Будова та принцип дії агрегатів автоматики

Розглянемо агрегати автоматики, їх принципіальні схеми та роботу згідно їх призначення.

Клапани це пристрої, що відчиняють або зачиняють прохід рідини або газу в магістралі, на якій вони встановлені. Зусилля, що необхідне для відчинення або зачинення клапана може створюватись електромагнітними, пневматичними або гідравлічними приладами. Клапани можуть бути багаторазової дії або одноразової дії.

До клапанів багаторазової дії відносяться:

- зворотні клапани;

- пневмоклапани;

- електропневмоклапани.

До клапанів одноразової дії відносяться:

- відсічні клапани;

- мембрани.

Основними частинами кожного клапана є сідло, клапан, привід клапана. В залежності від положення клапана по відношенню до сідла при відсутності зусилля приводу відрізняють такі типи клапанів:

- нормально відчинені (а);

- нормально зачинені (б);

- нормально відчинені на попередню ступінь (клапан відчинений не повністю);

- нормально зачинені з дренажем (з отвіром, крізь яке магістраль за клапаном сполучається з атмосферою).

клапан

привод сідло

Рис. 1.

Зворотні клапани можуть використовуватись як в пневматичних так і в гідравлічних магістралях. Вони забезпечують рух робочого тіла (газу або рідини) в одному напрямку і запобігають його руху в зворотньому напрямку.

Рис. 2.

Клапан складається з корпусу 1, клапана 2 з ущільнювальним кільцем, пружини 3, сідла 4. Під тиском робочого тіла клапан 2 відходить від сідла 4. Крізь кільцевий зазор, що утворився, робоче тіло проходить до вихідного штуцеру. Зворотній рух робочого тіла не можливий, так як клапан 2 під дією пружини 3 і тиску робочого тіла щільно піджимається ущільнювальним кільцем до сідла 4.

Пневмоклапани. встановлюються, як правило, на трубопроводах великого діаметра . Це пояснюється потужністю пневматичного приводу. Управління робочого клапана здійснюється за рахунок подачі управляючого тиску повітря.

	Подача повітря

Рис. 3. Пневмоклапан нормально зачинений

	Подача повітря

Рис. 4. Пневмоклапан нормально відчинений

Пневмоклапан складається з корпуса 1, поршня 2, який за допомогою штока 5 здійснюється з тарілю, пружини, сідла.

В нормально зачиненому пневмоклапані (мал..3) таріль 7 постійно підтиснута до сідла 6 за рахунок тиску компонента та пружності пружини 4, яка впирається в перемичку корпуса 1 і поршень 2. Відчинення клапана здійснюється подачею на нього повітря (управляючого тиску), яке тисне на поршень 2, долає пружність пружини 4 і силу тиску компонента, переміщує поршень з тарілю праворуч, відчиняючи прохід компонента до вихідного штуцера. Для закриття клапана стравлюють повітря з полості управляючого тиску, в результаті чого пружина, розжимаючись переміщує поршень ліворуч до того, доки таріль не сяде на сідло.

В нормально відчиненому пневмоклапані (мал..4) під дією пружини 4 поршень 2 з тарілю 7 постійно знаходиться у лівому положенні і вихідний штуцер сполучається з вхідним. Для припинення подачі компонента на клапан подається управляючий тиск повітря, який тисне на поршень 2, долає опір пружини 4 і піджимає таріль 7 до сідла 6. Таким чином, перекривається доступ компонента від вхідного до вихідного штуцера. Відчинення клапана здійснюється шляхом стравлення тиску повітря з управляючої полості, тоді під дією пружини поршень 2 з тарілю 7 рухається в початкове положення, відчиняючи прохід до вихідного штуцера.

Електропневмоклапани.

Електропневмоклапани мають електромагнітний привід. Вони використовуються на трубопроводах малих діаметрів і управляються в основному подачею повітря або газів. Встановлювання клапанів з електромагнітним приводом на трубопроводи великих діаметрів подачі рідин недоцільна, так як це потребує потужних електромагнітів з великою витратою енергії, а це тягне за собою збільшення їх ваги та габаритів.

