Клапан для регулирования расхода горячего газа
HOT GAS FLOW RATE CONTROL VALVE

Изобретение относится к области машиностроения и направлено на создание клапанов для регулирования расхода горячего газа, работающих при высоких давлениях и температурах.
Известна конструкция клапана для регулирования расхода горячего газа, состоящего из корпуса с входным и выходным патрубками, заслонки, 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 сосной седлу цилиндрической заслонки, заслонка установлена по отношению к седлу в зоне расходного отверстия с кольцевым зазором, на заслонке с обеих сторон от цилиндрической поверхности заслонки выполнены цапфы, диаметр которых меньше диаметра цилиндрической поверхности заслонки, цапфы заслонки установлены по посадке в сквозные отверстия выступов седла (Патент РФ №2422709, 2010 г., F16K 5/04, F16K 5/10).
Недостаток данной конструкции заключается в том, что при увеличении давления и размеров расходного отверстия седла возрастает нагрузочная характеристика в клапане, так называемый шарнирный момент, что приводит к увеличению потребной мощности привода и потребной прочности кинематической цепи привод-заслонка, а это приводит к уменьшению надежности работы клапана и увеличению его массы, что недопустимо для использования клапана в летательном аппарате.
Целью изобретения является повышение надежности работы клапана для регулирования расхода горячего газа.
Указанная цель достигается тем, что в клапане для регулирования расхода горячего газа, состоящего из корпуса с входным и выходным патрубками, заслонки, в выходной патрубок установлено седло с расходным отверстием, смежные поверхности седла и заслонки выполнены в форме цилиндров с общей осью, между смежными цилиндрическими поверхностями седла и заслонки выполнен постоянный кольцевой зазор, корпус защищен изнутри втулками из теплозащитного эрозионностойкого материала, вал установлен в подшипники качения, заслонка установлена через втулку из теплозащитного материала на вал, ось которого совпадает с общей осью смежных цилиндрических поверхностей седла и заслонки, заслонка с обеих сторон при помощи металлических втулок, соединенных при помощи резьбы с валом, установлена на вал и соединена с ним при помощи штифтов, которые расположены в зоне установки металлических втулок, заслонка с обеих сторон расположена внутри втулок из теплозащитного эрозионностойкого материала, между цилиндрической внутренней поверхностью втулок и наружной цилиндрической поверхностью заслонки выполнен кольцевой зазор, при этом внутренняя поверхность втулки из теплозащитного эрозионностойкого материала выполнена ступенчатой формы, а наружная цилиндрическая поверхность заслонки, расположенная внутри втулки, также выполнена ступенчатой формы, при этом цилиндрическая поверхность заслонки, расположенная ближе к краю заслонки, выполнена меньшего диаметра, а в кольцевой зазор установлены последовательно графитовые кольца, при этом графитовое кольцо, расположенное ближе к втулке, касается втулки и установлено по отношению к заслонке с кольцевым зазором, а графитовое кольцо, расположенное ближе к уступу заслонки, касается заслонки и установлено по отношению к втулке с кольцевым зазором.
На фиг. 1 приведена конструкция регулятора расхода горячего газа.
На фиг. 2 приведено поперечное сечение конструкции регулятора расхода горячего газа.
На фиг. 3 приведена выноска установки графитовых колец.
На фиг. 4 приведена конструкция отверстия заслонки под штифт.
На фиг. 5 приведен вариант исполнения расходного отверстия седла.
Клапан для регулирования расхода горячего газа (фиг. 1 и 2) состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, седла 4 с расходным отверстием 5, установленным в выходной патрубок, заслонки 6. Смежные поверхности седла 7 и заслонки 8 выполнены в форме цилиндров с общей осью. Между смежными цилиндрическими поверхностями седла и заслонки выполнен постоянный кольцевой зазор. Заслонка установлена через втулку 9 из теплозащитного материала на вал 10, ось которого совпадает с общей осью смежных цилиндрических поверхностей седла и заслонки. Корпус защищен изнутри втулками 11, 12, 13, 14 и 15 из теплозащитного эрозионностойкого материала. Заслонка в поперечном сечении выполнена в форме двух цилиндрических поверхностей 8 и 16, цилиндрическая поверхность 8 заслонки 6, смежная с цилиндрической поверхностью 7 седла 4, выполнена большего радиуса и в виде сектора, длина «L» которого превышает длину «l» расходного отверстия 5 седла. Вал установлен с обеих сторон от заслонки в подшипники качения 17. Заслонка с обеих сторон при помощи металлических втулок 18, соединенных при помощи резьбы с валом 10, установлена на вал и соединена с ним при помощи штифтов 19, которые расположены в зоне установки металлических втулок 18. Заслонка с обеих сторон расположена внутри втулок 11 и 12 из теплозащитного эрозионностойкого материала, между цилиндрической внутренней поверхностью втулок и наружной цилиндрической поверхностью заслонки выполнен кольцевой зазор, при этом внутренняя поверхность втулки из теплозащитного эрозионностойкого материала выполнена ступенчатой формы, а наружная цилиндрическая поверхность заслонки, расположенная внутри втулки также выполнена ступенчатой формы, при чем цилиндрическая поверхность заслонки, расположенная ближе к краю заслонки, выполнена меньшего диаметра, а в кольцевой зазор установлены последовательно четыре графитовых кольца, при этом графитовое кольцо 20, расположенное ближе к втулке, касается втулки и установлено по отношению к заслонке с кольцевым зазором, а графитовое кольцо 21, расположенное ближе к уступу заслонки, касается заслонки и установлено по отношению к втулке с кольцевым зазором, графитовые кольца установлены последовательно (фиг. 3). Герметичность внутренней полости клапана обеспечивается при помощи уплотнительных колец 22.
