МАЛОРАЗМЕРНЫЙ ПНЕВМОПРИВОД

№2011119166 Заменяющий лист 1
МАЛОРАЗМЕРНЫЙ ПНЕВМОПРИВОД
Полезная модель относится к области малоразмерных пневмоприводов с турбинными ступенями, применяемых, в частности, в ручных шлифовальных машинах.
Производительность процесса шлифования во многом определяется стабильностью частоты вращения турбинной ступени при изменяющейся нагрузке. Поэтому малоразмерные пневмоприводы во многих конструкциях ручных шлифовальных машин оснащаются регуляторами частоты вращения. Последние должны обладать высоким быстродействием, быть технологичными, компактными и надежными. Практика показывает, что для ручных шлифовальных машин наиболее эффективными являются регуляторы частоты вращения, принцип действия которых основан на реализации отрицательной обратной связи между параметрами потока газа в турбинной ступени и частотой вращения малоразмерного пневмопривода. Регуляторы частоты вращения обычно устанавливаются в пределах корпуса малоразмерного пневмопривода.
Рассмотрим работу малоразмерного пневмопривода с регулятором частоты вращения на примере конструкции (см. Авт.св. №574700, G05В 11/44. Регулятор скорости вращения / Котляр И.В. и др., 1977). Регулятор частоты вращения включает в себя регулировочную камеру, размещенную в проточной части малоразмерного пневмопривода, датчик, реагирующий на изменение центробежных сил инерции, элемент регулирования, воздействующий на площадь проходного сечения проточной части малоразмерного пневмопривода, и упругий элемент, удерживающий элемент регулирования в штатном положении на номинальных режимах работы.
№2011119166 Заменяющий лист 2
Регулировочная камера размещена в проточной части малоразмерного пневмопривода и имеет цилиндрическую форму. В наружной стенке регулировочной камеры выполнены сквозные окна. Датчик представляет собой вентиляционное колесо с охватывающим его подвижным кожухом. Элемент регулирования выполнен в виде золотника цилиндрической формы, который установлен с внутренней стороны регулировочной камеры. Золотник связан с подвижным кожухом датчика. В наружной стенке золотника выполнены сквозные отверстия, расположенные напротив сквозных окон в наружной стенке регулировочной камеры. Площадь проходного сечения сквозных окон определяет площадь проходного сечения проточной части
малоразмерного пневмопривода. Упругий элемент выполнен в виде спиральной пружины.
На номинальных режимах работы турбинной ступени пружина удерживает золотник в штатном положении. При этом поток газа свободно проходит через сквозные окна регулировочной камеры. При снижении нагрузки на малоразмерный пневмопривод и вызванном этим увеличении частоты вращения турбинной ступени возрастает величина центробежных сил инерции, воздействующих на газ в вентиляционном колесе. В результате этого интенсивность течений в вентиляционном колесе возрастает, что увеличивает крутящий момент, передаваемый на кожух. Последний смещает золотник в тангенциальном направлении, преодолевая сопротивление пружины. Сквозные отверстия в наружной стенке золотника частично перекрывают сквозные окна в наружной стенке регулировочной камеры. Соответственно, площадь проходного сечения сквозных окон снижается, перепад давлений на малоразмерном пневмоприводе падает, частота вращения турбинной ступени уменьшается до номинальных значений, а датчик совместно с золотником под действием пружины возвращается в штатное положение.
№2011119166 Заменяющий лист 3
Известен малоразмерный пневмопривод (см. Патент США №4776752, 1988), в котором регулятор частоты вращения применяется совместно с турбинной ступенью, имеющей стопроцентную степень реактивности, называемой «сегнерово колесо». Такая турбинная ступень представляет собой вращающийся центробежный сопловой аппарат. Регулировочная камера регулятора частоты вращения прикреплена к центробежному сопловому аппарату компактно расположена с его внутренней стороны соплового аппарата. С внутренней стороны цилиндрической стенки регулировочной камеры напротив сквозных окон установлено упругое кольцо. На номинальных режимах работы турбинной ступени поток газа свободно проходит через сквозные окна регулировочной камеры. При снижении нагрузки на малоразмерный пневмопривод и вызванном этим увеличении частоты вращения турбинной ступени возрастает величина центробежных сил инерции, воздействующих на упругое кольцо. В результате этого упругое кольцо деформируется и частично перекрывает сквозные окна в цилиндрической стенке регулировочной камеры. Соответственно, площадь проходного сечения сквозных окон снижается, перепад давлений на малоразмерном пневмоприводе падает, частота вращения турбинной ступени уменьшается до номинальных значений, а профиль поперечного сечения упругого кольца принимает свою штатную геометрическую форму. Описанный                  регулятор частоты вращения предназначен исключительно для применения                                  в пределах вращающегося центробежного соплового аппарата турбинной
ступени типа «сегнерово колесо» и не может быть использован в турбинных ступенях традиционных газодинамических схем.
