КЛАПАН ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ГОРЯЧЕГО ГАЗА
HOT GAS FLOW RATE CONTROL VALVE

6
Изобретение относится к области машиностроения и направлено на совершенствование конструкций клапанов, работающих в условиях высоких температур и давлений и предназначенных для управления вектором тяги летательных аппаратов. Известна конструкция клапана для регулирования расхода горячего газа, содержащая корпус с входным и выходным патрубками, защищенными изнутри теплозащитным покрытием, седло с расходным отверстием и заслонку, контактирующую с седлом по взаимообращенным поверхностям, например цилиндрической формы, вал, соединенный кинематически с заслонкой и загерметизированный уплотнением, при этом между наружной поверхностью вала и теплозащитой корпуса установлены последовательно три графитовых кольца, крайние графитовые кольца контактируют с теплозащитой корпуса, а среднее - с валом (Патент РФ №2121097, КЛ. F16K 5/12, 1998 г.).
Хотя данная конструкция позволяет защитить уплотнение вала от перегрева, но обладает недостатком: отсутствием фиксации штифтов, что при температуре более 1600 K может привести к выходу штифтов из зацепления с узлом, в который они запрессованы.
6
Известна конструкция соединения деталей, содержащая вал, в который с натягом установлен цилиндрический штифт из материала, величина коэффициента линейного расширения которого ниже величины коэффициента линейного расширения материала вала, а на боковой поверхности штифта, расположенной внутри вала, выполнено осесимметричное углубление, заполненное заподлицо с боковой поверхностью штифта металлическим материалом, величина коэффициента линейного расширения которого превышает величину коэффициента линейного расширения материала вала (Патент РФ №2121085, кл. F16B 2/18, 1998 г.).
В некоторых случаях из-за малых диаметров штифтов невозможно осуществить выполнение вышеуказанной конструкции, а в некоторых конструкциях клапанов необходимо защитить от перегрева уплотнения вала.
Целью изобретения является повышение надежности работы клапанов за счет фиксации штифтов и одновременной защиты от перегрева уплотнений вала.
Указанная цель достигается тем, что в клапане для регулирования расхода горячего газа, содержащим защищенный изнутри теплозащитным покрытием корпус с входным и по крайней мере одним выходным патрубками, седло с расходным отверстием, установленное в выходном патрубке, заслонку, кинематически соединенную с валом, загерметизированным уплотнением, между теплозащитным покрытием корпуса и наружной поверхностью вала последовательно установлены три графитовых кольца, крайние кольца введены в контакт с теплозащитным покрытием корпуса и установлены с образованием кольцевого зазора с наружной поверхностью вала, а среднее кольцо введено в контакт своей внутренней поверхностью с наружной поверхностью вала и установлено с образованием кольцевого зазора с теплозащитным покрытием корпуса, вал выполнен составным, состоящим из горячего и холодного участков, между которыми установлена втулка из теплозащитного материала, а участки вала соединены между собой взаимно перпендикулярными штифтами, при этом среднее графитовое кольцо охватывает штифты и выполнено в продольном сечении ступенчатой формы с образованием кольцевого зазора между торцами штифтов и внутренней поверхностью среднего графитового кольца. Среднее графитовое кольцо может быть выполнено из двух симметричных частей относительно плоскости, проходящей перпендикулярно оси вала.
На фиг.1 изображен общий вид клапана для регулирования расхода горячего газа.
На фиг.2 изображен вариант исполнения среднего графитового кольца.
Клапан для регулирования расхода горячего газа (фиг.1) состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками (выходных патрубков может быть несколько), защищенными изнутри от нагрева теплозащитным покрытием 4, седла 5 с расходным отверстием 6, установленным в выходном патрубке 3, заслонки 7, кинематически соединенной с валом 8, загерметизированным уплотнением 9. Между теплозащитным покрытием 4 корпуса 1 и наружной поверхностью вала последовательно установлены три графитовых кольца, крайние графитовые кольца 10 введены в контакт с теплозащитным покрытием 4 корпуса 1 и установлены с образованием кольцевого зазора с наружной поверхностью вала 8, а среднее графитовое кольцо 11 введено в контакт своей внутренней поверхностью с наружной поверхностью вала 8 и установлено с образованием кольцевого зазора с теплозащитным покрытием 4 корпуса 1. Вал 8 выполнен составным и состоит из горячего участка 12, расположенного в зоне расхода горячего газа, и холодного участка 13, расположенного в зоне уплотнения 9, которое, как правило, выполнено из резины, выдерживающей температуру около 300°С. Между горячим 12 и холодным 13 участками вала 8 установлена втулка 14 из теплозащитного материала, а участки вала соединены между собой взаимно перпендикулярными штифтами 15. Среднее графитовое кольцо 11 охватывает штифты 15 и выполнено в продольном сечении ступенчатой формы с образованием кольцевого зазора между торцами 16 штифтов 15 и внутренней поверхностью среднего графитового кольца 11.
На фиг.2 приведен вариант исполнения среднего графитового кольца 11 из двух симметричных частей 17 относительно плоскости 18, проходящей перпендикулярно оси 19 вала 8.
Вал 8 установлен в подшипники 20 и 21.
При работе горячие газы поступают внутрь корпуса 1 через входной патрубок 2 и истекают наружу через отверстие 6 седла 5, создавая необходимую тягу при помощи регулирования расхода путем изменения площади отверстия 6 заслонкой 7, которая приводится в движение валом 8.
Благодаря тому, что вал 8 выполнен составным и его горячий и холодные участки соединены с помощью штифтов 15 через втулку 14 из теплозащитного материала, основной нагрев передается через штифты 15, которые в свою очередь защищены от прямого воздействия горячих газов графитовыми кольцами 10 и 11, уплотнение 9 вала надежно защищено от перегрева.
Штифты 15 из-за прогрева могут выйти из зацепления с горячим участком вала, но благодаря тому, что среднее графитовое кольцо 11 выполнено ступенчатой формы штифты доходят до внутренней поверхности кольца 11 и дальнейшее их перемещение прекращается. Зазор между внутренней поверхностью кольца 11 и торцом 16 штифта 15 определяется тепловыми расчетами. Если среднее кольцо 11 выполнять не ступенчатой формы, то из-за теплового расширения штифта оно разрушится. Выполнение графитового кольца 11 из двух частей 17 более надежно защищает уплотнение вала от прямого воздействия горячего газа, т.к. имеются два участка графитового кольца, которые касаются наружной поверхности вала. Торцевые поверхности 16 штифтов 15 должны выступать за наружную поверхность горячего участка вала, чтобы их целостность после запрессовки можно было проверить ультразвуковым методом контроля. Это еще одна причина, чтобы кольцо 11 было выполнено ступенчатой формы. При сборке необходимо, чтобы участок кольца 11, касающийся наружной поверхности вала, не проходил через штифт. Горячий участок вала выполнен из жаропрочного сплава на основе вольфрама или молибдена, а холодный - из жаропрочной стали или ниобиевого сплава. Штифты обычно выполняются из вольфрама. Известно, что более жаропрочные материалы имеют более низкие коэффициенты линейного расширения и при прогреве штифты могут выйти из зацепления с горячим и холодным участками вала. Установка двух взаимно перпендикулярных штифтов исключает взаимный угловой перекос горячего и холодного участков вала, который может привести к увеличению нагрузки на вал.
Таким образом, как видно из вышеизложенного, предложенная конструкция клапана для регулирования расхода горячего газа повышает надежность работы клапана за счет фиксации штифтов и одновременной защиты от перегрева уплотнений вала.