РЕГУЛЯТОР РАСХОДА ГОРЯЧЕГО ГАЗА
FLOW REGULATOR OF HOT GAS

Предлагаемое изобретение относится к ракетной технике, а именно к регуляторам расхода, работающим на продуктах сгорания твердых топлив с температурой до 2500°К и давлением порядка 10 МПа и обеспечивающим управление полетом ракеты по плоскостям стабилизации.
Известна конструкция вращающегося клапана для горячего газа, состоящая из корпуса с расходным отверстием, в котором установлен с возможностью вращения стакан, при этом наружная поверхность стакана установлена по отношению к внутренней поверхности корпуса с кольцевым зазором (патент США №3276466 НКИ 137-339, 1966).
Недостаток такой конструкции заключается в том, что наличие кольцевого зазора приводит к непроизводительным утечкам продуктов сгорания топлива, что требует увеличения массы топлива, а следовательно, и всего двигателя, что является существенным недостатком.
6
Известна конструкция клапана для регулирования расхода горячего газа, содержащая корпус с входным и выходным патрубками, опорный узел в виде двух выступов, выполненных на седле и имеющих соосные с валом сквозные отверстия, образующие цилиндрических поверхностей которых совмещены с цилиндрической поверхностью седла, а регулирующий элемент установлен в сквозные отверстия опорного узла (патент РФ №2079023, кл. F16K 5/04, 1997).
Недостаток такой конструкции заключается в том, что обычно седло и регулирующий элемент в зависимости от температуры продуктов сгорания изготавливаются из жаропрочных вольфрамомолибденовых сплавов, которые обладают значительным коэффициентом трения, порядка 0,4…0,5, что в свою очередь приводит к повышенному шарнирному моменту в паре деталей, регулирующих минимальное сечение клапана, а это в свою очередь приводит к усилению всех узлов клапана и увеличению мощности привода, а это вес изделия, что для ракетной техники не приемлемо.
Одной из основных задач для конструкций регуляторов расхода, работающих на продуктах сгорания твердых топлив, является снижение нагрузки на привод, так называемого шарнирного момента, который в регуляторах расхода зависит от коэффициента трения материалов в регулирующей паре: седло - регулирующий элемент.
Тенденция развития регуляторов расхода направлена на применение для регулирующей пары деталей материалов с низким коэффициентом трения, таких как различные марки пироуглеродов, изотропные углероды, графиты и т.д. (углеродосодержащие материалы).
Предлагаемое изобретение направлено на увеличение надежности работы за счет уменьшения величины шарнирного момента, что в свою очередь уменьшает вес привода.
Указанная цель достигается тем, что в регуляторе расхода горячего газа, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, седло с расходным отверстием, установленное в выходной патрубок, регулирующий элемент, контактирующий с седлом по взаимообращенным цилиндрическим поверхностям, при этом ось расходного отверстия седла перпендикулярна цилиндрической поверхности контакта регулирующего элемента и седла, седло выполнено составным, часть седла, контактирующая с регулирующим элементом, выполнена из изотропного углерода, и установлена по посадке на адгезионном составе в глухое прямоугольное отверстие части седла, выполненной из жаропрочного металлического сплава, одна из сторон прямоугольного отверстия седла перпендикулярна цилиндрической поверхности контакта регулирующего элемента и седла, обе части седла контактируют своими торцами по взаимообращенным идентичным поверхностям, а расходное отверстие части седла из изотропного углерода расположено внутри расходного отверстия части седла из жаропрочного металлического сплава.
На фиг.1 изображен регулятор расхода горячего газа. На фиг.2, 3 изображен вариант конструкции составного седла и его сечение.
