УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ СТАРТЕРОМ

Заявляемое устройство относится к авиадвигателестроению, в частности, к управлению воздушным стартером.
Известно устройство для управления воздушным стартером (см. патент РФ на полезную модель №57373, кл. F02C 7/26, 2006 г), включающее пневмоклапан и электромагнитный клапан, при этом внутри пневмоклапана выполнены две полости: полость «на закрытие» и полость «на открытие», а электромагнитный клапан содержит полость входа, сообщенную со входом в пневмоклапан, две полости затвора, одна из которых сообщена с полостью «на открытие», а другая - с полостью «на закрытие» и две полости сопла, сообщенные с атмосферой и имеющие возможность сообщения с полостями затвора, при этом полости сопла содержат запорные элементы, жестко соединенные между собой.
Существенным недостатком этого устройства является, сложность конструкции электромагнитного клапана, имеющего два выходных канала. Это устройство также сложно в настройке - необходимо обеспечивать герметичность одновременно по двум поверхностям, как при перемещении штока электроклапана в крайнее левое положение, так и при его перемещении в крайнее правое положение.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для управления воздушным стартером (см. патент РФ на изобретение №2109971, кл. F02C 7/26, 1995 г.), содержащее пневмоклапан, на входе которого установлен запорный конус со штоком, внутри пневмоклапана образована полость «на закрытие», и электромагнитный клапан с полостями затвора, штока и сопла, имеющими возможность сообщения с полостью «на закрытие», через дроссель и фильтр - с входом пневмоклапана и через второй дроссель - с атмосферой. Запорный конус снабжен отверстиями, причем на цилиндрической части конуса выполнено подвижное уплотнение, отделяющее подконусную полость от выхода пневмоклапана, внутри пневмоклапана образован цилиндр с подпружиненным поршнем, соединенным со штоком запорного конуса, полость «на закрытие» расположена в подпоршневой части цилиндра, в надпоршневой части цилиндра образована полость «на открытие», имеющая возможность сообщения через полости затвора и штока электромагнитного клапана и дроссель с входом пневмоклапана, а через полости затвора и сопла - с атмосферой и с полостью «на закрытие» пневмоклапана, сообщенной через второй дроссель с атмосферой, кроме того на входе в пневмоклапан установлен патрубок отбора воздуха к электромагнитному клапану, повернутый по потоку.
Существенным недостатком этого устройства является то, что для регулирования времени полного открытия запорного конуса пневмоклапан содержит дроссели, при подаче электрического сигнала на обмотку ЭМК полость «на открытие» сообщается через дроссель со входом пневмоклапана, а полость «на закрытие» через второй дроссель с атмосферой, причем запорный конус выполнен разгруженным, для чего на его цилиндрической части выполнено подвижное уплотнение (отделяющее подконусную полость от выхода пневмоклапана) и на конусной части выполнены отверстия (соединяющие подконусную полость со входом), что усложняет его конструкцию и снижает надежность работы. Так же усложняет конструкцию наличие 3-х каналов между пневмоклапаном и электромагнитным клапаном.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является упрощение конструкции и повышение надежности устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для управления воздушным стартером, содержащем
пневмоклапан, на входе которого установлен запорный конус со штоком, а выход соединен с входом воздушного стартера, внутри пневмоклапана установлен пневмоцилиндр с поршнем, образующим полости «на закрытие» и «на открытие», причем последняя соединена с выходом пневмоклапана, и электромагнитный клапан (ЭМК), в корпусе которого выполнены первое и второе сопло и установлен шток с подпружиненным затвором, при этом полость сопла располагается между вторым соплом и каналом подвода высокого давления от входа пневмоклапана, шток установлен в полости, соединенной с каналом подвода низкого давления (атмосферой), и соединяет электромагнит с затвором, установленным в полости между первым и вторым соплом с возможностью их перекрытия, полость затвора имеет возможность соединения через первое сопло с полостью штока, через второе сопло - с полостью сопла и соединена каналом с полостью «на закрытие» пневмоклапана, а в канале, соединяющем полость «на открытие» с выходом из пневмоклапана, установлен дроссель.
