ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН ГОРЯЧЕГО ГАЗА
HOT GAS GAS-DISTRIBUTING VALVE

Изобретение относится к области машиностроения и направлено на совершенствование конструкций газораспределительных клапанов, работающих в условиях температур до 1900К и давлений до 8МПа и используемых для управления вектором тяги летательных аппаратов.
Известна конструкция вращающегося клапана для горячего газа, состоящая из корпуса с входным и выходным патрубками с расходными отверстиями. В корпусе с кольцевым зазором и с возможностью вращения установлена полая цилиндрическая заслонка, на боковой поверхности которой выполнено расходное отверстие, которое совмещается с расходным отверстием выходного патрубка (патент США №3276466, НКИ 137-339, 1966 г.).
Недостаток этой конструкции состоит в наличии зазора между заслонкой и корпусом, который определяется двумя составляющими:
- наличие зазора из-за допусков на изготовление;
- наличие теплового зазора за счет прогрева конструкции.
Величина зазора может быть значительной, а это непроизводительные расходы горячего газа.
Известна конструкция газораспределительного клапана для горячего газа, состоящая из корпуса с входным и выходным патрубками, опорного узла, образованного цилиндрической поверхностью седла с расходным отверстием, контактирующего с цилиндрическим регулирующим элементом, выполненным с расходным осесимметричным окном, установленным с возможностью поворота и кинематически связанным с зафиксированным от перемещений валом, при этом опорный узел образован двумя выступами, выполненными на седле и имеющими соосные валу сквозные отверстия, образующие цилиндрических поверхностей которых совмещены с цилиндрической поверхностью седла, а ширина расходного окна регулирующего элемента превышает ширину расходного отверстия седла с обеих сторон (патент РФ №2194206, кл.7 F16K 5/04, 2002 г.).
Недостаток этой конструкции заключается в том, что при использовании для регулирующего элемента графитовых, углерод-углеродных или керамических материалов, уменьшающих величину шарнирного момента за счет снижения коэффициента трения, возможно разрушение регулирующего элемента в момент полного перекрытия расходного отверстия седла по причине ослабленной стенки регулирующего элемента, в котором ось расходного отверстия седла проходит через ось его цилиндрической поверхности, а также нелинейность расходной характеристики (зависимость изменения площади седла от угла поворота вала).
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности работы газораспределительного клапана горячего газа при использовании регулирующих элементов, выполненных из керамических, графитовых или углерод-углеродных материалов.
Указанная цель достигается тем, что в газораспределительном клапане горячего газа, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, седло с расходным отверстием и опорным узлом, образованным двумя выступами, выполненными на седле и имеющими соосные с валом сквозные отверстия, образующие цилиндрических поверхностей которых совмещены с цилиндрической поверхностью седла, установленный в седло по цилиндрической поверхности с возможностью поворота и кинематически связанный с валом цилиндрический регулирующий элемент, расходное отверстие седла в месте контакта с регулирующим элементом выполнено прямоугольным, две стороны расходного отверстия седла перпендикулярны оси его цилиндрической поверхности, а в регулирующем элементе выполнена выемка, которая в сечении, перпендикулярном его цилиндрической поверхности, образована радиальной поверхностью, крайние точки которой находятся на диаметрально противоположных сторонах цилиндрической поверхности регулирующего элемента, а ее радиус равен , где
r - расстояние между крайними точками расходного отверстия седла в поперечном сечении регулирующего элемента,
d - величина цилиндрического диаметра регулирующего элемента,
при этом выемка на регулирующем элементе выполнена на всю длину его цилиндрической поверхности, и клапан снабжен с противоположной стороны от входного патрубка дополнительными выходным патрубком, седлом и заслонкой, выполненными одинаковыми с основными.
На фиг.1 изображен общий вид газораспределительного клапана горячего газа (в разрезе); на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3-вид Б на фиг.1; на фиг.4 - то же, что и на фиг.2, в увеличенном масштабе; на фиг.5 -вариант использования газораспределительного клапана (в разрезе).
Газораспределительный клапан горячего газа (фиг.1) состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, опорного узла 4, седла 5 с расходным отверстием 6, контактирующего с цилиндрическим регулирующим элементом 7, выполненным с расходной выемкой 8. Контакт седла и регулирующего элемента происходит по цилиндрическим поверхностям. Регулирующий элемент 7 установлен с возможностью поворота и кинематически связан с валом 9. Опорный узел 4 образован двумя выступами 10, выполненными на седле 5 и имеющими соосные регулирующему элементу 7 сквозные отверстия 11, образующие цилиндрических поверхностей которых совмещены с цилиндрической поверхностью 12 седла 5. Ширина Н расходной выемки 8 регулирующего элемента 7 превышает ширину h расходного отверстия 6 седла 5 с обеих сторон. Корпус 1 закрыт крышкой 13 и загерметизирован уплотнительными кольцами 14 и 15. На валу 9 установлен рычаг 16. Внутренняя полость корпуса защищена от прогрева теплозащитным покрытием 17.
