RU2729498C2

RU2729498C2 - Flow rate regulator

Info

Publication number: RU2729498C2
Application number: RU2018101591A
Authority: RU
Inventors: Лев Владимирович Крылов; Юрий Иванович Фарафонов
Original assignee: Акционерное общество "НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ" (АО "НИИМаш")
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2020-08-07
Also published as: RU2018101591A; RU2018101591A3

Abstract

FIELD: flow rate controllers.SUBSTANCE: invention relates to direct action flow regulators designed to regulate flow rate of liquid or gas. Flow rate regulator comprises a housing with an inlet cavity and a bushing located in the inlet cavity with an outlet channel therein, which forms an outlet cavity and an opening, made in sleeve, connecting inlet and outlet cavities, installed above this window elastic spring element in form of plate, cantilevered relative to sleeve on carriage. Under the free end of the resilient spring element in the form of a plate there are additional windows, at least one, smaller area, which are connected to the output cavity. Additional windows and the main one can be connected by groove or slit. Besides, additional windows may be made from decreasing diameter from main opening to free end of resilient plate.EFFECT: as a result, a flow rate regulator capable of maintaining a stable flow rate of the working medium or a specified variable flow rate in a wide range of pressure drops on it with a simple change and adjustment of flow characteristics.6 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к регуляторам расхода прямого действия, предназначенным для регулирования расхода жидкости или газа или поддержания заданного расхода в широком диапазоне входных давлений, и может применяться в ракетных двигателях для поддержания расхода или заданного соотношения компонентов топлива, а также в различных химических реакторах с той же целью.The invention relates to direct flow controllers designed to regulate the flow of liquid or gas or maintain a given flow rate in a wide range of input pressures, and can be used in rocket engines to maintain the flow rate or a given ratio of fuel components, as well as in various chemical reactors for the same purpose ...

Известен регулятор расхода, содержащий входную полость, образованную корпусом, приемник рабочей среды с выходной полостью и окном, сообщающим входную и выходную полости, и упругий элемент в виде пластины, расположенной над указанным окном и закрепленной с одной стороны на приемнике рабочей среды (а.с. СССР №758087, опубл. 23.08.1980, бюл. №31).Known flow regulator containing an inlet cavity formed by a housing, a receiver of the working medium with an outlet cavity and a window communicating the inlet and outlet cavities, and an elastic element in the form of a plate located above the specified window and fixed on one side on the receiver of the working medium (a.w. . USSR No. 758087, publ. 08/23/1980, bull. No. 31).

Такой регулятор имеет сложное устройство и для поддержания стабильного заданного расхода рабочего тела в широком диапазоне перепадов давления между входной и выходной полостями требует очень точного согласование упругих свойств материала пластины и ее толщины по длине.Such a regulator has a complex device, and in order to maintain a stable predetermined flow rate of the working fluid in a wide range of pressure drops between the inlet and outlet cavities, a very precise matching of the elastic properties of the plate material and its thickness along the length is required.

Наиболее близким по технической сущности является регулятор расхода, содержащий корпус с входной полостью и расположенной во входной полости втулкой с выходным каналом в ней, образующим выходную полость, и окном, выполненным во втулке, сообщающим входную и выходную полости, с установленным над этим окном упругим пружинным элементом в виде пластины, закрепленной одним концом относительно втулки на каретке. Свободный конец пластины поджат к плоскости окна термочувствительным элементом (патент РФ №2190247, опубликовано 27.09.2002, бюл. №27).The closest in technical essence is a flow regulator containing a housing with an inlet cavity and a bushing located in the inlet cavity with an outlet channel in it, forming an outlet cavity, and a window made in the bushing, communicating the inlet and outlet cavities, with an elastic spring installed above this window element in the form of a plate, fixed at one end relative to the sleeve on the carriage. The free end of the plate is pressed against the plane of the window by a thermosensitive element (RF patent No. 2190247, published September 27, 2002, bull. No. 27).

Такой регулятор расхода также требует проведения сложных процедур для настройки стабильного требуемого расхода рабочего тела в широком диапазоне перепадов давления между входной и выходной полостями. Кроме того, при запуске жидкостных ракетных двигателей малой тяги, для улучшения их динамических характеристик, требуется в первые миллисекунды повышенный расход, позволяющий двигателю быстро выйти на режим номинальной тяги. Известный регулятор расхода практически сразу переходит в режим регулирования, и его расходные характеристики не в полной мере обеспечивают пусковой расход компонентов топлива.Such a flow regulator also requires complex procedures to set a stable required flow rate of the working fluid over a wide range of pressure drops between the inlet and outlet cavities. In addition, when starting low-thrust liquid-propellant rocket engines, in order to improve their dynamic characteristics, an increased flow rate is required in the first milliseconds, which allows the engine to quickly reach the nominal thrust mode. The known flow regulator almost immediately goes into the regulation mode, and its flow characteristics do not fully provide the starting consumption of the fuel components.

