РЕГУЛЯТОР МАССОВОГО РАСХОДА ВОЗДУХА
AIR MASS FLOW REGULATOR

Изобретение относится к автоматическому регулированию массового расхода воздуха и может быть использовано в системах кондиционирования воздуха летательных аппаратов, преимущественно для термостатирования их отдельных отсеков с тепловыделяющим оборудованием.
Термостатирование отсеков летательных аппаратов с тепловыделяющим оборудованием осуществляется подачей в них охлаждающего воздуха. Для поддержания стабильного температурного режима в отсеках необходимо оперативное реагирование регулятора расхода на динамические изменения мощности тепловыделения и изменения параметров используемого воздуха (температуры, плотности, скорости набегания и т.п.).
Известен регулятор массового расхода газа (см. А.С. СССР №796799, опубликованный 15.01.1984 г. в Б.И. №2), который, как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому устройству, выбран в качестве прототипа. Регулятор массового расхода газа содержит корпус с входным и выходным патрубками, сужающее устройство, установленное на входном патрубке, исполнительный механизм, жестко соединенный с подпружиненным регулирующим органом. Исполнительный механизм выполнен в виде блока из двух разделителей с соотношением эффективных площадей от 1,001 до 1,5, разделяющего корпус на три полости. Полость, ограниченная большей эффективной площадью, соединена с полостью до сужающего устройства. А полость, ограниченная меньшей эффективной площадью, с полостью после сужающего устройства, при этом полость между разделителями соединена с атмосферой. Вышеуказанный регулятор может быть использован в системах кондиционирования воздуха летательных аппаратов и в системах термостатирования их отдельных агрегатных отсеков, где возможно поддержание заданного температурного режима постоянством массового расхода воздуха. Недостатком прототипа является невозможность обеспечения им стабильного температурного режима в отсеках с тепловыделяющим оборудованием, в которых мощность тепловыделения имеет динамический характер, а параметры воздуха (температура, плотность, скорость набегания и т.д.), используемого для термостатирования, не постоянны.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание регулятора массового расхода воздуха с расширенными функциональными возможностями термостатирования отсеков летательных аппаратов.
Достигаемым техническим результатом является обеспечение стабильности температурного режима в отсеках с тепловыделяющим оборудованием при изменениях мощности тепловыделения и параметров воздуха, используемого для термостатирования.
Для достижения технического результата в регуляторе массового расхода воздуха, содержащем входной и выходной воздушные каналы, выполненные в корпусе и разделенные между собой подпружиненным регулирующим органом, исполнительный механизм, новым является то, что исполнительный механизм выполнен в виде электромеханического привода, установленного на корпусе с возможностью его взаимодействия с регулирующим органом, выполненным в виде поворотной заслонки, кинематически связанной с датчиком положения, при этом электромеханический привод включает в себя соосно установленные магнитоэлектрический шаговый двигатель, редуктор и электромагнитную муфту.
В заявляемом регуляторе массового расхода воздуха выполнение исполнительного механизма в виде электромеханического привода, установленного на корпусе с возможностью его взаимодействия с поворотной заслонкой позволяет поддерживать стабильный температурный режим в отсеке, благодаря возможности оперативного изменения площади сечения воздушного канала в зависимости от изменения выделяемой оборудованием тепловой мощности и параметров воздуха. При этом электропривод, содержащий магнитоэлектрический шаговый двигатель, позволяет удерживать заслонку в любом заданном положении в отсутствии питания, что способствует минимизации энергопотребления, так как указанный двигатель обладает внутренним фиксирующим моментом.
Электромагнитная муфта в составе электропривода позволяет, в случае аварийного выхода из строя источника питания, разорвать кинематическую связь между электроприводом и заслонкой, обеспечивая возвращение подпружиненной заслонки в исходное положение, т.е в положение максимального расхода воздуха через выходной канал. Это исключает аварийный (критический) перегрев отсека или оборудования.
