БЛОК УПРАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области автоматического регулирования газотурбинных двигателей.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является блок управления каналом стартера воздушной турбины (см. патент США №6.684.898, МПК F16K 1/22, 2004 г.), содержащий электроуправляющий клапан (ЭК), имеющий распределительный клапан (РК), входную, выходную и вентиляционную полости. Входная полость соединена с подводящим трубопроводом, ведущим к источнику рабочего воздуха высокого давления, вентиляционная полость - с окружающей средой, а выходная полость - с отводящим каналом, ведущим к потребителю. РК механически соединен с якорем ЭК и соединяет либо входную полость с выходной, либо выходную полость с окружающей средой. Между входной, выходной полостями и окружающей средой имеются уплотнения. ЭК и трубопровод подвода рабочего воздуха охлаждаются наружным воздухом, а в трубопроводе перед входной полостью ЭК установлен защитный жиклер.
Недостатком этого устройства является то, что в нем нет ограничения величины утечек по уплотнениям в ЭК и потребителе, что при использовании рабочего воздуха с повышенной температурой приводит к перегреву ЭК и выходу его из строя.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является повышение надежности устройства путем улучшения герметичности уплотнений.
Для достижения указанного технического результата в блоке управления (БУ), содержащем электроуправляемый клапан (ЭК), имеющем распределительный клапан (РК), входную, выходную и вентиляционную полости, входная полость соединена с подводящим трубопроводом, ведущим к источнику рабочего воздуха высокого давления, вентиляционная полость - с окружающей средой, а выходная полость с отводящим трубопроводом, ведущим к потребителю, РК, механически соединенный с якорем электромагнита ЭК, установленный с возможностью соединения либо входной полости с выходной, либо выходной полости с окружающей средой, причем между входной, выходной полостями и окружающей средой имеются уплотнения, конструктивно выполненные так, чтобы величина расхода воздуха по ним в окружающую среду не превышала величины
где
G - суммарный расход рабочего воздуха (расход через уплотнения БУ и потребителя (кг/сек));
0
2
2
G - критический расход воздуха через 1 мм при абсолютном давлении на входе 1 кгс/см и температуре 293 К (кгс/сек);
1
L - длина трубопровода подвода рабочего воздуха к БУ (м);
0
0
L - масштабный коэффициент (L=2,3 м);
30
D=0,01 м - базовое значение диаметра подводящего трубопровода;
3
D - внешний диаметр трубопровода (м);
4
W - скорость потока воздуха окружающей среды (м/сек);
40
W=1 м/сек - базовая скорость потока воздуха окружающей среды;
1
T - температура отбираемого от источника рабочего воздуха (К);
4
T - температура окружающей среды (К);
MAX
T - предельная температура рабочего воздуха на входе в ЭК, при которой ЭК сохраняет работоспособность (К).
В блоке управления между выходной полостью ЭК и отводящим трубопроводом может быть установлен дополнительный распределительный клапан (ДРК), имеющий входную и выходную полости и вентиляционную полость, соединенную с окружающей средой, клапан, механически соединенный штоком, расположенным в вентиляционной полости, с поршнем, имеющим уплотнения, первая управляющая полость которого соединена с выходной полостью ЭК, вторая управляющая полость - с вентиляционной полостью, входная полость ДРК соединена со входной полостью ЭК, а выходная полость ДРК соединена с отводящим трубопроводом. РК и ДРК могут быть выполнены в одном корпусе.
Кроме того в блоке управления поршневые уплотнения могут быть выполнены в виде графитовых поршневых колец.
Поршневые уплотнения также могут быть выполнены в виде фторопластовых манжет.
Отличительным признаком заявленного устройства является то, что уплотнения в ЭК и у потребителя выполнены так, чтобы суммарная величина расхода по ним не превышала
где
G - суммарный расход рабочего воздуха (расход через уплотнения БУ и потребителя (кг/сек));
0
2
2
G - критический расход воздуха через 1 мм при абсолютном давлении на входе 1 кгс/см и температуре 293 К (кгс/сек);
1
L - длина трубопровода подвода рабочего воздуха к БУ (м);
0
0
L - масштабный коэффициент (L=2,3 м);
30
D=0,01 м - базовое значение диаметра подводящего трубопровода;
3
D - внешний диаметр трубопровода (м);
4
W - скорость потока воздуха окружающей среды (м/сек);
40
W=1 м/сек - базовая скорость потока воздуха окружающей среды;
1
T - температура отбираемого от источника рабочего воздуха (К);
4
T - температура окружающей среды (К);
MAX
T - предельная температура рабочего воздуха на входе в ЭК, при которой ЭК сохраняет работоспособность (К).
Данный отличительный признак позволяет ограничивать расход горячего рабочего воздуха через ЭК и снижать температуру воздуха на входе в ЭК до допустимых пределов, повышая его работоспособность без существенного увеличения массы, габаритов и стоимости, кроме того, повышается надежность работы блока управления, так как предотвращается его выход из строя из-за перегрева.
Предлагаемое устройство представлено на Фиг. 1 и Фиг. 2.
На Фиг. 1 представлена схема предложенного БУ.
На Фиг. 2 представлен вариант выполнения БУ с ДРК.
