Регулятор с использованием тепловой энергии

(55 6 05 В 11/00, 6 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ВТОРСКОМ ИДЕТЕЛ ЬСТ кий институтской социали ова СССР82,СССР989.ЗОВАНИЕМ к автоматиче- испольэоватьи являетсяВ 1619228. св бочий о што 1 ОСУДАР СТВ Е ННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Киевский политехничесим,50-летия Великой Октябрьстической революции.дополнительный к авт. Изобретение оносится к автоматическому регулированию, может использоваться в теплоэнергетике и является усовершенствованием изобретения по авт.св. М 1619228,Цель изобретения - повышение быстродействия регулятора.На фиг.1 показан исполнительный механизм предлагаемого регулятора; на фиг,2 - конструкция и кинематическая схема регулятора. Регулятор содержит испо механизм (фиг.1), включающий с теплоизоляцией 2 боковой и кроме торца 3, Стержень 1 свя ником тепловой энергии чере шину 4. Цилиндрическая камер ленная на основании 6 и выпо одно целое с ребрами 7 охлаж ним основанием связана с силь линдрическая камера 5 с си частично заполнены жидкостью лнительный тержень 1 с оверхности, эан с источ-.э тепловую а 5. эакреплненная как дения, нижфоном 8. Цильфоном 8 9. Цель изобретения - повышение быстродействия регулятора. Регулятор содержит исполнительный механизм, связанный через гибкий шток с звеном обратной связи, включающим дополнительные оппозитно расположенные сильфоны, подвижные торцы которых связаны со штоком, а полости - с теплоизолированными газовыми камерами, одни из торцов которых выполнены в виде набора теплопроводных прокладок, связанных через первый дополнительный кондуктор с теплопроводной плитой, связанной через второй дополнительный кондуктор с тепловой шиной. Кондуктор соединен через рейку с ведомым зубчатым колесом механизма преобразования вращательного дви жения в линейное, ведущее зубчатое колесо которого связано через выходную рейку с регулирующим органом, 1 з,п.ф-лы, 2 ил,ГК В обьеме цилиндрической камеры 5 над жидкостью 9 находится объем 10 паровоз- душной смеси. Вертикальное положение стержня 1 в цилиндрической камере 5 фиксируется с помощью муфты 11 и упорного винта 12. Внутри корпуса 13, выполненного как продолжение нижних ребер 7 охлаждения, размещен, кроме сильфона 8, ра элемент, выполненный в виде гибког ка 15.Внутри цилиндрической камеры 5 к нижнему основанию сильфона 8 прикреплена вставка 15(припаяна, приклеена) с постоянным объемом, В нижнюю часть корпуса 13 ввернута гайка 16. Между гайкой 16 и силь- фоном 8 размещена пружина 17,Регулятор (фиг,2) содержит входную и выходную части, а также звено отрицательной обратной связи. Входная часть регулятора состоит иэ измерителя 18 регулируемой величины Хь связанного с регупятором через теплоизолированный стержень 19, на конце которого закреплен кондуктор 20 элемента сравнения, Задатчик,элемент сравнения и усилитель содержатдве одинаковые и прилегающие одна к другой замкнутые газовые полости 21 и 22 ввиде параллелепипедов, боковая поверхность которых покрыта теплоиэоляцией 23.Газовые оо 21 и 22 с левой сторо ны конактируют с тепловой шиной 24 через 10кондуктор 20, а с правой стороны они теплоизолированы и находятся в скользящемконтакте с теплоизолирующим покрытием25 на сторонах шины 24,Газовые полости 21 и 22 закреплены на 15вертикальной платформе 26. Последняяснабжена указателем 27 задания регулируемой величины Хд и шкалой 28, Тепловаяшина 24 закоеплена на опорном элементекорпуса регулятора 29.Газовые полости 21 и 22 через гибкиегазовые каналы 30 и 31 связаны с исполнительными сильфонами 32 и 33, закрепленными на опорных элементах корпуса регулятора 34 и 35,Выходная часть регулятора состоит изисполнительного механизма, связанного через гибкий шток 14 с преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное, который содержит собачку 36 на гибком штое 14, храповые колеса 37 и 38, ведущие шестерни 39 и 40, ведомую шестерню 41 и валы 42-44 вращения, Выходной вал 44 вращения связан с преобразователем вращательного движения в линейное, включающим ведущее зубчатое колесо 45 и подпятник 46 за колесом 45 на валу 44 вращения, На выступе последнего после подпятника 46 закреплена поворотная серьга 47. Противоположный конецсерьги 47 содержит отверстие с осью 48 ведомого зубчатого колеса 49, Ведущее 45и ведомое 49 зубчатые колеса содержат соответственно ведущий 50 и ведомый 51 шкивы, связанные гибкой передачей 52.Ведомое зубчатое колесо 49 входит в зацепление с рейкой 53. Ведущее зубчатое колесо 45 через выходную рейку 54 связано с регулируюьцим органом 55 в тоубопроводе 56.