Расчет регулятора давления

СЛАЙД 33. Проектирование и расчет регулятора давления СК сводится к определению из уравнений статического равновесия механизма регулятора (когда клапан неподвижен):

- площади проходного сечения клапана ,

- параметров чувствительного элемента регулятора

- статической характеристики регулятора.

Расчет проводят в следующей последовательности:

1. Анализ схемы АСОЖ и определение исходных данных для расчета регулятора: пропускной способности, рабочего давления, допустимой неравномерности регулирования, условий работы.

2. Выбор принципиальной схемы регулятора и анализ его статической характеристики.

3. Определение проходного сечения и максимального хода клапана .

4. Определение параметров чувствительных элементов и размеров регулятора.

5. Исследование динамической устойчивости регулятора.

СЛАЙД 34. Наиболее распространенные схемы регуляторов абсолютного давления СК показаны на рис. По структурной схеме они относятся к регуляторам прямого действия с неуравновешенными клапанами прямого или обратного хода.

Схемы, показанные на а, б применяются при расположении регулятора в точке выхода газа из СК, как правило в АСОЖ открытого типа с непрерывной подачей О₂. Регуляторы такого типа поддерживают заданное давление на входе путем сброса излишнего газа из СК в окружающую среду. Работают они следующим образом. В СК имеется небольшое

а б в Схемы регуляторов абсолютного давления скафандра: а, б - с клапаном прямого хода без предохранительного клапана и с ним (соответственно); в - с клапаном обратного хода: 1 - чувствительный элемент (сильфон); 2 - клапан; 3 - вспомогательная пружина; 4 - пружина предохранительного клапана; 5 - крышка регулятора

избыточное давление, которое определяется гидравлическим сопротивлением клапана регулятора и расходом газа через него. В наземных условиях и на малых высотах вакуумированный сильфон 1 регулятора сжат внешним давлением

. При этом клапан регулятора под действием вспомогательной пружины 3 открыт и свободно выпускает газ из СК. С уменьшением внешнего давления сильфон расширяется и постепенно прижимает клапан к седлу, поддерживая в СК постоянное абсолютное давление.

В комбинированном регуляторе давления (вариант б), являющемся одновременно и предохранительным клапаном, окончательная величина давления в СК определяется величиной усилия, с которым клапан прижимается к седлу пружиной предохранительного клапана 4.

В комбинированном регуляторе поддержание меньшего из уровней абсолютного давления обеспечивается сильфоном с соответствующим образом подобранной характеристикой. Конструктивная схема комбинированного регулятора давления (РДС) включает в себя узел абсолютного давления 1,2 и узел избыточного давления 2,3. Комбинированный регулятор давления СК работает следующим образом. В наземных условиях и на малых высотах в кабине ЛА вакуумированный сильфон 1 (см рис) узла абсолютного давления сжат давлением воздуха кабины Р_к. При этом клапан сброса 2 под действием вспомогательной пружины 3 открыт и свободно выпускает газ из СК. С уменьшением внешнего давления сильфон расширяется и постепенно прикрывает клапан сброса, поддерживая в СК абсолютное давление (см. рис., линия 2).

При заворачивании крышки 5 РДС вступает в работу узел избыточного давления, поддерживая определенную величину избыточного давления за счет усилия пружины 3.

Иногда требуется обеспечить возможность создания двух различных режимов давления в СК. Это достигается либо установкой на оболочку СК двух клапанов абсолютного давления (вариант а), один из которых выключается заворачиванием крышки, либо изменением настройки регулятора этого типа также за счет вращения крышки, либо применением комбинированного регулятора (вариант б).