Електромагнітні клапани можуть бути також чотирьох типів і нормально відчинені (повністю або на попередню ступінь) і нормально зачинені (повністю або з дренажем).

Рис. 5. Нормально зачинений електромагнітний клапан

Простіший електромагнітний клапан складається (мал.5) з електромагніта 1, якоря 2, штока 3, яким якорь з єднуться з клапаном 5, пружини 4, що постійно піджимає клапан до сідла 6. Тим самим в нормально зачиненому електромагнітному клапані перекривається доступ газу від вхідного штуцеру до вихідного. Для відчинення клапану на електромагніт 1 подається напруга, при цьому якорь 2 притягується до ярма електромагніта, через шток 3, долаючи силу опору пружини 4, відтягує клапан 5 від сідла 6. Скрізь зазор, що утворився між сідлом і клапаном газ поступає до вихідного штуцера. Коли напруга з електромагніта 1 знімається, під дією сили пружності пружина 4 повертає клапан 5 на своє місце, сідло 6 перекривається, доступ газу до вхідного штуцеру прининяється.

Практично всі клапани з електромагнітним приводом збудовані таким чином, що в них крім енергії електричного магніта використовується і тиск самого газу, що проходить через клапан. Це викликано знов також тим, що необхідно як можна більше зменшити споживання електричної енергії і тим самим зменшити вагу конструкції. Такі клапани називають електропневмоклапанами. Вони спроможні забезпечувати великі витрати газів на протязі достатньо довгого часу при порівняно невеликих витратах електричної енергії.

Електропневмоклапанами, при їх

різноманітності конструкції,

розділяються на дві группи

– низького тиску;

– високого тиску .

Рис. 5. ЕПК низького тиску нормально зачинений

ЕПК низького тиску складається з якоря1, електромагніта 2, двох клапанів (3, 5), що з єднані між собою і якорем штоком 4, пружини 6. Коли на електромагніті 2 немає напруги, газ знаходиться під клапаном 5 і разом з пружиною 6 забезпечує підтиснення тарелі клапана 5 з ущільнювальним кільцем до сідла корпуса. Тому газ не може поступати до вихідного штуцера.

При подачі напруги на електромагніт 2, якорь 1, притягується до нього, долаючи опір пружини 5 і тиск газу во вхідній полості, через шток 4 переміщує клапани таким чином, що клапан 5 відходить від сідла корпуса, а клапан 3 своїм ущільнювальним кільцем притискується до сідла. Тим самим між тарілю клапана 5 і сідлом утворюється зазор, через який газ поступає до вихідного штуцера. Клапан 3 захищає електромагніт від впливу газу.

В ЕПК високого тиску використання клапана такої конструкції буде вимагати дуже потужного електромагніта. Тому в таких ЕПК використовується конструкція з розташувальним клапаном (мал.6).

Такий клапан на відміну від попереднього крім основного клапану 8 з пружиною 7 має розвантажувальний клапан4 з пружиною 5, який з`єднаний штоком 3 з якорем 1, а також допоміжні канали 6. Коли напруга на електромагніті 2 відсутня розвантажувальний клапан 4 під дією пружини 5 підтиснутий до сідла корпуса. Газ високого тиску по каналу 6а проходить в полость А і далі по каналу 6б – в полость робочого клапана С. Робочий клапан 8 під дією пружини 7 і тиску газу щільно підтискується до сідла і не пропускає газ до вихідного штуцера.

При спрацьовуванні електромагніта 2,

якорь 1 притягується до нього,

долаючи опір пружини 5 через шток

3 переміщує розвантажувальний

клапан 4 донизу.

Хвостовик розвантажувального клапана 4

дренаж

при цьому перекриває канал 6а.

Газ, що знаходився в полості С

через зазор, що утворився між

А

розвантажувальним клапаном 4

і його сідлом і дренажну трубку

вийде в атмосферу.

Газ високого тиску, тисне на бурти

робочого клапану 8, долає опір

б)

а)

пружини 7. Клапан 8 підніметься

з свого сідла і через утворившийся зазор

попаде до вихідного штуцеру.

