Регулятор расхода горячего газа

Изобретение относится к области машиностроения и направлено на совершенствование регуляторов расхода, работающих в условиях высоких температур и давлений и обеспечивающих управление летательным аппаратом в плоскостях тангажа, рыскания и крена. Предлагается конструкция регулятора расхода горячего газа, содержащая корпус с входным и выходным патрубками, седло с равномерно расположенными расходными отверстиями, установленное в выходной патрубок, кинематически связанные заслонку и вал, заслонка выполнена с глухим отверстием, в которое заходит вал, и в месте своего соединения с валом выполнена с цилиндрическим участком, переходящим в прилив, на котором выполнены расходные отверстия в форме сектора кольца, ограниченного двумя цилиндрическими поверхностями, центры которых находятся на оси вала, при этом расходные отверстия заслонки выполнены одинаковыми с расходными отверстиями седла, кромки боковой поверхности каждого расходного отверстия заслонки в поперечном сечении выполнены профилированными: часть, ближайшая к седлу, выполнена в виде прямолинейного участка, а часть, расположенная дальше, выполнена в виде наклонного участка в сторону от расходного отверстия седла под углом, равным 30…45°, на плоском торце седла выполнена выемка сферической формы, соосная оси вала, а на плоском торце заслонки выполнен сферический выступ, соосный оси вала, при этом величина радиуса сферы выемки седла превышает величину радиуса сферы выступа заслонки, а между плоскими поверхностями седла и заслонки, обращенными друг к другу, выполнен равномерный зазор. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и направлено на совершенствование регуляторов расхода, работающих в условиях высоких температур и давлений и обеспечивающих управление летательным аппаратом в плоскостях тангажа, рыскания и крена.

Важной характеристикой регуляторов расхода такого типа является, так называемый, шарнирный момент, т.е. момент необходимый для открытия и закрытия регулятора расхода. Указанный момент состоит из двух составляющих: газодинамической, зависящей от параметров рабочей среды и величины площади расходного отверстия, и момента трения, если регулирующие элементы (заслонка и седло) соприкасаются друг с другом.

Известна конструкция регулятора расхода газа, содержащая корпус с входным и выходным патрубками, седло с равномерно расположенными расходными отверстиями, установленное в выходной патрубок, кинематически связанные заслонку и вал, на заслонке выполнены расходные отверстия в форме сектора кольца, ограниченного двумя цилиндрическими поверхностями, центры которых находятся на оси вала, при этом расходные отверстия заслонки выполнены одинаковыми с расходными отверстиями седла, торец седла, обращенный к заслонке, выполнен плоским, также как и торец заслонки, заслонка и седло контактируют между собой по плоским поверхностям, заслонка и седло загерметизированы при помощи уплотнительных колец (Патент РФ №2285184 С1, кл. F16K 39/04, опубл. 10.10.2006 г.).

Недостаток такой конструкции состоит в том, что в паре заслонка - седло контакт происходит по плоским поверхностям, что приводит к резкому увеличению шарнирного момента в случае высокого давления и значительных величин расходной площади регулятора расхода горячего газа, что требует увеличения мощности привода, это, в свою очередь, приводит к увеличению массы всех узлов кинематической цепи привод-заслонка. Если для регуляторов расхода газа, применяемых в наземных условиях, это не играет решающей роли, то для регуляторов расхода газа, используемых в летательных аппаратах для управления по каналам тангажа, рыскания и крена, это неприемлемо.

Задачами изобретения являются повышение надежности работы регулятора расхода газа за счет уменьшения величины составляющей шарнирного момента трения в зоне контакта заслонки и седла, уменьшения массы конструкции, а также увеличение быстродействия регулятора.

Указанные задачи решаются тем, что в регуляторе расхода горячего газа, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, седло с равномерно расположенными расходными отверстиями, установленное в выходной патрубок, кинематически связанные заслонку и вал, заслонка выполнена с глухим отверстием, в которое заходит вал, и в месте своего соединения с валом выполнена с цилиндрическим участком, переходящим в прилив, на котором выполнены расходные отверстия в форме сектора кольца, ограниченного двумя цилиндрическими поверхностями, центры которых находятся на оси вала, при этом расходные отверстия заслонки выполнены одинаковыми с расходными отверстиями седла, кромки боковой поверхности каждого расходного отверстия заслонки в поперечном сечении, выполнены профилированными: часть, ближайшая к седлу, выполнена в виде прямолинейного участка, а часть, расположенная дальше, выполнена в виде наклонного участка в сторону от расходного отверстия седла под углом, равным 30…45°, на плоском торце седла выполнена выемка сферической формы, соосная оси вала, а на плоском торце заслонки выполнен сферический выступ, соосный оси вала, при этом величина радиуса сферы выемки седла превышает величину радиуса сферы выступа заслонки, а между плоскими поверхностями седла и заслонки, обращенными друг к другу, выполнен равномерный зазор.