Известен малоразмерный пневмопривод (см. Авт.св. №1809129, F01D 21/02. Турбинный пневмодвигатель / Котляр И.В. и др., 1993), который выбран за прототип. Малоразмерный пневмопривод содержит корпус, вал, турбинную ступень, включающую в себя сопловой аппарат и закрепленное на валу рабочее колесо с рабочими лопатками, и регулятор частоты вращения, включающий в себя регулировочную камеру цилиндрической формы, датчик, элемент регулирования и упругий элемент, причем регулировочная камера расположена в пределах корпуса соосно оси вращения вала, а в ее наружной стенке выполнены сквозные окна.
Регулятор частоты вращения в (см. Авт.св. №1809129, F01D 21/02. Турбинный пневмодвигатель / Котляр И.В. и др., 1993) размещен перед сопловым аппаратом турбинной ступени. В отличие от (см. Авт.св. №574700, G05В 11/44. Регулятор скорости вращения / Котляр И.В. и др., 1977), в рассматриваемом малоразмерном пневмоприводе датчик включает в себя два шарика и шток. Датчик установлен в пределах центрального отверстия вала, содержащего конический участок поверхности. Золотник связан со штоком датчика.
На номинальных режимах работы турбинной ступени пружина удерживает золотник в штатном положении. При этом поток газа свободно проходит через сквозные окна регулировочной камеры. При снижении нагрузки на малоразмерный пневмопривод и вызванном этим увеличении частоты вращения турбинной ступени возрастает величина центробежных сил инерции, воздействующих на шарики датчика. В результате этого шток под воздействием шариков смещает золотник в осевом направлении, преодолевая сопротивление пружины, в результате чего происходит частичное перекрытие сквозных окон в наружной стенке регулировочной камеры. Сквозные отверстия в наружной стенке золотника частично перекрывают сквозные окна в наружной стенке регулировочной камеры. Соответственно, площадь проходного сечения сквозных окон снижается, перепад давлений на малоразмерном пневмоприводе падает, частота вращения турбинной ступени уменьшается до номинальных значений, а датчик совместно с золотником под действием пружины возвращается в штатное положение.
xx
Малоразмерный пневмопривод (см. Авт.св. №1809129, F01D 21/02. Турбинный пневмодвигатель / Котляр И.В. и др., 1993) конструктивно сложен, громоздок и нетехнологичен. Регулятор частоты вращения недостаточно надежен в процессе работы малоразмерного пневмопривода на запыленном сжатом воздухе. Низкое быстродействие регулирования является причиной нестабильности рабочей частоты вращения в процессе работы малоразмерного пневмопривода при изменяющейся нагрузке. При этом               размещение лопаток соплового аппарата на торцевой поверхности золотника                              не могут в достаточной степени повысить быстродействия регулирования.Отметим, что регуляторы частоты вращения малоразмерного пневмопривода могут располагаться как перед сопловым аппаратом, так и со стороны выхода потока газа из турбинной ступени. Частота вращения холостого хода активной турбинной ступени n определяется величиной изоэнтропной скорости истечения из сопел:
из
где Н - изоэнтропный теплоперепад.
Перепад давлений на турбинной ступени π определяется как отношение
1
где Р - статическое давление потока газа на выходе из турбинной ступени,
*
*
0
0
Р  - полное давление потока газа перед сопловым аппаратом. Перепад давлений на турбинной ступени π можно уменьшить, снижая с помощью регулятора частоты вращения величину Р  на некоторое значение ΔР. В этом случае изоэнтропный теплоперепад определяется формулой:
1
Перепад давлений на турбинной ступени π  можно также уменьшить, увеличивая с помощью регулятора частоты вращения величину Р на некоторое значение ΔР. В этом случае изоэнтропный теплоперепад определяется формулой:
1
0
из
из
xx
*
Поскольку Р« P , то изменение величин H, С и, следовательно, изменение частоты вращения холостого хода n турбинной ступени при одной и той же величине ΔP, во втором случае будет существенно больше. Поэтому быстродействие регулятора частоты вращения, установленного со стороны выхода потока газа из турбинной ступени существенно выше быстродействия регулятора частоты вращения, установленного перед сопловым аппаратом турбинной ступени.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - совершенствование конструкции регулятора частоты вращения малоразмерного пневмопривода.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении производительности процесса шлифования, а также в повышении компактности, технологичности и надежности малоразмерного пневмопривода.
Указанный результат достигается тем, что в малоразмерном пневмоприводе, содержащем корпус, вал, турбинную ступень, включающую в себя сопловой аппарат и закрепленное на валу рабочее колесо с рабочими лопатками, и регулятор частоты вращения, включающий в себя регулировочную камеру цилиндрической формы, датчик, элемент регулирования и упругий элемент, причем регулировочная камера расположена в пределах корпуса соосно оси вращения вала, а в ее наружной стенке выполнены сквозные окна, регулятор частоты вращения прикреплен к вышеупомянутому рабочему колесу со стороны выхода потока газа из турбинной ступени, а датчик, элемент регулирования и упругий элемент объединены в интегрированный орган регулирования, размещенный с внутренней стороны регулировочной камеры напротив сквозных окон.
В малоразмерном пневмоприводе интегрированный орган регулирования может быть выполнен в виде упругого кольца и установлен с прилеганием к наружной стенке регулировочной камеры.
