Гидромеханический регулятор

Гидромеханический регулятор — это устройство автоматического регулирования, в котором для измерения отклонения регулируемого параметра и выработки управляющего воздействия используются гидравлические и механические элементы. Относится к классу регуляторов прямого действия, так как энергия, необходимая для перемещения регулирующего органа (например, заслонки или клапана), черпается непосредственно из энергии рабочей среды (жидкости или газа) или из энергии самого регулируемого параметра, без использования внешних источников питания (электричества, сжатого воздуха). Гидромеханические регуляторы широко применялись в теплоэнергетике, машиностроении, системах водоснабжения и газоснабжения для поддержания постоянства давления, уровня, расхода или температуры.

Принцип действия

Основой работы гидромеханического регулятора является сравнение текущего значения регулируемого параметра с заданным (уставкой) с помощью чувствительного элемента. В качестве чувствительных элементов чаще всего используются:

Мембраны (гибкие, упругие пластины) — для измерения давления или перепада давления.
Сильфоны (гофрированные трубки) — для измерения давления или температуры (при заполнении термочувствительной жидкостью).
Поплавки — для измерения уровня жидкости.
Пружины — для создания эталонного усилия (задания уставки) и возврата элементов в исходное положение.

Отклонение параметра приводит к деформации чувствительного элемента, которая через систему рычагов, штоков и золотников преобразуется в перемещение регулирующего органа. Например, при повышении давления в трубопроводе мембрана прогибается, сжимая пружину уставки, и через шток приоткрывает или закрывает клапан, возвращая давление к заданному значению. Таким образом, регулятор работает по принципу отрицательной обратной связи.

Устройство и основные элементы

Типичный гидромеханический регулятор состоит из следующих функциональных узлов:

Чувствительный элемент (датчик): воспринимает изменение параметра (мембрана, сильфон, поплавок).
Задающее устройство: элемент, определяющий требуемое значение параметра (регулировочная пружина, груз, винт настройки).
Элемент сравнения: механическая конструкция (рычаг, шарнир), которая сопоставляет усилие от чувствительного элемента с усилием от задающего устройства.
Усилительное устройство: гидравлический или механический усилитель (золотник, сервомотор), который увеличивает мощность сигнала рассогласования для перемещения регулирующего органа. В регуляторах прямого действия усилитель может отсутствовать.
Регулирующий орган: клапан, заслонка, шибер, дроссель, непосредственно изменяющий расход или давление рабочей среды.
Корпус: герметичный корпус, объединяющий все элементы и обеспечивающий подвод и отвод рабочей среды.

Классификация

Гидромеханические регуляторы классифицируются по нескольким признакам.

По типу регулируемого параметра

Регуляторы давления (например, «после себя» — поддерживают давление на выходе; «до себя» — поддерживают давление на входе; перепада давления — поддерживают разность давлений).
Регуляторы уровня (поддерживают заданный уровень жидкости в резервуаре, котле, баке).
Регуляторы расхода (поддерживают заданный расход жидкости или газа).
Регуляторы температуры (поддерживают заданную температуру, обычно с использованием термочувствительного сильфона).

По конструктивному исполнению

Прямого действия: усилие, необходимое для перемещения регулирующего органа, создаётся непосредственно энергией рабочей среды (например, давлением газа на мембрану). Пример — бытовые газовые редукторы.
Непрямого действия (с сервомотором): чувствительный элемент управляет золотником, который подаёт рабочую жидкость под высоким давлением в сервомотор (гидроцилиндр), перемещающий регулирующий орган. Такие регуляторы способны развивать большие усилия и применяются на крупных объектах (например, в гидротурбинах).

По типу рабочей среды

Жидкостные (вода, масло, топливо).
Газовые (природный газ, воздух, пар).

Применение

Гидромеханические регуляторы исторически были одними из первых автоматических устройств и нашли широкое применение в промышленности, где не требовалось высокой точности или где использование электричества было нежелательно или невозможно.

