Регулятор расхода жидкости

 

Изобретение относится к технике автоматического регулирования подачи жидких компонентов топлива в энергетических установках различного назначения. Повышение точности и уменьшение массогабаритных 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

союз советских СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 6 05 0 7/01

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4785470/24 (22) 23.01.90 (46) 30.07,92. Бюл. М 28 (71) Харьковский авиационный институт (72) ВЛ.Гуськов (56) Авторское свидетельство СССР

% 1108399А, кл. 6 05 0 7/01, 1984.

Заявка Франции hk 2406078, . 02 С 9/04, 1980, (54) РЕГУЛЯТОР РАСХОДА ЖИДКОСТИ (57) Изобретение относится к технике автоматического регулирования подачи жидких компонентов топлива в энергетических установках различного назначения. Повышение точности и уменьшение массогабаритных характеристик обеспечивается увеличение точности поддержания уровня расхода жидкости в напорной мзгистрзлй и возможностью устранения отрицательной статической неравномерности выходной характеристики. Для этого регулятор расхода жидкости, построенный по принципу компенсации изменений перепада давлений на

Изобретение относится к технике автоматического регулирования и может использоваться в системах питания топливом энергетических установок различйого назначения, в частностй в двигателях лета тельных аппаратов с вытеснительной или турбонасосной системами подачи топлива, Известны автономные регуляторы постоянства расхода жидкости, использующие энергию регулируемого потока в

2 одном из двух дроссельных устройств, охвачен каскадом стабилизации перепада давлений на совокупности его дроссельных устройств. Таким образом резко сокращается див пазой возмущавщйх перепадов, поступающих на регулятор. Устройство имеет полый корпус с цилиндрической входной и кольцевой выходной полостями, цилиндрическую втулку с окнами. первый и второй дроссельные элементй; 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 череэ первую и вторую дроссельные щели, при этом на цилиндрической втулке выполнен первый упор, а в корпусе — второй упор ограничения хода соответственно малбго и большего полых поршней. 2 ил, Ы напорной магистрали и стабилизирующие режимные показатели знергоустановок.

Так, известен регулятор расхода перепадного типа с последовательным расположением дросселирующих устройств в напорной магистрали, прйчем задающий уровень расхода дроссель, на котором с помощью подпружиненйого плунжера измеряетСя и поддерживается постоянным перепад давлений, расположен между пер1751723

10

30 щем участке магистрали размещается второй регулирующий дроссельный элемент, 40

50 вым 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 статиэм регулирующего устройства в энергоустановках со слабым самовыравниванием равновесных режимов может привести к их параметрической дестабилизации.

Наиболее близок к предлагаемому регулятор расхода авиационного гаэотурбинного 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 2 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 иэ междроссельного пространства напорной магистрали на вход насоса вызывает непроизводительные затраты 3 мощности последнего, возрастающие с уменьшением проходного сечения на зада-. ющем дросселе. Это, в свою очередь, приводит к повышенному износу элементов качающего узла насоса и снижает его антикавитационные запасы иэ-эа 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.

Цель изобретения — повышение точно-. сти поддержания заданного уровня расхода жидкости при работе, регулирующего устройства в режиме стабилизации, а также уменьшение его массы и габаритных размеров. . Указанная цель достигается посредством двухкаскадной стабилизаций перепадов давлений на дроссельных устройствах, последовательно расположенных по потоку жидкости в напорной магистрали. На основном участке напорной магистрали размещаются задающий дроссель и первый регулирующий дроссельный элемент, который составляет единое целое с малым подпружиненным полым поршнем, измеряющим и поддерживающим постоян- ный перепад давлений на задающем дросселе, Перечисленные элементы формируют первый каскад стабилизации, На последуюкоторый составляет единое целое с большим подпружиненным полым поршнем, иэмеряющим и поддерживающим постоянный перепад давлений на совокупности дросселей основного участка напорной магистрали, Это второй каскад стабилизации. Оба каскада обладают определенными аппаратурными погрешностями, однако даже приближенное ноддержание постоянства перепада давлений на совокупности дросселей основного участка в несколько раз ограничивает диапазон перепадных возмущений, существенных для первого каскада стабилизации. 8 результате резкого сужения диапазона возмущающих перепадов давлений, воздействующих на первый каскад стабилизации, обеспечивается высокая точность поддержания постоянства расхода через задающий дроссель. Одновременно многократно расширяется зона распопагаемых возмущающих перепадов давлений на регулирующем устройстве в целом.

На фиг.1 представлена конструктивная 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 кольце1751723

20

25 на пружина 12 упругой подвески его на втул- 30 вой 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 уплотнительное фторплзстовое кольцо 6, гермети- зирующее 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 коноидальной рабочей поверхностью насажен на резьбовую часть валика 7 и направляется по внутренней поверхности втулки 2, перекрывая прямоугольные окна в ее стенке, Затвор

9 задающего дросселя фиксируется от проворота вокруг оси пружиной 10.

Малый полый поршень 11 первого.каскада стабилизации перепада давлений на задающем дросселе посажен на внешние направляющие поверхности втулки 2. Во внутренней полости поршня 11 расположеке 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 щели 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 нз 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 ци-. линдрической перегородке корпуса 1 фор5

55 мируют 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.

