УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ПОСТОЯНСТВА РАСХОДА
Устройство предназначено для поддержания заданного расхода жидкости через линию, на которой оно установлено, независимо от колебаний давления в гидросистеме. Принцип работы устройства – пассивный, движение исполнительного механизма – за счет энергии движущегося потока. Устройство состоит всего из двух основных элементов – корпуса и исполнительного органа (поршня). Принцип работы исполнительного органа основан на результирующем воздействии на поршень противоположно направленных сил, которые, в зависимости от величины расхода, заставляют его двигаться вверх или вниз, соответственно, увеличивая или уменьшая гидравлическое сопротивление устройства.
DEVICE DESIGN
КОНСТРУКЦИЯ УСТРОЙСТВА
Разработка заявляемого устройства находится на стадии технического и расчетного обоснования, поэтому необходима экспериментальная проверка работы устройства, выявление недостатков и их устранение. Несмотря на простоту конструкции и принципа действия устройства, для его доведения до стадии промышленной разработки, необходимо решить проблемы с возможностью заклинивания исполнительного органа при попадании между сопряженными поверхностями посторонних частиц, образования отложений на этих поверхностях, обеспечить износоустойчивость трущихся поверхностей. Необходимо так же обеспечить минимальное гидравлическое сопротивление устройства в открытом состоянии при экономически приемлемой металлоемкости, обеспечить соосность сопряженных элементов и требуемую величину зазора. Как видно из приведенных задач для доведения и запуска устройства в производство требуется решение многих проблем, вплоть до обеспечения низких шумовых характеристик. Но эти проблемы решаемы, и их решение позволит создать высокотехнологичное оборудование, позволяющее автоматически обеспечивать заданные параметры работы во многих гидравлических (и пневматических) системах.
Устройство применимо для автоматического поддержания заданного уровня расхода в гидравлических линиях во многих отраслях промышленности и народного хозяйства: от гидросистем машин и механизмов до систем тепло- и водоснабжения в коммунальном хозяйстве. Одно из главных преимуществ устройства – пассивный принцип работы, позволяющий за счет энергии потока поддерживать заданный расход, причем задание расхода в устройстве – достигается очень просто, изменяя гидравлическое сопротивление в дросселе. Простота конструкции позволяет задействовать минимальное количество элементов и использовать для их производства обычное технологическое оборудование. Простота и ясность принципа работы позволяют легко рассчитывать и проектировать устройства под заданные параметры гидросистемы. Металлоемкость конструкции находится на уровне (или чуть больше) металлоемкости серийно выпускаемой арматуры соответствующих параметров и типоразмеров, но уровень решаемых задач – существенно выше, что обеспечит конкурентоспособность устройства.
ADVANTAGES OF THE NEW TECHNICAL SOLUTION
Описание устройства
В гидравлических системах довольно часто требуется поддерживать постоянный расход жидкости, независимо от изменения гидравлического сопротивления в контуре циркуляции. Одним из способов решения проблемы стабилизации расхода может стать применение расходного устройства (Рис.1), выполняющего роль стабилизатора расхода. Черным цветом обозначена подвижная часть устройства – поршень, серым цветом – элементы корпуса и направляющие. В верхней части показана пунктиром заслонка, частично перекрывающая проходное сечение в дроссельных отверстиях и обеспечивающая задание необходимого расхода через устройство.
Принцип работы данного устройства основан поддержании постоянного перепада давления на участке с практически неизменной гидравлической характеристикой (участок В-С) за счет движения поршня, приводящего к изменению гидравлического сопротивления на устройстве, а, следовательно, к регулированию расхода теплоносителя. Движущей силой поршня является суммарная составляющая направленных встречных сил (силы, действующей со стороны потока теплоносителя, силы Архимеда и силы тяжести поршня), воздействующая на торцевую часть поршня 1.
Рис.1 Схема расходного устройства в состоянии с минимальным (а) и максимальным (б) гидравлическим сопротивлением
.
DEVICE FUNCTIONING
РАБОТА УСТРОЙСТВА
Устройство (Рис.4) работает следующим образом. При повышении расхода выше номинального повышается гидравлическое сопротивление на дроссельных отверстиях (2), что приводит к повышению перепада давления на торце (участок В-С), появлению подъемной силы, неуравновешенной силой тяжести поршня и поднятию последнего. При этом частично перекрываются тракт входа жидкости во внутреннюю полость поршня из-за конусного сужения кольцевого зазора (3), что создает дополнительное гидравлическое сопротивление в контуре циркуляции (участок А-В), а, следовательно, уменьшает расход через устройство. При понижении расхода до номинального, подъемная сила будет опять уравновешена с силой тяжести поршня, что приведет к прекращению дальнейшего движения поршня до следующего разбаланса расхода через устройство относительно номинального. При снижении расхода через устройство ниже номинального в случае, когда поршень находится в приподнятом положении (т.е. имеется возможность уменьшения гидравлического сопротивления устройства), сила тяжести начинает превышать подъемную силу и поршень опускается до необходимого увеличения проходного канала и восстановления номинального расхода (или до своего нижнего положения).
