Регулятор расхода жидкости Советский патент 1992 года по МПК G05D7/01 

Изобретение относится к технике автоматического регулирования и может использоваться в системах питания топливом энергетических установок различного Назначения, в частности в двигателях летательных аппаратов с вытеснительиой или турбонасосной системами подачи топлива.

Известны автономные регуляторы постоянства расхода жидкости, использующие энергию регулируемого потока в

напорной магистрали и стабилизирующие режимные показатели энергоустановок.

Так, известен регулятор расхода пере- падного типа с последовательным расположением дросселирующих устройств в напорной магистрали, причем задающий уровень расхода дроссель, на котором с помощью подпружиненного плунжера измеряется и поддерживается постоянным перепад давлений, расположен между первым и вторым регулирующим дроссельным элементами плунжера.

Данное техническое решение не исключает аппаратурные погрешности, связанные С вредным проявлением гидродинамической силы на затворных кромках дроссельных элементов. Функциональное изменение параметров, формирующих эту силу, приводит к появлению на внешней расходной характеристике регулятора в режиме стабилизации обширной зоны с отрицательной статической неравномерностью. Отрицательный статизм регулирующего устройства в энергоустановках со слабым самовыравниванием равновесных режимов может привести к их параметрической дестабилиза ции.

Наиболее близок к предлагаемому регулятор расхода авиационного газотурбинного двигателя, который поддерживает постоянство перепада давлений на двух последовательно расположенных в напорной магистрали дросселях посредством слива части расхода горючего из междроссельного пространства через регулирующий клапан. Второй дроссель имеет переменное проходное сечение и задает уровень расхода горючего к форсункам камеры сгорания. Питание магистрали осуществляется объемным насосом.

Известное техническое решение характеризуется следующими недостатками. Регулируемый перепуск части расхода горючего из междроссельного пространства напорной магистрали на вход насоса вызывает непроизводительные затраты мощности последнего, возрастающие с уменьшением проходного сечения на задающем дросселе. Это, в свою очередь, приводит к повышенному износу элементов качающего узла насоса и снижает его анти- кавитационные запасы из-за температурных и кинематических возмущений в жидкости на участке всасывания. Расчетный анализ статических расходных характеристик регулятора показал, что сложные параметрические настройки сливного регулирующего клапана не гарантируют одинаково высокой точности стабилизации уровней расходов горючего через задающий дроссель при различной степени его открытия. При малых значениях величины относительной деформации пружины клапана имеет место отрицательная статическая неравномерность внешней расходной характеристики, возрастающая по мере уменьшения площади проходного сечения задающего дросселя. Ширина диапазона стабилизации расхода горючего через задающий дроссель ограничена максимальным Ходом регулирующего органа сливного клапана, а размещение этого диапазона на выходной характеристике по мере перекрытия проходного сечения задающего дросселя имеет тенденцию смещения к вариациям

возмущений более высоких уровней. Приведенные аппаратурные особенности рассмотренного регулирующего устройства заметно сужают его функциональные возможности в составе объекта регулирования.

0 Цель изобретения - повышение точности поддержания заданного уровня расхода жидкости при работе, регулирующего устройства в режиме стабилизации, а также уменьшение его массы и габаритных разме5 ров.

Указанная цель достигается посредством двухкаскадной стабилизации перепадов давлений на дроссельных устройствах, последовательно расположенных по потоку

0 жидкости в напорной магистрали. На основном участке напорной магистрали размещаются задающий дроссель и первый регулирующий дроссельный элемент, который составляет единое целое с малым под5 пружиненным полым поршнем, измеряющим и поддерживающим постоянный перепад давлений на задающем дросселе, Перечисленные элементы формируют первый каскад стабилизации. На последую0 щем участке магистрали размещается второй регулирующий дроссельный элемент, который составляет единое целое с большим подпружиненным полым поршнем, измеряющими поддерживающим постоянный

5 перепад давлений на совокупности дросселей основного участка напорной магистрали. Это второй каскад стабилизации. Оба каскада обладают определенными аппаратурными погрешностями, однако даже при0 ближенное поддержание постоянства перепада давлений на совокупности дросселей основного участка в несколько раз ограничивает диапазон перепадных возмущений, существенных для первого каскада

5 стабилизации. В результате резкого сужения диапазона возмущающих перепадов давлений, воздействующих на первый каскад стабилизации, обеспечивается высокая точность поддержания постоянства расхода

0 через задающий дроссель. Одновременно многократно расширяется зона располагаемых возмущающих перепадов давлений на регулирующем устройстве 8 целом.