С

Рис. 6 .

Таким чином, зусилля електромагніта в даному клапані використовується тільки для переміщення розвантажувальногоклапану, який має невеликі розміри, не таку сильну пружину і витримує не такий сильний тиск збоку газу високого тиску.

Перелічені вище клапани – це клапани багатократної дії. Вони дозволяють багатократно управляти рухом рідин або газів без порушення своєї конструкції. Крім них існують клапани одноразової дії: відсічні клапани і мембрани.

Мембрани служать для роз`єднання як рідинних, так і газових магістралей. Вони бувають трьох типів: вільного та примусового прорива, а також розрізні. Мембрани вільного прорива прориваються тиском рідини або газа. Вони, як правило, розраховані на порівняльно невеликий тиск 10 – 30 атм, виконуються з алюмінієвого сплаву товщиною 1 – 2 мм.

Мембрани примусового прориву прориваються тиском порохових газів, які утворюються в результаті підрива піропатронів, встановлених біля мембрани. Такі піропатрони забезпечують спрямовану дію газів і створюють тиск на мембрану 40-60 атм. Вони виконуються також з алюмінієвого сплаву, але мають більшу товщину 2,5 – 4 мм.

б)

а)

Рис. 7. Мембрани:

а) вільного прорива

б) примусового прорива

Для попередження „рваного” прорива мембрани завжди мають насічку.

Рис. 8. Форма насічок:

б)

а)

а) крестобразна

б) кільцева

В іншому випадку розрив мембрани може статися з утворенням шматочків металу, унос яких приведе до закупорки трубопроводів, форсунок та інших отворів систем. Існують конструкції мембран з кільцевою і крестообразною насічкою. При досягненні заданого тиску в системі, мембрани розриваються по насічкам, так як тут вони мають меншу міцність. В мембранах з крестоообразною насічкою розрив утворюється на 4 лепестка, а з кільцевою насічкою на 1 лепесток, які тиском робочого тіла відчиняються, відчиняючи прохід.

Недоліком таких мембран є мала величина допуска на розрив, тому вони складні у виготовлені. Для облегшення виробництва мембран, а також збільшення допуску їх на розрив в системах паливоподачи ставлять розрізні мембрани.

Такий клапан має піропатрон1, корпус 2, прорізний клапан 3, розрізну мембрану 4. Прорізний клапан 3 утримується в корпусі буртиком і має хвостовик у вигляді ножа. Під час спрацювання піропатрона 1 тиск порохових газів діє на прорізний клапан 3. Його буртики зрізаються і він переміщується, розрізаючи при цьому ножем розрізну мембрану 4, відчиняя прохід робочого тіла через магістраль.

Рис. 9. Розрізна мембрана

Встановлення розрізних мембран дозволяє використовувати для їх виготовлення більш міцні матеріали, що забезпечує їх підвищену стійкість проти корозійного впливу робочого тіла.

Відсічні клапани служать для перекриття магістралей і припинення руху робочого тіла в них. В якості енергії для їх спрацювання, як правило, використовують енергію порохових газів, що утворюються при підриві піропатрона.

Відсічний клапан складається з піропатрона 1, клапана 2, корпуса 3, демпфера 4, мембрани демпфера 5.

Для перекриття магістралі подається напруга на піропатрон 1. Під тискомпорохових газів буртик клапана 2 зрізається, клапан рухається вздовж корпуса 3 і сідає щільно на сідло корпуса, перекриваючи прохід робочого тіла.

Для надійного заклинення клапана

в корпусі створюють тиск

порохових газів до5000 кг/см²,

а тіло клапана виконують з більш

м`якого матеріалу, ніж корпус.

Рис. 10. Відсічний клапан робочого тіла

Під час різкого перекриття гідравлічних магістралей, в них різко змінюється тиск рідини. Це явище називається гідравлічним ударом. Він супроводжується пружними деформаціями рідини і труби, що може привести до розриву стінок трубопровода. Для пом`якшення гідравлічного удару в конструкції відсічного клапана є демпфер 4. В момент перекриття трубопроводу рід дією підвищеного тиску проривається мембрана демпфера 5, рідина заходить в його полость і тим самим зменшується гідравлічний удар.

