Проектирование и расчет редуктора давления газа

Исследование назначения, классификации, устройства и работы редукторов. Определение силы затяжки пружин редуктора, жесткости пружин, мембраны и чувствительных элементов. Расчет размеров дросселирующего сечения и клапана, элементов запорной арматуры.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Основные обозначения

ЖАД - жидкостный аккумулятор давления

КА - космический аппарат

ПГС - пневмогидравлическая система

РКН - ракета космического назначения

РКК - ракетно-космический комплекс

РКН - ракета космического назначения

ТТЗ - тактико-техническое задание

РБ - разгонный блок

СК - стартовый комплекс

СО - стартовое оборудование

ССЗ - стационарная система заправки

СОСГ - система обеспечения сжатыми газами

ТК - технический комплекс

ТТТ - тактико-технические требования

Введение

Большинство технологических операций в системах и агрегатах СК (ТК), а также управление запорными элементами и силовыми приводами проводятся с использованием энергии сжатых газов. С этой целью применяются сжатый азот, воздух и гелий. При этом азот используется как инертный газ; воздух - как наиболее дешёвое рабочее тело, а гелий - как практически не растворяющийся газ, имеющий очень низкую температуру сжижения, небольшую вязкость и т.д.

Сжатые газы в баллонах или ёмкостях хранятся при давлении 40 МПа (400 кг/см²), 20 МПА (200 кг/см²), 0,6 МПА (60 кг/см²).

Для управления сжатые газы используются с давлениями от 2,5 МПА до 0,05 МПА. Подача сжатых газов различных потребителям осуществляется с расходом от 0,01 МПА до 10 МПА.

Понижение давления газа, поступающего из баллонов высокого давления, осуществляют редукторы давления.

1. Назначение и классификация редукторов

Редукторы давления служат для понижения давления газа, поступающего из баллонов высокого давления. В жидкостных ракетных двигательных установках редукторы давления используются в магистралях подачи топлива и наддува топливных баков.

Редукторы подачи служат для обеспечения подачи компонентов либо непосредственно в камеру сгорания (при газобаллонной системе подачи), либо в газогенератор или ЖАД, которые, в свою очередь, обеспечивают подачу компонентов в камеру сгорания. В этом случае редуктор является одним из основных элементов системы подачи. От точности его работы зависит постоянство расхода компонентов в камеру двигателя, а следовательно, и постоянство режима работы камеры двигателя. Поэтому к точности работы этих редукторов предъявляют очень жесткие требования.

Редукторы наддува служат для обеспечения наддува различных элементов двигательной установки, а также для питания агрегатов системы управления двигательной установки. Точность работы этих редукторов непосредственно не влияет на режим работы камеры двигателя, и поэтому к точности работы этих редукторов предъявляют менее жесткие требования. Понижение давления газа в редукторе происходит вследствие дросселирования газа, при протекании его из полости высокого давления в полость низкого давления через проходное сечение малой площади, образованное клапаном и его седлом. Сущность дросселирования состоит в том, что в сечении между клапаном и седлом за счет снижения давления газ приобретает большую скорость и энергию давления превращается в кинетическую энергию газа. Попадая в полость низкого давления, газ тормозится; при этом кинетическая энергия его теряется из-за трения в многочисленных завихрениях, сопровождающих торможение газа. Поэтому при таком торможении газа давление его не восстанавливается. Для идеального газа температура торможения по всему потоку остаётся неизменной, следовательно, и температура газа в полости низкого давления после торможения газа должна быть равна температуре газа до начала дросселирования. Но так как реальный газ (особенно при низких температурах) не подчиняется законам идеального газа, то при дросселировании происходит изменение температуры. Для большинства газов, в том числе для воздуха азота, температура газа понижается, для водорода и гелия - повышается.

Величина понижения давления при дросселировании определяется размером дросселирующего отверстия между клапаном и седлом.

При работе редуктора в зависимости от величины отношения давления на выходе p_вых к давлению на входе p_вх имеют место два режима течения газа через дросселирующее сечение. При

имеет место докритическое истечение газа. При p_вых/p_вх ? д - истечение закритическое.

Основными элементами редуктора давления являются:

а) клапан, обеспечивающий изменение дроселирующего сечения (клапан 2 на рисунках 1 и 2);

б) чувствительный элемент, нагруженный, с одной стороны, давлением редуцируемого газа, а с другой - силой давления пружины или управляющего газа.