Задачей данного изобретения является создание регулятора расхода, способного поддерживать стабильный расход рабочего тела или заданный переменный расход в широком диапазоне перепадов давления на нем при простоте изменения и настройки расходных характеристик.The objective of this invention is to provide a flow controller capable of maintaining a stable flow rate of a working fluid or a predetermined variable flow rate in a wide range of pressure drops across it with ease of changing and adjusting flow characteristics.

Указанная задача решается с помощью регулятора расхода, содержащего корпус с входной полостью и с расположенной во входной полости втулкой с выходным каналом в ней, образующим выходную полость, и окном, выполненным во втулке, сообщающим входную и выходную полости, с установленным над этим окном упругим пружинным элементом в виде пластины, закрепленной консольно относительно втулки на каретке. Согласно изобретению под свободным концом упругого пружинного элемента в виде пластины выполнены дополнительные окна, минимум одно, меньшей площади, сообщенные с выходной полостью.The specified problem is solved using a flow regulator containing a housing with an inlet cavity and with a sleeve located in the inlet cavity with an outlet channel in it, forming an outlet cavity, and a window made in the sleeve communicating the inlet and outlet cavities, with an elastic spring installed above this window element in the form of a plate, cantilevered relative to the sleeve on the carriage. According to the invention, under the free end of the elastic spring element in the form of a plate, additional windows are made, at least one, of a smaller area, communicated with the outlet cavity.

Основное окно, в предпочтительном варианте, сообщено с дополнительными окнами канавкой, выполненной на втулке под пластиной, или от входного окна до дополнительного окна (дополнительных окон) может быть выполнена щель, сообщающая между собой входную и выходную полости.The main window, in a preferred embodiment, communicates with the additional windows by a groove made on the bushing under the plate, or a slot can be made from the inlet window to the additional window (additional windows), communicating between the inlet and outlet cavities.

Ширина щели может быть равна ширине (диаметру) дополнительного окна (дополнительных окон).The slot width can be equal to the width (diameter) of the additional window (additional windows).

Для тонкой настройки расходных характеристик упругая пластина может быть консольно закреплена на каретке, установленной с возможностью перемещения относительно входного окна в продольном и поперечном направлениях.To fine-tune the flow characteristics, the elastic plate can be cantilevered on the carriage mounted with the ability to move relative to the inlet window in the longitudinal and transverse directions.

Дополнительные окна, для повышения плавности регулирования расхода, могут быть выполнены постепенно уменьшающейся площади к свободному концу консольно установленной пластины.Additional windows, to increase the smoothness of the flow control, can be made with a gradually decreasing area to the free end of the cantilevered plate.

Предлагаемое решение поясняется чертежами.The proposed solution is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведен продольный разрез регулятора расхода с дополнительным окном под концом консольно установленной упругой пластины.FIG. 1 shows a longitudinal section of a flow regulator with an additional window under the end of a cantilever-mounted elastic plate.

На фиг. 2 приведен вариант с канавкой, выполненной от основного окна до дополнительного.FIG. 2 shows a variant with a groove made from the main window to the additional one.

На фиг. 3 показан регулятор, в котором основное и дополнительное окна сообщены щелью, прорезанной соосно указанным окнам.FIG. 3 shows a regulator in which the main and additional windows are communicated with a slot cut coaxially with the indicated windows.

На фиг. 4, 5, 6 и 7 приведены виды вариантов выполнения основного и дополнительных окон на втулке (приемнике рабочего тела).FIG. 4, 5, 6 and 7 show the types of options for the implementation of the main and additional windows on the sleeve (receiver of the working fluid).

Регулятор расхода состоит из корпуса 1, образующего входную полость А, с установленной в нем втулкой 2, в которой выполнен выходной канал 3, образующий выходную полость Б. Из входной полости А в выходную полость Б выполнено основное окно 4 и дополнительное окно (дополнительные окна) 5. Над указанными окнами на каретке 6 установлена упругая пластина 7. Между окнами 4 и 5 может быть выполнена канавка 8 (фиг. 2, 5) или сквозная щель 9 (фиг. 3, 6). На фиг. 7 показан вариант регулятора с тремя дополнительными окнами 5 уменьшающегося диаметра от основного окна к концу упругой пластины 7.The flow regulator consists of a body 1 forming an inlet cavity A, with a sleeve 2 installed in it, in which an outlet channel 3 is made, forming an outlet cavity B. From the inlet cavity A to the outlet cavity B, the main window 4 and an additional window (additional windows) are made 5. Above these windows, an elastic plate 7 is installed on the carriage 6. A groove 8 (Figs. 2, 5) or a through slot 9 (Figs. 3, 6) can be made between the windows 4 and 5. FIG. 7 shows a variant of the regulator with three additional windows 5 of decreasing diameter from the main window to the end of the elastic plate 7.