Звено отрицательной образиной связисодержит замкнутую полость, разделенную теппоизолятором 57 на две одинаковые теплоизолированные газовые камеры 58 и 59, включенные по дифференциальной схеме сполостями двух дополнительных оппозитно расположенных сильфонов 60 и 61 через гибкие газовые каналы 62 и 63, Подвижные торцы сильфонов 60 и 61 связаны со штоком 14,Одни из торцов камер 58 и 59 выполнены в виде набора теплопроводных прокладок 64 и 65, причем наружные прокладки контактируют с первым дополнительным кондуктором бб отрицательной обратной связи, который содержит теплопроводнуюпластину, заключенную между теплоизоляционными пластинами 67, С правой стороны кондуктор 66 контактирует степлопроводной плитой 68, связанной с тепловой шиной 69 через второй дополнительный кондуктор 70,Кондуктор 66 связан с рейкой 53 обратной связи с помощью упорного винта 71.Кондуктор 70 содержит указатель 72 шкалы 73 с отметками значений коэффициента усиления регулятора Кр. Свободные поверхности плиты 68 и шины 69 теплоизолированы теплоизоляцией 74 и 75, Камеры 58 и 59,плита 68 и шина 69 закреплены на опорных элементах 76 и 77.Нагрев соответствующих теппомеханических элементов в регуляторе осуществляется с помощью подводимых по шинамтепловых потоков оо, охлаждение тех же элементов - через тепловой контакт с окружающей средой холодильник),Регулятор работает следующим образом.С помощью муфты 11, упорного винта 12, а также пружины 17 и вставки 15 устанавливают требуемую величину заглубления Ь стержня 1 в жидкости 9, Тем самым задают требуемую частоту возвратно-поступательных движений гибкого штока 14, т.е. заданное быстродействие исполнительного механизма,Тепло, полученное стержнем 1 от источника тепловой энергии, через тепловую шину 4 идет на увеличение теплосодержания стержня 1 и передачу тепла через торец 3 к жидкости 9, Эффективный прогрев жидкости 9 в районе торца 3 приводит.к ее испарению и нагреву объема 10, В результате этого давления обьема 10 над жидкостью 9 увеличивается, и под его воздействием уровень жидкости 9 начинает уходить вниз, удадлясь от торца 3. Благодаря этому растягивается сильфон 8, совершая перемещение ЛУ, Вместе с торцом сильфона 8 движется вниз и гибкий шток 14, При этом пружина 17 сжимается, так как коэффициент теплопроводности пара мал, то молекулы пара эффективно нагреваются лишь у сечения торца 3. Вследствие этою у основной массы пара начинается конденсация в обьеме камеры 5, Тогда давление пара уменьшается, и под воздействием пружины 17 сильфон 8 сжимается, перемещая вверх гибкий шток 14. В результате этого зеркаложидкости 9 занимает начальное положение, обеспечив тепловой контакт с торцом 3 стержня 1. Жидкость 9, прогреваясь, начинает снова испаряться, и зеркало жидкости 9 уходит вниз. Вместе с этим растягивается сильфон 8, перемещающий вниз гибкий шток 14.Указанный процесс колебаний уровня жидкости 9 в цилиндрической камере 5 периодически повторяется.Таким образом, на выходе исполнительного механизма получаем возвратно-поступательные движения гибкого штока 14, Это приводит в действие преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное (позиции 36 - 44 на фиг.2).Возможность перемещения вставки 15 с постоянным объемом обеспечивает прямую зависимость между степенью заглубления и стержня 1 в жидкости 9 и величиной сжатия пружины 17, определяемой вращением гайки 16, Это позволяет точно задать требуемую частоту колебаний (возвратно- поступательных движений) гибкого штока 14, т.е, быстродействием исполнительного механизма. В частности, чем больше степень сжатия пружины 17, тем больше величина заглубления й стержня 1 в жидкости 9 и тем большему количеству жидкости 9 стержень 1 отдает тепло, На прогрев и испарение жидкости 9 в этом случае тратится больше времени, что снижает частоту пуль саций гибкого штока 14, а значит, и быстродействие исполнительного механизма,При малых заглублениях стержня 1 в жидкость 9 достигается за снет перемещения гайки 16 вниз, скорость нагрева и испарения жидкости увеличивается, поэтому частота пульсаций штока 14, а, значит, и быстродействие исполнительного механизма также увеличивается.В состоянии равновесия кондуктор 20 элемента сравнения находится в среднем положении между замкнутыми газовыми полостями 21 и 22, что соответствует равным температурам и давлению газа в этих полостях, и отсутствию регулируемого воздействия, т.