Предохранительное устройство
SAFETY DEVICE

Изобретение относится к испытательной технике, в частности, к средствам защиты от разрушения гермофюзеляжей летательных аппаратов при испытаниях их на прочность внутренним избыточным давлением.
Известны предохранительные клапаны грузового типа, в основу работы которых положен метод уравновешивания весом затвора давления газа, действующего на этот затвор со стороны предохраняемого объекта (парового котла и т.п.).
Характерным примером грузового клапана является клапан предохранительный КПС 0,7 (http://www/kiparmotest.ru/catalog/kps0.7.html). Конструктивно этот клапан содержит корпус, соединенный с входной стойкой, являющейся входным патрубком. На этот входной патрубок навернуто седло. Затвор выполнен в виде грибка, на который давит груз крыльчатка.
y
Недостатками построения предохранительных клапанов такого типа является малая точность срабатывания, большая величина груза (т.е. громоздкость конструкции) при больших проходных сечениях d 200-600 и трудоемкость перестройки их работы с одного уровня давления на другой.
Например, при диаметре седла предохранительного клапана 400 мм груз, давящий на затвор, должен быть весом 816 кг при давлении срабатывания 0,65 атм.
Известны устройства защиты полых изделий от превышения заданной величины избыточного давления посредством гидрозатвора.
y
Такое устройство защиты используется в системе пневматического нагружения фюзеляжа летательного аппарата, описанной в патенте РФ №2416075, МПК G01M 5/00, «Установка для нагружения сжатым воздухом гермофюзеляжа летательного аппарата при испытании на выносливость». В этой установке для защиты фюзеляжа от перегрузки внутренним избыточным давлением сжатого воздуха установлен гидрозатвор. Герметичный бак этого гидрозатвора, заполненный водой, трубопроводом для подачи воздуха связан с фюзеляжем, а уровень срабатывания гидрозатвора задан высотой мерной трубы, входящей в его состав. При увеличении давления в гермофюзеляже вода из герметического бака выдавливается в мерную трубу. При программной величине давления в гермофюзеляже уровень воды в мерной трубе не достигает ее верхнего конца. Если в случае аварийной ситуации давление в гермофюзеляже вырастет выше программного, вода поднимается до верхнего конца мерной трубы и выплескивается из гидрозатвора. В результате этого воздух из гермофюзеляжа через освободившуюся от воды мерную трубу будет выходить в атмосферу. Диаметры (d) мерной трубы и трубопровода в зависимости от размеров испытуемых изделий достигают 200-600 мм.
Достоинством гидрозатвора является высокая точность его срабатывания, значительно большая, чем 500 мм водяного столба.
Недостаток - конструктивная громоздкость, необходимость в большом количестве воды и трудоемкость перестройки с одного уровня срабатывания на другой (при диаметре гидрозатвора 400 мм и высоте 6,5 м необходимо залить более 800 л воды).
Одним из вариантов построения предохранительных клапанов с использованием гидрозатвора как устройства для задания уровня срабатывания является предохранительный клапан, описанный в патенте РФ №2595319, МПК G01M 5/00 «Устройство защиты полых изделий от превышения заданной величины внутреннего избыточного давления газа».
Это устройство включает в свой состав корпус предохранительного клапана с входным патрубком и отверстиями для выхода воздуха при срабатывании запорного органа, состоящего из седла воздушного клапана, встроенного в корпус, и запорного элемента, жестко связанного с гибкой мембраной, на которую передается давление, создаваемое гидростатическим столбом жидкости, поступающей из резервуара, расположенного на заданной высоте.
Недостатком данного устройства защиты является требование соблюдения строгого соотношения между гидравлическими сопротивлениями трубопроводов. В случае его нарушения затрудняется удаление жидкости из бака при превышении заданного уровня давления на входе клапана, что приводит к недостаточному падению давления в камере и тем самым к неполному открытию запорного органа. Особенно это сказывается при изменении длины трубопровода в связи с увеличением высоты расположения верхнего бака, что требуется при необходимости повышения задаваемого уровня давления в испытываемом объекте.
Широко известны предохранительные клапаны, в которых давление газа на затвор со стороны предохраняемого объекта уравновешивается силой сжатия пружины, действующей на затвор с другой стороны и настроенной на заданный уровень предельного давления. К этому классу клапанов, в частности, относятся предохранительные клапаны в системе кондиционирования воздуха на летательных аппаратах, например, клапан предохранительный 4617 (см. приложение 1. «Руководство по технической эксплуатации 4617 РЭ»). Расход воздуха через этот клапан при избыточном давлении 0,95 кгс/см и температуре 20+10°С находится в диапазоне от 80 до 100 кг/ч.
2
2
Открытие клапана происходит при давлении (0,95+0,05) кг/см, закрытие (0,95-0,05) кг/см. Погрешность открытия клапана в переводе на высоту водяного столба составляет 500 мм.
