РЕДУКЦИОННЫЙ КЛАПАН Российский патент 2015 года по МПК G05D16/10 

Изобретение относится к пневмоавтоматике и может быть использовано в системах газоснабжения стартовых ракетных комплексов для регулирования давления газа.

Известны агрегатные газовые регуляторы давления, применяемые на высокие регулируемые давления до 25 МПа и расходы свыше 4 кг/с с точностью до 2% от настроечного, приведенные в книге Арзуманова Ю.Л. и других «Системы газоснабжения и устройства пневмоавтоматики ракетно-космических комплексов», Москва. «Машиностроение», 1997 г.

Особенностью регуляторов, приведенных в книге, является повышенные требования к устойчивости к автоколебаниям в условиях больших энергий, воздействующих на подвижные части. В приведенных аналогах устойчивость обеспечивается использованием гидравлических, механических и пневматических усилителей (приведены на рисунках 1.36-1.38).

Недостатком приведенных аналогов является сложность конструкции и высокие массогабаритные характеристики.

Известен газовый редуктор по а.с. СССР №426099, кл. F16K 18/00 (прототип), содержащий основной и управляющий редукторы, между которыми установлен клапан сброса давления, в корпусе которого с входным и выходным штуцерами размещен подпружиненный дренажный поршень с установленным в нем обратным клапаном, взаимодействующим с седлом корпуса.

Для обеспечения устойчивости при работе и исключения автоколебаний в прототипе использован механический усилитель, содержащий систему рычагов. Рычаги увеличивают ход управляющего поршня основного редуктора, создавая компрессию управляющего газа и повышая тем самым пневматическую жесткость при работе подвижных частей.

Недостатком прототипа является сложность конструкции и большая масса и габариты.

Предложен клапан редукционный (КР), содержащий основной КР и управляющий КР, между которыми установлен клапан сброса давления. Последний содержит уплотнитель, седло, подпружиненный дренажный поршень и размещенный в нем обратный клапан. В составе основного КР имеется управляющий поршень, связанный с регулирующим клапаном.

Отличительные признаки предложенного КР следующие:

1) дренажный поршень клапана сброса давления размещен в корпусе основного КР соосно с его управляющим поршнем;

2) между дренажным и управляющим поршнями образована компрессионная камера минимального объема;

3) внутри компрессионной камеры в корпусе выполнена перемычка с каналами, на которой имеется уплотнитель для дренажного седла;

4) на дренажном поршне имеется дроссель и выполнена малая ступень, выведенная в дренаж;

5) внутри дренажного поршня имеется сквозной дренажный канал, на выходе которого со стороны перемычки выполнено дренажное седло, имеющее возможность контактировать с уплотнителем перемычки;

6) обеспечено соотношение, в котором объем компрессионной камеры (V_k) выполнен меньше произведения площади управляющего поршня (F_n) на его ход (h_n);

7) из компрессионной камеры в корпусе выведен дренажный канал, в котором установлен пневмодроссель малого расхода. Для получения малых расходов при высоких рабочих давлениях он содержит редуктор понижения давления и дроссель;

8) в дренажном поршне установлен дроссель, сообщающий управляющую полость, образованную ступенями поршня, с компрессионной камерой.

Положительный эффект от использования изобретения заключается в упрощении конструкции, повышении точности, надежности и снижении массогабаритных характеристик прототипа при обеспечении устойчивости к автоколебаниям.

На чертеже изображен предложенный КР.

Он состоит из основного 1 и управляющего 2 КР. Между ними установлен клапан сброса давления, состоящий из дренажного поршня 3 с размещенным в нем обратным клапаном 4. На дренажном поршне 3 имеется седло 5, контактирующее с уплотнителем 6.

В основном КР 1 имеется управляющий поршень 7, размещенный в выходной полости 8 и взаимодействующий с регулирующим клапаном 9. Последний выполнен уравновешенным по входному и выходному давлению за счет равенства диаметров уплотнения по седлу 10 и штоку 11.

В корпусе 12 имеется входной 13 и выходной 14 каналы. К входному каналу подсоединена магистраль, в которой установлен электропневмоклапан 15.

В корпусе 12 соосно размещены дренажный 3 и управляющий 7 поршни, а между ними образована компрессионная камера 16, внутри которой в корпусе 12 выполнена перемычка 17. Уплотнитель 6 размещен на перемычке 17 и контактирует с седлом 5 дренажного поршня 3.