На фиг.1 представлена конструктивная

5 схема предлагаемого регулятора расхода жидкости,

Регулятор имеет полый корпус 1 с входным и выходным каналами. Цилиндрически расточенная внутренняя полость, соединенная с входным каналом, отделена от кольцевой полости на выходе цилиндрической перегородкой с прорезанными в ней круглыми окнами. В цилиндрическую расточку внутренней полости корпуса 1 концентрично ей вставлена неподвижная полая втулка 2. Герметизация технологического разъема между втулкой 2 и корпусом 1 обеспечивается резиновым уплотнительным кольцом 3. Втулка 2 своим кольцевым торцом через шайбу 4 фиксирует осевое положение подшипника 5 затворного узла задающего дросселя. Затворный узел имеет уплотни- тельное фторпластовое кольцо б, герметизирующее зазор между его валиком 7 и корпусом 1. Вилка 8 наружного хвостовика затворного узла служит для стыковки с муфтой привода перенастройки регулятора (не показан). Пробковый затвор 9 с коноидаль- ной рабочей поверхностью насажен на резьбовую часть валика 7 и направляется по внутренней поверхности втулки 2, перекрывай прямоугольные окна в ее стенке. Затвор 9 задающего дросселя фиксируется от про- ворота вокруг оси пружиной 10.

Малий полый поршень 11 первого каскада стабилизации перепада давлений на задающем дросселе посажен на внешние направляющие поверхности втулки 2. Во внутренней полости поршня 11 расположена пружина 12 упругой подвески его на втулке 2. Пружинная полость сообщается с внутренней полостью втулки 2 малоразмерными отверстиями 13, ограничивающими скорость перемещения поршня 11. Под действием пружины 12 ход поршня 11 ограничен разрезным стопорным кольцом 14, установленным в канавке втулки 2, Скругленная кромка затворной части поршня 11 и выступ на внешней поверхности втулки 2 формируют кольцевую щель 15 первого регулирующего дроссельного элемента.

Большой полый поршень 16 второго каскада стабилизации перепада давлений на совокупности задающего дросселя и первой дроссельной щеди 15 установлен в цилиндрически расточенных направляющих входной полости корпуса 1. Поршень 16 образует с внутренней поверхностью стенки корпуса 1 кольцевую полость, где размещена пружина 17 его упругой подвески. Входная полость корпуса 1 сообщается с пружинной полостью через продольные пазы на направляющей поверхности поршня 16. На торцовом цилиндрическом пояске последнего имеются радиальные отверстия 18, гарантирующие доступ жидкости в пружинную полость при упоре поршня 16 в торец корпуса 1. Ножевая кромка затворной части поршня 16 совместно с окнами в цилиндрической перегородке корпуса 1 формируют дроссельную щель второго регулирующего дроссельного элемента.

Между наружной поверхностью поршня

11 и внутренней поверхностью поршня 16

допускается кольцевой зазор, радиальный

размер которого предпочтительно задавать

ходовой посадкой.

Регулятор работает следующим образом.