Регулятор расхода работает следующим образом.The flow regulator works as follows.

Рабочее тело (жидкость или газ) поступает во входную полость А корпуса 1. Через зазор, образованный упругой пластиной 7 и плоскостью размещения основного окна 4 и дополнительного окна 5 рабочее тело дросселируется, создавая перепад давления между входной полостью и выходной полостью. За счет того, что дополнительное окно расположено близко к концу упругой пластины 7 для ее прогиба требуется небольшое усилие, возникающее под воздействием перепада давления, срабатываемого в зазоре между кромками дополнительного окна 5 и упругой пластиной 7. При перемещении упругой пластины 7 до упора с последующим перекрытием окна 5 этой пластиной, практически без регулирования, выдается бросковый расход рабочего тела, позволяющий быстро выйти двигателю или другому реактору на рабочий режим. Зазор между кромками основного окна 4 и упругой пластиной также уменьшается, увеличивая тем самым гидросопротивление регулятора. При этом устанавливается равенство упругих и гидродинамических сил, соответствующее заданному расходу. Регулятор входит в процесс регулирования или стабилизации расхода рабочего тела. Настройка на заданный расход проводится путем перемещения каретки 6 с упругой пластиной 7 в продольном направлении. Для гарантированного исключения полного перекрытия пластиной 7 окна 4 для регуляторов, работающих при больших перепадах давления, предусмотрено при настройках изменение положения каретки в поперечном направлении.The working fluid (liquid or gas) enters the inlet cavity A of the housing 1. Through the gap formed by the elastic plate 7 and the plane of the main window 4 and the additional window 5, the working fluid is throttled, creating a pressure drop between the inlet cavity and the outlet cavity. Due to the fact that the additional window is located close to the end of the elastic plate 7 for its deflection, a small force is required, which arises under the influence of the pressure difference triggered in the gap between the edges of the additional window 5 and the elastic plate 7. When the elastic plate 7 is moved to the stop, followed by overlapping window 5 with this plate, practically without regulation, gives out a throwing flow rate of the working fluid, which allows the engine or other reactor to quickly enter the operating mode. The gap between the edges of the main window 4 and the elastic plate also decreases, thereby increasing the hydraulic resistance of the regulator. In this case, the equality of elastic and hydrodynamic forces is established, corresponding to a given flow rate. The regulator enters into the process of regulating or stabilizing the flow rate of the working fluid. Adjustment to a given flow rate is carried out by moving the carriage 6 with an elastic plate 7 in the longitudinal direction. To ensure that the plate 7 completely overlaps the window 4 for regulators operating at large pressure drops, a change in the position of the carriage in the transverse direction is provided during the settings.

При повышении давления во входной полости А регулятора на кромках основного и дополнительного окон происходит увеличение перепада давления, что приводит к дальнейшей деформации упругогой пластины 7 и увеличению гидросопротивления регулятора. Увеличение гидросопротивления приводит к компенсации воздействия возмущающего фактора и тем самым к стабилизации расхода в узком настроечном диапазоне расхода рабочего тела.With an increase in pressure in the inlet cavity A of the regulator at the edges of the main and additional windows, the pressure drop increases, which leads to further deformation of the elastic plate 7 and an increase in the hydraulic resistance of the regulator. An increase in hydraulic resistance leads to compensation for the influence of the disturbing factor and, thereby, to stabilization of the flow rate in a narrow setting range of the flow rate of the working fluid.

При настройке регулятора для каждой совокупности параметров (жесткости упругой пластины, площади входного окна, величины зазора между пластиной 7 и рабочей плоскостью окон 4, 5) необходимо подобрать высоту каретки 6 или настроечных шайб (не показаны), рабочую длину упругой пластины 7, при которой регулятор расхода обеспечит стабилизацию желаемой величины расхода в широком диапазоне перепадов давления. Толщина, а следовательно, и упругость пластины 7, также может подбираться из различных партий этих пластин для увеличения диапазона регулирования по перепадам давления между полостями А и Б или увеличения точности настройки на заданный расход.When adjusting the regulator for each set of parameters (stiffness of the elastic plate, the area of the inlet window, the size of the gap between the plate 7 and the working plane of windows 4, 5), it is necessary to select the height of the carriage 6 or adjustment washers (not shown), the working length of the elastic plate 7, at which the flow regulator will ensure the stabilization of the desired flow rate over a wide range of pressure drops. The thickness, and hence the elasticity of the plate 7, can also be selected from different batches of these plates in order to increase the control range for the pressure drops between cavities A and B or to increase the tuning accuracy for a given flow rate.

