Высокотемпературный, высокоскоростной ротационный клапан

Полезная модель относится к области генерации колебаний рабочей среды и может найти применение для испытания и тарировки средств измерения давления, например акустических зондов для измерения пульсаций давления в камерах сгорания газотурбинных двигателей (ГТД).
Давление является одним из основных параметров двигателя, на долю которого приходится 25…30% от объема всех измеряемых параметров. При доводке газотурбинных двигателей важно иметь достоверную информацию о происходящих в камере сгорания динамических процессах, в частности пульсациях давления, которые возникают при нестационарном и вибрационном горениях.
Поскольку высокоточные датчики давления не работоспособны при высоких температурах, вибрациях, наличия взвешенных частиц в продуктах сгорания, они подключаются к камере сгорания посредством зонда с подводящим каналом и акустическим корректирующим элементом. Зонд пульсаций давления перед установкой на двигатель должен пройти предварительно динамическую калибровку в условиях, близких к эксплуатационным, то есть при соответствующих температурах, уровнях среднего давления, амплитудах и частотах колебаний давления. Такая процедура связана с тем, что погрешность зонда определяется не только точностью датчика, но параметрами подводящего канала и акустического корректирующего элемента. Поэтому перед измерением пульсаций давления в камере сгорания необходимо иметь его калибровочную характеристику в виде амплитудно-частотной характеристики, представляющей собой зависимость отношения амплитуд колебаний давления, определенных по показаниям датчика зонда и эталонного датчика от частоты колебаний. Для определения калибровочной характеристики зонда пульсаций давления используется специальные устройства - высокотемпературные генераторы колебаний давления.
Одним из немногим реализованных устройств для генерации пульсаций давлений является генератор колебаний, созданный в ЦИАМ, содержащий рабочую камеру, к которой подключаются эталонный и испытуемый датчики, а колебания давления создаются за счет вращающегося диска сирены, перекрывающего по синусоидальному закону площади отверстий сброса газа из камеры [Фурлетов, В.И. Определение частотной характеристики измерительной системы «датчик колебаний давления-волновод» при повышенных параметрах газа / В.И. Фурлетов, А.Н. Дубовицкий, Г.С. Ханян // Развитие средств и методов испытаний авиационных двигателей (Сборник статей). Колл. авторов - М.: ЦИАМ, 2010. - 252 с.].
Однако данное устройство не способно создавать пульсации давления газа с температурой выше 100°С, в то время как в камере сгорания двигателя температура газа больше 1000°С. К тому же уровень создаваемых на установке ЦИАМ амплитуд пульсаций давления на порядок ниже амплитуд давления, возникающих в камере сгорания двигателя при вибрационном горении.
Известно устройство, содержащее рабочую камеру, внутри которой располагается нагревательный элемент, к которой подключаются температурный датчик, контрольный и испытуемый датчики давления. Колебания давления создаются с помощью диска сирены с отверстиями, по мере вращения которого перекрываются отверстия сброса газа из рабочей камеры [Патент на полезную модель «Устройство для динамической тарировки пневматических датчиков давления РФ №157068; получен 27.11.2015»]. Недостатком данного устройства, также, как и генератора ЦИАМ, является его неспособность создавать высокоамплитудные колебания давления из-за ограниченности пропускной способности перекрываемого диском сирены отверстия отвода газа.
Наиболее близким по технической сущности является высокотемпературный, высокоскоростной ротационный клапан, содержащий корпус, в высокотемпературной камере которого размещен диск, соединенный валом на подшипниках посредством муфты с валом электродвигателя, к высокотемпературной камере присоединены патрубки подвода газа и отвода газа, на периферии диска равномерно по окружности выполнен ряд осевых отверстий с шагом равным их диаметру, к высокотемпературной камере присоединены патрубки подвода газа и отвода газа, примыкающие с небольшим зазором к отверстиям в диске [Патент США «Высокотемпературный, высокоскоростной ротационный клапан US 5913329 А опубл. 10.02.1976»].
