УСТРОЙСТВО ДЕЛЕНИЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ
LIQUID FLOW DIVISION DEVICE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для перераспределения теплоносителя в системах обеспечения теплового режима (СОТР) изделий космической и авиационной техники, а также в других областях техники.
Известно устройство деления потока жидкости, содержащее корпус с входным и выходным патрубками и запорный клапан, золотник, расположенный внутри корпуса (заявка Японии №63-303277 по кл. F16K 11/085, 1988 г.) Недостатком этого устройства является невозможность плавно регулировать расход жидкости в делимых потоках.
Этого недостатка лишено выбранное в качестве прототипа устройство деления потока жидкости, содержащее сборный корпус с входным и двумя выходными патрубками, установленный в нем электродвигатель с шестерней на его валу, входящей в зацепление с зубчатым колесом цилиндрического редуктора, выходное звено которого связано с распределительным элементом, поджатым к седлу посредством пружины сжатия и имеющим фиксатор углового положения (заявка США №US 2019/0277414 А1 по кл. F16K 11/074, 2019 г.)
Недостатком этого устройства деления потока жидкости является его неремонтопригодность после монтажа его в состав установленной на борту изделия космической или авиационной техники СОТР. Изделия космической техники - космические корабли или модули орбитальных станций - в процессе изготовления на предприятии-изготовителе проходят сложный и длительный цикл испытаний, в ряде которых проверяется работоспособность устройства деления потока жидкости, при этом СОТР полностью смонтирована на борту изделия, но не заправлена теплоносителем. После транспортировки изделия на космодром изделие также проходит длительный цикл испытаний при незаправленной СОТР, только после завершения которого производится заправка СОТР теплоносителем. В случае отказа при этих испытаниях устройства деления потока жидкости ремонт устройства - прототипа требует его полного снятия и замены на другой из комплекта запасных устройств. Для этого необходимо отстыковать 3 его патрубка от системы, что представляет значительные трудности, поскольку при расстыковке (в случае разъемных соединений) требуется осевая подвижность подстыкованных к патрубкам устройства трубопроводов СОТР, что весьма трудоемко, а в большинстве случаев - невозможно из-за плотной компоновки агрегатов изделий космической техники и жесткости закрепленных на изделии трубопроводов. Альтернативный вариант демонтажа устройства (и единственно возможный в случае достаточно часто используемого сварного соединения патрубков устройства с трубопроводами СОТР) - разрезка трубопроводов СОТР или сварных стыков - вносит риск засорения внутренних полостей СОТР. Упомянутые трудности демонтажа устройства деления потока жидкости в случае его отказа ведут к значительным потерям времени при ремонтно-восстановительных работах и могут привести к отсрочке назначенного старта изделия, что ведет к значительным финансовым потерям. Другим недостатком прототипа является сложность конструкции устройства в части уплотнения его внутренней полости, обусловленная неправильной формой устройства, что требует применения фасонных уплотнительных прокладок вместо стандартных эластомерных колец.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является обеспечение его ремонтопригодности после монтажа его в состав установленной на борту изделия космической или авиационной техники СОТР, а также упрощения конструкции устройства деления потока жидкости в части уплотнения его внутренней полости.
Этот результат достигается за счет того, что в известном устройстве деления потока жидкости, содержащем сборный корпус с входным и двумя выходными патрубками, установленный в нем электродвигатель с шестерней на его валу, входящей в зацепление с зубчатым колесом цилиндрического редуктора, выходное звено которого связано с распределительным элементом, поджатым к седлу посредством пружины сжатия и имеющим фиксатор углового положения, согласно изобретению, корпус выполнен из двух соединенных посредством фланцевого соединения частей, в первой из которых выполнена цилиндрическая расточка, в которой установлена крышка, выходное звено редуктора выполнено в виде соосного расточке вала, размещенного в подшипниках крышки и корпуса, а другие звенья редуктора размещены в пространстве, образованном цилиндрической поверхностью расточки и валом между крышкой и дном расточки, электродвигатель установлен в сквозном аксиальном отверстии дна расточки, а распределительный элемент выполнен в виде диска как минимум с одним профилированным аксиальным пазом, снабженного с одной стороны соосной ему ступицей, в диске выполнено сквозное центральное отверстие, диск установлен на цилиндрической поверхности вала и контактирует с ним поверхностью сквозного центрального отверстия с возможностью осевого перемещения, а входной и выходные патрубки, а также седло выполнены во второй части корпуса, на второй части корпуса выполнен входящий в цилиндрическую расточку первой части корпуса кольцевой выступ, диаметр которого равен диаметру расточки первой части корпуса, причем кольцевой зазор между расточкой и выступом уплотнен эластомерным уплотнением, размещенным в кольцевой канавке на одной из частей корпуса, а седло выполнено плоским, перпендикулярным оси кольцевого выступа, при этом во второй части корпуса со стороны седла выполнены три канала, каждый из которых сообщен с отверстием одного из патрубков соответственно.
