РЕГУЛЯТОР РАСХОДА ЖИДКОСТИ Российский патент 2002 года по МПК G05D7/06 F02K9/58 

Изобретение относится к области агрегатов автоматики и, в частности к регуляторам расхода, устанавливаемым в гидравлических системах энергетических установок, например в системах регулирования жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Предшествующий уровень техники
Известен регулятор расхода из патента США 3130747, НКИ 137-504, 1964, в котором имеется подпружиненный золотник, сообщающийся с одной стороны с входной полостью агрегата, а с другой - с внутренней полостью регулятора через отверстия в золотнике. Этот регулятор принимаем за аналог изобретения. Недостаток аналога в том, что он предназначен для работы в условиях постоянного расхода, что не позволяет обеспечить работу магистрали на различных режимах.

Известен регулятор расхода для газогенератора ЖРД РД-253 из энциклопедии "Космонавтика", под ред. В.П. Глушко М., 1985 г., стр.16, рис.9. Устройство содержит имеющий вход и выход дроссель, а также последовательно с ним установленный в гидравлической магистрали стабилизатор перепада давлений на дросселе, имеющий полости сравниваемых давлений, одна из которых сообщена со входом дросселя, а другая - с его выходом. Между этими полостями установлен подпружиненный чувствительный элемент, скрепленный с дросселирующим элементом стабилизатора перепада давлений. Это устройство принимаем за аналог предлагаемого изобретения. Недостаток этого аналога в том, что при его оптимальных размерах в нем сложно обеспечить высокое быстродействие.

Известен регулятор расхода прямого действия из монографии Б.Ф. Гликмана "Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей", М., 1974 г., стр. 231, рис.6.1. Это устройство имеет дроссель со входом и выходом и стабилизатор перепада давлений на дросселе, который (стабилизатор) имеет две полости сравниваемых давлений. Одна из этих полостей сообщена со входом дросселя, а другая - с его выходом. Между этими полостями установлен подпружиненный чувствительный элемент, скрепленный с дросселирующим элементом стабилизатора перепада давлений. Данное устройство принимаем за прототип предлагаемого изобретения.

Недостаток прототипа заключается в том, что в нем сложно обеспечить высокое быстродействие при оптимальных массовых и габаритных характеристиках конструкции.

Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение быстродействия устройства по изменению расхода жидкости через регулятор расхода.

Указанная задача решается тем, что регулятор расхода жидкости преимущественно для ЖРД содержит имеющий вход и выход управляемый дроссель, который может перекрывать проходное сечение устройства. Указанный регулятор содержит также стабилизатор перепада давлений на дросселе, установленный последовательно с ними, имеющий две полости сравниваемых давлений, одна из которых сообщена со входом дросселя, а другая - с его выходом. Между этими полостями установлен подпружиненный чувствительный элемент, скрепленный с дросселирующим элементом стабилизатора перепада давлений.

Отличительной особенностью регулятора является то, что вход с выходом дросселя сообщен множеством параллельных каналов, в каждом из которых выполнена дроссельная шайба. Собственно дроссель выполнен цифровым в виде параллельно установленных в этих каналах исполнительных клапанов. Для управления каждым исполнительным клапаном устройство снабжено клапанами управления, управляющий канал каждого из которых сообщен с полостью управления не менее, чем одного соответствующего исполнительного клапана.

В частном случае для каналов с соответствующим каждому из них исполнительному клапану и дроссельной шайбе соотношения произведений коэффициента сопротивления ((μ)) на площадь проходного сечения (F) (т.е. проходящих через регулятор расходов жидкости при заданном перепаде давлений) удовлетворяют соотношению следующего ряда чисел или его частей: 2⁰, 2¹, 2²,...2^n-2, 2^n-1, 2ⁿ, где n - число клапанов управления.

В следующем частном случае регулятор расхода содержит гидравлически параллельно цифровому дросселю гидравлический канал с гидравлической дроссельной шайбой.

В другом частном случае в качестве клапанов управления исполнительными клапанами регулятор содержит электрогидроклапаны, каждый из которых, кроме управляющего канала имеет канал высокого давления, сообщающийся с полостью высокого давления регулятора, и канал слива, сообщающийся с полостью низкого давления, например, на входе в насос турбонасосного агрегата ЖРД.

В следующем частном случае в регуляторе расхода жидкости со стороны входа жидкостная магистраль снабжена подпружиненным обратным клапаном, причем регулятор имеет корпус, в который ввернут на резьбе стакан, на внутренней поверхности которого подвижно посажен подпружиненный чувствительный элемент стабилизатора перепада давлений, а внешняя поверхность его (стакана) выполнена в виде цилиндрической направляющей поверхности, на которой подвижно и посажен обратный клапан, седло которого выполнено на входной части корпуса.