Выемка 8 в поперечном сечении регулирующего элемента образована радиальной поверхностью (фиг.2), крайние точки которой 18 и 19 находятся на диаметрально противоположных сторонах цилиндрической поверхности регулирующего элемента, а ее радиус R равен величине , где
r - расстояние между крайними точками расходного отверстия седла в поперечном сечении,
d - величина наружного цилиндрического диаметра заслонки.
Радиальная выемка может быть выполнена на всю длину цилиндрической поверхности регулирующего элемента, контактирующей с цилиндрической поверхность седла.
Расходное отверстие седла 5 для обеспечения линейной расходной характеристики выполнено прямоугольной формы (фиг.3), при этом две из сторон прямоугольника 20 и 21 перпендикулярны оси 22 цилиндрической поверхности регулирующего элемента 7, контактирующей с цилиндрической поверхностью седла.
При работе горячие газы поступают через входной патрубок 2 внутрь корпуса 1 и истекают через отверстие 6 седла 5 наружу, создавая необходимое управляющее усилие. Выполнение выемки 8 предложенной формы в регулирующем элементе увеличивает толщину регулирующего элемента, что обеспечивает необходимую прочность при изготовлении его из керамических, графитовых и углерод-углеродных материалов. Результатами испытаний это подтверждено. При одинаковых размерах седла и регулирующего элемента, когда отверстие в регулирующем элементе было выполнено, как в прототипе, произошло его разрушение при полном закрытии расходного отверстия 6 седла 5. Предложенная конструкция не разрушилась.
Выполнение выемки и расходного отверстия седла предложенной формы обеспечивало линейное увеличение расхода горячего газа при открытии расходного отверстия седла, т.к. отсутствовало пережатие потока горячих газов.
На фиг.4 видно, что при таком выполнении выемки 8 все время идет увеличение расходной площади клапана. В случае когда R равен ∞, т.е. выемка заслонки выполнена по линии В-В, при полном открытии расходного отверстия 6 седла 5 происходит пережатие потока b<r и не происходит увеличения расходной площади клапана при дальнейшем открытии. То же происходит, когда радиальная поверхность выемки 8 при полностью открытом расходном отверстии 6 седла 5 пересекает цилиндрическую поверхность 23, образованную радиусом r.
В крайнем положении, когда полностью открыто расходное отверстие седла, радиальная поверхность выемки должна быть как максимум касательна к радиальной поверхности, образованной радиусом r - расстоянием между крайними точками расходного отверстия седла в поперечном сечении регулирующего элемента фиг.4).
Так как точно выполнить размер R невозможно, то с учетом допусков он должен быть равен
Выполнение R меньшего размера приводит к снижению прочности регулирующего элемента. Выполнение R большего размера приводит к уменьшению максимального расходного сечения клапана.
Выполнение расходного отверстия седла прямоугольной формы обеспечивает линейную расходную характеристику клапана, что упрощает систему управления.
Т.к. крайние точки выемки 8 регулирующего элемента 7 находятся на диаметрально противоположных сторонах его цилиндрической поверхности, обеспечивается максимальная толщина регулирующего элемента при закрытом положении расходного отверстия 6 седла 5, что улучшает его прочность.
Выполнение выемки на всю длину цилиндрической поверхности регулирующего элемента улучшает подвод горячего газа к расходному отверстию седла, что увеличивает коэффициент расхода.
Для обеспечения реверса тяги газораспределительный клапан (фиг.5) снабжен с противоположной стороны от входного патрубка 2 дополнительным выходным патрубком 24, седлом 25 и заслонкой 26, выполненными одинаковыми с основными. Дополнительный патрубок 24 может быть размещен под любым углом, что определяется условиями компоновки, а дополнительные выходной патрубок 24, седло 25 и заслонка 26 для упрощения изготовления выполнены одинаковыми с основными.
Выполнение их одинаковыми обеспечивает унификацию изделий и упрощает систему управления.
На фиг.5 показано положение, когда расходное отверстие одного седла полностью открыто, а другого - полностью закрыто.
Таким образом, как видно из вышеизложенного, повышается надежность работы клапана за счет уменьшения величины шарнирного момента и увеличения прочности регулирующего элемента при использовании для регулирующего элемента керамических, графитовых или углерод-углеродных материалов, обеспечивается постоянное увеличение расходной площади седла и линейность его расходной характеристики (изменение расходной площади седла от угла поворота регулирующего элемента), увеличение коэффициента расхода (отношение фактической расходной площади седла к ее геометрическому значению), обеспечивается реверс тяги и упрощается система управления.