекрыты, исключая через них расход жидкости. В тех исполнительных клапанах (13), где требуется обеспечение расхода через соответствующие дроссельные отверстия (43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50), электропитание на соответствующие электромагниты 30 не подается. В результате в соответствующем пилотном клапане 29 выход 40 будет сообщен с полостью слива 39, а через нее - с магистралью слива штуцера 53. Это магистраль низкого давления. Применительно для ЖРД такая магистраль направляется, например, на вход в насос турбонасосного агрегата или в бак соответствующего компонента топлива ракетной двигательной установки. Так как выход 40 сообщен через канал 42 с управляющей полостью 24, в полости 24 также будет низкое давление. В результате под действием практически давления жидкости во входной полости 4 на разность эффективных площадей по поверхностям 16 и 17 это обеспечивает отжатие затвора 12 в сторону заглушки 14 и открытое проходное сечение через соответствующее(ие) дроссельное(ые) отверстие(ия) (43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50).

При необходимости изменения гидравлического сопротивления дросселя подаются соответствующие команды на электромагниты 30 соответствующих пилотных клапанов 29, управляющих соответствующими исполнительными клапанами (13). Это обеспечивает открытое положение соответствующих исполнительных клапанов (13) при закрытом положении остальных исполнительных клапанов (13). В случае, если все исполнительные клапаны (13) будут закрыты, гидросопротивление, перепад давлений на дросселе и расход через него будет обеспечиваться одним всегда открытым дроссельным отверстием 51. Таким образом, дроссельных отверстий на одно больше, чем число исполнительных клапанов (13).

Промышленная применяемость
Изобретение предназначено для ЖРД. Возможно также его применение в других областях техники, где необходимо управление потоками жидкости или газа в трубопроводах.

Дроссель предназначен для гидравлических агрегатов автоматики, устанавливаемых в жидкостных и газовых магистралях энергетических установок, например в системах управления и регулирования жидкостных ракетных двигателей. Цифровой гидравлический дроссель имеет входную и выходную полости, разделенные между собой перегородкой. Перегородка снабжена проточными каналами с дроссельными отверстиями и седлами для затворов исполнительных клапанов, которыми управляют пилотные клапаны. Затворы подвижно герметизированы в корпусе и расположены в его периферийных частях вокруг продольной оси цифрового дросселя, который имеет также электромагниты, управляющие каждый своим пилотным клапаном. Отличительная особенность в том, что подвижные части пилотных и исполнительных клапанов (т.е. их затворы) выполнены кинематически развязанными (т.е. независимо друг от друга перемещающимися). Каждый пилотный клапан имеет две командные полости, одна из которых сообщена со сливом, а другая с внутренней (например входной) полостью цифрового дросселя. Выход пилотного клапана сообщен с управляющей полостью исполнительного клапана. Затвор исполнительного клапана выполнен в виде ступенчатого поршневого патрубка, и каждый исполнительный клапан снабжен заглушкой. Такое выполнение дросселя позволит обеспечить быстрое изменение гидравлического сопротивления, а следовательно, и перепада давления на нем, а также повышение технологичности конструкции и ее упрощение. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Цифровой гидравлический дроссель, содержащий корпус с вдоль его оси расположенными входом и выходом и имеющий соответственно входную и выходную полости, разделенные между собой перегородкой, а также содержащий пилотные клапаны и исполнительные клапаны с затворами, при этом перегородка корпуса снабжена проточными каналами с дроссельными отверстиями и седлами для затворов исполнительных клапанов, а затворы подвижно герметизированы в корпусе и расположены в периферийных частях корпуса вокруг продольной оси цифрового дросселя, который имеет также электромагниты, управляющие каждый своим пилотным клапаном, отличающийся тем, что подвижные части пилотных и исполнительных клапанов выполнены кинематически развязанными между собой (т. е. перемещаются независимо друг от друга), при этом каждый пилотный клапан имеет две командные полости, одна из которых сообщена со сливом, а вторая - с внутренней (например, входной) полостью цифрового дросселя, при этом выход пилотного клапана сообщен с управляющей полостью исполнительного клапана, а затвор исполнительного клапана выполнен в виде ступенчатого поршневого патрубка, и каждый исполнительный клапан снабжен заглушкой. 2. Цифровой дроссель по п. 1, отличающийся тем, что каждый исполнительный клапан имеет последовательно расположенные цилиндрические направляющие поверхности среднего, большого и малого диаметров подвижных уплотнений ступенчатого поршневого патрубка затвора, установленного в корпусе и заглушке, причем полость между средним и большим диаметрами сообщена с дренажом, а полость между большим и малым диаметрами сообщена с выходом пилотного клапана. 3. Цифровой дроссель по п. 1, отличающийся тем, что в перегородке число отверстий не менее чем на одно отверстие больше числа исполнительных клапанов. 4. Цифровой дроссель по п. 1, отличающийся тем, что подвижное уплотнение ступенчатого поршневого патрубка с корпусом и соответствующей заглушкой осуществлено с помощью резиновых колец с фторопластовыми шайбами, устанавливаемых в выполненные для этой цели на направляющих поверхностях кольцевые проточки. 5. Цифровой дроссель по п. 2, отличающийся тем, что корпус цифрового дросселя снабжен двумя коллекторами, один из которых гидравлически сообщен с командными полостями слива пилотных клапанов и сливом, а второй коллектор гидравлически сообщен с полостью управляющего давления, например входной полостью цифрового гидравлического дросселя, и второй командной полостью пилотного клапана. 6. Цифровой дроссель по п. 2, отличающийся тем, что исполнительные клапаны расположены на корпусе в выполненных в нем гнездах, расположенных двух поперечных плоскостях, притом соседние гнезда смещены в осевом направлении друг относительно друга.