Устройство для регулирования расхода газа

 

Изобретение относится к устройствам для регулирования малых расходов газа в объектах, использующих низкое давление газа например в электрореактивных двигателях Устройство для регулирования расхода газа содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, размещенный между ними дросселирующий орган и привод Дросселирующий орган выполнен в виде составного цилиндра из последовательно расположенных частей 4. выполненных из эластичного материала, между которыми установлены с возможностью перемещения вдоль оси цилиндра жесткие центрирующие шайбы 5 с радиальными выступами, контактно связанными с ответной поверхностью корпуса Причем торцы первой и последней частей цилиндра , обращенные к корпусу, оперты соответственно на металлическую шайбу, снабженную со стороны ответного торца корпуса радиальными каналами , и на торец размещенного в корпусе толкателя , выполненного с возможностью перемещения и контактирующего снаружи герметичного корпуса с приводом, а последовательно расположенные части 4 цилиндра образуют,с корпусом кольцевой дросселирующий канал, при этом входной и выходной патрубки соединены последовательно через радиальные каналы и кольцевой дросселирующий канал. 3 ил.

{19) RU (11) (5i) 0 65 D 7 91

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Ь

Ь

C 4

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5032105/24 (22) 13.0392 (46) 30.10.93 Бюп Ма ЗЪ40 (71) Головное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Энергия" им.акадС.П.Королева (72) Михайлов С.Ф. Агеев В.П„Островский В.Г. (73) Головное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Энергия" им.акад.С.П.Королева. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

РАСХОДА ГАЗА (57) Изобретение относится к устройствам для регулирования малых расходов газа в объектах использующих низкое давление газа, например в электрореактивных двигателях Устройство для регулирования расхода газа содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, размещенный между ними дросселирующий орган и привод.

Дросселирующий орган выполнен в виде составного цилиндра из последовательно расположенных частей 4, выполненных из эластичного материала. между которыми установлены с возможностью перемещения вдоль оси цилиндра жесткие центрирующие шайбы 5 с радиальными выступами, контактно связанными с ответной поверхностью корпуса Причем торцы первой и последней частей цилиндра, обращенные к корпусу, оперты соответственно на металлическую шайбу, снабженную со стороны ответного торца корпуса радиальными ка налами, и на торец размещенного в корпусе толкателя, выполненного с вазможностью перемещения и контактирующего снаружи герметичного корпуса с приводом, а последовательно расположенные части 4 цилиндра образуют.с корпусом кольцевой дросселируащий канал, при этом входной и выходной патрубки соединены последовательно через радиальные каналы и кольцевой дросселирующий канал. 3 ил.

2002290

20

Изобретение относится преимущественно к устройствам для регулирования малых расходов газа (порядка 0,1-0,005 r/ñ) в обьектах, использующих низкое давление газа, например в электрореактивных двигателях, но может использоваться и для регулирования больших расходов газа и жидкости.

Известны регуляторы расхода газа или жидкости, применяемые в различных двигателях и других устройствах f13.

Для регулирования расхода газа в диапазоне от 0,005 до 0,1 г/с и поддержании таких расходов с точностью 3-5 /, вблизи заданного номинального значения при давлениях подачи от нескольких десятых до нескольких миллиметров ртутного столба требуется регулятор расхода с большим гидравлическим сопротивлением в указанном диапазоне рабочих давлений и с регупировочной характеристикой„по возможности приближающейся к линейной. Поэтому известные регуляторы, работающие при относительно больших расходах и давлениях, не могут быть применены для регулирования расходов при указанных выше параметрах.

Доработка известных регуляторов под указанные выше очень малые расходы и давления практически невозможна, так как, например, в уже упомянутом регуляторе это потребовало бы такого уменьшения размеров лабиринтных каналов и такой точности их исполнения, которые практически или очень трудно, или вообще невозможно обеспечить.

Известен регулятор расхода для регулирования малых расходов газа. в котором в корпусе последовательно установлены сферические упругие элементы с возможностью контакта друг с другом и с наличием зазора со стенками цилиндрической полости корпуса (23.

Недостатками такого регулятора расхода являются неконтролируемое расположение сферических элементов в цилиндрической полости корпуса и неэффективность дросселирующего элемента, образованного короткими кольцами по сравнению с размерами самих сферических элементов. Это ведет к нелинейности характеристики регулятора и недостаточной точности последнего.