В теплоэнергетике

Регуляторы уровня воды в паровых котлах (например, регуляторы прямого действия с поплавком). При отклонении уровня воды поплавок через рычажную систему перемещает клапан, изменяя подачу питательной воды.
Регуляторы давления пара в котлах и турбинах. Поддерживают заданное давление пара на выходе из котла или на входе в турбину.
Регуляторы температуры перегретого пара (с термочувствительным сильфоном).

В машиностроении

Регуляторы частоты вращения вала двигателей внутреннего сгорания (дизельных, газовых). В классических дизелях применяются центробежные гидромеханические регуляторы, где центробежная сила вращающихся грузов через гидравлический усилитель воздействует на рейку топливного насоса.
Регуляторы давления в гидросистемах станков, прессов, подъёмных механизмов.

В системах водоснабжения и газоснабжения

Регуляторы давления газа «после себя» (газовые редукторы) — устанавливаются на газопроводах для снижения и поддержания давления газа на заданном уровне перед потребителями (в быту, в котельных).
Регуляторы давления воды — поддерживают постоянное давление в водопроводных сетях, в системах пожаротушения.
Регуляторы уровня воды в водонапорных башнях и резервуарах.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая надёжность: отсутствие электроники, простота конструкции, работа в широком диапазоне температур и агрессивных сред.
Автономность: не требуют внешнего источника энергии (электричества, сжатого воздуха).
Взрывобезопасность: применимы во взрывоопасных зонах (газовые, нефтехимические производства).
Простота обслуживания: ремонт и настройка часто возможны силами персонала без специальной электронной подготовки.

Недостатки

Невысокая точность регулирования: статическая ошибка (отклонение от заданного значения) может быть значительной, особенно при больших изменениях нагрузки.
Ограниченный диапазон регулирования: эффективная работа возможна только в определённом диапазоне изменения параметра.
Инерционность: реакция на изменение параметра может быть медленной.
Сложность перенастройки: изменение уставки часто требует механической перестройки (поджатия пружины, замены дросселя).
Чувствительность к загрязнениям: засорение гидравлических каналов и золотников может нарушить работу регулятора.

Историческая справка

Первые гидромеханические регуляторы появились в XVIII веке. Одним из первых был центробежный регулятор Уатта (1788 год), который использовался для поддержания постоянной частоты вращения паровой машины. В нём центробежная сила вращающихся грузов через рычажную систему воздействовала на дроссельную заслонку, регулируя подачу пара. В XIX веке, с развитием паросиловых установок и водопроводов, появились мембранные и поплавковые регуляторы давления и уровня. В XX веке, с развитием гидравлики и пневматики, гидромеханические регуляторы стали основой автоматики многих промышленных объектов, особенно в энергетике и на транспорте. С развитием электроники и микропроцессорной техники в конце XX века они начали вытесняться электронными регуляторами, однако до сих пор остаются востребованными в системах, где требуется высокая надёжность и автономность.

Интересные факты

Гидромеханические регуляторы до сих пор используются в системах управления гидротурбинами на крупных гидроэлектростанциях, где требуется большая мощность и высокая надёжность.
В бытовых газовых плитах и колонках применяются простейшие гидромеханические регуляторы давления газа (газовые редукторы), обеспечивающие безопасность и стабильность горения.
Принцип работы гидромеханического регулятора лёг в основу создания первых автопилотов для самолётов, где использовались гидравлические сервомоторы.

Источники

Попов Д. Н. «Гидромеханические системы автоматического управления». — М.: Машиностроение, 1985.
Гуревич Д. Ф. «Трубопроводная арматура. Справочное пособие». — СПб.: Недра, 2004.
Клюев А. С., Лебедев А. Н. «Автоматическое регулирование». — М.: Энергоатомиздат, 1988.
ГОСТ 24856-2014 «Арматура трубопроводная. Термины и определения».

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →