КЛАПАННЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ МОДУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПОДАЧИ ГАЗА Российский патент 2006 года по МПК F23N1/00 

Настоящее изобретение относится к клапанному узлу для модулирования давления подачи газа.

Такие клапанные узлы широко используются для регулирования подачи топливного газа в горелку или в другое аналогичное использующее устройство, в частности, помимо прочего, в нагревательное устройство.

Эти узлы регулируют давление подачи (и, следовательно, расхода) газа управляемым образом путем модуляции между минимальным давлением и максимальным давлением с помощью сервоклапана, работающего от модуляционного устройства с диафрагмой. Сервоклапан обычно содержит закрывающий элемент, выполненный с возможностью его открытия с помощью диафрагмы, срабатывающей от разности давления между давлением в подающем канале и регулирующим давлением. Этим регулирующим давлением управляет клапан с плавной характеристикой.

Клапанный узел, имеющий указанные характеристики, известен из европейской заявки ЕР 1059060. Согласно этой заявке исполнительный механизм клапана с плавными характеристиками регулируется периодически изменяющимся управляющим сигналом (например, сигналом электрического напряжения) с определенным «рабочим циклом», чтобы формировать периодически изменяющийся регулирующий давление сигнал, суммарное среднее значение которого зависит от заданного «рабочего цикла». Ограничение в применении этого клапана заключается в том, что значение регулирующего давления, реагирующее на модуляцию, представлено средним значением давления, возникающего в течение определенного срока, и поэтому, в силу своего характера, функция регулирования давления подачи газа становится менее точной.

Помимо этого, регулирование клапаном с плавными характеристиками довольно сложное, поскольку для этого требуется управляющая схема, управляющая регулированием «рабочего цикла» путем модуляции клапана.

Целью настоящего изобретения является создание клапанного узла, который обеспечивает усовершенствованное и более точное модуляционное регулирование давления подачи газа с помощью клапана с плавными характеристиками и соответствующего исполнительного механизма для его работы, имеющего упрощенную конструкцию, но в то же время устраняющего ограничения упоминаемого выше уровня техники.

Эта и другие цели, поясняемые в приводимом ниже описании, достигаются настоящим изобретением посредством создания клапанного узла для модулирования давления подачи газа, содержащего: главный канал для подачи потока газа между впускным отверстием и выпускным отверстием; сервоклапан, установленный в канале и имеющий первый закрывающий элемент, управляемый диафрагмой; при этом с одной стороны диафрагма подвергается воздействию давления подачи газа и с другой стороны воздействию регулирующего давления, создаваемого в соответствующей регулирующей камере сервоклапана; выпускающий канал для выпуска газа, подаваемого во впуск узла; при этом два противоположных конца указанного канала посредством текучей среды сообщены с главным каналом перед сервоклапаном и с регулирующей камерой соответственно; регулятор давления, действующий совместно с сервоклапаном и содержащий седло клапана, установленное в выпускающем канале, и соответствующий второй закрывающий элемент, связанный с указанным седлом; исполнительное средство, связанное со вторым закрывающим элементом для оперативного управления этим элементом; и регулирующую схему, формирующую управляющий сигнал для исполнительного средства; характеризующегося тем, что исполнительное средство является средством пьезоэлектрического типа, и перемещение второго закрывающего элемента относительно соответствующего седла клапана пропорционально соотносится с сигналом управления исполнительным средством, в результате чего для заданного значения сигнала формируется соответствующее значение регулирующего давления для последующего пропорционально соотнесенного модулирования давления подачи.

Предпочтительно, пьезоэлектрическое исполнительное средство содержит двухпластинчатый элемент, рабочий конец которого соединен со вторым закрывающим элементом.

Преимущественно, управляющим сигналом является сигнал источника напряжения для пьезоэлектрического исполнительного средства.

Как вариант, клапанный узел может содержать средство для определения давления подачи после сервоклапана; и средство сравнения для сравнения определяемого значения давления подачи с заданным значением и для последующего формирования соответствующего управляющего сигнала для пьезоэлектрического исполнительного средства в целях модулирования давления подачи для обеспечения заданного значения давления.

Предпочтительно, средство определения и средство сравнения образуют схему обратной связи, воздействующей на регулятор давления. При этом средство определения может быть выполнено с возможностью определения расхода подаваемого газа.

Преимущественно, клапанный узел содержит дополнительный клапан для регулирования максимального давления подачи, расположенный перед сервоклапаном и регулятором давления.