0 Полагаем, что все внутренние полости регулятора заполнены жидкостью. При отсутствии расхода через регулятор малый и большой поршни 11 и 16 под действием пружин 12 и 17 удерживаются соответствен5 но на разрезном кольце 14 и на торцовом выступе корпуса 1 в положении максимального открытия первой и второй дроссельных щелей. Пробковый затвор 9 задающего дросселя занимает позицию, гарантирую0 щую свободное прохождение некоторого расхода жидкости через прямоугольные окна во втулке 2, С нарастанием расхода через регулятор увеличиваются перепады давлений на задающем дросселе, первой и второй

5 дроссельных щелях. До момента начала движения подпружиненных полых поршней 11 и 16 расходная характеристика регулятора определяется гидравлическими потерями на его дросселирующих элементах при

0 максимально открытых проходных сечениях регулирующих щелей обоих каскадов стабилизации, Перепады давлений на каждом из дросселирующих элементов нарастают пропорционально квадрату величины массово5 го расхода и практически со скоростью распространения звука в жидкости.

Так как стабилизируемый перепад давлений на первом каскаде значительно ниже стабилизируемого перепада на втором, то

0 при достижении определенной величины этого параметра на задающем дросселе к эффективной площади малого поршня It прикладывается усилие, превышающее предварительную затяжку его пружины 12.

5 При дальнейшем росте перепада давлений поршень 11 начинает перемещаться, сжимая пружину 12 и перекрывая скругленной кромкой своей затворной части проходное сечение первой дроссельной щели 15. Сте0 пень открытия этой щели характеризуется величиной осевого смещения кромки затворной части hi от полностью перекрытого состояния. С уменьшением hi эффективность компенсации роста перепада давле5 ний на задающем дросселе прогрессивно увеличивается и первый каскад стабилизации выходит на заданный уровень поддержания постоянства расхода жидкости. Этот каскад функционирует с точностью до собственных аппаратурных погрешностей, проявляющихся на его внешней характеристике в виде положительной и отрицательной статической неравномерности поддерживаемого уровня перепада давлений (а следовательно, и расхода жидкости) на задающем дросселе. Отрицательная неравномерность имеет место в зоне повышенных перепадов давлений на дроссельной щели 15, когда высокие функциональные значения гидродинамической силы гиперболически искажают линейные свойства упругой подвески поршня 11.

Сила предварительной затяжки пружины 17 выбирается такой, чтобы диапазон стабилизации перепадов давлений на совокупности задающего дросселя и первой регулируемой дроссельной щели 15 соответствовал интервалу расходной характеристики первого каскада с минимальными значениями статической неравномерности. В связи с этим перепад давлений, который на эффективной площади большого полого поршня 16 развивает усилие, равное предварительной затяжке его пружины 17, должен превышать аналогичную величину, выбранную для поршня 11. Дальнейший рост перепада давлений на совокупности дроссельных устройств первого каскада вызывает перемещение поршня 16, который, сжимая пружину 17, ножевой кромкой своей затворной части перекрывает проходные сечения окон в перегородке корпуса 1, Конструктивная характеристика второй регулируемой дроссельной щели определяется формой окон в перегородке и степенью их открытия z при осевом смещении ножевой кромки. С уменьшением П2 осуществляется необходимая компенсация роста перепада давлений на совокупности дроссельных устройств первого каскада стабилизации за счет сбалансированного увеличения потерь давления на второй дроссельной щели. Выбранный уровень перепада давлений на совокупности дроссельных устройств первого каскада поддерживается с менее жесткими требованиями к качественным и количественным показателям аппаратурных погрешностей второго каскада и практически в неограниченном диапазоне перепадов давлений на регуляторе в целом. Выбор настро- ек второго каскада стабилизации в окрестностях экстремума статической характеристики первого в состоянии обеспечить астатическое постоянство расхода жидкости через регулятор.

Перенастройка регулятора с одного уровня стабилизации расхода жидкости на другой осуществляется поворотом вилки 8 наружного хвостовика затворного узла задающего дросселя от специального привода. При этом резьбовая часть валика 7 вызывает осевое смещение пробкового затвора 9, изменяющего проходные сечения прямоугольных окон в стенке полой втулки 2. Для

эффективной реализации компенсационного принципа, заложенного в регуляторе, максимальное открытие окон задающего дросселя по площади не менее чем в 1,5-2 раза должно превышать максимальные проходные сечения первой и второй регулируе: мых дроссельных щелей.