Регулятор (вариант в), устанавливаемый в месте подачи О₂ в СК, поддерживает абсолютное давление в нем путем дросселирования газа, поступающего в АСОЖ и СК. Этот регулятор называют компенсатором утечек. При падении давления в СК ниже заданной величины сильфон 1 расширяется и открывается клапан 2 О₂ из системы поступает через открытый клапан в СК до тех пор, пока давление в нем не восстановится. Изменение режима давления в СК при такой схеме регулирования достигается либо изменением настройки регулятора в процессе работы, либо установкой двух регуляторов с переключением подачи О₂ от одного к другому. Регулятор рассматриваемого типа вступает в работу только при уменьшении давления ниже , поэтому при больших давлениях в кабине регулирование давления в герметизированном СК осуществляется предохранительным клапаном, характеристика которого показана на рис. (линия 3).

СЛАЙД 35. Статическая характеристика комбинированного регулятора давления определяется из уравнения статического равновесия подвижной системы регулятора (при неподвижном клапане 2, см. рис.:

(1)

где - внешнее давление воздуха в кабине ЛА; - площадь седла клапана 2; - осевое усилие сильфона 1; - осевое усилие вспомогательной пружины 4; - эффективная площадь сильфона 1.

Эффективная площадь сильфона определяется по формуле: (2)

(2)

На клапан регулятора, показанный на рис. а, в открытом положении действует сумма сил. В сторону закрытия клапана действует сила, обусловленная окружающим давлением , и осевое усилие сильфона . В сторону открытия клапана действуют силы, обусловленные давлениями и окружающим давлением, действующим на сильфон. При этом для приближенных расчетов влиянием гидродинамических сил на клапан за счет струи воздуха можно пренебречь.

Зависимость абсолютного давления в СК от остальных параметров может быть определена из уравнения равновесия: (3)

(3)

Принимая допущение, что в процессе регулирования рабочего режима давления в СК ход клапана незначителен упругие усилия сильфона и пружины можно считать постоянными и дифференцируя полученное выражение по высоте Н и учитывая, что <0, получаем: (4)

при , , <0 (4)

Из полученного выражения следует, что абсолютное давление в СК будет с увеличением высоты постоянным при , возрастать при и падать при

при при ¯ при

Это очевидно из конструктивной схемы. Абсолютное давление в СК будет расти с высотой, потому что у регулятора давления с большой эффективной площадью сильфона имеется избыток силы, действующей на закрытие клапана. При малой площади сильфона наблюдается обратная картина. Таким образом, для получения постоянства абсолютного давления в СК выбирают значение равным или несколько больше . Тогда давление в СК практически полностью определится силами упругости сильфона и пружины: (5)

при (5)

Упругая сила вспомогательной пружины выбирается минимально необходимой для обеспечения открытия клапана при сжатии сильфона. При этом проходное сечение определяется для режима максимально возможного расхода газа через регулятор при известном перепаде давлений на клапане. Для регулятора, устанавливаемого в месте подачи О₂ в СК, проходное сечение должно обеспечивать пропускание расчетной аварийной подачи О₂. Исходя из необходимости равенства площадей сильфона и седла клапана, определение проводят после подбора сильфона с нужной эффективной площадью.

Для регенерационного СК для получения минимального гидравлического сопротивления проходу газа через регулятор при вентиляции СК в герметизированной кабине ход клапана и проходное сечение седла выбираются максимально возможными из конструктивных соображений, но не более величин допустимого хода и соответствующей эффективной площади реального сильфона.

Расчет регулятора давления, устанавливаемого на входе газа в СК (в), проводится аналогичным образом. Работа такого регулятора основывается на взаимодействии сил, направленных, с одной стороны, на закрытие клапана и создаваемых вспомогательной пружиной , давлением , действующим на сильфон, и О₂, поступающим под давлением , а с другой стороны, действием усилий, направленных на открытие клапана и создаваемых осевым усилием сильфона и давлением на клапан газа, находящегося в СК. В установившемся режиме площадь сечения дросселирующего отверстия устанавливается так, что взаимодействующие силы уравновешиваются: (5)

(6)

Усилие пружины здесь выбирается так, чтобы было обеспечено герметичное прижатие клапана к седлу при сжатом сильфоне. Условие, при котором происходит герметизация, зависит от , материала подушки клапана, формы и размеров седла клапана.