СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В РЕДУКТОРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G05D16/06 

Предлагаемое изобретение относится к регуляторам (редукторам) давления и может быть использовано в различных пневмосистемах самолетов, ракет, спутников.

В качестве аналогов выбраны известные газовые регуляторы давления (Голубев М.Д. Газовые регуляторы давления /Под ред. д. т. н., проф. Г.И.Воронина. М.: Машиностроение, 1964, с.31-35, фиг.16-18). В названных устройствах реализован способ регулирования давления рабочего тела (газа), при котором открытию подпружиненного клапана под воздействием на него рабочего тела высокого давления осуществляют противодействие через механическую связь подвижной подпружиненной оболочкой с воздействием на нее рабочего тела низкого давления, а также осуществляют настроечную регулировку усилия пружины мембраны. Их недостаток заключается в больших габаритно-массовых характеристиках и низкой надежности работы.

Из вышеупомянутых устройств в качестве прототипа выбран регулятор давления с названием “Схема регулятора с уравновешенным клапаном прямого хода” (фиг.18). Прототип содержит: клапан, дросселирующее сечение, седло (дросселирующее седло), плунжер, мембрану (герметично подвижную оболочку или крышку сильфона), канал для подвода выходного давления на мембрану, вспомогательную пружину (пружину клапана), пружину мембраны, регулировочный винт (регулятор усилия пружины мембраны).

В прототипе реализован способ регулирования давления рабочего тела (газа), при котором открытию подпружиненного клапана под воздействием на него рабочего тела высокого давления осуществляют противодействие через механическую связь подвижной подпружиненной оболочкой с воздействием на нее рабочего тела низкого давления, а также осуществляют настроечную регулировку усилия пружины мембраны.

Устройство-прототип работает следующим способом. Рабочее тело высокого давления поступает через входной патрубок (на фиг.18 показанный стрелкой р₁) к дросселирующему седлу и клапану, работающим в паре. Под действием высокого давления рабочего тела преодолевается усилие пружины клапана, и рабочее тело проходит в образовавшийся зазор между ними. Далее рабочее тело поступает через канал для подвода выходного давления на мембрану и, преодолевая усилие ее пружины, ослабляет ее воздействие на плунжер, механически связанный с клапаном. При этом под действием своей пружины клапан поддерживает зазор между ним и дросселирующим седлом с таким размером, при котором наступает сбалансированное состояние между усилием рабочего тела высокого давления на входе регулятора и усилий рабочего тела низкого давления на выходе регулятора и пружин клапана и мембран. Уровень низкого давление рабочего тела на выходе регулятора обеспечивается выбранными усилиями пружин клапана и мембраны, а также регулировкой пружины мембраны с помощью регулировочного винта.

Недостаток устройства-прототипа заключается в его больших габаритно-массовых характеристиках и низкой надежности работы из-за того, что оно выполнено с двумя корпусами (для клапана и для мембраны), а динамическая устойчивость работы регулятора (обеспечение уменьшения автоколебательных процессов) обеспечивается только одной пружиной мембраны, что приводит к расширению диапазона регулируемого давления рабочего тела на выходе из регулятора, увеличению динамических нагрузок на дросселирущее седло и клапан и, тем самым, к снижению надежности его работы (редуктора давления).

Цель предлагаемого технического решения - улучшение габаритно-массовых характеристик, повышение надежности работы редуктора.

Поставленная цель достигнута за счет того, что:

1. Противодействие на клапан через механическую связь подвижной подпружиненной оболочкой с воздействием на нее рабочего тела низкого давления осуществляют через пружину клапана, причем подпружиненной стороной упомянутой оболочки, настроечную регулировку усилия пружины осуществляют для пружины клапана.