На дренажном поршне 3 выполнена малая ступень 18, внутри которого имеется сквозной дренажный канал 19, сообщающий через седло 5 и уплотнитель 6 компрессионную камеру 16 с ДРЕНАЖЕМ I.

Пружина 20 поджимает дренажный поршень 3 к перемычке 17, перекрывая дренажный канал 19 контактом седла 5 на уплотнитель 6.

Выход управляющего КР 2 сообщен с управляющей полостью 21, образованной ступенями дренажного поршня 3.

Из компрессионной камеры 16 выведен дренажный канал 22, на выходе которого установлен пневмодроссель малого расхода 23, сообщенный с ДРЕНАЖЕМ II.

В предложенном КР обеспечено соотношение, при котором объем компрессионной камеры 16 (V_k) выполнен меньше произведения площади управляющего поршня 7 (F_п) на его максимальный ход (h_п).

В большей ступени дренажного поршня 3 установлен дроссель 24, сообщающий управляющую полость 21 и компрессионную камеру 16.

Работает предложенный КР следующим образом.

В исходном положении на вход основного 1 и управляющего 2 КР подано входное давление. При этом электропневмоклапан 15 в выходной магистрали основного КР закрыт, расход через КР отсутствует. Клапан 9 закрыт, в полости 8 устанавливается выходное безрасходное статическое давление, обеспечиваемое настройкой управляющего КР 2.

Давление в управляющей полости 21 и компрессионной камере 16 в безрасходном режиме равны. Обратный клапан 4 и клапан сброса давления, то есть уплотнитель 6 и седло 5 перекрыты.

Малый расход через пневмодроссель 23 обеспечивает повышение точности поддержания управляющего давления за счет исключения погрешности усилия герметизации управляющего КР 2.

Переходный процесс открытия клапана 9 основного КР 1 при отборе газа происходит следующим образом:

- открывается электропневмоклапан 15, осуществляется расход газа по выходной магистрали;

- вследствие запаздывания открытия клапана 9 происходит падение (провал) давления в выходной полости 8;

- падает давление в компрессионной камере 17;

- образуется перепад давления между управляющим давлением в полости 21 и давлением в компрессионной камере 16;

- этим перепадом давления открывается обратный клапан 4 и происходит подпитка компрессионной камеры 16;

- пониженное давление в компрессионной камере 16 выравнивается с управляющим давлением в полости 21;

- закрывается обратный клапан 4, наступает установившийся расходный процесс через КР 1 при открытом клапане 9.

Переходный процесс закрытия клапана 9 основного КР 1 происходит следующим образом:

- закрывается электропневмоклапан 15. Прекращается расход через выходную магистраль;

- вследствии запаздывания закрытия клапана 9 происходит повышение (заброс) давления в выходной полости 8;

- повышается давление в компрессионной камере 16;

- образуется перепад давления между давлением в компрессионной камере 16 и управляющим давлением в полости 21;

- этим перепадом давления дренажный поршень 3 сжимает пружину 20, седло 5 отходит от уплотнителя 6, то есть открывается клапан сброса давления;

- повышенное давление в компрессионной камере 16 дренируется по каналу 19 в ДРЕНАЖ I;

- происходит выравнивание давлений в компрессионной камере 16 и управляющей полости 21;

- дренажный поршень 3 под действием пружины 20 перекрывает канал 19 посадкой седла 5 на уплотнитель 6;

- наступает установившейся безрасходный режим КР 1 при закрытом клапане 9.

При плавном изменении расхода, через КР 1, например, от температурных воздействий, срабатывание обратного клапана 4 и клапана сброса давления не происходит. При этом выравнивание давлений в управляющей полости 21 и компрессионной камере 16 осуществляется через дроссель 24.

Введение в предложенном КР дросселя 24 на дренажном поршне 3 повышает точность поддержания выходного давления КР 1 за счет полного выравнивания давлений в управляющей полости 21 и компрессионной камере 16. При отсутствии этого дросселя давление в компрессионной камере имеет погрешность, связанную с давлениями открытия обратного клапана и клапана сброса давления.

Предложенный КР имеет более простую конструкцию по сравнению с аналогами, и поэтому более надежен и имеет улучшенные массогабаритные характеристики.