Проходная площадь дросселя может быть выполнена равной , где dV - изменение объема полости «на открытие» (полости «на закрытие») при открытии (закрытии) пневмоклапана.
Диаметр пневмоцилиндра может быть в 1,1…2,5 раза больше диаметра запорного конуса.
На входе пневмоклапана может быть установлен патрубок отбора воздуха в канал подвода воздуха высокого давления к ЭМК, причем входное отверстие патрубка повернуто против потока (навстречу потоку).
На тыльной стороне патрубка может быть выполнено дренажное отверстие, по площади в 3-10 раз меньше входного отверстия патрубка.
В канал подвода воздуха высокого давления может быть установлен второй дроссель, выполненный с площадью, превышающей .
Площади проходных сечений второго сопла ЭМК и канала подвода воздуха высокого давления могут быть больше  и , соответственно.
Площади проходных сечений первого сопла ЭМК и канала подвода воздуха низкого давления могут быть больше  и , соответственно.
Усилие, развиваемое пружиной, установленной в полости затвора, может быть равно, 0,2…0,8 усилия, создаваемого электромагнитом.
Отличительные признаки, а именно:
- введение дросселя в канал, соединяющий полость «на открытие» с выходом из пневмоклапана позволяет осуществить регулирование времени полного открытия запорного конуса, исключив при этом из конструкции пневмоклапана подвижное уплотнение запорного конуса, отверстия в запорном конусе, канал соединяющий полость затвора ЭМК и полость «на закрытие» пневмоклапана, что повышает надежность и упрощает конструкцию пневмоклапана.
- выполнение дросселя с проходной площадью равной  обеспечивает открытие запорного конуса за 0,1…3,0 секунды (при оптимальном выборе других параметров);
ПЦ
ЗК
ВХ
АТМ
- выполнение диаметра Д пневмоцилиндра в 1,1…2,5 раза больше диаметра Д запорного конуса обеспечивает работоспособность устройства (позволяет открывать и закрывать запорный конус при подводе воздуха с давление Р или Р в полость «на закрытие» пневмоцилиндра);
ВХ
- установка на входе пневмоклапана патрубка отбора воздуха в канал подвода воздуха высокого давления к ЭМК с входным отверстием, повернутым против потока (навстречу потоку), позволяет подвести в полость «на закрытие» полное давление воздуха Р, обеспечивая работоспособность устройства при ;
- выполнение дренажного отверстия на тыльной стороне патрубка, площадью в 3-10 раз меньше площади входного отверстия патрубка, позволяет отбирать в канал ЭМК воздух с давлением, близким к заторможенному, очищенному от пыли;
- введение второго дросселя в канал подвода воздуха высокого давления с площадью, превышающей , дает возможность регулирования времени закрытия запорного конуса от 0,5 до 5,0 с (при прочих оптимальных параметрах устройства);
- выполнение площадей проходных сечений второго сопла ЭМК и канала подвода воздуха высокого давления больше, чем  и , соответственно, а так же выполнение площадей проходных сечений первого сопла ЭМК и канала подвода воздуха низкого давления больше, чем  и , соответственно, позволяет осуществлять регулирование скорости перемещения запорного конуса (время открытия и закрытия пневмоклапана) путем изменения проходных сечений дросселя (в канале, соединяющем полость «на открытие» с выходом пневмоклапана) и второго дросселя,
- для осуществления управления пневмоклапаном при изменяющихся внешних условиях усилие (при различных давлениях и температурах воздуха на входе в пневмоклапан), развиваемое пружиной, установленной в полости затвора, должно быть 0,2…0,8 от усилия, создаваемого электромагнитом.
Все вышеперечисленное позволяет повысить надежность работы и упростить конструкцию устройства.