На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения устройства деления потока жидкости, вид спереди, на фиг. 2 - то же, вид сверху по А, на фиг. 3, - то же, продольный разрез по Б-Б, на фиг. 4 - то же, поперечный разрез по В-В, на фиг. 5, 6,1 - то же, поперечный разрез по Г-Г для разных положений распределительного элемента.
Устройство деления потока жидкости содержит сборный корпус 1 с входным 2 и двумя выходными 3 и 4 патрубками. На фланце корпуса 1 выполнены 4 сквозных отверстия 5, служащих для крепления устройства на изделии. В корпусе 1 установлен электродвигатель 6 с шестерней 7 на его валу, входящей в зацепление с зубчатым колесом 8 цилиндрического редуктора 9. Выходное звено 10 цилиндрического редуктора 9 связано с распределительным элементом 11, поджатым к седлу 12 посредством пружины сжатия 13 и имеющим фиксатор углового положения 14 в виде шпонки. Сборный корпус 1 выполнен из двух соединенных посредством фланцевого соединения 15 первой 16 и второй 17 частей. В первой части 16 выполнена цилиндрическая расточка 18, в которой установлена крышка 19. Выходное звено 10 редуктора 9 выполнено в виде соосного расточке 18 вала 20, размещенного в подшипниках 21 и 22 крышки 19 и корпуса 1 соответственно. Другие звенья редуктора размещены в пространстве, образованном цилиндрической поверхностью расточки 18 и валом 20 между крышкой 19 и дном 23 расточки 18. Электродвигатель 6 установлен в сквозном аксиальном отверстии 24 дна 23 расточки 18. Распределительный элемент 11 выполнен в виде диска 25 как минимум с одним профилированным аксиальным пазом 26, снабженного с одной стороны соосной ему ступицей 27. В диске 25 выполнено сквозное центральное отверстие 28. Диск 25 установлен на цилиндрической поверхности 29 вала 20 и контактирует с ним поверхностью сквозного центрального отверстия 28 с возможностью осевого перемещения. Входной 2 и выходные 3 и 4 патрубки, а также седло 12 выполнены во второй части 17 корпуса 1. На второй части 17 корпуса 1 выполнен входящий в цилиндрическую расточку 18 первой части 16 корпуса 1 кольцевой выступ 30, диаметр которого равен диаметру расточки 18 первой части 16 корпуса 1. Кольцевой зазор 31 между расточкой 18 и выступом 30 уплотнен эластомерным уплотнением 32, размещенным в кольцевой канавке 33 на одной из частей корпуса 1 - в данном примере конкретного исполнения на второй части 17 корпуса 1. Седло 12 выполнено плоским, перпендикулярным оси кольцевого выступа 30, при этом во второй части корпуса 17 со стороны седла 12 выполнены 3 канала 34, каждый из которых сообщен с отверстием одного из патрубков 2, 3 или 4 соответственно. В первой части 16 корпуса 1 неподвижно установлен датчик углового положения 35, вал которого уплотнен эластомерным уплотнением 36, а жестко закрепленная на валу датчика шестерня 37 введена в зацепление с зубчатым колесом 38, выполненным на валу 20. На валу 20 также посредством штифтового соединения 39 установлено зубчатое колесо 40. Электродвигатель 6 выполнен герметичным и уплотнен эластомерным уплотнением 41. Части 16 и 17 корпуса 1 соединены фланцевым соединением 15 при помощи винтов 42. Зубчатое колесо 40 введено в зацепление с шестерней 43 предпоследнего вала 44 редуктора 9.