2. Пружина клапана выполнена внутри вновь введенного дополнительного сильфона, один край которого герметично соединен с торцом внутреннего патрубка входа рабочего тела высокого давления, а другой - с центральной частью крышки сильфона, в которой выполнено по меньшей мере одно проходное отверстие и которая одновременно выполнена в качестве упора для пружины клапана, а торец сильфона герметично соединен с фланцем входа рабочего тела высокого давления, клапан снабжен настроечным регулятором усилия его пружины в виде штока, проходящим через выполненное центральное отверстие в крышке сильфона и с возможностью перемещения в нем в продольном направлении, причем один его конец, расположенный внутри пружины клапана, соединен с ним посредством шарового шарнира, а другой, расположенный снаружи крышки сильфона, выполнен с двумя контргайками.

3. Настроечный регулятор усилия пружины крышки сильфона выполнен на наружном патрубке входа рабочего тела высокого давления в виде скользящего по нему кольца с толкателями, например четырьмя, равномерно и ортогонально расположенными относительно его плоскости и проходящими через выполненные во фланце упомянутого входа отверстия и упирающимися своими торцами во вновь введенную центрирующую муфту пружины крышки сильфона, а противоположная сторона кольца выполнена с упором в две контргайки, выполненные на упомянутом наружном патрубке.

4. Фланец входа рабочего тела высокого давления выполнен с направляющим цилиндром для центрирующей муфты пружины сильфона с рабочей поверхностью снаружи его и со свободным торцом, выполненным с ограничительным зазором для рабочего хода крышки сильфона и расположенным между сильфоном и дополнительным сильфоном.

5. Герметизирующий вкладыш клапана выполнен из поликарбоната.

Предложенный, таким образом, способ регулирования давления в редукторе и устройство для его осуществления позволили обеспечить компактное расположение составных частей редуктора по принципу “русской матрешки” (клапан с пружиной установлены во внутреннем патрубке входа рабочего тела высокого давления и в сильфоне пружины клапана, которые, в свою очередь, установлены в сильфоне с крышкой, который установлен в корпусе клапана), что позволило исключить из состава устройства специальный корпус для сильфона с крышкой, улучшить габаритно-массовые характеристики редуктора. По сравнению с устройством-прототипом габаритные размеры предложенного редуктора уменьшены примерно в 2 раза, а масса обеспечена 150 г в сравнении с массой прототипа 450 г.

Возможность в предложенном решении настраивать усилия одновременно пружины клапана и пружины крышки сильфона, взаимодействующие между собой, позволила снизить автоколебания при работе редуктора и тем самым уменьшить динамические нагрузки на дросселирующее седло и герметизирующий вкладыш, повысить точность регулирования давления рабочего тела на выходе из редуктора и тем самым обеспечить повышение надежности работы редуктора как с точки зрения конструкции, так и с точки зрения обеспечения заданного давления рабочего тела на выходе редуктора.

Ограничение посредством направляющего цилиндра движения крышки сильфона в сторону клапана под действием рабочего тела низкого давления позволило дополнительно снизить автоколебания при работе редуктора и тем самым дополнительно повысить надежность его работы.

Среди информационных материалов по данному классу техники, а также среди известных устройств данного типа (Голубев М.Д. Газовые регуляторы давления /Под редакцией д. т. н., проф. Г.И.Воронина. М.: Издательство “Машиностроение”, 1964, с.31-35, фиг.16-18) авторами не обнаружены устройства с подобными существенными признаками, как у заявленного объекта.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлено продольное сечение регулятора давления.