Датчик положения, кинематически связанный с заслонкой, выполняет функцию звена обратной связи и позволяет осуществлять фиксацию заслонки в том положении, в котором обеспечивается оптимальный массовый расход воздуха через выходной канал.
Заявляемое изобретение поясняется конкретным примером его реализации. На фигуре 1 показан общий вид регулятора массового расхода воздуха. На фигуре 2 - сечение А-А заявляемого устройства. Регулятор массового расхода воздуха содержит входной 1 и выходной 2 воздушные каналы, выполненные в корпусе 3 и разделенные между собой подпружиненным регулирующим органом, выполненным в виде поворотной заслонки 4 с пружиной 5. На корпусе 3 установлен электромеханический привод, включающий в себя соосно установленные магнитоэлектрический шаговый двигатель 6, редуктор 7 и электромагнитную муфту, представляющую собой две зубчатые полумуфты 8 и 9, одна из которых установлена на выходном валу 10 с возможностью осевого перемещения, а другая - жестко закреплена на валу редуктора 7. Вал 10 одним концом опирается на вал редуктора 7 и имеет возможность свободного вращения относительно последнего. Сцепление полумуфт 8 и 9 обеспечивается электромагнитом 11 втяжного типа при подаче на него питания, а их расцепление - сжатой пружиной 12 при обесточенном электромагните 11. Передача момента от полумуфты 9 на вал 10 осуществляется посредством шпонки 13. Кинематическая связь выходного вала 10 электропривода с поворотной заслонкой 4 осуществляется посредством зубчатых колес 14 и 15. Датчик положения 16, предназначенный для определения положения заслонки 4, кинематически связан с последней через зубчатые колеса 17, 14 и 15.
На фигуре 2 заслонка 4 показана в положениях: I открытое (исходное), II - промежуточное, III - закрытое (положения II и III показаны на фигуре 2 пунктирными линиями). Регулятор массового расхода воздуха работает следующим образом.
В исходном состоянии I регулятора полумуфты 8 и 9 разъединены и кинематическая связь между электроприводом и заслонкой 4 отсутствует. При этом заслонка 4 в открытом состоянии I удерживается моментом заневоленной пружины 5. При задействовании электромагнита 11 полумуфта 8, перемещаясь в осевом направлении соединяется с полумуфтой 9, образуя кинематическую связь между электроприводом и заслонкой 4. При холодном отсеке (температура ниже требуемой), шаговый двигатель 6 получает от электронного блока (на фигуре не показан) команду на закрывание заслонки 4, которая при повороте полностью перекрывает входной канал 1, после чего по сигналу датчика положения 16 шаговый двигатель 6 отключится. В этом положении в условиях действия скоростного напора заслонка 4 удерживается внутренним фиксирующим моментом шагового двигателя 6 без потребления электроэнергии.
В случае превышения температуры в отсеке выше требуемой, шаговый двигатель 6 поворачивает заслонку 4 в сторону открывания входного канала 1, обеспечивая доступ воздуха из него в выходной канал 2 с последующим отключением по сигналу датчика положения 16 (например, в положении II). Угол поворота заслонки 4 задается электронным блоком, по сигналам датчиков температуры в термостатируемом отсеке. В зависимости от рассогласования требуемого и фактического значений температур в отсеке в ту или иную сторону, шаговый двигатель 6 по команде от электронного блока поворачивает заслонку 4 с дискретностью, задаваемым электронным блоком, в сторону открывания или закрывания, обеспечивая таким образом оптимальный массовый расход воздуха через выходной канал 2. В случае аварийного выхода из строя источника питания или электронного блока, кинематическая связь между заслонкой 4 и электроприводом автоматически разрывается в связи с разъединением полумуфт 8 и 9, а заслонка 4 под действием пружины 12 займет исходное положение I, в котором обеспечивается максимальный расход воздуха через выходной канал 2. Это позволяет исключить аварийный (критический) перегрев оборудования.
Достижение указанного выше технического результата подтверждены испытаниями опытных образцов заявляемого регулятора, что является доказательством его промышленной применимости.