Известен используемый в настоящее время регулятор расхода газа (3), выполненный в виде термодросселя, представляющего собой капиллярную трубку 0,8х0,2 длиной 85 мм, одним концом изолированную от "массы" проходным изолятором, Мощность, потребляемая термодросселем, составляет 7 Вт.

Такая конструкция регулятора расхода ксенона позволяет обеспечить нормальный (0,04 r/с) и пусковой (0,02 г/с) режимы работы при температурах капилляра соответственно 530 и 1000 С, что приводит к конструктивным трудностям, связанным с необходимостью герметичной стыковки элементов двигателя, выполняемых из различных материалов, в том числе и диэлектрических (остальные узлы системы подачи газа имеют температуры 0 — 50 С). Кроме того, изменение расхода газа, связанное со значительным изменением температуры капилляра, обладает большой инерционностью. Так, при изменении расхода от 0,33 до

0,039 гlс проходит 220 с. К недостаткам следует также отнести нелинейность регулировочной характеристики, Известно принятое за прототип устройство для регулирования скорости газового потока (4), s котором в проточную камеру установлен регулирующий элемент, выполненный из пористого эластичного материала и снабженный приспособлением для изменения его обьема.

К недостаткам устройства-прототипа, относятся, во-первых, трудность достижения указанных малых расходов газа из-за необходимости выполнения дросселирующего элемента большой длины и малой пористости, во-вторых., большой износ дросселирующего элемента из-за трения его о стенку проточной камеры при сжатии его приспособлением, в-третьих, нелинейность его регулировочной характеристики при глубоком регулировании расхода газа.

Физически это связано с тем, что относительная деформация эластичного пористого элемента на порядок превышаетту же величину в предложенном устройстве, что не позволяет при глубоком регулировании расхода пренебречь нелинейными членами в формуле регулировочной характеристики, Кроме того, пористость эластичного элемента при знакопеременной нагрузке постоянно изменяется, а ресурс регулятора должен составлять несколько тысяч часов при очень большом числе циклов нагружения.

Сущность изобретения заключается в следующем. В устройстве для регулирования расхода газа, содержащем корпус с входным и выходным патрубками и дросселирующий орган из эластичного материала, выполненный в виде цилиндра, установленного в корпусе между первой опорной шайбой и второй опорной шайбой, контактно связанной через топкатель с расположенным снаружи корпуса приводом поступательного перемещения, цилиндр выполнен составным из последовательно располо2002290

Ь 1 — д/h

Ы 2Т П

1 — hX 4

45

55 женных частей, которые образуют с корпусом кольцевой дросселирующий канал и отделены друг от друга жесткими центрирующими шайбами, которые установлены с возможностью перемещения вдоль оси цилиндра и снабжены радиальными выступами, контактно связанными с ответной поверхностью корпуса, причем первая опорная шайба выполнена с радиальными каналами со стороны ответного торца корпуса, а входной и выходной патрубки соединены последовательно через радиальные и кольцевой дросселирующий каналы.

На фиг. 1 изображено устройство для регулирования расхода газа в разрезе; на фиг. 2 — сечение А — А на фиг, 1; на фиг. 3— узел! на фиг, 1.

Устройство имеет корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками и дросселирующий элемент в виде составного цилиндра, из последовательно расположенных частей

4, изготовленных из эластичного материала, например из мягкой резины, Части 4 цилиндра установлены в корпусе с радиальным зазором и разделены жестким металлическими центрирующими шайбами 5, имеющими радиальные выступы 6 и установленными с возможностью перемещения вдоль оси корпуса, Шайбы 5 содержат цилиндрические пояски 7 для центрирования эластичных частей 4 в цилиндрическом корпусе 1. В корпусе в районе входного патрубка 2 установлена металлическая шайба 8 с радиальными каналами, сообщающими входной патрубок с кольцевым зазором между корпусом 1 и частями-4 цилиндра, а со стороны выходного патрубка 3 установлены толкатель 9, выполненный с возможностью перемещения относительно корпуса и опертый со стороны выходного патрубка 3 на металлическую шайбу. Это можно сделать, например. соединив толкатель 9 с корпусом 1 через сильфон 10, при этом толкатель герметично установлен внутри корпуса. Другой конец толкателя контактирует с расположенным снаружи герметичного корпуса приводом, в простейшем примере выполненным в виде винта 11, установленного в гайке 12, навинченной на корпус. Последовательно расположенные части цилиндра 4 образуют с корпусом 1 кольцевой дросселирующий канал, в котором входной и выходной патрубки соединены последовательно через радиальные каналы и кольцевой дросселирующий канал.

Изменение радиального зазора определяет изменение гидравлического сопротивления дросселя, Изменение радиального зазора описывается формулой, при выводе которой принят известный факт сохранения обьема упругого элемента при относительно малых деформациях(до 30-40=,ь), если он изготовлен. например, из мягкой резины: где Й вЂ” начальный радиальный зазор;

ha — радиальный зазор после сжатия эластичн ых частей 4 цилиндра тол кателем 9;

h — высота упругого элемента: д — осевое перемещение толкателя;

D — внутренний диаметр корпуса.

В качестве численного примера рассмотрим упругий элемент иэ мягкой резины со следующими характеристиками:

D =- 10 мм, Д1 = 0,5 мм, h = 17 мм, д = 3 мм, при этом расчет по формуле (1) дает —, =8

Д1 или hg= 006 мм.

"Проводимость" дросселя при давлении газа на входе 1 мм рт.ст. можно оценить по формуле, которая дает объемный расход газа через кольцевой зазор дросселя:

F = 9700х л х 0 x jg х1/h х Л/М (см /с), (2), где Т вЂ” температура газа; М вЂ” молекулярный вес газа.

Предложенное устройства для регулирования расхода газа работает следующим образом.

Повернув винт 11 на определенный угол. сообщают малое осевое перемещение д тол кателю 9, вызывающее упругое сжатие сильфона 10 и эластичных частей 4, расположенных в корпусе 1, и, как следствие, изменение радиального зазора Д и гидравлического сопротивления дросселя.

При этом шайбы 5 цилиндрическими поясками 7 центрируют части 4 и не дают им потерять устойчивость. Изменение зазора описывается формулой (1), а "проводимость" дросселя оценивается по формуле (2). Оценки по формуле (2) показывают, что сопротивление дросселя для малых расходов газа(парядка нескольких сотых граммов на секунду значительно уже при зазорах порядка Д = 0,1-0,5 мм, поэтому больших сжатый упругих элементов (т.е. больших, чем несколько миллиметров) для регулирования расхода не требуется.

Динамика предлагаемого дросселя определяется временем от момента поворота винта 11 до установления нового расхода.

Так как геометрия зазоров дросселя изме2002290 няется беэынерционно в темпе перемещения толкателя, то время установления режима по расходу в самом дросселе определяется временем перемещения толкателя, которое для крайних положений составляет величину порядка 1-2 с. Поэтому предлагаемый дроссель является относительно малоынерционным звеном системы регулирования расхода.

В связи с простыми зависимостями между перемещением толкателя и изменением радиального зазора

Л вЂ” и =д(Й)/h — О/4h) (см,формулу(1)) изменение расхода примерно линейно связано с перемещением винта практически во всем диапазоне регулирования расхода газа, что выгодно отличает

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

РАСХОДА ГАЗА, содержащее корпус с входным и выходным патрубками и дросселирующий орган из эластичного материала, выполненный в виде цилиндра, установленного, в корпусе между первой опорной шайбой и второй опорной шайбой, контактно связанной через толкатель с расположенным снаружи корпуса приводом поступательного перемещения, отличающееся тем, что цилиндр выполнен составным иэ последовательно располопредлагаемое устройство для регулирования расхода газа от устройства-прототипа.

Кроме указанных преимуществ в предлагаемом устройстве отсутствует трение

5 эластичного элемента о внутренние стенки корпуса устройства, в связи с чем значительно повышается ресурс регулятора. (56) 1. Ратманский О.И., Кричкер И.P. Арма10 тура реактивных систем управления КЛА.

M.. 1980, с. 33.

2. Авторское свидетельство СССР

N. 1022120, кл, 6 05 0 7/01, 1979.

3, Тяговый модуль для универсальной

15 космической платформы. Эскизный проект

КБ химического машиностроения. Калининград Мос.обл., 1990, с.38.

4. Авторское свидетельство СССР

N 231200. кл. G 05 0 7/01, 1967.

20 женных частей, которые образуют с корпусом кольцевой дросселирующий канал и отделены одна от другой жесткими центрирующими шайбами, которые установлены с

25 возможностью перемещения вдоль оси цилиндра и снабжены радиальными выступами, контактно связанными с ответной поверхностью корпуса, причем первая опорная шайба снабжена радиальными ка30 налами со стороны ответного торца корпуса. а входной и выходной патрубки соединены последовательно через радиальные и кольцевой дросселирующий каналы.

2002290

Составитель В.Островский

Редактор Т,Юрчикова Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор С.Патрушева

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

Заказ 3173

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