Регулятор расхода горячего газа (фиг.1) состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, седла 4 с расходным отверстием 5, установленного в выходной патрубок 3 регулирующего элемента 6 и контактирующего с седлом 4 по взаимообращенным цилиндрическим поверхностям 7 и 8. Регулирующий элемент 6 кинематически соединен с валом 9, который в свою очередь соединен с приводом. Ось 10 расходного отверстия седла 4 перпендикулярна цилиндрической поверхности контакта регулирующего элемента и седла. Корпус 1 защищен изнутри от прогрева деталями 11 из эрозионно стойкого теплозащитного пресс-материала. Седло 4 выполнено составным. Часть седла 12, контактирующая с регулирующим элементом 6, выполнена из изотропного углерода, и установлена по посадке на адгезионном составе в глухое прямоугольное отверстие 13 части 14 седла, выполненной из жаропрочного металлического сплава. Одна из сторон 15 (см. фиг.3) прямоугольного отверстия 13 седла перпендикулярна цилиндрической поверхности 7 контакта регулирующего элемента и седла. Обе части седла 12 и 14 контактируют своими торцами 16 и 17 (см. фиг.2) по взаимообращенным идентичным поверхностям, например плоским. Расходное отверстие 5 части 12 седла 4 из изотропного углерода расположено внутри расходного отверстия 18 части седла 4 из жаропрочного сплава.
Обе части 12 и 14 седла 4 (фиг.2, 3) могут соединяться между собой штифтами 19, выполненными из той же марки изотропного углерода, что и часть 12 седла 4. Они установлены в отверстия 20 и 21 с зазором 22 на адгезионном составе. Зазор между штифтом 19 и отверстиями 20 и 21 рассчитывается по следующим зависимостям:
где δ - зазор между штифтом и отверстием под него;
1
d - диаметр отверстия под штифт;
2
d - диаметр штифта;
1
α - коэффициент температурного расширения жаропрочного металлического сплава;
2
α - коэффициент температурного расширения изотропного углерода;
- максимальная температура части седла из жаропрочного металлического сплава;
- максимальная температура части седла из изотропного углерода.
Разброс вызван допусками на изготовление диаметров отверстий и штифтов.
Штифты 19 устанавливаются в ту часть седла, которая соприкасается с деталями 11. Таким образом, штифты дополнительно фиксируются.
В процессе хранения и до вступления в работу регулятора соединение обеих частей седла при помощи адгезионного состава исключает их возможность взаимного перемещения относительно друг друга. Дополнительная их фиксация при помощи штифтов позволяет и в работе повысить надежность соединения.
При поступлении продуктов сгорания в регулятор за счет того, что расходное отверстие седла, выполненное в части седла из изотропного углерода, расположено внутри расходного отверстия части седла из жаропрочного металлического сплава, давлением продуктов сгорания часть 12 седла 4 все время поджимается к части 14 седла 4.
Благодаря тому, что часть 14 седла 4 изготовлена из жаропрочного металлического сплава, обладающего повышенными прочностными характеристиками, не происходит разрушение седла, а выполнение соединения обеих частей седла по глухому прямоугольному отверстию исключает проворот частей седла относительно друг друга.
Контакт частей 12 и 14 седла 4 по взаимообращенным идентичным поверхностям позволяет уменьшить утечки продуктов сгорания.
Если и регулирующий элемент 6 выполнять из изотропного углерода, то можно получить значительное снижение шарнирного момента, потому что коэффициент трения изотропного углерода по изотропному углероду достигает величины порядка 0, 1. Это в свою очередь приводит к снижению нагрузки на регулирующий элемент.
Благодаря тому, что штифты выполнены из той же марки изотропного углерода, что и регулирующий элемент и установлены в отверстия 20 и 21 с определенным зазором, исключается их разрушение из-за нагрева обеих частей седла 4.
Таким образом, как видно из вышеизложенного, обеспечивается увеличение надежности работы за счет уменьшения величины шарнирного момента, достигается еще один положительный эффект, а именно за счет уменьшения величины шарнирного момента можно уменьшить вес конструкции, что является для ракетной техники основным.