Часть расхода жидкости проходит через кольцевой зазор между поршнями 11 и 16, минуя задающий дроссель и первую промежуточную полость. Изменяя величину зазора, можно при необходимости существенно ослабить градиенты отрицательного статиз- ма на расходной характеристике первого каскада стабилизации за счет параболически нарастающей добавки расхода через зазор. В случае прекращения подачи жидкости в про точной части первого каскада сохраняются стабилизирующие свойства второго каскада по поддержанию постоянства перепада давлений на гидросопротивлении кольцевого зазора.

Аппаратурные преимущества предлагаемого регулирующего устройства под- твер,ждены расчетным путем по известной

методике.

На фиг.2 представлен пример возможной реализации статических характеристик предлагаемым регулятором расхода жидкости. Графические построения выполнены

при следующих не нарушающих общности принципиального подхода допущениях: относительные открытия регулирующих дроссел ьных щелей равны между собой, т.е. Hi ha h; относительные деформации

пружин первого и второго каскадов стабилизации совпадают и составляют 0,4; максимальные проходные сечения первой и второй регулирующих дроссельных щелей превосходят максимальную площадь окон

задающего дросселя в 2 и 3 раза соответственно; относительное открытие задающего дросселя и отношение площади проходного сечения кольцевого зазора к максимальной площади окон задающего дросселя принято

равным 0,5; отношение базисных величин перепадов давлений для второго и первого каскада стабилизации составляет

АРбаз2 А РбазГ

PnlSl

15,

где РпГ и РП2 - силы пружин первого и второго каскадов при полностью перекрытых регулируемых дроссельных щелях;

Si и S2 эффективные площади поршней первого и второго каскадов,

Окна в перегородке корпуса заменены эквивалентной щелью, что позволяет использовать одно и то же соотношение для определения конструктивно-кинематического показателя гидродинамической силы, воздействующей на затворные части малого или большого поршней:

T(hi) T(h2) Г(К2) 0,08 h при Т(Й2) - 1.

Привязка перепадов давлений, указанных на графике, к проточной части регулятора обеспечивается следующими индексами: зд - задающий дроссель; о - совокупный для дросселей первого каскада стабилизации; р - регулятор в целом. Расчетные соот- ношения, определяющие статические характеристики второго каскада стабилизации, получены путем введения понятия эквивалентной конструктивной характеристики для проточной части первого каскада.

Анализируя полученные кривые, нетрудно установить, что достаточно широкий диапазон рабочих пер епадов давлений на регуляторе в целом А Ррмакс - А Ррмин - 500 в результате работы второго каскада стабилизации трансформируется в весьма узкую полосу возможных вариаций входного параметра А Ромакс - А Ромин 1, воздействующего в качестве возмущающей нагрузки на дроссельные элементы первого каскада. Это не только приводит к снижению промежутка возможных вариаций статической неравномерности перепада давлений на задающем дросселе, формируемой первым каскадом, но и при увеличении А Рр от значения 150 обеспечивает убывающий положительный статизм изменения данного параметра вплоть до А Р0- 5. В режиме стабилизации

тэд (м Р)зд

const

что позволяет приведенные рассуждения распространять и на оценку статической неравномерности расхода жидкости через регулятор. Без заметного снижения точности по стабилизации расхода верхнюю границу перепада давлений на регуляторе можно

ПОДНЯТЬ ДО УРОВНЯ А Ррмакс 900

Сравнительно простые операции по настройке параметров каждого из двух каскадов стабилизации регулятора обеспечивают при различных открытиях окон задающего дросселя потребные выходные расходные характеристики с управляемым, как угодно малым, уровнем положительного или отрицательного статизма. При известных ограничениях на диапазоны изменения перепадов давлений вполне достижимы астатические показатели при поддержании

постоянства расхода жидкости. Весьма благоприятные условия стабилизации расхода складываются на участке высоких перепадов давлений, воздействующих на регулирующее устройство, когда полностью

устраняется характерная для однокаскад- ной схемы отрицательная статическая неравномерность. На этом участке с увеличением А Рр обеспечивается нарастание ДР3д, а значит, и т3д. Как известно,

даже незначительное снижение уровня расхода горючего через регулятор при росте общего перепада давлений на нем приводит к потере устойчивости режима работы жидкостного ракетного двигателя.