Канал 8, выполненный между основным 4 и дополнительным окном 5 при поджатии упругой пластины 7 к плоскости расположения основного и дополнительного окна 5 и уменьшения зазора между кромкой основного окна 4 и пластиной 7 будет обеспечивать перетекание рабочего тела по образовавшемуся байпасному каналу 8 из полости А в полость Б через дополнительное окно 5 и плавное изменение расхода за счет этого перетекания.The channel 8, made between the main 4 and the additional window 5 when pressing the elastic plate 7 to the plane of the location of the main and additional window 5 and reducing the gap between the edge of the main window 4 and the plate 7 will ensure the flow of the working fluid along the formed bypass channel 8 from cavity A into the cavity B through an additional window 5 and a smooth change in the flow rate due to this overflow.

Щель 9 также позволяет производить плавное изменение расхода в зависимости от перепада давления или поддержание постоянного расхода без существенных отклонений от номинального расхода, при этом при прогибе упругой пластины 7 изменяется сечение, через которое осуществляется перетекание рабочего тела из входной полости А во выходную полость Б.The slot 9 also allows a smooth flow rate change depending on the pressure drop or maintaining a constant flow rate without significant deviations from the nominal flow rate, while deflection of the elastic plate 7 changes the cross section through which the working fluid flows from the inlet cavity A to the outlet cavity B.

Вариант регулятора с постепенно уменьшающимся диаметром дополнительных окон 5 от основного окна к свободному концу упругой пластины 7 (фиг. 7) позволяет получить практически любую расходную характеристику регулятора в широком диапазоне входных давлений рабочего тела и существенно расширить диапазон регулирования или стабилизации расхода в сторону малых перепадов давления на устройстве.The version of the regulator with a gradually decreasing diameter of additional windows 5 from the main window to the free end of the elastic plate 7 (Fig. 7) allows you to obtain almost any flow characteristic of the regulator in a wide range of inlet pressures of the working fluid and significantly expand the range of regulation or stabilization of the flow towards small pressure drops on the device.

Предлагаемый регулятор обеспечивает стабилизацию расхода рабочего тела или заданный его расход в широком диапазоне входных давлений. При этом он прост в изготовлении, позволяет в процессе настройки корректировать характеристики для обеспечения заданного расхода в рабочем диапазоне входных давлений, что делает регулятор универсальным для широкого круга задач.The proposed regulator ensures the stabilization of the flow rate of the working fluid or its specified flow rate in a wide range of input pressures. At the same time, it is easy to manufacture, allows in the process of tuning to adjust the characteristics to ensure a given flow rate in the operating range of inlet pressures, which makes the regulator universal for a wide range of tasks.

Claims

1. Регулятор расхода, содержащий корпус с входной полостью и расположенной во входной полости втулкой с выходным каналом в ней, образующим выходную полость, и окном, выполненным во втулке, сообщающим входную и выходную полости, с установленным над этим окном упругим пружинным элементом в виде пластины, закрепленной консольно относительно втулки на каретке, отличающийся тем, что под свободным концом упругого пружинного элемента в виде пластины выполнены дополнительные окна, минимум одно, меньшей площади, сообщенные с выходной полостью.1. A flow regulator comprising a housing with an inlet cavity and a bushing located in the inlet cavity with an outlet channel in it, forming an outlet cavity, and a window made in the bushing, communicating the inlet and outlet cavities, with an elastic spring element in the form of a plate installed above this window , fixed cantilever relative to the bushing on the carriage, characterized in that under the free end of the elastic spring element in the form of a plate additional windows are made, at least one, of a smaller area, communicated with the outlet cavity.

2. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что окно сообщено с дополнительными окнами канавкой, выполненной на втулке под пластиной.2. The regulator of claim. 1, characterized in that the window communicates with the additional windows by a groove made on the sleeve under the plate.

3. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что от окна до дополнительных окон выполнена щель, сообщающая между собой входную и выходную полости.3. The regulator according to claim 1, characterized in that a slot is made from the window to the additional windows, which communicates the inlet and outlet cavities.

4. Регулятор по п. 3, отличающийся тем, что ширина щели может быть равна ширине дополнительного окна.4. A regulator according to claim 3, characterized in that the width of the slot may be equal to the width of the additional window.

5. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные окна, выполнены с постепенно уменьшающейся площадью к свободному концу консольно установленной пластины.5. The regulator according to claim. 1, characterized in that the additional windows are made with a gradually decreasing area towards the free end of the cantilevered plate.

6. Регулятор по любому из пп. 1-3, 5, отличающийся тем, что упругая пластина консольно закреплена на каретке, установленной с возможностью перемещения относительно окна в продольном и поперечном направлениях.6. The regulator according to any one of paragraphs. 1-3, 5, characterized in that the elastic plate is cantilevered on the carriage mounted with the ability to move relative to the window in the longitudinal and transverse directions.