Полагаем, что все внутренние полости регулятора заполненьг жидкостью. При отсутствии расхода через регулятор малый и большой поршни 11 и 16 под действием пружин 12 и 17 удерживаются соответственно 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 пьзйцию, гарантирующую 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 дроссельных щелях. До момента начала движения подпружиненных полых поршней

11 и 16 расходная характеристика регулятора определяется гидравлическими потеря- . ми на его дросселирующих элементах при максимально открытых проходных сечениях регулирующих щелей обоих каскадов стабилизации, Перепады давлений на каждом из дросселирующих элементов нарастают пропорционально квадрату величины массового расхода и практически со скоростью распространения звука в жидкости.

Так как стабйлизируемый перепад давлений на первом каскаде значительно киже . стабилизируемого перепада на втором, то при достижении определенной величины этого параметра на задающем дросселе к эффективной площади малого поршня 11 прикладывается усилие, превышающее предварительную затяжку его пружины 12.

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. Степень открытия этой щели характеризуется величиной осевого смещейия кромки затворной части h< от полностью перекрытого состояния. С уменьшением h> эффективность компенсации роста перепада давлений 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, про1751723 являющихся 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 hz при осевом смещении ножевой кромки. С уменьшением h2 осуществляется необходимая компенсация роста перепада давлений на совокупности дроссельных устройств nepeom каскада стабилизации эа 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 настроек 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 привораза должно превышать максимальные про10 ходные сечения первой и второй регулируе:

20 второго каскада по поддержанию постоян25 ства перепада давлений на гидросопротивлении кольцевого зазора.

40 пружин первого и второго каскадов стабилизации совпадают и составляют 0,4; макси45

Л Рбаз2 Рп 3 15

p,) 5g

35 да, 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 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 статизма на расходной характеристике первого каскада стабилизации 3а счет параболически нарастающей добавки расхода через зазор. В случае прекращения подачи жидкости в прс точной части первого каскада сохраняются стабилизирующие свойства

Аппаратурные преимущества предлагаемого регулирующего устройства подтверждены расчетным путем по известной методике.

На фиг.2 представлен пример возможной реализации статических характеристик предлагаемы,м регулятором расхода жидкости, Графические построения выполнены при следующих не нарушающих общности принципиального подхода допущениях: относительные открытия регулирующих дроссельных щелей равны между собой, т,е. h> =Тц = h; относительные деформации мальные 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 где Рп * и Р— силы пружин первого и второго каскадов при полностью перекрытых регулируемых дроссельных щелях;

1751723

10

Привязка перепадов давлений, указанных на графике, к проточной части регулятора обеспечивается следующими индексами: 15 зд — задающий дроссель; о — совокупный для дросселей первого каскада стабилизации; р — регулятор в целом. Расчетные соотношения, определяющие статические характеристики второго каскада стабили- 20 зации, получены путем введения понятия эквивалентной конструктивной характеристики для проточной части первого каскада.

Анализируя полученные кривые, нетрудно установить, что достаточно широкий 25 диапазон рабочих перепадов давлений на регуляторе в целом ЛРрмакс Л Ррмии 500 в результате работы второго каскада стабиполосу возможных вариаций входного пара- 30 метра Л Ромакс Ь Ромин = 1, воздействующего в качестве возмущающей нагрузки на дроссельные элементы первого каскада, Это не только приводит к снижению промежутка возможных вариаций статической не- 35 равномерности перепада давлений на задающем дросселе, формируемой первым каскадом, но и при увеличении Л Рр от значения 150 обеспечивает убывающий поло40

S> и 52 — эффективные площади поршней первого и второго каскадов, Окна в перегородке корпуса заменены эквивалентной щелью, что позволяет использовать одно и то же соотношение для оп ределени я конструкти вно-кинематического показателя гидродинамической силы, воздействующей на затворные части малого или большого поршней:

Г (h >) = l(hz) Г(п2) = 0,08 h при l(hz) = 1. лизации трансформируется в весьма узкую жительный статизм изменения данного параметра вплоть до Л Р, 5, В режиме стабилизации

m ä-(ир)вд р =сопит /др 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 Л 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, кэк угодно малым, уровнем положительного или отри-.

55 цательного 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 однокаскадной схемы отрицательная статическая неравномерность. На этом участке с увеличением Л Рр обеспечивается нарастание Л P,д, а значит, и аад, 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 массогабаритных характеристик регулятора, первый регулирующий дроссельный элемент выполнен в виде установленного концент1751723

3рренастрацка

ФиИ рично цилиндрической втулке малого подпружиненного полого поршня, образующего с ее торцовым выступом первую дроссельную щель и с ее йоверхностью первую промежуточную полость, соединенную с входной полостью, второй регулирующий дроссельный злемент выполнен в виде большого подпружийенного before поршня, установленного концентрично цилйндрической втулке с зазором между поршнями и образующего с корпусом вторую дроссельную щель, а с внутренней поверхностью цилиндрической расточки и наружной поверхностью малого поршня — вторую промежуточную полость, соединенную с первой промежуточной по5 лостью 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 ограниче10 ния хода соответственно малого и большого подпружиненных полых поршней.

1751 Т23

0,7

Корректор С. Черни

Редактор А. Огар

Заказ 2690 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

О,$ и рион .

4Р „@, 600

Составитель В. Гуськов

Техред М. Моргентал