1
H
Блок управления (см. Фиг. 1) содержит: ЭК 1, имеющий электрический вход 2 к электромагниту 3, и РК 4, механически соединенный штоком 5 с якорем электромагнита 3, установленный с возможностью соединения либо выходной полости 6 с потребителем, либо выходной полости 6 с окружающей средой. Входная полость 7 ЭК 1 через трубопровод 8 подвода рабочего воздуха соединена с источником высокого давления (P), а выходная полость 6 соединена отводящим трубопроводом 9 с потребителем. Вентиляционная полость 10 ЭК 1, связана с окружающей средой (P). На стенках выходной полости 6 выполнены выступы в виде уплотнений 11, обеспечивающих контакт соприкасающихся поверхностей, причем зазор между поверхностями контакта установлен расчетным путем так, чтобы величина расхода воздуха по уплотнениям 11 в окружающую среду не превышала величины, вычисленной по формуле (1).
В варианте (см. Фиг. 2) канал 12 соединен с управляющей полостью 13 дополнительно введенного ДРК 14, который имеет входную полость 15 и выходную полость 16, соединенную с потребителем отводящим трубопроводом 9, и вентиляционную полость 17, которая через отверстие 18 соединена с окружающей средой. Входная управляющая полость 13 каналом 12 соединена с выходной полостью 6 РК 1. Входная управляющая полость 15 соединена с входным трубопроводом 8. Клапан 19 обеспечивает возможность соединения выходной полости 16 либо с входной полостью 15, либо с вентиляционной полостью 17. Клапан 19 посредством штока 20 соединен с поршнем 21, имеющим уплотнение 22, которое может быть выполнено в виде графитового уплотнительного кольца, либо в виде манжеты из фторопласта. Выходная управляющая полость 23 поршня 21 соединена с вентиляционной полостью 17. Между выходной 16, входной 15 и вентиляционной 17 полостями выполнены уплотнения 24, обеспечивающие надежный контакт за счет выполнения клапана 19 «плавающего» типа. Причем данный подход к выполнению клапана всегда соответствует требованиям по расходу воздуха согласно формуле (1).
1
1
3
Блок управления работает следующим образом: воздух от источника высокого давления P с температурой T проходит по трубопроводу с внешним диаметром D, длинной L к БУ. При этом имеет место теплоотдача dQ от трубопровода длиной dL в окружающую среду
где
dQ - тепловой поток от элемента трубопровода длинной dL в окружающую среду (вт);
3
α - коэффициент теплоотдачи от трубопровода в окружающую среду (вт/кг/град);
dL - элемент длины трубопровода (м);
3
D - внешний диаметр трубопровода (м);
3L
T - внешняя температура трубопровода (К);
4
T - температура окружающей среды (К).
Соответствующее снижение температуры воздуха в трубопроводе, которое можно определить из соотношения
где
Q - тепловой поток от рабочего воздуха к внутренней стенке трубопровода (вт);
G - суммарный расход рабочего воздуха (расход через уплотнения БУ и потребителя (кг/сек);
P
C - удельная теплоемкость при постоянном давлении (дж/кг/град);
1
T - температура отбираемого от источника рабочего воздуха (К);
1ВЫХ
T - температура выхода из трубопровода (К).
1ВЫХ
MAX
Из уравнения (3) видно, что чем больше расход воздуха по трубопроводу, тем меньше падение температуры воздуха в трубопроводе, и поэтому температура на выходе из трубопровода (на входе в БУ) выше. Для нормальной работы БУ (без нагрева ЭК) необходимо, чтобы температура воздуха T на входе в БУ была бы ниже T, следовательно
где
Q - тепловой поток от рабочего воздуха к внутренней стенке трубопровода (вт);
G - суммарный расход рабочего воздуха (расход через уплотнения БУ и потребителя (кг/сек));
P
C - удельная теплоемкость при постоянном давлении (дж/кг/град);
1
T - температура отбираемого от источника рабочего воздуха (К);
MAX
T - максимально возможная температура корпуса БУ (К).
Из уравнений (4) и (2), после интегрирования и упрощения, получим формулу (1), которая дает возможность определить допустимый суммарный расход воздуха в окружающую среду через уплотнения ЭК и потребителя и разработать технологию изготовления уплотнений с целью значительного повышения работоспособности ЭК.
1
1
1
1
1
1
ДРК работает следующим образом: в исходном состоянии электромагнит 3 обесточен. При этом высокое давление P через канал 12 подается в управляющую полость 13, а поршень 21 с распределительным клапаном 19 находится внизу, соединяя потребителя через трубопровод 9 с полостью 16 и далее через вентиляционную полость 17 с окружающей средой, и отсоединяет входную полость 15 от выходной 16, тем самым не давая возможности высокому давлению P поступать к потребителю. При подаче сигнала на электромагнит 3 распределительный клапан 4 перемещается вниз к уплотнениям 11, закрывая подачу высокого давления P в управляющую полость 13 и переключая подачу P через трубопровод 8 в полости 15, 16 и трубопровод 9 к потребителю. При этом распределительный клапан 19 под действием высокого давления P поднимается вверх, освобождая путь для подачи P к потребителю.
Поршневое уплотнение 22 выполняется в виде манжеты из фторопласта в случае если температура не превышает 250°C, а выполнение в виде графитового кольца позволяет сохранять надежный контакт при температурах ~650°C.
Таким образом, наличие возможности расчета допустимого расхода воздуха в окружающую среду через уплотнения БУ, позволяет усовершенствовать технологию изготовления БУ и, тем самым, повысить надежность его работы в несколько раз за счет правильного ограничения расхода горячего воздуха через ЭК. Проведенные испытания на блоках управления с различными типами уплотнений полностью подтвердили данный вывод.
Введение ДРК позволяет в 10÷100 раз увеличить расход воздуха, идущего к потребителю.