Регулирование номинального расхода производится изменением гидравлического сопротивления дроссельного отверстия (2) или изменением массы поршня. Дополнив устройство механизмом изменения гидравлического сопротивления дроссельного отверстия – заслонкой можно регулировать номинальный расход. Еще проще можно регулировать расход через устройство, если в качестве дросселя использовать, например, вентиль (Рис.2), установленный на тракте, соединяющем верхний кольцевой зазор и выходной патрубок (через импульсную линию). В этом случае подбором диаметра и длины импульсной линии решается проблема уменьшения колебаний поршня при скачках давления в напорном патрубке (демпфирование), а также упрощается доступ к поршню, что повышает ремонтопригодность.
Изменение гидравлической характеристики при подъеме поршня может также достигаться перекрытием части проходного сечения отверстий в стенке поршня, (например, прямоугольных отверстий) сопряженной поверхностью корпуса, по которой перемещается поршень (Рис.3). Это не меняет принципа работы устройства.
.
ВИДИМЫЕ ПРОБЛЕМЫ: Наиболее слабым местом в конструкции устройства являются поверхности контакта корпуса устройства и направляющих элементов с наружной поверхностью поршня. Главная задача – исключить заклинивание поршня при попадании посторонних частиц и образовании поверхностных отложений. Предотвращение отложений может достигаться специальной обработкой поверхности или применением специальных материалов.
Сложнее с возможностью заклинивания. Один из способов – уменьшение площади контакта и зазоров, а также и увеличение массы поршня. В этом случае в зазор могут попасть только очень малые частицы, и удельное давление на них, действующее со стороны массивного поршня будет достаточно большим. Для того чтобы увеличение массы поршня не приводило к неоправданному увеличению гидравлических потерь, необходимо увеличить поперечное сечение поршня. Это приводит к увеличению массы устройства, поэтому оптимальные размеры должны подбираться при конкретной проработке конструкции с учетом характеристик жидкости, образования отложений и т.д.
Большая проблема – износоустойчивость поверхностей контакта. Возможный путь решения – обработка поверхности. Можно подумать о том, как сделать поверхности контакта “отжимаемыми” в радиальном направлении – это позволит комплексно решить целый ряд проблем.
Далее (Рис.1-Рис.5) для иллюстрации приведены некоторые варианты конструктивного исполнения расходных устройств.
DESIGN OPTIONS
Рисунок 2 Схема расходного устройства с дросселирующим вентилем
Рисунок 3 Схема устройства с прямоугольными перекрываемыми отверстиями в поршне
Регулирование номинального расхода (Рис.4) может производиться также изменением гидравлического сопротивления дроссельного отверстия (6) или массы поршня (4). Дополнив устройство механизмом изменения гидравлического сопротивления дроссельного отверстия – шторкой (7) можно регулировать номинальный расход. Для устойчивости работы желательно центр тяжести поршня поместить в его нижней части. Конструкции поршня и корпуса расходного устройства просты и технологичны. В собранном состоянии они имеют вид, приведенный на рис.4.
Для параметров расходного устройства, приведенных в табл.1, на рис.5 приведена расчетная зависимость высоты прямоугольного дроссельного отверстия от требуемого расхода. Эта высота, как уже отмечалось выше, может быть обеспечена с помощью подвижной шторки (7, рис.4). Зависимость высотного положения поршня (высоты открытия регулирующих отверстий щелевого типа) от перепада давления на расходном устройстве при этих же параметрах устройства приведена на рис.6.
1 – корпус; 2 – входной патрубок; 3 – выходной патрубок; 4 – поршень (а – в разрезе; б – без разреза); 5 – регулирующие отверстия щелевого типа; 6 – дроссельные отверстия; 7 – шторка; 8 – сильфон; 9 – регулировочный винт; А-В – регулирующий участок; В-С – дроссельный участок.
Рисунок 4 Поперечный разрез расходного устройства в открытом (а) и частично закрытом (б) состоянии, а также составные части этого устройства
Таблица 1.
| ПАРАМЕТР | ЗНАЧЕНИЕ |
|---|---|
| Диаметр поршня, мм | 25 |
| Высота поршня, мм | 150 |
| Толщина торца, мм | 4 |
| Толщина стенки, мм | 3 |
| Масса поршня, г | 258 |
| Массовый расход, кг/с | 0,28 |
| Объемный расход, м3/с | 0,000278 |
| Дросельные отверстия (2 шт.) | |
| Ширина дроссельных отверстий, мм | 5 |
| Регулирующие отверстия щелевого типа | |
| Число отверстий щелевого типа | 2 |
| Ширина отверстия щелевого типа, мм | 3 |
Рис.5. Зависимость высоты прямоугольного дроссельного отверстия от требуемого расхода
Рис.6. Зависимость высотного положения поршня (высоты открытия регулирующих отверстий щелевого типа) от перепада давления на расходном устройстве
И ещё несколько возможных конструкций...
uzikof@gmail.com
uzikov62@mail.ru
Address
Bratskaya st., 27 apt. 61 Dimitrovgrad, Ulyanovsk region, Russia, 433515
Call Us
+7 917 622 40 47