Устройство деления потока жидкости работает следующим образом: при поступлении жидкости от внешнего источника через входной патрубок 2 поток жидкости через сообщенный с ним канал 34 (правый на фиг. 5) и профилированный аксиальный паз 26 во внутреннюю полость устройства, поскольку выходное отверстие канала 34, сообщенного с патрубком 2, полностью открыто, так как выходит в профилированный аксиальный паз 26. Оттуда жидкость через профилированный аксиальный паз 26, частично перекрытые диском 25 каналы 34, сообщенные с выходными патрубками 3 (верхний канал 34 по фиг. 5) и 4 (нижний канал 34 по фиг. 5) поступает в выходные патрубки 3 и 4. Диск 25, первоначально поджимаемый к седлу 12 пружиной сжатия 13, поджимается к ней также гидростатическим давлением жидкости во внутренней полости устройства. На фиг. 5 показано положение распределительного элемента 11, при котором поступающий из входного патрубка 2 поток жидкости распределяется равномерно между выходными патрубками 3 и 4, поскольку открытые сечения каналов 34, сообщенных с патрубками 3 и 4, частично перекрытые диском 25, равны друг другу (для простоты примем, что гидравлические сопротивления ветвей гидромагистралей, подключенных к патрубкам 3 и 4 (на иллюстрациях не показаны), равны друг другу. При необходимости увеличить относительный расход через патрубок 3 и снизить через патрубок 4, включают электродвигатель 6, чтобы он вращался по часовой стрелке (глядя по фиг. 4). Через редуктор 9 вращение передается на зубчатое колесо 40 и вал 20, которые также вращаются по часовой стрелке (глядя по фиг. 4). Вращение вала 20 через фиксатор углового положения 14 в виде шпонки передается на ступицу 27 и диск 25 распределительного элемента 11, который вращается вместе с валом 20, в том же направлении (по часовой стрелке на фиг. 4 и против часовой стрелки по фиг. 5, поскольку направления разрезов В-В (фиг. 4) и Г-Г (фиг. 5) противоположны. Угол поворота вала 20 измеряется датчиком углового положения 35, на вал которого вращение вала 20 передается через зубчатое колесо 38 и шестерню 37. При вращении диска 25 против часовой стрелки (по фиг. 5) площадь частично открытого верхнего (по фиг. 5) канала 34 увеличивается, а нижнего - уменьшается, что приводит к увеличению расхода через патрубок 3 и снижению - через патрубок 4. По достижению заданного соотношения расходов (или заданного положения диска 25, измеренного датчиком углового положения 35) электродвигатель выключают, и диск 25 останавливается. В предельном случае диск 25 придет в положение, показанное на фиг. 6, при котором верхний (по фиг. 6) канал 34 полностью открыт аксиальным пазом 26, а нижний - полностью закрыт, при этом вся жидкость из входного патрубка 2 поступает в выходной патрубок 3, а расход через патрубок 4 отсутствует. При необходимости увеличить относительный расход через патрубок 4 и снизить через патрубок 3, включают электродвигатель 6, чтобы он вращался против часовой стрелки (глядя по фиг. 4). Через редуктор 9 вращение передается на зубчатое колесо 40 и вал 20, которые также вращаются против часовой стрелки (глядя по фиг. 4). Вращение вала 20 через фиксатор углового положения 14 в виде шпонки передается на ступицу 27 и диск 25 распределительного элемента 11, который вращается вместе с валом 20, в том же направлении (против часовой стрелки на фиг. 4 и по часовой стрелке по фиг. 5, поскольку направления разрезов В-В (фиг. 4) и Г-Г (фиг. 5) противоположны. Угол поворота вала 20 измеряется датчиком углового положения 35, на вал которого вращение вала 20 передается через зубчатое колесо 38 и шестерню 37. При вращении диска 25 по часовой стрелке (по фиг. 5) площадь частично открытого нижнего (по фиг. 5) канала 34 увеличивается, а верхнего - уменьшается, что приводит к снижению расхода через патрубок 3 и увеличению - через патрубок 4. По достижению заданного соотношения расходов (или заданного положения диска 25, измеренного датчиком углового положения 35) электродвигатель выключают, и диск 25 останавливается. В предельном случае диск 25 придет в положение, показанное на фиг. 7, при котором нижний (по фиг. 7) канал 34 полностью открыт аксиальным пазом 26, а верхний - полностью закрыт, при этом вся жидкость из входного патрубка 2 поступает в выходной патрубок 4, а расход через патрубок 3 отсутствует. При работе устройства на изделии подшипники редуктора 9 и герметичного электродвигателя 6 смазываются протекающей через устройство жидкостью - в данном примере конкретного исполнения - теплоносителем системы обеспечения теплового режима. Поскольку этот теплоноситель перекачивается насосом, входящим в ту же систему обеспечения теплового режима, что и устройство деления потока жидкости, а электродвигатель насоса имеет своем составе подшипники, то работа подшипников устройства в теплоносителе подтверждается фактом работы аналогичных подшипников в теплоносителе в составе насоса системы обеспечения теплового режима. В данном примере конкретного исполнения устройства не конкретизируется форма профилированного аксиального паза, который в зависимости от требуемой характеристики (соотношение расходов через патрубки 3 и 4 в функции от угла поворота диска 25) может быть рассчитан методами обычного проектирования с применением гидравлических расчетов по известным методикам. Также не является обязательным наличие в составе устройства