На фиг.1 приведено продольное сечение малоразмерного пневмопривода по п.1. На фиг.2 приведено местное сечение «А» на фиг.1, изображающее малоразмерный пневмопривода на номинальных режимах работы. На фиг.3 приведено местное сечение «А» на фиг.1, изображающее малоразмерный пневмопривод на нерасчетных режимах работы. На фиг.4 приведено продольное сечение малоразмерного пневмопривода по п.2. На фиг.5 приведено местное сечение «А» на фиг.4, изображающее малоразмерный пневмопривод на номинальных режимах работы. На фиг.6 приведено местное сечение «А» на фиг.4, изображающее малоразмерный пневмопривод на нерасчетных режимах работы.
Конструкция малоразмерного пневмопривода включает в себя корпус 1, вал 2 и турбинную ступень, включающую в себя установленный в корпусе 1 сопловой аппарат 3 и закрепленное на валу рабочее колесо 4. На рабочем колесе 4 установлены рабочие лопатки 5. На валу 2 со стороны выхода потока газа из турбинной ступени закреплен регулятор частоты вращения. Последний включает в себя регулировочную камеру цилиндрической формы, расположенную в пределах корпуса 1 соосно оси вращения вала, и интегрированный орган регулирования 6. Регулировочная камера состоит из стакана 7 и крышки 8. Стакан 7 образует фронтальную стенку регулировочной камеры, обращенную к рабочим лопаткам 5, и наружную стенку регулировочной камеры. Крышка 8 образует вторую фронтальную стенку регулировочной камеры.
Во фронтальной стенке регулировочной камеры, обращенной к рабочим лопаткам 5, выполнены впускные каналы 9. В наружной стенке регулировочной камеры выполнены сквозные окна 10. В корпусе 1 напротив сквозных окон 10 размещены выпускные каналы 11. Интегрированный орган регулирования 6 установлен с внутренней стороны наружной стенки регулировочной камеры напротив сквозных окон 10.
Малоразмерный пневмопривод работает следующим образом. Поток газа ускоряется в сопловом аппарате 3 (направление движения указано горизонтальной стрелкой), и далее передает энергию рабочему колесу 4 в рабочих лопатках 5. Вал 2 вращается вместе с закрепленными на нем рабочим колесом 4 и регулятором частоты вращения (см. стрелку в районе изображения вала). После выхода из рабочих лопаток 5 поток газа через впускные каналы 9 входит в регулировочную камеру, состоящую из стакана 7 и крышки 8. В регулировочной камере поток газа приобретает центробежное направление движения, выходит из регулировочной камеры через сквозные окна 10 и покидает малоразмерный пневмопривод через выпускные отверстия 11 в корпусе 1.
На номинальных режимах работы турбинной ступени поток газа свободно проходит через сквозные окна 10 регулировочной камеры. При снижении нагрузки и вызванном этим увеличении частоты вращения турбинной ступени возрастает величина центробежных сил инерции, воздействующих на интегрированный орган регулирования 6. В результате этого последний изменяет свою геометрическую форму и частично перекрывает сквозные окна 10. Соответственно, площадь проходного сечения сквозных окон снижается, перепад давлений на малоразмерном пневмоприводе падает, частота вращения турбинной ступени уменьшается до номинальных значений, а интегрированный орган регулирования 6 возвращается к своей первоначальной геометрической форме.
Соответственно, площадь проходного сечения сквозных окон снижается, перепад давлений на малоразмерном пневмоприводе падает, частота вращения турбинной ступени уменьшается до номинальных значений, а профиль поперечного сечения упругого кольца принимает свою штатную геометрическую форму.
Наиболее технологичной представляется конструкция малоразмерного пневмопривода, в которой интегрированный орган регулирования выполнен в виде упругого кольца 6 и установлен с прилеганием к наружной стенке регулировочной камеры. Перекрытие сквозных окон 10 при увеличении частоты вращения турбинной ступени происходит за счет изменения профиля поперечного сечения упругого кольца 6. После частичного перекрытия сквозных окон 10 и вызванного этим уменьшения частоты вращения турбинной ступени до номинальных значений профиль поперечного сечения упругого кольца 6 возвращается к своей первоначальной геометрической форме.
Применение описанного регулятора частоты вращения не приводит к возникновению дополнительных потерь энергии на номинальных режимах работы турбинной ступени. Быстродействие регулирования частоты вращения малоразмерного пневмопривода выше по сравнению с прототипом за счет отсутствия перемещающихся деталей в регуляторе частоты вращения, а также благодаря расположению последнего со стороны выхода потока газа из турбинной ступени. Вследствие этого, использование описанного регулятора частоты вращения повышает производительность процесса шлифования за счет стабилизации рабочей частоты вращения малоразмерного пневмопривода при изменяющейся нагрузке.
Малоразмерный пневмопривод более компактен, технологичен и надежен по сравнению с прототипом благодаря снижению числа структурных элементов в конструкции регулятора частоты вращения, а также за счет отсутствия в регуляторе частоты вращения взаимно перемещающихся деталей, требующих высокой точности изготовления.