Редуктори тиску.

Редуктори тиску призначені для зниження тиску газу, який поступає з балонів, з високого до робочого значення і підтримання цього тиску на протязі всього часу роботи двигуної установки. Редуктора є невід`ємним агрегатом автоматики всіх двигунних установок ракет і використовуються в системах подачи палива, системах надува баків, системах регулювання величини і вектора тяги, пневмоприводах органів управління ракетою та інших систмах ракет з РРД і РДТП.

Зниження тиску газа в редукторі виникає внаслідок дроселюваннягаза при протіканні його з полості високого тиску в полость низького тиску через прохідне січення малої площі, яке утворене клапаном і його сідлом. Дросельований газ ще називають м`ятим газом. Сутність дроселювання газу складається в тому, що в січені між клапаном і сідлом за рахунок зниження тиску, газ отримує більшу швидкість і енергія його тиску перетворюється в кінетичну енергію. Потрапивши в полость більшого січення з низьким тиском газ гальмує. При цьому кінетична енергія його втрачається на тертя в багаточисельних завихренях, які супроводжують гальмування газа. Тому при такому гальмуванні його тиск не відновлюється. Величина зниження тиску газу, що проходить через редуктор, визначається величиною зазора між клапаном і сідлом.

Всі редуктори тиску діляться на редуктори прямої (а) і зворотньої (б) дії:

а)

Рис. 11. Схема дії високого тиску на клапан редуктора

В редукторі прямої дії високий тиск викликає відкриття клапана. В редукторі зворотньої дії високий тиск прагне зачинити клапан.

Редуктор прямої дії складається з запорної пружини 1, клапана 2, штовхача клапана 3, мембрани 4, основної пружини 5 і регулювального гвинта 6.

Коли редуктор не настроєний, запорна пружина 1 піднімає клапан 2 до сідла корпусу по якому підходить газ високого тиску.

Рис. 12. Редуктор прямої дії

Під час настройки редуктора регулювальний гвинт 6 вкручують в корпус. При цьому основна пружина 5 зжимається, долаючи опір запорної пружини 1, через штовхач 3 відводить клапан 2 від сідла на таку відстань, щоб зазор, що утворився, забезпечив заданий тиск в полості низького тиску Н.

Під час роботи редуктора газ високого тиску проходить з полості В через зазор між сідлом і клапаном 2, в полость низького тиску Н при цьому дроселюєтьсяі знижує свій тиск до заданої, під час настройки редуктора, величини. У випаду, коли за деяких причин тиск газу у полості Н зменшиться, це сприйме на себе мембрана 4. При зменшенні тиску на мембрану 4, основна пружина 5 буде розжиматися і через штовхач 3 відводити клапан 2 від сідла. Зазор між клапаном 2 і сідлом буде збільшуватися. Збільшення зазору приведе до збільшення доступу газу високого тиску, а значить і зростанню тиску у полості Н до заданого.

При зростанні тиску у полості Н основна пружина буде зжиматися, через штовхач 3 притягувати клапан 2 до сідла,зменшуючи між ними зазор. Це приведе до зниження тиску у вихідній полості Н знов до заданого.

В

Редуктор зворотньої дії складається з запорної пружини 1, клапана 2, штовхача 3, мембрани 5, основної пружини 6, регулювального гвинта 7 і запобіжного клапана 4.

Н

До настройки редуктора (при відсутності піджаття основної пружини 6 регулювальним гвинтом 7), газ високого тиску в полості В і запорна пружина 1 піджимають клапан 2 до сідла. Прохід газу в полость низького (робочого тиску) зачинений.