На фиг. 1 изображен общий вид регулятора расхода горячего газа.

На фиг. 2 изображен вид на седло регулятора расхода горячего газа.

На фиг. 3 изображено исполнение расходного отверстия заслонки в поперечном сечении.

На фиг. 4 изображена конструкция торцового уплотнения.

На фиг. 5 изображен вариант исполнения кромки боковой поверхности расходного отверстия заслонки в поперечном сечении.

На фиг. 6 изображено исполнение расходного отверстия заслонки в поперечном сечении с переменным углом наклона.

Регулятор расхода горячего газа (фиг. 1) состоит из корпуса 1, который содержит входной 2 и выходной 3 патрубки, седло 4 с регулируемыми расходными отверстиями 5, установленное в выходной патрубок 3, заслонки 6, кинематически связанной с валом 7. Торец 8 седла 4, обращенный к заслонке 6, выполнен плоским, а плоский торец 9 заслонки 6 расположен с равномерным зазором «δ» по отношению к плоскому торцу 8 седла 4. Вал 7 установлен в подшипники качения 10 и кинематически связан с заслонкой 6, которая выполнена в форме цилиндрического участка 11, переходящего в прилив 12. Заслонка 6 выполнена с глухим отверстием, в которое заходит вал 7 и соединена с валом 7 при помощи двух штифтов 13, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. На плоском торце 8 седла 4 выполнена выемка 14 сферической формы, соосная оси вала 7, а на плоском торце 9 заслонки 6 выполнен сферический выступ 15, при этом величина радиуса сферы выемки 14 седла 4 превышает величину радиуса сферы выступа 15 заслонки 6. Корпус 1 защищен изнутри деталями 16 из эрозионностойкого прессматериала (например, углепластика). Между наружной поверхностью вала 7 и глухим отверстием заслонки 6 расположено теплозащитное покрытие 17. Прилив 12 заслонки 6 и седло 4 в районе плоского торца также выполнены в форме цилиндра, соосного с валом 7. Регулируемая площадь седла 4 (фиг. 2) выполнена в виде одинаковых расходных отверстий 5, расположенных равномерно и выполненных в форме сектора кольца, ограниченного двумя цилиндрическими поверхностям 18 и 19, центры которых находятся на оси вала 7. На приливе 12 заслонки 6 выполнены расходные отверстия 20 (фиг. 3, 6) одинаковые с расходными отверстиями 5 седла 4. Максимальный угол раскрытия «α₁» расходных отверстий седла 4 и заслонки 6 равен 360°/2n, где n-количество расходных отверстий (фиг. 2, 3, 6). Заслонка 6 в зоне ее цилиндрического участка 11 и вал 7 защищены втулкой 21 из эрозионностойкого прессматериала, которая перекрывает зону соединения заслонки 6 с валом 7. Между цилиндрическим участком 11 заслонки 6 и приливом 12, на котором выполнены расходные отверстия 20 заслонки 6, выполнен соосный с валом 7 дополнительный цилиндрический участок 22, диаметр которого меньше диаметра цилиндрического участка 11 заслонки 6 в месте установки штифтов 13. Диаметр меньшей цилиндрической поверхности 18, которая образует регулируемое расходное отверстие 20 заслонки 6, равен диаметру дополнительного цилиндрического участка 22. На цилиндрическом участке 11 заслонки 6 выполнен кольцевой выступ 23, соосный с осью вала 7 (фиг. 4), а во втулке 21 из эрозионностойкого прессматериала выполнена кольцевая полость 24, соосная с осью вала 7 (фиг. 1, 4), в которую установлено с осевым люфтом торцовое уплотнение, состоящее из четного количества графитовых колец, причем графитовое кольцо 25, расположенное ближе к цилиндрическому выступу 23 заслонки 6, контактирует с цилиндрическим участком 11 заслонки 6 и установлено с кольцевым зазором по отношению к кольцевой полости 24 втулки 21 из эрозионностойкого прессматериала, следующее за ним графитовое кольцо 26 контактирует с цилиндрической поверхностью кольцевой полости 24 втулки 21 и установлено с кольцевым зазором по отношению к цилиндрическому участку 11 заслонки 6. Такая установка аналогична для последующих пар колец. На фиг. 1, 4 показана конструкция торцового уплотнения, состоящего, например, из четырех графитовых колец. Первое и третье графитовое кольца 25, также как второе и четвертое 26, выполнены одинаковыми между собой. Выходной конец вала 7 снабжен уплотнительными кольцами 27. Заслонка 6 и седло 4, как вариант, могут быть выполнены из антифрикционного материала типа графита или пироуглерода для уменьшения массы изделия.