е. гибкий шток 14 исполнительного механизма находится в среднем 50 нейтральном положении (одинаковое усилие со стороны сильфонов 32 и ЗЗ на шток 14) и не входит во взаимодействие с преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное.При отклонении регулируемой величины Х от задания Хэд, т,е. при появлении сигнала небаланса ЬХ = Х - Хэд, в зависимости от знака этого небаланса стержень 19 перемещается вверх или вниз, Здесь регулируемая величина Х (например, темпера 5 10 15 20 25 30 35 40 45 тура) преобразуется в линейное перемещение стержня 19. Например, стержень 19 переместился вверх, вместе с нимпереместился и кондуктор 20, При этом уг.;.,личивается площадь контакта кондуктора 20с помощью 21 и уменьшается площадь контакта кондуктора 20 с полостью 22,Поскольку полости 21 и 22 нагреваютсячерез кондуктор 20, то температура и давление газа в полости 21 увеличиваются по сравнению с температурой и давлением газа в по.лости 22, Это вызывает увеличение объемаисполнительного сильфона 33 по сравнению с объемом сильфона 32. Свободный торец сильфона 33 перемещается при этсмвлево, Это приводит к тому, что непрерывносовершающий возвратно-поступательныедвижения гибкий шток 14 перемещаетсявлево и входит в зацепление с храповымколесом 37, что приводит в действие преобразователь движения,В зависимости от знака сигнала небаланса ЬХ возвратно-поступательное движение гибкого штока 14 с собачкой 36сообщает вращательное движение одному из храповых колес 37 или 38 (допустим, .храповому колесу 37). В этом случае собачка36 поворачивает храповое колесо 3 вместе.с валом 42 и шестерней 39 на число зубьев,соответствующее числу импульсов перемещений гибкого штока 14. В зависимости отзнака сигналанебаланса ЬХ ведомая шестерня 41 вращается в ту или иную сторону (врассматриваемом случае по часовой стрелке). Это приводит в действие преобразователь движения.При вращении по часовой стрелке вала44 вращаются в эту же сторону ведущеезубчатое колесо 45 и шкив 51. Вращениешкива 51 через гибкую передачу 52 передается шкиву 50 и ведомому зубчатому колесу49, которые также начинают вращаться почасовой стрелке. Багодаря этому начинаетперемещаться вниз рейка 53. Вращение ведущего зубчатого колеса 45 по часовойстрелке преобразуется в перемещение влево рейки 54, что приводит к закрытию проходного сечения трубопровода 56регулирующим органом 55, т.е. к выработкесоответствующего регулирующего воздействия Х 8 цх.Тепломеханические элементы регулятора образуют отрицательную обратнуюсвязь, действие которой сводится к следующему.Допустим, что в исходный момент времени (момент равновесия) площадь контакта кондуктора 66 с прокладкой 54 исоответствующая площадь контакта с прокоторое может быть уменьшено путем уменьшения числа прокладок 64 и 65, т,е. уменьшения их тепловой инерции (постоянной времени апериодического звена 1-гопорядка Тос) Это физически означает срабатывэние отключающей обратной связи в течение малого промежутка времени, т.е. сильфон 60 в этом случае быстро отводит шток 14 и собачку 36 от храпового колеса 37.Новое установившееся состояние (положение равновесия) наступает в системе, когда результирующее воздействие на гиб 50 кладкой 65 одинаковы, что обуславливает одинаковую температуру прокладок и, следовательно, одинаковые значения температуры и давления газа в камерах 58 и 59 (рассматриваемый режим соответствует 5 50-ному открытию заслонки 55 в трубопроводе 56).Тепло от шины 69 идет через подвижный кондуктор 70, плиту 68 и кондуктор 66 на нагрев прокладок 64 и 65, Рейка 53 пере мещается вниз, и вместе с ней движется кондуктор 66. В результате этого площадь контакта кондуктора 66 с прокладкой 64 уменьшается и увеличивается площадь контакта кондуктора 66 с прокладкой 65. Благо даря этому увеличиваются температура и давление газа в камере 59 по сравнению с емпературой и давлением газа в камере 58, оявление разности давления и температур газа в камерах 58 и 59.приводит к тому, что 20 давление газа в сильфоне 60 и,.