В состав предложенного редуктора давления (фиг.1) входят: корпус 1 с выходом 2 для рабочего тела с низким давлением и входом 3 для рабочего тела с высоким давлением, соединенным своим фланцем 4 с корпусом 1 и включающим наружный патрубок 5 и внутренний патрубок 6, выполненный с дросселирующим седлом 7 и установленным в нем клапаном 8, выполненным с герметизирующим вкладышем 9, выполненным из поликабоната со стороны дросселирующего седла 7, а с противоположной его стороны - с пружиной 10, сильфон 11 с его крышкой 12, установленный в корпусе 1 и герметично соединенный с фланцем 4 входа 3, дополнительный сильфон 13, герметично соединенный своими торцами соответственно с внутренним патрубком 6 и со средней частью 14 крышки 12, которая одновременно является упором для пружины 10 клапана 8 и в которой выполнено по меньшей мере одно проходное отверстие 15 для рабочего тела и центральное отверстие 16, через которое проходит шток 17 настроечного регулятора усилия пружины 10 клапана 8, один конец которого расположен внутри ее и соединен с клапаном 8 с помощью шарового шарнира 18, а конец штока, расположенный снаружи крышки 12, выполнен с двумя опорными контргайками 19, настроечный регулятор усилия пружины 20 крышки 12 сильфона 11, включающий две опорные контргайки 21, установленные своей резьбой на внешнем патрубке 5, кольцо 22, выполненное с возможностью перемещения относительно продольного направления внешнего патрубка 5 и имеющего толкатели 23, например четыре, которые равномерно и ортогонально расположены относительно его плоскости и проходят через отверстия 24, выполненные во фланце 4 входа 3, торцы которых упираются в центрирующую муфту 25 пружины 20 крышки 12, которая установлена снаружи направляющего цилиндра 26, выполненного на фланце 4 и расположенного между сильфоном 11 и дополнительным сильфоном 13, а его свободный торец выполнен с ограничивающим зазором 27 для движения крышки 12.

Редуктор давления работает следующим образом. Рабочее тело высокого давления поступает через входной патрубок 5 к дросселирующему седлу 7, работающему в паре с герметизирующим вкладышем 9, между которыми обеспечивается максимальный зазор 0,1 мм. Далее рабочее тело проходит через полости внутреннего патрубка 6, дополнительного сильфона 13 и через проходное отверстие 15 поступает на выход 2. По мере повышения давления перед выходом 2 увеличивается его воздействие на крышку 12 сильфона 11. Когда усилие этого давления достигнет значения, равного суммарному усилию высокого давления на герметизирующий вкладыш 9 и пружин 10 и 20, то клапан 8 займет рабочее положение, при котором будет обеспечиваться заданное давление рабочего тела перед выходом 2. Заданное давление перед выходом 2 обеспечивается настройкой усилия пружин 10 и 20.

Конструкция регулятора, параметры упругих элементов, а также возможности настроечных регуляторов усилий пружин 10 и 20 позволяют обеспечить режим работы, при котором в выходном патрубке 2 поддерживается давление 1,7-2,0 кгс/см² при давлении на входном патрубке 5-250 кгс/см². При этом конструкция регулятора снижает автоколебания в процессе его работы.

Настройку редуктора давления на требуемый режим работы осуществляют с помощью настроечных регуляторов усилий пружин клапана. Настройку осуществляют следующим образом. При смещении двух опорных контргаек 21 в правую сторону кольцо 22 своими толкателями 23 через центрирующую муфту 25 поджимают пружину 20, и тогда редуктор будет обеспечивать больший расход рабочего тела с большим давлением на выходе 2. При смещении штока 17 вправо с помощью двух опорных контргаек 19 зазор между дросселирующим седлом 7 и герметизирующим вкладышем 9 будет увеличиваться и при этом будет увеличиваться расход и давление на выходе 2. При смещении кольца 22 и штока 17 влево эффект будет противоположным.

Наличие двух регуляторов в редукторе расширяет возможности регулирования расхода и давления рабочего тела на выходе 2, а также позволяет обеспечивать оптимальное противодействие пружин 20 и 10, при котором автоколебания клапана при работе редуктора сводятся к минимуму.

Шаровой шарнир 18 клапана 8 со штоком 17 позволяет обеспечить более плотное прилегание герметизирующего вкладыша 9 (выполненного из поликабоната) к дросселирующему седлу 7 в течение всего срока эксплуатации с учетом их износа и тем самым повышает надежность работы редуктора в обеспечение регулирования заданного давления на выходе 2.

Сильфоны 11 и 13 предназначены для обеспечения герметичности полости низкого давления 2 в условиях изменения ее объема в процессе работы регулятора. Кроме того, их применение позволило реализовать предложенный способ с обеспечением улучшения габаритно-массовых характеристик редуктора, повышения надежности его работы.