датчика углового положения вала, поскольку управление устройством может быть реализовано по другим принципам - например, заданием допустимого диапазона поддержания температуры теплоносителя, когда включение электродвигателя и направление его вращения может определяться сигналами, формируемыми системой управления в зависимости от значения температуры теплоносителя, измеряемой датчиком температуры. В случае отказа устройства деления потока жидкости в составе установленной на борту изделия космической или авиационной техники СОТР, не заправленной теплоносителем, возможно произвести восстановление работоспособности устройства, не прибегая к отстыковке патрубков устройства от трубопроводов СОТР или к разрезке трубопроводов - достаточно вывернуть из сквозных отверстий 5 крепежные детали, фиксирующие устройство на изделии (не показаны), вывинтить винты 42, после чего произвести расстыковку фланцевого соединения 15 - осевым движением вынуть из второй части 17 корпуса 1 его первую часть 16 со всеми остальными сборочными единицами, деталями и стандартными изделиями, за исключением эластомерного уплотнения 32, которое остается в канавке 33 второй части 17 корпуса 1. Вторая часть 17 остается подстыкованной патрубками 2, 3 и 4 к трубопроводам СОТР. Поскольку мы рассматриваем испытания с незаправленной СОТР, то из патрубков 2, 3 и 4 никакой жидкости не выливается, чем обеспечивается безопасность изделия. В дальнейшем производится монтаж исправной запасной части изделия - собранного в первой части 16 всего механизма устройства (кроме второй части 17 и эластомерного уплотнения 32) осевым движением в сторону второй части 17, стягивание фланцевого соединения 15 винтами 42 и установка на изделии при помощи сквозных отверстий 5 и крепежных деталей (не показаны). Возможен вариант отказа устройства, связанный с потерей герметичности уплотнения 32 (скрытый заводской брак). В таком случае производится замена только уплотнения 32 на новое, для чего производится снятие первой части 16 корпуса 1 со всеми установленными в ней сборочными единицами, деталями и стандартными изделиями, из второй части 17, заменяется уплотнение 32, и вновь устанавливается первая часть 16 корпуса 1 со всеми установленными в ней сборочными единицами, деталями и стандартными изделиями. После вышеописанных операций необходимо проверить герметичность уплотнения 32, подав испытательную среду внутрь СОТР через имеющиеся в ее составе клапаны и обследовать место стыка частей 16 и 17 гелиевым течеискателем (остальные уплотнения не подвергались расстыковке и испытаны при изготовлении устройства). Угловое положение диска 25 относительно датчика углового положения 35 не менялось, поскольку оно обеспечивается зацеплением шестерни 37 с колесом 38, настраивается на предприятии-изготовителе. Поэтому повторная регулировка положения не требуется. При монтаже первой части 16 корпуса 1 со всеми установленными в ней сборочными единицами, деталями и стандартными изделиями во вторую часть 17 необходимо обеспечить невозможность схода распределительного элемента 11 с поверхности 29 вала 20 до начала и в процессе стягивания фланцевого соединения 15, что может обеспечиваться разными способами: например, использованием силы тяжести в случае вертикального расположения оси устройства, как показано на фиг. 1, 3, и подбором длины пружины 13, которая в недеформированном состоянии должна обеспечивать нахождение распределительного элемента 11 на определенном участке поверхности 29 вала 20. Альтернативным вариантом может служить использование в устройстве конструктивного элемента для ограничения осевого перемещения распределительного элемента 11 относительно поверхности 29 вала 20. Третий вариант - использование специнструмента для ограничения осевого перемещения распределительного элемента 11, при этом специнструмент удаляют через осевой зазор между частями 16 и 17 при достижении этим зазором определенной величины, при которой упором диска 25 в седло 12 обеспечивается кинематическая невозможность схода распределительного элемента 11 с поверхности 29 вала 20. Существует многообразие способов обеспечения невозможности схода распределительного элемента 11 с поверхности 29 вала 20 и возможности их разработки методами обычного проектирования. В результате использования изобретения обеспечивается ремонтопригодность устройства деления потока жидкости после монтажа его в состав установленной на борту изделия космической или авиационной техники СОТР, поскольку возможно снятие части устройства и замена его на исправную часть без отсоединения патрубков устройства от трубопроводов СОТР. Это позволяет производить быстрый ремонт СОТР в случае отказа устройства в процессе испытаний с незаправленной СОТР, выдерживать график подготовки изделия к пуску и избежать финансовых потерь. Также существенно упрощена конструкция устройства деления потока жидкости в части уплотнения его внутренней полости - оно уплотняется стандартными массово изготавливаемыми промышленностью эластомерными кольцами с использованием стандартных рекомендаций по геометрическим размерам канавок под них, вместо необходимости использовать фасонные уплотнения в устройстве - прототипе.
Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленное изобретение к применению в качестве регулирующего органа СОТР в изделиях космической и авиационной техники.