Недостатком данной конструкции, принятой в качестве прототипа, является низкая температура в так называемой высокотемпературной камере (до 250°С), ограниченность диапазона частот возбуждаемых колебаний давления (до 100 Гц) и малые амплитуды колебаний давления из-за ограниченности пропускной способности перекрываемого диском сирены отверстийподвода и отвода газа.
Целью изобретения является повышение амплитуды и частоты генерируемых колебаний давления, увеличение диапазона температуры газа за счет ряда конструктивных мероприятий.
Указанная цель достигается за счет того, что высокотемпературном, высокоскоростном ротационном клапане, содержащем корпус, в высокотемпературной камере которого размещен диск, соединенный валом на подшипниках посредством муфты с валом электродвигателя, к высокотемпературной камере присоединены патрубки подвода газа и отвода газа, отличающийся тем, что к высокотемпературной камере присоединен экспоненциальный насадок, обращенный к ней со стороны его большего диаметра, а со стороны меньшего диаметра насадок соединен с емкостью, в которой размещены контрольный датчик пульсаций давления, средство измерения давления, установленное с возможностью калибровки, и нагревательный элемент, при этом в высокотемпературной камере равномерно по окружности выполнены радиально два ряда отверстий подвода газа и отвода газа с шагами, равными двум диаметрам отверстий, причем отверстия подвода газа смещены по окружности на один диаметр относительно отверстий отвода газа и все эти отверстия охвачены кожухом, разделенным на две несвязанные полости, выполненные в виде коллектора подвода газа и коллектора отвода газа, примыкающие к соответствующим рядам отверстий, а сами коллекторы соединены соответственно с патрубками подвода газа и отвода газа, диск выполнен с цилиндрической обечайкой, в которой выполнены по окружности два ряда радиальных отверстий, выполненных аналогично отверстиям в корпусе и примыкающих соответственно к ним с небольшим зазором, площади проходных сечений патрубков подвода газа и отвода газа больше суммарной площади отверстий соответственно в рядах отверстий подвода и отвода газа в высокотемпературной камере.
Устройство охарактеризовано следующими чертежами:
На Фиг. 1 представлен общий вид высокотемпературного высокоскоростного роторного клапана в плане;
на Фиг. 2 представлен Вид А, поясняющий характер взаимного расположения сквозных отверстий на роторе клапана.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 схематически изображен предлагаемый высокотемпературный, высокоскоростной ротационный клапан для генерации колебаний рабочих сред (газа), содержащий корпус 1, в высокотемпературной камере 2 которого размещен диск 3, соединенный валом 4 на подшипниках 5 посредством муфты 6 с валом 7 электродвигателя 8, патрубки подвода газа 9 и отвода газа 10. К высокотемпературной камере 2 присоединен экспоненциальный насадок 11, обращенный к ней со стороны его большего диаметра 12, а со стороны меньшего диаметра 13 экспоненциальный насадок 11 соединен с емкостью 14, в которой размещены контрольный датчик пульсаций давления 15, калибруемое средство измерения давления 16, например, зонд пульсаций давления и нагревательный элемент 17 в виде теплоэлектронагревателя (ТЭНа). В высокотемпературной камере 2 равномерно по окружности выполнены два ряда радиальных отверстий подвода газа 18 и отвода газа 19 с шагами, равными двум диаметрам отверстий, причем отверстия подвода газа 18 смещены по окружности на один диаметр относительно отверстий отвода газа 19 и все эти отверстия охвачены кожухом 20, разделенным на две несвязанные полости, выполненные в виде коллектора подвода газа 21 и коллектора отвода газа 22, примыкающие к соответствующим рядам отверстий, а сами коллекторы 21 и 22 соединены с соответствующими патрубками подвода газа 9 и отвода газа 10. Диск 3 выполнен с цилиндрической обечайкой 23, в которой выполнены по окружности два ряда радиальных отверстий 24 и 25, выполненные аналогично отверстиям 18 и 19 в высокотемпературной камере 2 и примыкающих соответственно к ним с небольшим зазором. Площади проходных сечений патрубков подвода газа 9 и отвода газа 10 больше суммарной площади отверстий соответственно в рядах отверстий подвода газа 18 и отвода газа 19 в высокотемпературной камере 2.