Недостатками указанных клапанов являются малый с точки зрения прочностных испытаний расход воздуха, а также изменение усилия пружины при ее сжатии, что снижает точность их работы. Из приведенного выше примера видно, что погрешность срабатывания составляет более 5%.
2
Технология испытаний гермофюзеляжей современных крупногабаритных самолетов требует наличия в составе стендового оборудования предохранительных устройств с большими проходными сечениями для обеспечения безопасности испытаний в случае возникновения аварийных ситуаций в линиях подачи сжатого воздуха в фюзеляж. Необходимый диапазон расходов воздуха через предохранительные клапаны при наземных испытаниях различных типов гермофюзеляжей находится в диапазоне от 600 до 10000 кг/ч, при перепаде давления на клапанах от 0,6 до 0,95 кг/см, т.е. известные аналоги по своим конструктивным параметрам, как показано выше, не удовлетворяют современным требованиям построения стендов для испытаний наддувом фюзеляжей летательных аппаратов.
Известен клапан выпускной 6527А, используемый для поддержания избыточного давления в гермокабинах (фюзеляжах) летательных аппаратов (см. приложение 2).
Клапан состоит из корпуса с каналами для входа и выхода воздуха, конструктивным элементом которого является седло. Мембранный узел состоит из затвора клапана, соединенного с мембраной, расположенной между корпусом и крышкой, мембрана вместе с крышкой клапана образуют полость, в которую подается сжатый воздух от эталонного задатчика давления. Между жестким центром мембраны и крышкой клапана вмонтирована пружина, создающая начальное усилие прижатия затвора к седлу. Давление из внутреннего объема гермокабины поступает снизу под жесткий центр мембраны через отверстие в корпусе затвора. До тех пор, пока это давление создает усилие, меньшее усилия, создаваемого пружиной и эталонным управляющим давлением над мембраной, клапан закрыт. Если усилие снизу мембраны превосходит усилие сверху, клапан приоткрывается и стравливает давление из гермокабины. Как только давление в гермокабине снижается до заданного (штатного) уровня, клапан закрывается.
Как указывается в технических характеристиках клапана 6527А, его назначение заключается в поддержании в салоне самолета давления, комфортного для пребывания в нем людей, поэтому расходные характеристики клапана согласованы с расходными характеристиками системы нагнетания воздуха в салон для обеспечения санитарных норм. Из этих же соображений требуется плавное перемещение затвора клапана во избежание резкого изменения давления в салоне самолета. Конструкция клапана рассчитана на его размещение внутри фюзеляжа.
При ресурсных испытаниях режим изменения давления внутри фюзеляжа испытываемого самолета существенно отличается от режима поддержания давления в нем в полете в штатных условиях. Для ускорения проведения испытаний время наддува фюзеляжа до уровня 0,4-0,7 ат и составляет 10-60 с, т.е. расходы воздуха при испытаниях планеров больших пассажирских и транспортных самолетов значительно превосходят расходы, которые могут обеспечить выпускные клапаны 6527А. Кроме того, во избежание возможного разрушения фюзеляжа от недопустимо высокого давления сброс воздуха в аварийной ситуации надо производить как можно скорее.
В процессе ресурсных испытаний ограничений на темп изменения давления в фюзеляже не существует, соблюдать санитарные нормы нет необходимости. В силу приведенных технологических соображений самолетные выпускные клапаны 6527А находят применения в системе стабилизации давления на участках программы испытаний, соответствующих режиму крейсерского полета. В качестве аварийных клапанов их использование недостаточно.
Прототипом предлагаемого устройства является предохранительное устройство, описанное в патенте RU №2666974. Это предохранительное устройство содержит корпус с каналами для входа и выхода воздуха, крышку, мембрану с жестким центром (мембранный узел), расположенную между корпусом и крышкой, рабочий воздушный клапан, седло которого является элементом корпуса, а затвор связан с жестким центром мембраны и через пружину с корпусом, а также задатчик давления (пусковой клапан). При срабатывании пускового клапана в результате превышения предельной величины давления в фюзеляже рабочий воздушный клапан открывается и сбрасывает из него воздух в атмосферу.
3
Недостаток - небольшой расход, что позволяет их использовать для испытания гермоотсеков объемом не более 10 м.
При ресурсных испытаниях современных магистральных пассажирских и военнотранспортных самолетов, объемы фюзеляжей которых составляют сотни кубических метров, применение предохранительного устройства по патенту RU №2666974, к сожалению, напрямую невозможно. Поэтому задача изобретения состоит в разработке специального предохранительного устройства для сброса воздуха из вышеуказанных гермоотсеков при аварийных ситуациях.
Техническим результатом предлагаемого предохранительного устройства является возможность расширения области применения его в системах наддува гермоотсеков большой емкости - сотни кубических метров при сохранении повышенной точности и быстроты срабатывания.