Предложенная полезная модель иллюстрируется чертежами:
На фиг.1 показана схема устройства управления воздушным стартером.
На фиг.2 более подробно показан патрубок отбора воздуха с выполненным в нем дренажным отверстием.
Устройство управления воздушным стартером содержит (см. фиг.1) пневмоклапан 1, внутри которого установлен поршень 2, образующий полости А «на закрытие» и Б «на открытие». Поршень 2 через шток 3 соединен с запорным конусом 4, установленным на входе в пневмоклапан 1 и отделяющим полость В перед пневмоклапаном от полости Г за пневмоклапаном. Диаметр поршня 2 выполнен в 1,1…2,5 раза больше диаметра запорного конуса 4.
Устройство так же содержит электромагнитный клапан 5 в корпусе которого установлены электромагнит 6, первое сопло 7 выполненное с площадью больше, чем , и второе сопло 8 выполненное с площадью больше, чем , шток 9 с затвором 10, поджатым пружиной 11, с усилием 0,2…0,8 от усилия, создаваемого электромагнитом, к первому соплу 7, при этом полость Д сопла располагается между вторым соплом 8 и каналом 12 повода высокого давления от входа пневмоклапана, выполненным с площадью больше, чем , шток 9 расположен в полости Е штока, соединенной с каналом 13 низкого давления (атмосферой), выполненным с площадью больше, чем , и соединяет электромагнит с затвором 10, установленным в полости Ж затвора между первым 7 и вторым соплом 8 с возможностью их перекрытия, полость Ж имеет возможность соединения через первое сопло 7 с полостью Е, через второе сопло 8 - с полостью Д и соединена каналом 14 с полостью А «на закрытие» пневмоклапана 1.
В корпусе устройства имеется дроссель 15, выполненный на торцевой поверхности пневмоцилиндра с проходной площадью, равной , соединяющий полость Б «на открытие» с полостью Г за пневмоклапанном 1.
В канале 12 подвода высокого давления, соединяющем полость В и полость Д, установлен второй дроссель 16 с площадью, превышающей .
На входе в пневмоклапан (см. фиг.2) имеется патрубок 17 отбора воздуха в канал 12 подвода высокого давления, повернутый против потока, в патрубке отбора воздуха введено дренажное отверстие 18, выполненное площадью в 3-10 раз меньше площади входного отверстия патрубка 17.
Устройство управления воздушным стартером работает следующим образом:
Сжатый воздух подается в полость В через патрубок 17, а затем по каналу 12, второй дроссель 16, через полость Д и сопло 8, по каналу 14 поступает в полость А «на закрытие». Частицы пыли, попадающие в патрубок 17 отбора воздуха, вылетают через дренажное отверстие 18. Давление в полостях Б и Г равно атмосферному. Под действием давления в полости А запорный конус 4 находится в положении «закрыт».
При подаче электрического сигнала на обмотку электромагнита 6 шток 9 перемещает затвор 10 влево, закрывая сопло 8 и открывая сопло 7. Полость А через канал 14, полость Ж, сопло 7, полость Е и канал 13 соединяется с атмосферой. Перепад давления на запорном конусе 4 (между полостью В и полостью Г) при снятии перепада давлений «на закрытие» с поршня 2 смещает вправо запорный конус 4, открывая сечение для прохода воздуха в воздушный стартер. Время открытия запорного конуса 4, регулируется дросселем 15.
При снятии электрического сигнала с обмотки электромагнита 6 затвор 10 вместе со штоком 9 под действием усилия пружины 11 перемещаются вправо. При этом сопло 8 открывается, а сопло 7 закрывается, и полость А «на закрытие» через полость Ж затвора, полость Д сопла и канал 12 подвода высокого давления сообщается с давлением в полости В на входе в устройство. А т.к. площадь сечения поршня 2 больше площади конуса 4, запорный конус 4 под действием перепада давлений перемещается в положение «закрыт». Подача воздуха в воздушный стартер прекратится. Время закрытия запорного конуса 4, обеспечивается вторым дросселем 16.