Принцип последовательного дросселирования потока жидкости в напорной магистрали, осуществленный в предлагаемом устройстве, позволяет рационально распределить перепады давлений на каждом из его

дроссельных элементов и таким образом исключить условия для возникновения кавитации в их проточных частях.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает высокую точность и заданное

качество регулирования режимных показателей энергетических установок различного назначения, использующих жидкие топливные компоненты. В частности, применение регулятора перепадного типа, построенного по двухкаскадной схеме, на двигателях летательных аппаратов позволяет существенно повысить энергетическую эффективность их основных узлов и уменьшить разбросы настроек по таким определяющим параметрам, как тяга и удельный импульс.

Формула изобретения Регулятор расхода жидкости, содержащий корпус с цилиндрически расточенной

входной и кольцевой выходной полостями и расположенные в цилиндрической расточке концентрично ей неподвижную цилиндрическую втулку с окнами, первый и второй регулирующие дроссельные элементы, перенастраиваемый пробковый затвор задающего дросселя, расположенный в цилиндрической втулке со стороны входной полости с возможностью частичного перекрытия окон цилиндрической втулки,

отличающийся тем, что, с целью повышения точности и уменьшения массо- габаритных характеристик регулятора, первый регулирующий дроссельный элемент выполнен в виде установленного концентрично цилиндрической втулке малого подпружиненного полого поршня, образующего с ее торцовым выступом первую дроссельную щель и с ее поверхностью первую промежуточную полость, соединенную с входной полостью, второй регулирующий дроссельный элемент выполнен в виде большого подпружиненного полого поршни, установленного концентрично цилиндрической втулке с зазором между поршнями и образующего с корпусом вторую дроссельную щель, а с

0

внутренней поверхностью цилиндрической расточки и наружной поверхностью малого поршня - вторую промежуточную полость, соединенную с первой промежуточной полостью и с выходной полостью соответственно через первую и вторую дроссельные щели, причем на цилиндрической втулке выполнен первый упор, а в цилиндрической расточке корпуса - второй упор ограничения хода соответственно малого и большого подпружиненных полых поршней.

Изобретение относится к технике автоматического регулирования подачи жидких компонентов топлива в энергетических установках различного назначения. Повышение точности и уменьшение массога- баритных характеристик обеспечивается увеличение точности поддержания уровня расхода жидкости в напорной магистрали и возможностью устранения отрицательной статической неравномерности выходной характеристики. Для этого регулятор расхода жидкости, построенный по принципу компенсации изменений перепада давлений на одном из двух дроссельных устройств, охвачен каскадом стабилизации перепада давлений на совокупности его дроссельных устройств. Таким образом резко сокращается диапазон возмущающих перепадов, поступающих на регулятор. Устройство имеет полый корпус с цилиндрической входной и кольцевой выходной полостями, цилиндрическую втулку с окнами, первый и второй дроссельные элементы, пробковый затвор задающего дросселя, расположенный в цилиндрической втулке, причем первый и второй дроссельные элементы выполнены соответственно в виде малого и большего подпружиненных полых поршней, концентричных цилиндрической втулке, и образуют первую и вторую промежуточные полости, соединенные между собой и с выходной полостью соответственно через первую и вторую дроссельные щели, при этом на цилиндрической втулке выполнен первый упор, а в корпусе - второй упор ограничения хода соответственно малого и большего полых поршней. 2 ил. Ё СП ч N3 СО

Выход

ЬхЯ

сЪ

Перенастройка

&Р3Д

О, 0.6

я W

йРрмии

200

&Р

рмакс 600

&PU

Фие.2