Мал. 13. Редуктор зворотньої дії

Під час настройки редуктора регулювальний гвинт вгвинчується в корпус і піджимає основну пружину 6. ЇЇ зусилля через штовхач 3 передається на клапан 2. Коли сила основної пружини 6 перевищить сумарну силу тиску газу в полості В і запорної пружини 1, клапан 2 відійде від сідла. Через дроселюючий зазор між клапаном 2 і сідлом газ з полості високого тиску В буде перетікати до полості низького тиску Н. Шляхом подальшого піджаття основної пружини 6 редуктор регулюють таким чином, щоб величина зазору між клапаном 2 і сідлом забезпечувала необхідний тиск в полості низького (робочого) тиску Н. З цього моменту редуктор настроєний. Він буде підтримувати постійно заданий тиск на виході.

Як правило, джерелом газу є газові балони, в яких газ зберігається під визначеним тиском. З часом газ з балонів витрачається. Тиск в них падає. При зменшенні тиску газу на вході в редуктор, тобто в полості В, зменшується тиск на клапан 2, в результаті чого основна пружина 6, розширюючись, переміщує клапан 2 на збільшення зазору. Збільшення зазору між клапаном і сідлом буде відбуватися на таку величину, яка забезпечить збереження постійного тиску газу в полості Н.

Якщо за деяких причин тиск на виході з редуктора(в полості Н) підвищується більше заданої величини, то сила тиску газу на мембрану 5 збільшиться. Вона прогнеться, зіжме основну пружину 6 і клапан 2 під дією сили запорної пружини 1 і тиску повітря в полості В переміститься на зменшення зазору, що викличе падіння тиску в полості Н до заданої величини, після чого редуктор знов війде в нормальний режим роботи. Якщо тиск в полості Н зменшиться від заданої величини, то клапан 2 під дією основної пружини 6 переміститься на збільшення зазору і, коли тиск досягне заданої величини, редуктор знов ввійде в нормальний режим роботи.

В ракетних двигунах для забезпечення надійності і безпеки частіше використовують редуктора зворотної дії. Це пояснюється тим, що у випадку поломки запірної пружини в редукторі обратної дії клапан закриється. В редукторі прямої дії в такому випадку клапан відкривається повністю, що може привести до розливу ємністів, що знаходяться за редуктором, із – за надмірно високого тиску в них.

Реле тиску – це пристрій, призначений для контролю тиску газообразного середовища. Ще інколи реле тиску називають сигналізаторами тиску. Принцип роботи реле полягає в тому, що при зміні тиску в магістралі виникає різний по величині прогин чутливого елементу – мембрани. Переміщення мембрани викликає замикання або розмикання електричного ланцюга, що в свою чергу викликає спрацювання відповідних агрегатів.

В залежності від початкового положення контактів реле можуть бути або нормально замкнуті або нормально розімкнуті.

Реле складається з корпусу 2,

в якому герметично закріплена

мембрана 3 зі штоком 4. Шток 4

вільно проходить крізь нижню

контактну пластину1. Нижня

контактна пластина 1постійно

замкнута з верхньою контакт-

ною пластиною 1. При цьому

через вилку 5 електричний лан-

цюг замкнутий.

Мал. 4. Реле тиску нормально замкнуте.

Коли в полость реле під мембрану 3 поступає газ і тиск його досягне заданої величини, мембрана прогнеться і шток 4 натисне на верхню контактну пластину, контакт розірветься. Електричний ланцюг розірветься, що послужить командою на якійсь відповідний агрегат. При зниженні тиску, мембрана повернеться в початкове становище, контакти знов замкнуться, ланцюг замкнеться.

Реле тиску різноманітні за своєю конструкцією і знаходять широке використання в ракетній техніці. Коли вони встановлені в магістралях високо агресивних компонентів, особлива увага повинна бути приділена захисту контактів від окислення. Тому контакти реле, як правило використовуються посрібленими.

Регулятори – це пристрої, що автоматично підтримують постійним якійсь параметр, або забезпечують зміну даного параметру по встановленому закону.

Для отримання заданого режиму роботи двигуна ракети в період його запуску і в польоті необхідно забезпечити точне регулювання різних його параметрів, наприклад тиску камері згорання, втрати палива, співвідношення компонентів палива, витрати газів для регулювання вектора тяги і т.п. Це забезпечується спеціальними агрегатами, які називаються регуляторами. Ще інколи їх називають стабілізаторами. Регулятори за своєю конструкцією, принципами дії декілька нагадують вже розглянуті раніше клапани і редуктори.