Вал 10 может быть выполнен полым (фиг. 1). Внутренняя полость вала 10 может быть заполнена теплозащитным материалом 23. Между торцевыми поверхностями 24 и 25 металлических втулок 18 и втулки 9 из теплозащитного материала, установленной на вал 10, выполнен торцовый зазор «δ», а в металлических втулках выполнен ряд сквозных отверстий 26, соединяющий полость торцового зазора «δ» и внутреннюю полость клапана (фиг. 3). Между штифтом 19 и отверстием в заслонке 6 выполнен зазор «h», расположенный ближе к центру заслонки (фиг. 4). Штифты 19 расположены дальше от расходного отверстия седла 4, чем графитовые кольца 20 и 21. Расходное отверстие седла может быть выполнено в форме прямоугольника, одна пара сторон которого перпендикулярна оси вала (фиг. 5).
Клапан работает следующим образом. Через входной патрубок 2 горячие газы поступают во внутреннюю полость клапана, заслонка 6 при помощи вала 10 изменяет площадь расходного отверстия седла 4, горячий газ, истекает через расходное отверстие седла, создают необходимую тягу. Благодаря тому, что вал установлен в подшипники качения составляющая нагрузочной характеристики, обусловленная трением, минимальна, трение возникает только в уплотнительных кольцах 22 вала 10. Благодаря упору заслонки в вал через металлические втулки 18 воспринимается осевая нагрузка, а штифты 19, которые расположены в зоне установки металлических втулок 18, передают только усилие, возникающие от нагрузочной характеристики. Усилие, возникающие от нагрузочной характеристики, складывается от момента трения и момента, обусловленного неравномерностью распределения давления по поверхности заслонки.
Благодаря тому, что заслонка с обеих сторон расположена внутри втулок 11 и 12 из теплозащитного эрозионностойкого материала, а между цилиндрической внутренней поверхностью втулок и наружной цилиндрической поверхностью заслонки выполнен кольцевой зазор, при этом внутренняя поверхность втулки из теплозащитного эрозионностойкого материала выполнена ступенчатой формы, а наружная цилиндрическая поверхность заслонки, расположенная внутри втулки также выполнена ступенчатой формы, при чем цилиндрическая поверхность заслонки, расположенная ближе к краю заслонки, выполнена меньшего диаметра, а в кольцевой зазор установлены последовательно четыре графитовых кольца, при этом графитовое кольцо 20, расположенное ближе к втулке, касается втулки и установлено по отношению к заслонке с кольцевым зазором, а графитовое кольцо 21, расположенное ближе к уступу заслонки, касается заслонки и установлено по отношению к втулке с кольцевым зазором и графитовые кольца установлены последовательно, а штифты 19 расположены дальше от расходного отверстия седла 4, чем графитовые кольца 20 и 21, обеспечивается защита подшипников 17 и уплотнительных колец вала от прогрева, при этом уменьшается подвод тепла через штифты. Установка графитовых колец таким образом не приводит к значительному увеличению нагрузочной характеристики из за трения. Как показала практика, нагрузочная характеристика из за трения в графитовых кольцах возникает только при наличии перепада давления в полостях между ними.
Благодаря тому, что вал выполнен полым и полость заполнена теплозащитным материалом снижается подвод тепла к подшипникам.
Благодаря тому, что между торцовыми поверхностями 24 и 25 металлических втулок 18 и втулки 9 из теплозащитного материала, установленных на вал 10, выполнен торцовый зазор «δ», а в металлических втулках выполнен ряд сквозных отверстий 26, соединяющий полость торцового зазора «δ» и внутреннюю полость клапана, не происходит повышение давления внутри заслонки из-за газификации материала втулки 9, которое могло бы привести к ее разрушению, что увеличивает надежность работы клапана.
Благодаря тому, что расходное отверстие седла выполнено в форме прямоугольника, одна пара сторон которого перпендикулярна оси вала, обеспечивается линейная расходная характеристика, что, в свою очередь, упрощает систему управления.
Благодаря тому, что между штифтом 19 и отверстием в заслонке 6 выполнен зазор «h», расположенный к центру заслонки не происходит разрушения штифтов из-за теплового расширения заслонки.
Таким образом, как видно из вышеизложенного, предложенная конструкция увеличивает надежность работы клапана, благодаря снижению подвода тепла к подшипникам и уменьшению нагрузки на штифты.