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

Изобретение относится к области машиностроения и направлено на создание конструкций клапанов для регулирования расхода горячего газа, работающих при высоких температурах и давлениях и используемых для управления летательным аппаратом по каналам крена, тангажа и рыскания.
Известна конструкция газораспределительного клапана, содержащая корпус с входным и выходным патрубками с расходными отверстиями, расположенную в корпусе с возможностью поворота заслонку, связанную с валом, ось которого расположена перпендикулярно оси расходного отверстия выходного патрубка, заслонка выполнена в форме сектора с расходным отверстием, установлена по отношению к валу и внутренней поверхности корпуса с радиальным зазором и сопряжена с выходным патрубком, а на валу выполнены перпендикулярно его оси кольцевые приливы, при этом в кольцевых приливах вала выполнены прорези, в которых установлены с торцевым зазором цилиндрические ограничители, выполненные на боковых поверхностях заслонки (заявка РФ №2008139217, 2008 г., кл. F16K 5/12).
Недостаток этой конструкции заключается в том, что наличие кольцевых приливов на валу приводит к значительному увеличению радиуса контакта заслонки и выходного патрубка, а это, в свою очередь, приводит к увеличению нагрузочной характеристики - шарнирного момента, что требует увеличения мощности привода.
Известна конструкция клапана для регулирования расхода горячего газа, содержащая корпус с входным и выходным патрубками, опорный узел, образованный двумя выступами, выполненными на седле и имеющими соосные с валом сквозные отверстия, в которые установлен регулирующий элемент, контактирующий взаимообращенным цилиндрическим поверхностям с седлом, а в регулирующем элементе и седле выполнены расходные отверстия, при этом регулирующий элемент соединен через карданную муфту с валом (Патент РФ №2079023, 1997, кл. 6 F16K 5/04).
Хотя эта конструкция благодаря уменьшению радиуса контакта седла и регулирующего элемента обеспечивает снижение величины шарнирного момента по сравнению с предыдущей, но все-таки обладает недостатком.
Недостаток этой конструкции заключается в том, что наличие постоянного контакта заслонки и седла, особенно при значительных диаметрах контактирующих между собой цилиндрических поверхностей заслонки и седла, приводит к увеличению шарнирного момента, что, в свою очередь, приводит к увеличению требуемой мощности привода и, как следствие, приводит к увеличению массы изделия, что для летательных аппаратов не допустимо.
В некоторых случаях, например для торможения спускаемых летательных аппаратов, не обязательно, чтобы расход продуктов сгорания был приближен к нулю. В таких случаях можно клапаны проектировать с зазором между седлом и заслонкой, но возникает необходимость, чтобы величина зазора была минимальна, особенно при использовании для аппарата нескольких клапанов.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение величины шарнирного момента.
Указанная цель достигается тем, что в клапане для регулирования расхода горячего газа, состоящем из корпуса с входным и выходным патрубками, в выходной патрубок установлено седло с расходным отверстием, в котором с обеих сторон от расходного отверстия выполнены выступы с соосными сквозными цилиндрическими отверстиями, ось которых совпадает с осью цилиндрической поверхности седла, и соосной седлу цилиндрической заслонки, в заслонке выполнено расходное отверстие, которое образует совместно с расходным отверстием седла регулируемое расходное сечение клапана, и вала, кинематически через карданную муфту соединенного с заслонкой, при этом на заслонке со стороны карданной муфты выполнен узел, через который заслонка соединяется с карданной муфтой, заслонка установлена по отношению к седлу в зоне расходного отверстия с кольцевым зазором, на заслонке выполнены с обеих сторон от цилиндрической поверхности заслонки в зоне расходного отверстия цапфы, диаметр которых меньше диаметра цилиндрической поверхности заслонки в зоне расходного отверстия и меньше максимального диаметра узла соединения заслонки и карданной муфты и оси которых соосны между собой и цилиндрической поверхностью заслонки в зоне расходного отверстия, цапфы заслонки установлены по посадке в выступы седла, в которых выполнены одинаковые симметричные прорези, ширина которых равна 0,9…0,95 величины диаметра цилиндрических отверстий выступов седла и оси которых перпендикулярны осям сквозных цилиндрических отверстий выступов и проходят через общую плоскость, соосную оси расходного отверстия седла, а на цапфах заслонки выполнены срезы, симметричные относительно плоскости, проходящей через ось выступов, причем ширина срезов цапф равна ширине прорезей выступов седла, при этом диаметр «d» цапф определяется соотношением
где P - расчетное давление продуктов сгорания;
F - площадь расходного отверстия седла;
ср
τ - временное сопротивление срезу материала заслонки при максимальной температуре, до которой прогревается заслонка.
На фиг.1 приведена конструкция регулятора расхода горячего газа.
На фиг.2 - сечение А-А.
На фиг.3 - сечение Б-Б.