следовательно, усилие, развиваемое им, становятся больше, чем давление газа в сильфоне 61 и усилие, развиваемое этим сильфоном,Однако укаэанные изменения темпера туры и давления газа в камерах 58 и 59, а следовательно, и давления газа в сильфонэх . ВО и 61 происходит не мгновенно после перемещения кондуктора 66, а спустя некоторое время, зависящее от тепловой инерции 30 (емкости) теплопроводных прокладок 64 и 5. Чем больше масса теплопроводных прокладок 64 и 65, тем позже прогревается газв камере 59 и позже происходит увеличениедавления газа в этом обьеме и перемещениесильфона 60 вправо, в сторону удалениягибкого штока 14 от хрэпового колеса 37,Таким образом, отключающая обратнаясвязь срабатывает тем позже. чем большетепловая инерция прокладок 64 и 65, Это 40 значит, что под действием ошибки рассогласования ЬХ и привалирующего усилия сильфона ЗЗ гибкий шток 14 с собачкой 36дольше находятся в зацеплении с храповым колесом 37 и вращается вал 44. Это вызывает дополнительное перемещение рейки 54 (Хвых) пропорционального времени задержки отключающего действия обратной связи,кий шток 14 со стороны сильфонов 60 и 61 цепи обратной связи уравновешивается результирующим действием на тот же шток 14 сильфонов 32 и ЗЗ пропорциональной (входной) части регулятора.В положении равновесия шток 14 занимает нейтральное положение, вал 44 и рейки 53 и 54 неподвижны. В новом установившемся состоянии текущее значение регулируемого параметра Х отличается от заданного значения Хзд на величину статической ошибки ЬХст. Это остаточное отклонение определяет в статике величину результирующего усилия на шток 14 со стороны сильфонов 32 и 33, которое уравновешивается оппозитным результирующим усилием, развиваемыми сильфонами 60 и 61. При этом равновесие достигается при том меньшем остаточном отклонении ЬХст, чем выше значение Кр, т,е, при меньшем уровне сигнала, поступающего на входную часть регулятора от звена обратной связи.Уменьшение уровня сигнала обратной связи достигается за счет уменьшения теплового потока (тепловой мощности), поступающего от тепловой шины 69 в плиту 68 и, следовательно;.в кондуктор 66 и затем в газовые камеры 58 и 59. Уровень этого теплового потока устанавливается с помощью кондуктора.70. В частности, уменьшение этого теплового потока достигается выводом .вверх кондуктора 70 из зазора между элементами 68 и 69. Вследствие этого понижается температурный уровень в газовых камерах 58 и 59 и снижается разность давлений газа в этих камерах, что обусловливает небольшое результирующее усилие, развиваемое сильфонами 60 и 61 при их воздействии на гибкий шток 14.По укаэанной причине равновесие в системе достигается при таком же небольшом результирующем оппозитном результирующем усилии со стороны сильфонов 32 и 33, воздействующих на гибкий шток 14. Последнее означает, что требуется (или устанавливается) небольшая разность давлений газа в полостях 21 и 22, чтобы развить это малое усилие с помощью сильфонов 32 и ЗЗ, А это возможно, если текущее значение Х не намного отличается от Хзд, т.е. при незначительном отклонении кондуктора 20 относительно разделительной стенки между полостями 21 и 22.Таким образом, перемещая кондуктор 70 вверх, уменьшают наклон статической характеристики регулятора (увеличивает Кр и уменьшает статизм, степень неравномерности регулятора) и. наоборот, перемещая кондуктор 70 вниз, увеличивает наклон статической характеристики регулятора(уменьшают К и увеличивают статическуюошибку регулятора). Формула изобретения 1. Регулятор с использованием тепловой энергии по авт, св. %1619228, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия регулятора, он содержит два дополнительных оппозитно расположенных сильфона, подвижные торцы которых связаны с гибким штоком, а также две теплоизолированные газовые камеры, одни изторцов которых выполнены в виде набора теплопроводных прокладок с возможностью изменения их количества, причем наружные прокладки связаны через первый дополнительный кондуктор с теплопроводной плитой, которая связана через второй дополнительный кондуктор с тепловой шиной, при атом первый дополнительный кондуктор выполнен в виде теплопроводной пластины, заключенной между двумя тепло- изоляционными пластинами, и связан с рей кой, свободные поверхноститеплопроводной плиты и тепловой шины теплоизолированы, а выходной вал связан с регулирующим органом через ведущее зубчатое колесо механизма преобразования 10 вращательного движения в линейное, ведущее зубчатое колесо которого связано с рейкой, причем полость каждого из. дополнительных оппозитно расположенныхсильфонов сообщена с соответствующей 15 теплоизолированной газовой камерой. 2, Регулятор по п.1, отл ич эю щийс я тем, что второй дополнительный конденсатор снабжен указателем шкалы величин 20 коэффициента усиления регулятора.1711115 Составитель А; Габрильянцактор И. Горная Техред М.Моргентал ектор М. Максимишинец Производственно-издатель й комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагари каз 338 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5