пер
пер
отв
диск
диск
отв
обеч
отв
обеч
отв
ген
пер
Принцип действия предлагаемого устройства, основан на периодическом одновременном открытии всех окон 18 в коллекторе 21 и соединении их со всеми окнами 24 в диске 3в течение времени τ=Т/2, где Т=60⋅/(N⋅n) - период генерируемых колебаний давления, c; n - частота вращения диска, об/мин; N=D/(2⋅d) - число отверстий 24 в обечайке 23 диска 5 в одном ряду; D - диаметр обечайки 23 диска 3, мм; d - диаметр отверстий 24 в диске 3, мм. По истечении времени τ, аналогично происходит соединение всех окон 19 в коллекторе 22 со всеми окнами 25 в диске 3. Таким образом, в высокотемпературной камере происходит попеременно то подвод газа, то отвод газа, что сопровождается изменением давления в ней с частотой генерации ƒ=1/Т, Гц.
ген
отв
обеч
патр
патр
2
2
2
2
Выбор параметров диска и отверстий производится следующим образом. Если наибольшая частота генерации задана, например ƒ=4000 Гц, то при заданных d=8 мм и D=160 мм можно определить число отверстий  и требуемую частоту вращения диска  При этом площади проходных сечений патрубков 9 и 10S должны быть больше суммарной площади отверстий в одном ряду, то есть  что соответствует диаметру их отверстия  Для рассмотренного примера диаметр патрубков будет равен d≥=31,6 мм. Ввысокотемпературном, высокоскоростном ротационном клапане предлагаемой конструкции амплитуда колебаний давления в высокотемпературной камере будет близка к половине разницы давлений давлений в патрубках подвода и отвода газ. Например, если давление в патрубке подвода газа 20 кгс/см, а в патрубке отвода газа 14 кгс/см, то амплитуда колебаний давления в высокотемпературной камере будет примерно 3 кгс/см при среднем давлении 17 кгс/см.
Дополнительное усиление колебаний давления достигается за счет присоединения экспоненциального насадка к высокотемпературной камере. При этом коэффициент усиления колебаний давления в полости с испытуемым средством измерения давления определяется отношением большого диаметра к малому диаметру насадка по его концам, то есть, если большой диаметр равен диаметру обечайки 160 мм, а малого диаметра 40 мм, то коэффициент усиления буде равен четырем.
Для реализации аналогичных условий генерирования колебаний давления в устройстве прототипе понадобился бы диск с десятью отверстиями диаметром 31,6 мм, что привело бы к существенному увеличению его размеров и дополнительными требованиями по его динамической балансировке при частоте вращения его ротора 24000 об/мин или реализации колебаний давления только в области низких частот.
Увеличение температуры газа обеспечивается за счет отдаления рабочей испытательной зоны от высокотемпературной камеры и размещением в этой зоне электрического нагревательного элемента. При этом исключается нагрев вращающего диска, подшипников привода и других корпусных элементов до высоких температур, что повышает надежность высокотемпературного, высокоскоростного ротационного клапана.
2
Таким образом предлагаемый авторами высокотемпературный, высокоскоростной ротационный клапан обладает существенными отличиями от прототипа, позволяющими генерировать колебания давления до высоких частот (4000 Гц) с большими амплитудами (до 3 кгс/см) и условиями по температуре газа, близкими к наблюдающимся в камере сгорания газотурбинного двигателя (более 1000°С.