В дополнительном частном случае этого варианта обратный клапан снабжен сквозным отверстием, сообщающим полости со стороны входа и выхода из этого клапана.

Технический результат заключается в том, что создан регулятор расхода повышенного быстродействия.

Имеются еще дополнительные технические результаты.

Возможность выполнения канала с гидравлической дроссельной шайбой гидравлически параллельно цифровому дросселю позволяет иметь при закрытом цифровом дросселе достаточно большой гарантированный расход жидкости через регулятор, что очень важно при его применении в ЖРД.

Кроме этого, предлагаемая конструкция не требует громоздкого электродвигателя, в качестве электропривода, который для своего изготовления требует специального производства. Это существенно упрощает и удешевляет конструкцию.

Наличие сквозного отверстия в обратном клапане позволяет просто и надежно обеспечить вакуумирование жидкостной полости регулятора на двигателе.

Следует отметить также повышение точности работы регулятора на режимах малых расходов (т. е. на режимах дросселирования ЖРД) за счет того, что не требуется обеспечивать точное угловое положение электропривода.

Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен предлагаемый регулятор расхода в разрезе по А-А (см. фиг.2) вдоль оси конструкции.

На фиг.2 дан поперечный разрез Н-Н (см. фиг.1) регулятора расхода вдоль параллельно установленных исполнительных клапанов цифрового дросселя.

На фиг. 3 дано поперечное сечение участка регулятора расхода М-М (см. фиг. 1) вдоль управляющего канала клапана управления, сообщающегося с полостью управления исполнительного клапана.

Пример реализации изобретения
Изображенный на фиг.1, 2, 3 регулятор расхода жидкости состоит из цифрового дросселя 1 и стабилизатора перепада давлений 2 на этом дросселе. Устройство имеет корпус 3, в котором размещены основные детали устройства. В корпусе 3 размещены исполнительные клапаны 4, для каждого из которых в корпусе 3 выполнено гнездо 5, герметично закрываемое заглушкой 6, зажатой в корпусе 3 с помощью накидной гайки 7. В гнезде 5 и заглушке 6 размещен и подвижно уплотнен с помощью уплотнительных колец 8, 9, 10 затвор 11. Каждый исполнительный клапан 4 (а их всего 8 равнорасположенных по окружности) имеет дренажную полость 12, сообщающуюся с дренажной пипкой 13 с установленным на ней пылезащитным кольцом 14.

Исполнительный клапан 4 имеет также седло 15, выполненное в корпусе 3, по посадке на которое затвора 11 обеспечивается разобщение входной полости 16 и выходной полости 17 по данному исполнительному клапану. Исполнительный клапан 4 имеет также управляющую полость высокого давления 18.

Дроссель 1 снабжен клапанами управления, представляющими собой электрогидроклапаны 19, снабженные электромагнитами 20, которые управляют этими электрогидроклапанами. Каждый электрогидроклапан 19 имеет полость управления 21, которая управляющим каналом 22 (см. фиг.3) сообщена с управляющей полостью высокого давления 18 исполнительного клапана 4 (или с управляющими полостями высокого давления 18 нескольких исполнительных клапанов 4). Электрогидроклапан 19 каналом 23 сообщен с полостью высокого давления, являющейся входной полостью 16, а также со сливом через канал слива 24.

Регулятор расхода жидкости в части дросселя 1 содержит также между полостями 16 и 17 дроссельный канал 25, не имеющий исполнительного клапана 4. В принципе этого канала может и не быть. В таком случае через регулятор может быть обеспечен нулевой расход, т.е. магистраль регулятора может быть полностью перекрыта исполнительными клапанами 4.

В корпусе 3 за исполнительными клапанами 4 по потоку выполнены дроссельные шайбы 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. Диаметры дроссельных шайб подобраны таким образом, чтобы произведение коэффициента гидравлического сопротивления на площадь проходного сечения (т.е. пропускаемых через регулятор расходов жидкости при заданном перепаде давлений на дросселе) удовлетворяло соотношению следующего ряда чисел или его частей: 2⁰, 2¹, 2²,... 2^(n-1), 2ⁿ, где n+1 - число клапанов управления. В нашем случае n=7, как видно из чертежей.