Данный технический результат достигается тем, что в предохранительном устройстве, содержащем корпус с каналами для входа и выхода воздуха, соединенную с корпусом крышку, расположенный между корпусом и крышкой мембранный узел, рабочий воздушный клапан, седло которого является элементом корпуса, а затвор жестко соединен с мембранным узлом, а также пусковой клапан для инициирования сброса давления в защищаемом объекте, мембранный узел выполнен в виде гибкого торообразного сильфона, одно основание которого герметично соединено с крышкой, а другое с затвором, образуя сильфонную камеру, площадь параллельного затвору сечения сильфонной камеры больше площади затвора, при этом крышка и корпус жестко связаны между собой посредством соединительного элемента, служащего направляющим для перемещения затвора и имеющим канал с отверстиями для подачи воздуха в сильфонную камеру, которая посредством воздушной линии соединена с пусковым клапаном. Соединительный элемент выполнен в виде трубы, расположенной в центре корпуса предохранительного устройства и связанной с ним жесткими ребрами, на которых находится регулируемые упоры. На затворе со стороны седла расположена уплотнительная прокладка, а на крышке вокруг трубы расположен буфер.
На фиг. 1 изображена схема предохранительного устройства.
Предохранительное устройство состоит (см. фиг. 1) из корпуса 1, соединенной с корпусом крышки 2, седла 3, выполненного заодно с корпусом 1, затвора 4, соединенного с торообразным сильфоном 5, пружины 6, пускового клапана 7, соединительного элемента, состоящего из канала подачи воздуха в сильфонную камеру - трубы 8 и жестких ребер 9, уплотнительной прокладки 10, регулируемых упоров 11, буфера 12 и воздушной линии 13. Крышка 2, затвор 4 и мембранный узел, выполненный в виде торообразного сильфона, образуют сильфонную камеру, которая посредством воздушной линии 13 соединена с пусковым клапаном 7. Присоединительный фланец 14, являясь элементом корпуса, находится на канале входа воздуха в предохранительное устройство. Седло 3 и затвор 4 образуют рабочий воздушный клапан, который является каналом выхода воздуха из предохранительного устройства. Площадь параллельного затвору сечения сильфонной камеры больше площади затвора.
Объект испытаний, с которым предохранительное устройство стыкуется посредством присоединительного фланца и линией связи, идущей от объекта к пусковому клапану, на фиг. 1 не указан. Принципы действий пусковых элементов (клапанов) могут быть различными.
Работает предохранительное устройство следующим образом. Сжатый воздух подается в испытываемое изделие и через канал входа воздуха (присоединительный фланец 14) внутрь корпуса 1 предохранительного устройства, а сигнал об уровне давления воздуха в гермоотсеке по линии связи с объектом поступает в пусковой клапан 7. Пружиной 6 затвор 4 прижимается к седлу 3. Рабочий воздушный клапан закрыт. Жесткость пружины 6 невелика,т.к. она предназначена для обеспечения первоначальной герметичности рабочего воздушного клапана. Этой же цели служат и уплотнительная прокладка 10, расположенная на затворе 4. Сжатый воздух, поступающий на вход предохранительного клапана по трубе 8, входящей в состав соединительного элемента, через отверстия в ее стенках, которые находятся внутри сильфонной камеры, поступает в эту камеру и начинает прижимать затвор 4 к седлу 3, т.к. площадь параллельного затвору сечения сильной камеры больше площади затвора. Для того чтобы не слишком деформировать уплотнительную прокладку 10 на жестких ребрах 9 соединительного элемента располагаются регулируемые упоры 11. Основное назначение ребер 9 - это фиксировать в центре клапана трубу 8, заглушенную со стороны неподвижной крышки 2. Труба 8, входящая в состав соединительного элемента, выполняет роль направляющей детали для перемещения затвора.
На крышке 2 вокруг трубы 8 в центре соединительного элемента крепится упругий буфер 12, который демпфирует удар затвора 4 при открытии. Кроме того, к крышке 2 подключается воздушная линия 13 для соединения сильфонной камеры с пусковым клапаном 7, который линией связи соединен с объектом испытаний и предназначен для отслеживания давления внутри него. Если давление превышает допустимый уровень, пусковой клапан 7 соединяет сильфонную камеру с атмосферой, давление в ней падает, и затвор 4 резко отходит от седла 3, открывая рабочий воздушный клапан. Воздух из гермоотсека через предохранительное устройство выходит в атмосферу, давление в гермоотсеке падает, тем самым предохранительное устройство выполняет свою защитную функцию.
Положительными свойствами предлагаемой конструкции, обеспечивающей достижение технического результата, являются:
1. Повышение точности и скорости срабатывания в силу разгруженности клапана, входящего в состав предлагаемого устройства. Испытания опытного образца предохранительного устройства показали, что погрешность срабатывания его не превышает 0,01 ат, а время срабатывания составляет десятые доли секунды.
2. Возможность установки предохранительного устройства в месте подачи сжатого воздуха в испытываемое изделие, что значительно упрощает конструкции испытательных стендов, особенно при испытании крупногабаритных изделий, например, фюзеляжей самолетов.
3. Возможность использования для испытания гермоотсеков больших объемов (сотни кубических метров).