На фиг. 3, 5 изображена кромка 28 боковой поверхности 29 расходного отверстия 20 заслонки 6 в поперечном сечении. Кромка 28 выполнена профилированной: часть, ближайшая к седлу 4 выполнена в виде прямолинейного участка, а часть, расположенная дальше, выполнена в виде наклонного участка в сторону от расходного отверстия 5 седла 4 под углом «α». Минимальная толщина «h» кромки 28 определяется из условия отсутствия ее сквозного уноса под воздействием температуры и давления горячего газа. Результаты расчетов показывают, что чем больше величина угла «α», тем меньше значение газодинамического шарнирного момента. Однако, с увеличением угла «α» снижается прочность заслонки. Оптимальное значение угла «α» равно 30°…45°.

Возможно выполнение угла «α» переменным, при этом угол «α» плавно изменятся от 0° в сторону от оси вращения вала 7 (фиг. 6). Такое исполнение позволяет увеличить прочность заслонки 6 в месте соединения прилива 12 с дополнительным цилиндрическим участком 22. Поэтому возможно выполнять угол «α» переменным, в сторону его увеличения от оси вращения вала 7. При выполнении угла «α» переменным его можно увеличить до 70°.

Зазор «δ» определяется из условия допустимого уровня площади утечек при закрытых расходных отверстий 5 седла 4 и рассчитывается по формуле:

δ=F_ут./Р, где

F_ут. - допустимый уровень площади утечек (мм²),

Р - суммарный периметр расходных отверстий седла (мм).

Чем меньше величина зазора «δ», тем меньше непроизводительные потери рабочего тела. С учетом допусков на изготовление величина зазора «δ» выбирается обычно 0,3…0,5 мм.

Регулятор расхода горячего газа работает следующим образом.

При поступлении в регулятор горячего газа от системы управления подается сигнал на поворот вала 7 и, поскольку он кинематически соединен с заслонкой 6 при помощи штифтов 13, заслонка 6 также поворачивается, открывая регулируемые расходные отверстия 5 седла 4, и газ истекает из выходного патрубка 3, обеспечивая необходимый расход. Расположение штифтов 13 во взаимно перпендикулярных плоскостях позволяет максимально уменьшить торцевой зазор между плоскими поверхностями седла 4 и заслонки 6 за счет увеличения сопротивления изгибу.

Изменение открытой площади расходных отверстий 5 седла 4 в зависимости от угла поворота вала 7 происходит линейно, благодаря тому что, расходные отверстия 5 седла 4 и расходные отверстия 20 заслонки 6 выполнены одинаковыми в форме сектора кольца, ограниченного двумя цилиндрическими поверхностями. Линейное изменение площади упрощает систему управления.

Выполнение дополнительного цилиндрического участка 22, диаметр которого меньше наружного диаметра заслонки 6 в месте установки штифтов 13, и выполнение меньшей цилиндрической поверхности, которая образует регулируемое расходное отверстие 20 заслонки 6, равной диаметру дополнительного цилиндрического участка 22, обеспечивает уменьшение величины газодинамической составляющей шарнирного момента и габаритов регулятора расхода горячего газа, а также приводит к снижению массы.

Возможность изменения числа расходных отверстий седла 4 и заслонки 6 при той же суммарной площади отверстий и скорости вращения вала 7 позволяет изменять быстродействие регулятора расхода газа при меньшем угле поворота.

Выполнение на плоском торце 8 седла 4 выемки 14 сферической формы, соосной оси вала 7, а на плоском торце 9 заслонки 6 сферического выступа 15, также соосного оси вала 7 и установленного с равномерным боковым зазором в выемку 14 седла 4, обеспечивает касание заслонки 6 и седла 4 в точке, что обеспечивает уменьшение величины шарнирного момента трения в паре заслонка - седло, а также при использовании графитовых материалов для изготовления последних уменьшает износ выемки 14 и выступа 15.