Прочие характеристики и преимущества изобретения поясняются в приводимом ниже подробном описании его неограничивающего предпочтительного примера осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схематическое продольное сечение клапанного узла, выполненного в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 - вид, соответствующий фиг.1, варианта осуществления изобретения;

фиг.3 - блок-схема второго осуществления клапанного узла согласно изобретению;

фиг.4 - вид, соответствующий фиг.3, еще одного осуществления изобретения;

фиг.5 - частичное сечение клапанного узла, показываемого на предыдущих чертежах;

фиг.6 - график характеристической кривой «давление-напряжение» клапанного узла согласно осуществлению в соответствии с фиг.3;

фиг.7 - график характеристической кривой «давление-напряжение» клапанного узла согласно осуществлению в соответствии с фиг.4.

Как показано на фиг.1, клапанный узел в соответствии с изобретением для модулирования давления подачи топливного газа в горелку или аналогичное устройство, не показанное, в целом обозначен ссылочной позицией 1. Топливный газ подается в узел 1 по главному каналу 2 между впускным отверстием 3 и выпускным отверстием 4.

Клапанный узел 1 также содержит сервоклапан 5, установленный в главном канале 2 и имеющий закрывающий элемент 6, который принудительно упруго осуществляет закрытие на седле 7 клапана под воздействием упругой нагрузки пружины 7а и который выполнен с возможностью открытия диафрагмой 8, срабатывающей на разность давления между давлением Pu на выходе 4 с одной стороны и давлением Pt в регулирующей камере 9 с другой. Значение регулирующего давления Pt определяется действием регулятора давления 10, более подробно поясняемого ниже.

Узел 1 также имеет предохранительный клапан 11, установленный в канале 2 перед регулятором давления 10 и приводимый в действие, например, электромагнитным устройством (не показано) обычной конструкции для перекрытия потока газа в канале 2, когда в электромагнитное устройство, управляющее предохранительным клапаном, не подается электропитание.

Регулирующая камера 9 посредством текучей среды сообщается с главным каналом 2 через посредство канала 12, который выпускает газ и имеет противоположные концы 12а, 12b. На конце 12а канал 12 выходит в главный канал 2 перед сервоклапаном 5.

Регулирующая камера 9 также сообщается с выпускным отверстием 4 канала 2 через переточный канал 13, имеющий сужение 14 в области отверстия 4. Подающее сопло 14а расположено на выходе 4 узла после сужения 14.

Регулятор 10 содержит седло 15 клапана, выполненное в выпускном канале 12 предпочтительно в области конца 12а, и соответствующий закрывающий элемент 16, перемещаемый для закрытия/открытия седла 15 с помощью исполнительного средства 17. Исполнительное средство 17 является средством пьезоэлектрического типа, например типа, содержащего двойную металлическую пластину 18, проходящую по продольной по существу оси между противоположными концами 18а, 18b.

Пьезоэлектрический исполнительный механизм своим концом 18а соединен с корпусом закрывающего элемента 16, и на его противоположном конце 18b выполнена пара выводов 19 для электропитания исполнительного механизма.

Как показано на фиг.5, закрывающий элемент 16 имеет шток 16а, на одном конце которого расположена головка 20 закрывающего элемента, имеющая криволинейную поверхность предпочтительно в виде сферической крышки, воздействующей на седло 15 клапана. На противоположный конец штока воздействует пружина 21, которая принудительно упруго перемещает закрывающий элемент 16 в закрывающее положение на седле 15 клапана противоположно открывающему действию пьезоэлектрического исполнительного механизма.

Конец 18а исполнительного механизма действует между парой противоположных выполненных с возможностью примыкания друг к другу поверхностей 22а, 22b, образованных отверстием, выполненным в штоке 16а. Расстояние между противоположными указанными примыкающими поверхностями выбрано с таким значением, чтобы конец 18а элемента 18 оставался отстоящим от примыкающей поверхности 22b, когда отсутствует электропитание для пьезоэлектрического исполнительного механизма для обеспечения надежного закрытия седла 15 клапана под упругим воздействием пружины 21 только в этом состоянии.

Элемент 18 пьезоэлектрического исполнительного механизма выбран таким образом, чтобы смещение, обусловленное закрывающим элементом 16 по отношению к седлу 16 клапана, пропорционально соотносилось с управляющим сигналом, поступающим в исполнительный механизм, например, сигналом электрического напряжения. За счет соотнесенности между поднимающим перемещением закрывающего элемента 16 и создаваемым в камере 9 регулирующим давлением Pt в соответствии с заданным значением указанного управляющего сигнала создается соответствующее значение регулирующего давления Pt, в результате чего давление Pu подачи вследствие этого соответственно модулируется.