Отсутствие автоколебаний в расходном режиме КР 1 обеспечивается повышенной пневматической жесткостью компрессионной камеры 16, участвующей в передаче управляющего давления от КР 2 на клапан 9.

Работоспособность предложенного КР подтверждается расчетом конкретного образца редуктора АР-232, прошедшего опытную отработку.

1) Объем компрессионной камеры 16 определим из выражения:

где

V_k - объем компрессионной камеры;

F_п=60 см² - площадь управляющего поршня 7;

h_п=0,25 см - ход управляющего поршня 7.

2) Пневматическая жесткость компрессионной камеры 16 определяется как соотношение изменения упругой пневматической силы к ходу поршня 7, вызывающее это усилие при условии несрабатывания обратного клапана 4 и дренажного поршня 3:

где С_пн - пневматическая жесткость компрессионной камеры;

ΔР_вых - изменение давления в компрессионной камере, определяемое из соотношения;

ΔV_k=F_п·Δh_п - изменение объема;

Подставляем значения (3), (4) в формулу (2):

Из (5) определим пневматическую жесткость:

Для сравнения отметим, что максимальная жесткость нагрузочной пружины известных пружинных редукторов составляет около 1300 кгс/см. Это в 37 раз меньше, чем приведенная пневматическая жесткость.

3) Определим упругий резкий ход поршня в пределах до срабатывания обратного клапана 4:

где h_упр - упругий ход поршня;

ΔР_ко=2 кгс/см² - перепад давления, необходимый для открытия обратного клапана 4 и дренажного поршня 3.

Подставляем значение в (6):

.

Отметим, что упругий ход составляет всего 1% от полного хода поршня. За пределами этого хода происходит срыв возможных автоколебаний за счет срабатывания обратного клапана 4 или дренажного поршня 3 (клапана сброса давления).

Из проведенных расчетов видно, что повышенная пневматическая жесткость компрессионной камеры в сочетании с срабатыванием обратного клапана 4 и дренажного поршня 3 обеспечивает устойчивую работу КР 1 в расходном режиме.

Заявленное техническое решение проверено на опытных образцах редуктора АР-232. Результаты испытаний положительные.

Редукционный клапан относится к области пневмоавтоматики и может быть использован для регулирования давления газа в системах газоснабжения стартовых ракетных комплексов, в частности в агрегатных газовых регуляторах давления, применяемых на высокие регулируемые давления до 25 МПа и расходы свыше 4 кг/с с точностью до 2% от настроечного. В корпусе заявленного основного редукционного клапана соосно с управляющим поршнем размещен дренажный поршень, между дренажным и управляющим поршнями образована компрессионная камера, внутри которой выполнена перемычка с уплотнителем для дренажного седла, на дренажном поршне имеется дроссель и выполнена малая ступень, выведенная в дренаж, внутри него имеется дренажный канал, на выходе которого со стороны перемычки выполнено дренажное седло, при этом обеспечено соотношение, в котором объем компрессионной камеры меньше произведения площади управляющего поршня на его максимальный ход. Из компрессионной камеры выведен дренажный канал, на выходе которого установлен пневмодроссель малого расхода. Технический результат заключается в упрощении конструкции, повышении точности, надежности и снижении массогабаритных характеристик при обеспечении устойчивости к автоколебаниям. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Редукционный клапан, содержащий основной и управляющий редукционные клапаны, между которыми установлен клапан сброса давления, содержащий уплотнитель, седло, дренажный поршень и размещенный в нем обратный клапан, управляющий поршень в составе основного редукционного клапана, отличающийся тем, что дренажный поршень размещен в корпусе основного редукционного клапана соосно с управляющим поршнем, между дренажным и управляющим поршнями образована компрессионная камера, внутри которой выполнена перемычка с уплотнителем для дренажного седла, на дренажном поршне имеется дроссель и выполнена малая ступень, выведенная в дренаж, внутри него имеется дренажный канал, на выходе которого со стороны перемычки выполнено дренажное седло, при этом обеспечено соотношение, в котором объем компрессионной камеры меньше произведения площади управляющего поршня на его максимальный ход
V_k<F_п·h_п,
где V_k - объем компрессионной камеры;
F_п - площадь управляющего поршня;
h_п - максимальный ход поршня.

2. Редукционный клапан по п. 1, отличающийся тем, что из компрессионной камеры выведен дренажный канал, на выходе которого установлен пневмодроссель малого расхода.