Ось стабилизатора перепада давлений 2 совпадает с осью регулятора расхода жидкости. Корпусом стабилизатора перепада давлений 2 является корпус 3 регулятора расхода. Стабилизатор перепада давлений 2 содержит также другие детали.

В корпус 3 вставлен на резьбе ступенчатый стакан 34, имеющий посадочные поверхности 35 и 36, в которые посажен по подвижной посадке чувствительный элемент 37, имеющий в качестве направляющих элементов поршень 38 и направляющий хвостовик 39. Чувствительный элемент 37 имеет также дросселирующий хвостовик 40, являющийся его дросселирующим элементом, и продольный сквозной осевой канал 41. Между ступенчатым стаканом 34 и чувствительным элементом 37 имеется полость 42, сообщающаяся с входной полостью 16 через отверстия 43, выполненные в ступенчатом стакане 34. Полость 42 определяет эффективную площадь чувствительного элемента 37 как разность площадей сечений посадочных поверхностей 35 и 36.

Ступенчатый стакан 34 имеет также наружную направляющую поверхность 44, в которой посажен по подвижной посадке затвор 45 обратного клапана. Этот затвор подпружинен пружиной 46 к седлу 47, выполненному в корпусе 3. В затворе 45 выполнено также сквозное отверстие 48, сообщающее полости со стороны входа и выхода из обратного клапана. (Т.е. полость со стороны входа в регулятор расхода жидкости и входную полость 16. Это отверстие может быть выполнено и в корпусе 3, а не в затворе 45).

Чувствительный элемент 37 через втулку 49, имеющую боковые окна 50, поджат пружиной 51 к внутреннему торцу ступенчатого стакана 34. Пружина 51 с одного конца упирается во втулку 49, а с другого конца упирается через подпятник 52 и кольца 53 в днище 54, которое герметично ввернуто на резьбе в корпус 3. Днище 54 снабжено внутренней конической поверхностью 55.

Один из восьми исполнительных клапанов 4 вместо заглушки 6 и накидной гайки 7 имеет переходник 56 и гайку 57. Переходник имеет сквозной канал 58. В результате канал 58 сообщается с входной полостью 16. Такое конструктивное исполнение клапанов 4 продиктовано особенностями ЖРД соответствующего типа.

Следует отметить, что в конструкции регулятора расхода жидкости все восемь исполнительных клапанов 4 могут быть выполнены одинаковыми (т.е. с заглушками 6 и накидными гайками 7). В таком случае не обязательно также наличие обратного клапана с затвором 45 и пружиной 46. Эти элементы необходимы при переключении ЖРД с режима запуска на основные режимы.

Работает регулятор расхода жидкости следующим образом. В исходном положении электромагниты 20 обесточены, в результате чего управляющий канал 22 сообщен через электрогидроклапан 19 со сливом и с управляющей полостью высокого давления 18. Внутренняя полость регулятора вакуумируется (благодаря наличию сквозного отверстия 48 в затворе 45) путем подключения входа и дренажа к вакууму.

При подаче жидкости под давлением на вход регулятора открывается затвор 45 обратного клапана, сжимая пружину 46, пропуская жидкость под давлением во входную полость 16.

Действуя на затворы 11 исполнительных клапанов 4, на разности площадей, уплотненных сначала по седлу 15 и уплотнительному кольцу 8, а затем (по мере открытия затвора 11) по уплотнительным кольцам 10 и 8, исполнительные клапаны 4 открывают магистраль регулятора со входа через входную полость 16, выходную полость 17 на выход из регулятора, обеспечивая протекание жидкой среды по магистрали.

Такая работа регулятора расхода жидкости соответствует режиму заполнений топливных магистралей ЖРД. Перед командой на запуск ЖРД подается электропитание на ряд электромагнитов 20 электрогидроклапанов 19, управляющих соответствующими исполнительными клапанами 4. В результате соответствующие каналы 23 через соответствующие электрогидроклапаны 19 оказываются сообщенными с соответствующими каналами 22 соответствующих исполнительных клапанов 4, подводя нарастающее давление из входной полости 16 в управляющую полость высокого давления 18 указанных исполнительных клапанов 4, обеспечивая посадку на седло 15 затвора 11. Исполнительные клапаны 4, управляющие электромагнитные клапаны 19 которых находятся в исходном положении в результате обесточенных электромагнитов 20, устанавливаются в открытом положении в результате того, что на них полость 18 через каналы 22 и 24 сообщена со сливом. В дренажной полости 12 установлено низкое давление, например атмосферное давление окружающей среды, из-за того, что эта полость сообщена через пипку 13 и пылезащитное кольцо 14 со средой, окружающей устройство. Таким образом на исполнительных клапанах 4 (с электрогидроклапанами 19 при обесточенных электромагнитах 20) затворы 11 находятся под действием давления на разность площадей, определяемых подвижным уплотнением колец 10 и 8, обеспечивая поджатие затворов 11 к заглушкам 6 и открытое положение исполнительных клапанов 4.