График 6 показывает характеристическую кривую регулирующего давления Pt в зависимости от напряжения V питания пьезоэлектрического исполнительного механизма для заданного входного давления Pi в главном канале 2. Например, можно получить предпочтительную почти линейную кривую Pt-V регулирования (и, следовательно, Pu-V), согласно которой модулирование давления происходит регулярно и точно по каждому заранее выбранному значению нужного давления подачи.

Фиг.2 показывает первый вариант осуществления изобретения под общим обозначением 40, причем детали, аналогичные предыдущему осуществлению, указаны теми же ссылочными обозначениями. Это осуществление отличается от клапанного узла 1 в основном тем, что регулятор максимального давления подачи, обозначенный на фиг.2 обозначением 41, установлен после сервоклапана 5. Регулятор 41 имеет закрывающий элемент 42, управляемый диафрагмой 43 и принудительно упруго перемещаемый в закрывающее положение на седло 44 клапана под воздействием упругой нагрузки пружины 45. Упругая нагрузка регулируется винтом держателя 46 пружины. Седло 44 клапана сформировано на конце канала 47, противоположный конец которого посредством текучей среды сообщается с передаточным клапаном 13. Седло клапана в свою очередь после закрывающего элемента 42 посредством текучей среды сообщается с камерой 49, посредством текущей среды сообщающейся с выпускным каналом 4 через канал 49а. Канал 49а выходит к выпускному каналу 4 после сужения 14. Помимо этого, закрывающий элемент 42 может действовать для открытия соответствующего седла 44 диафрагмой 43, которая срабатывает, с одной стороны, на давление Pu (действующее в камере 49), и, с другой стороны, на упругое усилие пружины 45, минус эталонное давление Pref (воздействующее на диафрагму 43 с удаленной от камеры 49 стороны), равное, например, атмосферному давлению. Эталонное давление Pref можно выбрать, например, равным давлению, создаваемому после сопла 14а. Предположив, что давление, оказываемое пружиной 45, можно выразить в виде отношения между упругим усилием пружины 45 (эквивалентное давление) и эквивалентной площадью диафрагмы 43, когда выходное давление Pu превышает значение эквивалентного давления, то при этом закрывающий элемент 42 перемещается и открывает седло 44, при этом увеличивая сечение для потока газа и таким образом ограничивая максимальное значение выходного давления Pu до значения эквивалентного давления. Для значений Pu ниже значения эквивалентного давления давление подачи модулируется регулятором 10, согласно вышеизложенному, до достигаемого максимального значения давления, которое можно задавать путем регулирования упругой нагрузки держателя 46 пружины.

В этом случае характеристическая кривая, тип которой показан на фиг.7, характеризует поведение давления подачи в зависимости от регулирующего сигнала V напряжения, поступающего в пьезоэлектрический исполнительный механизм. Нужно отметить, что максимальное давление подачи ограничивается заданным значением (Pmax), которое регулируется посредством винта 46 максимального регулирования, показанного на фиг.2. Таким образом обеспечивается возможность точного регулирования максимального значения выходного давления.

Фиг.3 в виде блок-схемы показывает осуществление под общим обозначением 50, детали которого, аналогичные предыдущему осуществлению, указаны теми же ссылочными обозначениями. Это осуществление отличается от описываемого выше клапанного узла 1 в основном тем, что модулирующее регулирование давления подачи имеет систему обратной связи.

Для этого клапанный узел 50 имеет чувствительный элемент давления (или расхода) с датчиком 51, установленным в канале 2 после сервоклапана 5 в области выпускного отверстия 4. Узел также содержит регулирующую схему 52 обратной связи, которая принимает на входе сигнал, соответствующий значению давления, определяемого датчиком 51. Узел также содержит средство 53 сравнения для сравнения измеряемого значения с заданным значением, относящимся к заданному давлению (или расходу); и также средство 54 формирования управляющего сигнала в зависимости от определяемой разности и для направления этого сигнала в пьезоэлектрический исполнительный механизм для регулирования перемещения закрывающего элемента 16, чтобы создать нужное значение Pu давления подачи.

Нужно отметить, что с помощью системы обратной связи согласно этому осуществлению достигаемое значение Pu давления подачи по существу не зависит от давления Pi газа, поступающего в клапанный узел.

В этом случае характеристическая кривая, тип которой показан на фиг.7, характеризует поведение давления Pt в зависимости от управляющего сигнала V независимо от колебаний или вариантов входного давления Pi.

Фиг.4 в виде блок-схемы показывает еще одно осуществление изобретения под общим обозначением 60, в котором детали, аналогичные предыдущим вариантам осуществления, имеют те же ссылочные обозначения.