Выполнение кромок 28 боковых поверхностей 29 каждого расходного отверстия 20 заслонки 6 в поперечном сечении профилированными (в форме ломаной линии или ступенчатой форме, а также в виде криволинейной поверхности) позволяет оптимизировать распределение давления на ней и тем самым снизить газодинамическую составляющую шарнирного момента.

Таким образом, исходя из вышеизложенного, обеспечивается повышение надежности работы регулятора расхода горячего газа за счет уменьшения величин составляющих шарнирного момента в паре заслонка-седло, увеличение быстродействия регулятора расхода горячего газа, при сохранении его линейной расходной характеристики и уменьшения его массы.

1. Регулятор расхода горячего газа, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, седло с равномерно расположенными расходными отверстиями, установленное в выходной патрубок, кинематически связанные заслонку и вал, заслонка выполнена с глухим отверстием, в которое заходит вал, и в месте своего соединения с валом выполнена с цилиндрическим участком, переходящим в прилив, на котором выполнены расходные отверстия в форме сектора кольца, ограниченного двумя цилиндрическими поверхностями, центры которых находятся на оси вала, при этом расходные отверстия заслонки выполнены одинаковыми с расходными отверстиями седла, торец седла, обращенный к заслонке, выполнен плоским также как смежный с ним торец заслонки, вал установлен в подшипники, отличающийся тем, что кромки боковой поверхности каждого расходного отверстия заслонки в поперечном сечении выполнены профилированными: часть, ближайшая к седлу, выполнена в виде прямолинейного участка, а часть, расположенная дальше, выполнена в виде наклонного участка в сторону от расходного отверстия седла под углом, равным 30…45°, на плоском торце седла выполнена выемка сферической формы, соосная оси вала, а на плоском торце заслонки выполнен сферический выступ, соосный оси вала, при этом величина радиуса сферы выемки седла превышает величину радиуса сферы выступа заслонки, а между плоскими поверхностями седла и заслонки, обращенными друг к другу, выполнен равномерный зазор.

2. Регулятор расхода горячего газа по п. 1, отличающийся тем, что корпус защищен изнутри деталями из эрозионностойкого пресс-материала, между наружной поверхностью вала и глухим отверстием заслонки расположено теплозащитное покрытие.

3. Регулятор расхода горячего газа по п. 1, отличающийся тем, что кинематическое соединение заслонки с валом выполнено при помощи двух штифтов, оси которых перпендикулярны оси вала и расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.

4. Регулятор расхода горячего газа по п. 1, отличающийся тем, что заслонка в зоне ее соединения с валом и вал защищены втулкой из эрозионностойкого пресс-материала, между цилиндрическим участком заслонки и приливом, на котором выполнены расходные отверстия заслонки, выполнен дополнительный соосный с валом цилиндрический участок, диаметр которого меньше наружного диаметра заслонки в месте установки штифтов, а диаметр меньшей цилиндрической поверхности, которая образует регулируемое расходное отверстие заслонки, равен диаметру дополнительного цилиндрического участка.

5. Регулятор расхода горячего газа по п. 4, отличающийся тем, что на цилиндрическом участке заслонки, ближайшем к дополнительному цилиндрическуму участку, выполнен кольцевой выступ, а во втулке из эрозионностойкого пресс-материала выполнена цилиндрическая кольцевая полость, в которую установлено торцовое уплотнение, состоящее из четного количества графитовых колец, при этом первое графитовое кольцо, расположенное за кольцевым выступом заслонки, контактирует с наружной поверхностью вала и установлено по отношению к внутренней поверхности цилиндрической полости с равномерным кольцевым зазором, следующее за ним второе графитовое кольцо контактирует с внутренней поверхностью цилиндрической полости и установлено по отношению к наружной поверхности вала с равномерным кольцевым зазором и аналогично для последующих пар колец.

6. Регулятор расхода горячего газа по п. 1, отличающийся тем, что угол наклона кромки боковой поверхности в сторону расходного отверстия седла каждого расходного отверстия заслонки плавно изменяется от 0° до 70° в сторону от оси вала.

7. Регулятор расхода горячего газа по п. 1, отличающийся тем, что заслонка и седло выполнены из материала типа графита или пироуглерода.