При команде на запуск рабочая жидкость (ей может быть пусковой компонент топлива) подается под давлением в канал 58 переходника 56, после чего эта жидкость попадает во входную полость 16, а затем через полость 17 на выход регулятора. При этом затвор 45 поджат к седлу 47, обеспечивая закрытое положение обратного клапана и разобщая входную полость 16 и вход в регулятор расхода жидкости. При переходе ЖРД на основной режим нарастает давление основного компонента топлива на входе в регулятор, открывая обратный клапан за счет сжатия затвором 45 пружины 46 и отрыва затвора 45 от седла 47.

Работа регулятора расхода жидкости на основных режимах ЖРД осуществляется аналогично работе на режиме запуска при высоких давлениях на входе, выходе, во входной полости 16 и выходной полости 17.

Для изменения режима работы регулятора расхода жидкости, а следовательно, и двигателя подводится электропитание к электромагнитам 20 соответствующих электрогидроклапанов 19. Это обеспечивает закрытие соответствующих исполнительных клапанов 4 за счет посадки затворов 11 на седла 15 в этих клапанах. Оставшиеся открытыми клапаны 4 благодаря наличию в них соответствующих дроссельных шайб (26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33) обеспечивают требуемую величину произведения коэффициента гидравлического сопротивления участка магистрали на площадь проходного сечения на управляемом цифровом дросселе 1, т.е. между полостями 16 и 17. А благодаря наличию стабилизатора перепада давлений 2 на этом дросселе регулятор обеспечивает поддержание постоянным с требуемой точностью расход жидкости через регулятор на данном режиме. При повышении или понижении давления на входе или на выходе регулятора стабилизатор перепада давлений 2 соответствующим перемещением чувствительного элемента 37 благодаря эффективной площади элемента, определяемой как разность площадей сечений посадочных поверхностей 35 и 36, обеспечивает поддержание заданного перепада давлений между полостями 16 и 17, т.е. постоянство заданного расхода жидкости при соответствующем значении произведения коэффициента гидравлического сопротивления участка магистрали на площадь его проходного сечения. Это достигается за счет увеличения или уменьшения зазора между дросселирующим элементом (дросселирующим хвостовиком 40) стабилизатора перепада давлений 2 и внутренней конической поверхностью 55 днища 54.

При необходимости изменить расход жидкости через регулятор расхода изменяют гидравлическое сопротивление цифрового дросселя 1, производя открытие или закрытие соответствующих электрогидроклапанов 19 путем подведения или сброса электропитания в соответствующих электромагнитах 20.

Таким образом заявляемый регулятор обеспечивает изменение режима работы ЖРД.

Цифровой дроссель обеспечивает возможность ступенчатого изменения его гидравлического сопротивления с соответствующей точностью. Особенно высока точность работы регулятора на режимах дросселирования, т.е. когда количество открытых исполнительных клапанов мало.

Выполнение дросселя цифровым позволяет обеспечить высокое быстродействие регулятора, т. е. регулятор может обеспечивать быстрое изменение пропускаемого через него постоянного расхода жидкости.

Стабилизатор перепада давлений 2 благодаря наличию подпружиненного пружиной 51 чувствительного элемента 37 поддерживает заданный перепад давлений между полостями 16 и 17, обеспечивая соответствующий расход жидкости через регулятор расхода жидкости.

Конструкция стабилизатора перепада давлении принципиального значения не имеет. Важно, чтобы он поддерживал постоянным перепад давлений между полостями 16 и 17, т. е. заданный расход жидкости при фиксированном положении цифрового дросселя.

Принципиальным фактом является то обстоятельство, что в регуляторе расхода жидкости дроссель выполнен цифровым, и составляющие его исполнительные клапаны 4 с дроссельными шайбами имеют соотношение произведений коэффициентов гидравлического сопротивления на площадь проходного сечения, удовлетворяющее соотношению следующего ряда чисел или его частей: 2⁰, 2¹, 2². ..2^n-2, 2^n-1, 2ⁿ, где n+1 - число клапанов управления. В нашем случае n= 7, что видно из чертежей.