Узел 60 отличается от предыдущего осуществления тем, что система обратной связи отсутствует, но имеет дополнительный клапан 61, который регулирует максимальное давление подачи. Этот клапан установлен перед регулятором 10 давления и имеет обычную конструкцию; например, он выполнен в виде седла клапана и соответствующего закрывающего элемента, воздействующего на диафрагму, которая подвергается воздействию со стороны регулируемой упругой нагрузки. Регулирование упругой нагрузки, например, с помощью винта держателя пружины, позволяет установить максимальное пороговое значение для давления Pu подачи, которое можно обеспечить модуляцией клапанного узла.

Кривой регулирования, характеризующей узел 60, может быть, например, кривая согласно фиг.7, включая части, указанные пунктирными линиями.

Таким образом, настоящее изобретение решает предложенные задачи и имеет упоминаемые выше преимущества по сравнению с известными техническими решениями.

Основное преимущество заключается в том, что клапанный узел согласно настоящему изобретению обеспечивает усовершенствованное и более точное модулирующее регулирование давление подачи газа за счет упрощенной конструкции клапанного узла по сравнению с известными техническими решениями.

Клапанный узел для модулирования давления подачи газа содержит главный канал для подачи потока газа между впускным отверстием и выпускным отверстием, сервоклапан, установленный в канале и имеющий первый закрывающий элемент, управляемый диафрагмой, при этом диафрагма подвергается воздействию давления (Pu) подачи газа с одной стороны и с другой стороны воздействию регулирующего давления (Pt), создаваемого в соответствующей регулирующей камере сервоклапана, выпускающий канал для выпуска газа, подаваемого во впуск узла; при этом два противоположных конца указанного канала посредством текучей среды сообщаются с главным каналом перед сервоклапаном и с регулирующей камерой, соответственно. Узел также содержит регулятор давления, связанный с сервоклапаном и содержащий седло клапана, установленное в выпускающем канале, и соответствующий второй закрывающий элемент, действующий совместно с указанным седлом; и также исполнительное средство, связанное со вторым закрывающим элементом для оперативного управления этим элементом; и регулирующую схему, формирующую управляющий сигнал для исполнительного средства. Исполнительное средство является средством пьезоэлектрического типа, и перемещение второго закрывающего элемента относительно соответствующего седла клапана пропорционально соотносится с сигналом управления исполнительным средством, в результате чего для заданного значения сигнала формируется соответствующее значение (Pt) регулирующего давления для последующего пропорционально соотнесенного модулирования давления (Pu) подачи. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Клапанный узел для модулирования давления подачи газа, содержащий главный канал для подачи потока газа между впускным отверстием и выпускным отверстием; сервоклапан, установленный в канале и имеющий первый закрывающий элемент, управляемый диафрагмой, при этом с одной стороны диафрагма подвергается воздействию давления подачи газа и с другой стороны воздействию регулирующего давления, создаваемого в соответствующей регулирующей камере сервоклапана; выпускающий канал для выпуска газа, подаваемого во впуск узла, при этом два противоположных конца указанного канала посредством текучей среды сообщены с главным каналом перед сервоклапаном и с регулирующей камерой соответственно; регулятор давления, действующий совместно с сервоклапаном и содержащий седло клапана, установленное в выпускающем канале, и соответствующий второй закрывающий элемент, связанный с указанным седлом; исполнительное средство, связанное со вторым закрывающим элементом для оперативного управления этим элементом; и регулирующую схему, формирующую управляющий сигнал для исполнительного средства, отличающийся тем, что исполнительное средство является средством пьезоэлектрического типа, и перемещение второго закрывающего элемента относительно соответствующего седла клапана пропорционально соотносится с сигналом управления исполнительным средством, в результате чего для заданного значения сигнала формируется соответствующее значение регулирующего давления для последующего пропорционально соотнесенного модулирования давления подачи.2. Клапанный узел по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрическое исполнительное средство содержит двухпластинчатый элемент, рабочий конец которого соединен со вторым закрывающим элементом.3. Клапанный узел по п.1, отличающийся тем, что управляющим сигналом является сигнал источника напряжения для пьезоэлектрического исполнительного средства.4. Клапанный узел по п.1, отличающийся тем, что содержит средство для определения давления подачи после сервоклапана и средство сравнения для сравнения определяемого значения давления подачи с заданным значением и для последующего формирования соответствующего управляющего сигнала для пьезоэлектрического исполнительного средства в целях модулирования давления подачи для обеспечения заданного значения давления.5. Клапанный узел по п.4, отличающийся тем, что средство определения и средство сравнения образуют схему обратной связи, воздействующей на регулятор давления.6. Клапанный узел по п.5, отличающийся тем, что средство определения выполнено с возможностью определения расхода подаваемого газа.7. Клапанный узел по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что содержит дополнительный клапан для регулирования максимального давления подачи, расположенный перед сервоклапаном и регулятором давления.