Регулятор расхода горячего газа состоит из корпуса 1, входного 2 и выходного 3 патрубков. В выходной патрубок установлено седло 4. Корпус защищен изнутри деталями 5-7 из теплозащитного эрозионностойкого материала. В седле 4 выполнено расходное отверстие 8, с обеих сторон от которого расположены выступы 9, в которых выполнены соосные сквозные цилиндрические отверстия 10, ось 11 которых совпадает с осями цилиндрических поверхностей седла и заслонки 12. В заслонке 12 выполнено расходное отверстие 13, которое совместно с расходным отверстием 8 седла 4 образует регулируемое расходное сечение клапана. Между цилиндрическими поверхностями заслонки и седла выполнен кольцевой зазор «δ» в зоне их расходных отверстий. С обеих сторон от цилиндрической поверхности заслонки 12 в зоне ее расходного отверстия выполнены цилиндрические цапфы 14, которые соосны с цилиндрической поверхностью заслонки в зоне ее расходного отверстия и их диаметр меньше максимального диаметра «D» заслонки в зоне ее расходного отверстия. Цилиндрические цапфы 14 установлены по посадке в цилиндрические отверстия 10 выступов 9 седла 4. В выступах седла выполнены одинаковые прорези 15, ширина которых «h» равна 0,9…0,95 величине диаметра «d» цилиндрических отверстий выступов, оси симметрии 16 которых перпендикулярны осям сквозных отверстий выступов седла и проходят через общую плоскость, соосную оси расходного отверстия седла. На цапфах заслонки выполнены срезы 17, симметричные относительно плоскости, проходящей через ось цапф. Ширина «Н» цапф 14 между срезами равна ширине «h» прорезей 15 выступов 9 и равна (0,9…0,95) величине диаметра «d» цилиндрических отверстий 10 выступов 9 седла 4. Заслонка кинематически через карданную муфту 18 соединена с валом 19. На заслонке выполнен узел 20 для соединения заслонки 12 с карданной муфтой 18. Диаметр цилиндрических цапф 14 меньше максимального диаметра узла 20. Вал 19 установлен в подшипники 21. Плоскости срезов 17 перпендикулярны оси расходного отверстия седла при положении, когда ось расходного отверстия седла проходит через кромку 22 расходного отверстия заслонки. Для обеспечения линейной расходной характеристики расходные отверстия 8 и 13 седла и заслонки могут быть выполнены прямоугольной формы (на приведенных фигурах изображены отверстия прямоугольной формы).
Диаметр «d» цапф определяется соотношением
где Р - расчетное давление продуктов сгорания;
F - площадь расходного отверстия седла;
ср
τ - временное сопротивление срезу материала заслонки при максимальной температуре, до которой прогревается заслонка.
Благодаря тому, что ширина «Н» срезов цапф заслонки равна 0,9…0,95 «d», не сильно ослабляется прочность цапф, что, в свою очередь, не приводит к значительному увеличению диаметра «d» цапф.
Диаметр «D» заслонки в районе ее расходного отверстия зависит от длины расходного отверстия седла в плоскости вращения заслонки и определяется следующим соотношением:
D=L/2 sin φ/2
где L - длина расходного отверстия седла в плоскости вращения заслонки;
φ - угол поворота заслонки между крайними точками расходного отверстия седла в плоскости вращения заслонки.
В ракетной технике обычно применяют стандартные рулевые приводы - поворотные машинки (РМ), в которых углы поворота обычно ограничены значениями ±(30…33°) (И.М.Гладков и др. Массовые характеристики исполнительных устройств систем управления баллистических твердотопливных ракет и космических аппаратов. М., 1997 г.).
Сборка клапана осуществляется следующим образом. Заслонка через прорези 15 устанавливается в выступы 9 седла 4. Цапфы 14 заслонки 12 за счет срезов 17 заходят в отверстия 10, заслонка поворачивается на 90° и за счет этого не может выйти из зацепления с седлом. Благодаря взаимному расположению срезов 17 и кромки 22 заслонки 12 также заслонка не может выйти из зацепления с седлом.
При работе продукты сгорания поступают во внутреннюю полость клапана и далее через седло истекают наружу. Благодаря тому, что между цилиндрическими поверхностями заслонки и седла выполнен кольцевой зазор «δ», не происходит в этом месте из-за трения увеличение шарнирного момента. Трение между седлом и заслонкой существует только в местах установки заслонки в отверстия выступов седла, но благодаря тому, что диаметр цапф 14 меньше диаметра заслонки в зоне расходного отверстия, шарнирный момент можно значительно снизить, уменьшая диаметр цапф. Наличие прорезей в выступах седла и срезов на цапфах заслонки обеспечивает установку заслонки в седло. Вполне определенное положение срезов на заслонке относительно положения расходного отверстия заслонки и седла обеспечивает исключение выхода заслонки из-за зацепления с седлом при крайних положениях (полностью закрыто и открыто регулируемое расходное сечение клапана). Связь заслонки с валом через карданную муфту обеспечивает исключение заклинивания из-за перекосов, а соосность цапф заслонки и цилиндрических поверхностей заслонки и седла, формирующих расходное сечение клапана, обеспечивает необходимую точность зазора «δ». Благодаря тому, что диаметр сквозного цилиндрического отверстия 10 выступов 9 меньше максимального диаметра заслонки в зоне ее расходного отверстия и меньше максимального диаметра узла 20, ограничено перемещение заслонки в осевом направлении.
Таким образом эта конструкция приводит к снижению величины шарнирного момента, что, в свою очередь, обеспечивает снижение массы изделия, потому что не требуется увеличения прочности всех узлов кинематического соединения заслонки и вала, а также увеличения массы рулевого привода.