Простим регулятором, що забезпечує безперервне збільшення подачи компонентів палива в камеру згорання РРД під час його запуску є клапан з конічною іглою.

		По мірі збільшення тиску поступаю чого компонента клапан 4 більше відходить від сідла. Площа прохідного зазору збільшується, тим самим збільшується кількість компоненту на виході з регулятора. В цьому регуляторі закон збільшення компонента (дроселювання) визначається конусністю клапану.

Мал. 15. Регулятор подачи компонента палива.

Під час роботи ракетного двигуна необхідно підтримувати постійним тиск в камері згорання двигуна, а тим самим і тягу двигуна. Це регулюється завдяки збільшенню, або зменшенню подачи компоненту палива в залежності від відповідного зменшення або збільшення тиску в камері.

		В корпусі 1 регулятора тиску встановлений поршень 4, під який підводиться тиск газів з камери згорання. Поршень 4 через шток з’єднується з клапаном 2, який створює з сідлом корпусу зазор, скрізь який поступає компонент палива. Тиск газу урівноважується пружиною 3.

Мал. 16. Регулятор тиску

в камері згорання.

У разі зміненні тиску на поршень, він буде переміщуватись, перекриваючи, або відчиняючи своїм клапаном 2 прохід компоненту. Що в свою чергу впливає на змінення тиску в камері згорання.

За аналогічною схемою побудовані регулятори співвідношення компонентів палива. Такі регулятори при зміненні тиску в магістралі, як правило, окислювача, більше заданої норми, змінюють подачу пального таким чином, щоб тиск окислювача вирівнявся і набув заданої величини. В таких регуляторах під поршень (мал.____) подається не газ, а окислювач.

Регулятор витрати газу, який

утворився в результаті згорання

палива (гарячого газу), для керування рухом ракети (по крену) показаний на мал.17.

Мал. 17. Регулятор витрати гарячого газу

для управління по крену.

Регулювання витрати гарячого газу в закритичну частину сопла визначається положенням поршня 2, який переміщюється під дією електромагнітної сили електромагіту (1). Електромагніт управляється командами, що видає система управління.

ЗАТВЕРДЖУЮ

Заняття проведені
№ навч. групи	Дата	Час
241 РВ

Начальник факультету

ракетних військ і артилерії

підполковник

С.М.Свідерок

„___”________________2008р.

План

проведення семінару з дисципліни

ВНДС 4.10 “Основи теорії та конструкція літальних апаратів”

Тема №2. Конструкція систем і механізмів ракет.

Заняття 2 Агрегати автоматики двигунної установки.

Час: 2 години (90 хвилин)

Місце: 11 аудиторія

Література:

1 навчальне питання – Е.Б. Волков. Жидкостные ракетные двигатели, А.И. Бабкин. Основы теории автоматического управления ракетными двигательными установками, А.А. Козлов. Системы питания и управления ЖРДУ.

2 навчальне питання – Е.Б. Волков. Жидкостные ракетные двигатели, А.И. Бабкин. Основы теории автоматического управления ракетными двигательными установками, А.А. Козлов. Системы питания и управления ЖРДУ.

Навчальні питання та розподіл часу

І. Вступ_____________________________________________________10 хв.

ІІ. Основна частина___________________________________________75 хв.

1. Загальні відомості про агрегати автоматики. 35 хв.

2. Будова та принцип дії агрегатів автоматики. 40 хв.

ІІІ. Заключна частина_________________________________________5 хв.

Навчально-матеріальне забезпечення:

1. Дидактичний матеріал.

2. Відеопроектор.

Навчальна література:

1. Е.Б. Волков. Жидкостные ракетные двигатели.

2. А.И. Бабкин. Основы теории автоматического управления ракетными двигательными установками.

3. А.А. Козлов. Системы питания и управления ЖРДУ.

Начальник кафедри озброєння та бойового

застосування ракетних військ

полковник

Т.Д.Попович

„___”__________________2008р.