а - редуктор прямого хода;

б - редуктор обратного хода;

Рисунок 1 - Схема редукторов прямого и обратного хода 1 - запорная пружина; 2 - клапан; 3 - толкатель; 4 - мембрана; 5 - диск; 6 - основная пружина

Рисунок 2 - Различные схемы редукторов обратного хода а - сильфонных; б, в, г - мембранных;

1 - полость высокого давления; 2 - клапан; 3 - седло клапана; 4 - регулирующий винт; 5 - основная пружина; 6 - шток; 7 - пружина; 8 - дросселирующее сечение; 9 - полость низкого давления; 10 - сильфон; 11 - мембрана; 12 - отверстие (канал); 13 - полость низкого давления над клапаном; 14 - полость газа пневматического привода.

Свойства редуктора в значительной мере определяются тем, в каком направлении открывается клапан редуктора. По этому признаку редукторы разделяются на редукторы прямого и обратного хода.

В редукторе прямого хода (рис. 1, а) клапан открывается в направлении усилия, возникающего за счет действия газа высокого давления (по потоку газа). В редукторе обратного хода (рис. 1, б) клапан открывается против усилия возникающего за счет действия газа высокого давления (против потока газа),

По типу чувствительного элемента редукторы можно разделить на:

сильфонные (рисунок 2, а);

мембранные (рисунок 1, 2, б-г);

плунжерные или поршневые (рисунок 3, а, б).

2. Устройство и работа редукторов

На рисунках 2-5 показаны схемы и сечения различных типов редукторов.

Рисунок 3 - Редукторы обратного хода (обозначения см. рисунок 2)

Редуктор обратного хода. Когда редуктор не работает, пружина 5 (см. рисунок 2, а; 3) находится в свободном состоянии. Газ высокого давления поступает в полость высокого давления 1; сила давления газа и сила действия пружины 7 прижимают клапан 2 к седлу 3, не допуская прохода газа через клапан. При сжатии основной пружины 5 редуктора, регулирующим вин том 4 возникает усилие, которое через шток 6 передается на клапан 2.

Пружина поджимается до того момента, пока сила давления ее станет больше суммарной силы пружины 7, давления газа в полости высокого давления, прижимающего клапан 2 к седлу 3, и давления газа в полости низкого давления на рабочую поверхность F_м (сильфона или мембраны). При этом клапан 2 открывается, газ проходит через дросселирующее сечение 5, давление его падает и газ поступает в полость низкого давления 9, откуда через выходное отверстие направляется к месту назначения. Чем больше затяжка пружины 5, тем больше открывается клапан редуктора, тем меньше дросселируется газ, т. е. тем больше будет его давление после редуктора.

В редукторе, показанном на рис. 2, в и 4, полость низкого давления 9 каналом 12 в штоке 6 сообщена с полостью 13, отделенной от полости высокого давления мембраной 11. Таким образом, уравновешиваются силы давления газа на клапан 2, т. е. клапан 2 данного редуктора полностью или частично разгружен от сил давления газа (полностью при равенстве площади поверхностей мембраны 11 и площади клапана 2).

Редуктор не только уменьшает давление газа до необходимой величины, но и является регулятором, сохраняющим давление на выходе постоянным, несмотря на то, что давление на входе в редуктор, т. е. давление в баллоне, всё время работы двигательной установки падает.

Рисунок 4 - Редуктор (обозначения см. рисунок 2)

Если, например, давление в полости низкого давления 9 возрастет выше заданного, определяемого затяжкой пружины 5, то сила, действующая на поверхность F_м, становится настолько большой, что она преодолевает силу пружины 5. Тогда шток 6 вместе с клапаном 2 перемещается вверх и проходное сечение уменьшается. Поступление газа в полость 9 при этом уменьшается до тех пор, пока давление в ней не станет опять равным заданному. Если давление в полости 9 станет ниже заданного, то уменьшится сила давления на поверхность F_м, действующая против пружины 5, и пружина вместе со штоком 6 переместится вниз, а вместе с ней переместится и клапан 2. Вследствие этого проходное сечение увеличится, степень дросселирования газа уменьшится и давление газа в полости 9 снова поднимется до заданного. В редукторах, работающих по схеме, представленной на рис. 4, б, усилие, действующее на клапан 5 со стороны пружины 2 и давления газа в полости 3, компенсируется за счет давления на поршень 6, который штоком 9 жестко связан с клапаном 5.

а - с сообщающимися полостями высокого и низкого давлений; б - без сообщающихся полостей;

Рисунок 5 - Схемы редукторов прямого хода

1 - регулировочный винт; 2 - основная пружина; 3 - полость высокого давле...