Полное закрытие всех исполнительных клапанов 4 обеспечивает нулевой расход жидкости через регулятор, т.е. полное закрытие основной магистрали и разобщение полостей 16 и 17, если регулятор не имеет канала 25 или этот канал выполнен заглушенным.

Следует отметить, что при необходимости на один исполнительный клапан 4 может приходиться больше одного электрогидроклапана 19, равно как и электрогидроклапан 19 может управлять более, чем одним исполнительным клапаном. Данное обстоятельство может быть продиктовано особенностями конструктивного исполнения регулятора, особенностями работы регулятора в схеме ЖРД, технологическими особенностями производства и т.п.

Промышленная применимость
Изобретение может быть использовано в системах автоматического регулирования потоками жидкостей в разных областях техники. Настоящая разработка предназначена для жидкостных ракетных двигателей.

Изобретение предназначено для регулирования расхода жидкостных магистралей высокого давления, например для систем регулирования жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Регулятор расхода содержит управляемый гидравлический дроссель и последовательно с дросселем установленный в гидравлической магистрали стабилизатор перепада давлений на дросселе. Стабилизатор имеет две полости сравниваемых давлений, одна из которых сообщена со входом дросселя, а вторая - с его выходом, между которыми установлен подпружиненный чувствительный элемент, скрепленный с дросселирующим хвостовиком стабилизатора перепада давлений. Отличительная особенность устройства в том, что вход с выходом дросселя сообщены множеством параллельных каналов, в каждом из которых выполнена дроссельная шайба, а сам дроссель выполнен цифровым в виде установленных в этих каналах исполнительных клапанов с полостями управления. Для управления исполнительными клапанами устройство снабжено клапанами управления, выполненными в виде электрогидроклапанов и имеющими управляющий канал. Каждый такой канал сообщен с полостью управления не менее чем одного исполнительного клапана. Такое выполнение регулятора позволит повысить его быстродействие. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Регулятор расхода жидкости преимущественно для ЖРД, содержащий имеющий вход и выход управляемый дроссель для перекрытия проходного сечения устройства и последовательно с дросселем установленный в гидравлической магистрали стабилизатор перепада давлений на дросселе, имеющий две полости сравниваемых давлений, одна из которых сообщена со входом дросселя, а вторая - с его выходом, между которыми установлен подпружиненный чувствительный элемент, скрепленный с дросселирующим элементом стабилизатора перепада давлений, отличающийся тем, что вход с выходом дросселя сообщены множеством параллельных каналов, в каждом из которых выполнена дроссельная шайба, а сам дроссель выполнен цифровым в виде установленных в этих каналах исполнительных клапанов с полостями управления, а для управления исполнительными клапанами устройство снабжено клапанами управления, имеющими управляющий канал, каждый из которых сообщен с полостью управления не менее чем одного соответствующего исполнительного клапана. 2. Регулятор расхода жидкости по п. 1, отличающийся тем, что исполнительные клапаны и их дроссельные шайбы, относящиеся к каждому отдельному клапану управления, образуют соотношение произведений коэффициентов гидравлического сопротивления на площадь проходного сечения, удовлетворяющее ряду чисел или его частей: 2⁰, 2¹, 2². . . 2^n-2, 2^n-1, 2ⁿ, где n+1 - число клапанов управления. 3. Регулятор расхода жидкости по п. 1, отличающийся тем, что в нем гидравлически параллельно цифровому дросселю выполнен канал с гидравлической дроссельной шайбой. 4. Регулятор расхода жидкости по п. 2, отличающийся тем, что в качестве клапанов управления исполнительными клапанами регулятор содержит электрогидроклапаны, каждый из которых кроме управляющего канала имеет канал высокого давления, сообщающийся с полостью высокого давления регулятора, и канал слива, сообщающийся с полостью низкого давления, например, на входе в насос турбонасосного агрегата ЖРД. 5. Регулятор расхода жидкости по п. 1, отличающийся тем, что со стороны входа в регулятор жидкостная магистраль снабжена подпружиненным обратным клапаном, причем регулятор имеет корпус, в который ввернут на резьбе стакан, на внутренней поверхности которого подвижно посажен подпружиненный чувствительный элемент стабилизатора перепада давлений, а внешняя поверхность его (стакана) выполнена в виде цилиндрической направляющей поверхности, на которой подвижно и посажен затвор обратного клапана, седло которого выполнено на входной части корпуса. 6. Регулятор расхода жидкости по п. 5, отличающийся тем, что обратный клапан снабжен сквозным отверстием, сообщающим полости со стороны входа и выхода из этого клапана.