Оптимальные значения проходных площадей дросселей 15 и 16 можно определить из системы уравнений:
1. Для расхода через дроссель 15:
1.1 при поступлении воздуха в полость Б (через дроссель 15):
- при  (сверхзвуковой режим течения в дросселе 15);
- при  (дозвуковой режим течения в дросселе 15);
где:
15
С - расход воздуха через дроссель 15;
15
µ - коэффициент расхода:
.
15
ξ - коэффициент сопротивления дросселя 15;
15
F - площадь проходного сечения дросселя 15;
Б
Р - давление в полости Б «на открытие»;
Г
P - давление в полости Г за пневмоклапаном;
R - газовая постоянная;
Т - температура воздуха на выходе из дросселя.
1.2 при стравливании воздуха из полости Б (через дроссель 15):
- при  (сверхзвуковой режим течения в дросселе 15);
- при  (дозвуковой режим течения в дросселе 15);
2. Для расхода через дроссель 16:
2.1 Уравнение расхода через дроссель 16 (заполнение полости А):
- при  (сверхзвуковой режим течения в дросселе 16);
- при  (дозвуковой режим течения в дросселе 16);
где:
16
G - расход воздуха через дроссель 16;
16
µ - коэффициент расхода:
16
ξ - коэффициент сопротивления дросселя 16;
16
F - площадь проходного сечения дросселя 16;
A
P - давление в полости А «на закрытие»;
В
Р - давление в полости В на входе в пневмоклапан.
2.2 Уравнение расхода через сопло 7 (опорожнение полости А):
- при  (сверхзвуковой режим течения в дросселе 15);
- при  (дозвуковой режим течения в дросселе 15);
где:
7
G - расход воздуха через сопло 7;
7
µ - коэффициент расхода:
7
ξ - коэффициент сопротивления сопла 7;
7
F- площадь проходного сечения сопла 7;
Н
Р - давление окружающей среды (атмосферное давление).
3. Уравнение состояния воздуха.
3.1 В полости Б:
Б
где: V - объем полости Б «на открытие»;
Б
m - масса воздуха в полости Б «на открытие»;
3.2 В полости А:
А
где: V - объем полости А «на закрытие»;
А
m - масса воздуха в полости А «на закрытие»;
4. Уравнение движения:
где:
П
М - масса подвижных деталей пневмоклапана;
- ускорение поршня;
П
F - площадь поршня;
Г
Р - давление в полости Г, за пневмоклапаном;
ЗК
F - площадь запорного конуса;
ПР
R - усилие пружины;
ТР
R - сила трения.
5. Изменение давления за клапаном (как в междроссельной камере) определяется согласно закону сохранения массы (расход воздуха, проходящий через запорный конус, равен расходу воздуха, проходящего через сопло стартера):
СС
где: F - площадь входного сопла стартера (стартер и его входное сопло на рисунках не показаны);
К
Р - давление на входе в пневмоклапан;
СТ
Р - давление на выходе из пневмоклапана;
КЛ
F - площадь клапана;
КЛ
F=П·h
где: П - периметр клапана;
h - ход клапана.
Из анализа системы уравнений движения поршня (клапана) следует, что наиболее приемлемое время открытия и закрытия клапана (например, открывается за 0,1…1,0 с, закрывается за 0,5…1,5 с) можно получить при  и , площади проходного сечения второго сопла 8 ЭМК более , при этом канал 12 подвода воздуха ко второму соплу 8 ЭМК желательно иметь не менее, чем в 2 раза больше площади второго сопла 8 ЭМК (для получения приемлемых потерь давления в канале 12, потери в канале 12 в 4 и более раза меньше перепада на втором сопле 8 ЭМК), т.е. более .
Таким образом, предложенное устройство обеспечивает высокую надежность работы при достаточно простой конструкции.