Предлагаемое изобретение проходит стадию экспериментальной отработки.

Изобретение относится к регуляторам давления (редукторам) и может быть использовано в различных пневмосистемах самолетов, ракет, спутников. Технический результат – улучшение габаритно-массовых характеристик, повышение надежности работы редуктора. Результат достигается тем, что обеспечено компактное расположение частей редуктора по принципу “русской матрешки” – клапан с пружиной установлены во внутреннем патрубке входа рабочего тела высокого давления и в сильфоне, которые в свою очередь установлены в сильфоне с крышкой, который установлен в корпусе. Это позволило исключить из состава устройства специальный корпус для сильфона с крышкой и этим улучшить габаритно-массовые размеры. Возможность одновременной настройки усилия пружины клапана и пружины сильфона с крышкой позволила снизить автоколебания при работе редуктора, уменьшить динамические нагрузки на дросселирующее седло и герметизирующий вкладыш и этим повысить надежность работы регулятора. 2 c. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования давления в редукторе, при котором открытию подпружиненного клапана под воздействием на него рабочего тела высокого давления осуществляют противодействие через механическую связь подвижной подпружиненной оболочкой с воздействием на нее рабочего тела низкого давления, а также осуществляют настроечную регулировку усилия пружины, отличающийся тем, что противодействие на клапан через механическую связь подвижной подпружиненной оболочкой с воздействием на нее рабочего тела низкого давления осуществляют через пружину клапана, причем подпружиненной стороной упомянутой оболочки, настроечную регулировку усилия пружины осуществляют для пружины клапана.2. Редуктор давления, содержащий корпус с выходом рабочего тела низкого давления и входом рабочего тела высокого давления, соединенным своим фланцем с корпусом и включающим наружный патрубок и внутренний патрубок, выполненный с дросселирующим седлом и установленным в нем клапаном, содержащим со стороны дросселирующего седла герметизирующий вкладыш, а с противоположной своей стороны – пружину, подвижную подпружиненную оболочку, расположенную внутри корпуса и выполненную в виде крышки сильфона, в котором установлена ее пружина и которая выполнена с механической связью с клапаном, настроечный регулятор усилия пружины, выполненный с двумя контргайками, отличающийся тем, что пружина клапана выполнена внутри вновь введенного дополнительного сильфона, один край которого герметично соединен с торцом внутреннего патрубка входа рабочего тела высокого давления, а другой – с центральной частью крышки сильфона, в которой выполнено, по меньшей мере, одно проходное отверстие и которая одновременно выполнена в качестве упора для пружины клапана, а торец сильфона герметично соединен с фланцем входа рабочего тела высокого давления, клапан снабжен настроечным регулятором усилия его пружины в виде штока, проходящим через выполненное центральное отверстие в крышке сильфона и с возможностью перемещения в нем в продольном направлении, причем один его конец, расположенный внутри пружины клапана, соединен с ним посредством шарового шарнира, а другой, расположенный снаружи крышки сильфона, выполнен с двумя контргайками.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что настроечный регулятор усилия пружины крышки сильфона выполнен на наружном патрубке входа рабочего тела высокого давления в виде скользящего по нему кольца с толкателями, например четырьмя, равномерно и ортогонально расположенными относительно его плоскости и проходящими через выполненные во фланце упомянутого входа отверстия и упирающимися своими торцами во вновь введенную центрирующую муфту пружины крышки сильфона, а противоположная сторона кольца выполнена с упором в две контргайки, выполненные на упомянутом наружном патрубке.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что фланец входа рабочего тела высокого давления выполнен с направляющим цилиндром для центрирующей муфты пружины сильфона с рабочей поверхностью снаружи его и со свободным торцом, выполненным с ограничительным зазором для рабочего хода крышки сильфона и расположенным между сильфоном и дополнительным сильфоном.5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что герметизирующий вкладыш клапана выполнен из поликарбоната.