УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ГАЗОВОГО КЛАПАНА ДИРИЖАБЛЯ
DEVICE FOR AUTOMATIC GAS VALVE OF AIRSHIP

Изобретение относится к авиации, в частности к воздухоплаванию, а именно к устройству автоматических газовых клапанов дирижабля.
Автоматические газовые клапаны дирижабля используются для автоматического выпуска газа из оболочки во избежание ее разрушения, когда внутреннее давление превышает допустимое.
Автоматический газовый клапан должен удовлетворять группе важных требований:
- равнопрочность элементов конструкции;
- малый общий вес и минимальный вес подвижных деталей кинематики;
- простота конструкции при минимальном количестве деталей;
- надежность и безударность действия кинематики;
- сравнительно невысокая себестоимость изготовления;
- длительная герметичность в условиях эксплуатации;
- исключение возможности перекоса между посадочным поясом тарелки и седла клапана;
- невозможность самопроизвольного открытия клапана от инерционных сил при пространственных эволюциях дирижабля;
- низкое аэродинамическое сопротивление;
- доступность для осмотра и регулировки;
- простота монтажа и демонтажа.
Известно устройство автоматического газового клапана дирижабля (Ю.С. Бойко «Воздухоплавание в изобретениях». М.: Транспорт. 1999 г., Патент Германии №365960, с. 89, рис. 75. Клапан фирмы Цеппелин), в котором тарелка клапана через шкив и ролики подвешена на тросах, а сам шкив посредством пружины связан с корпусом.
Недостатком этого устройства автоматического газового клапана является ударная посадка тарелки клапана на седло в момент закрытия проходного сечения, что способствует случайному распределению удельной нагрузки по контактирующей поверхности посадочного пояса, ее неравномерному износу и, в конечном итоге, создает высокую вероятность нарушения герметичности уплотнения клапана. Нарушение герметичности приводит к росту потерь несущего газа из оболочки и сопровождается уменьшением подъемной силы дирижабля. Это особенно опасно при полетах с большим удалением от аэропортов или мест базирования.
Известно устройство автоматического газового клапана дирижабля (Ю.С. Бойко «Воздухоплавание в изобретениях». М.: Транспорт. 1999 г., Патент Германии №365960, с. 87, рис. 73), в котором тарелка клапана подвешена непосредственно на пружине.
Недостатком этого устройства автоматического газового клапана является прямая зависимость рабочего хода тарелки клапана от силы растяжения пружины при открытии проходного сечения. В такой конструкции неизбежные пульсации давления истекающего потока возбуждают автоколебания тарелки клапана относительно корпуса.
В качестве прототипа выбрано устройство автоматического газового клапана дирижабля (Ю.С. Бойко «Воздухоплавание в изобретениях». М.: Транспорт. 1999 г., Патент Германии №365960, с. 89, рис. 75. Клапан фирмы Цеппелин). Основным недостатком этого устройства является ударная посадка тарелки клапана на седло в момент закрытия проходного сечения с высокой вероятностью наступления отмеченных выше последствий.
Автоколебания тарелки клапана относительно корпуса у прототипа предотвращаются уменьшением плеча между осью вращения шкива и линией действия силы сопротивления пружины в процессе открытия клапана. Принцип переменного плеча для силы сопротивления пружины характерен для большинства современных газовых клапанов дирижаблей и в том или ином исполнении всегда должен быть обеспечен при создании новых конструкций.
Задачей изобретения является создание устройства автоматического газового клапана дирижабля, в котором постоянно поддерживается герметичность посадочного пояса клапана и исключается ударная посадка тарелки на седло путем обеспечения возможности притирки посадочного пояса при каждом рабочем ходе и возможности получения минимального значения осевой поступательной скорости тарелки клапана в момент ее контакта с седлом.
Задача изобретения решается тем, что предложено устройство автоматического газового клапана дирижабля, в котором с целью реализации функции притирки посадочного пояса тарелки при каждом рабочем ходе и обеспечения посадки клапана на седло без удара тарелка клапана имеет возможность совмещенного прямолинейного и вращательного возвратно-поступательного движения. Для этого она снабжена по меньшей мере тремя упругими элементами, распределенными по окружности и шарнирно закрепленными одним концом на поверхности тарелки клапана, а другим на корпусе с возможностью свободы упругой деформации в окружном направлении, причем в исходном состоянии при закрытом клапане упругие элементы отклонены от вертикали в окружном направлении и зафиксированы упорами на начальном угле не менее 5°.
Технический результат характеризуется следующими существенными признаками:
С целью реализации функции притирки посадочного пояса тарелки при каждом рабочем ходе и обеспечения посадки клапана на седло без удара тарелка клапана имеет возможность совмещенного прямолинейного и вращательного возвратно-поступательного движения, для чего снабжена по меньшей мере тремя упругими элементами, распределенными по окружности и шарнирно закрепленными одним концом на поверхности тарелки клапана, а другим на корпусе с возможностью свободы упругой деформации в окружном направлении, причем в исходном состоянии при закрытом клапане упругие элементы отклонены от вертикали в окружном направлении и зафиксированы упорами на начальном угле не менее 5°.
i
На Фиг. 1 показан общий вид устройства автоматического газового клапана дирижабля в сборе. На Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4 показана схема автоматического газового клапана дирижабля в положении «Закрыт», в положении «Частично открыт» и в положении «Полностью открыт». На Фиг. 5 изображена схема реализации принципа переменного плеча L для вертикальной составляющей силы N сопротивления деформации упругого элемента. На Фиг. 6 показаны графики изменения относительной линейной осевой и линейной окружной скорости движения тарелки клапана до момента контакта с седлом.
Устройство автоматического газового клапана дирижабля по Фиг. 1 включает в себя корпус (1), на котором закреплен «паук» (2) с направляющей (3). Тарелка клапана (4) имеет центральный штырь (5) с диаметром, равным диаметру направляющей (3). Штырь (5) вставлен в направляющую (3) и имеет в нем свободу продольного и окружного возвратно-поступательного движения в пределах рабочего хода тарелки клапана. Упругие элементы (6) могут быть выполнены, например, пластинчатыми или проволочными. Они имеют торцевые узлы крепления (7) и (9). Узел (7) имеет два взаимно перпендикулярных шарнира (8) и (9). Узел (10) имеет только один вертикальный шарнир, ось которого параллельна центральной оси клапана. Двухшарнирный узел (7) упругого элемента закреплен на поверхности, перпендикулярной центральной оси клапана и приближен к наружному диаметру тарелки клапана. Одно шарнирный узел (10) упругого элемента закреплен вблизи внешнего радиуса ребра «паука». По периметру диаметра тарелки клапана распределены по меньшей мере три упругих элемента. В положении клапана «Закрыт» упругие элементы отклонены в окружном направлении от вертикали на начальный угол не менее 5°, который задан регулируемыми упорами.
Зафиксированный начальный угол необходим для обеспечения гарантированного контакта тарелки с седлом клапана, для задания направления деформации упругих элементов и для выполнения тарировки момента срабатывания автоматического клапана на предельный перепад давления. Фиксация начального угла отклонения упругих элементов предусмотрена при помощи регулируемых упоров тарелки клапана, которые могут располагаться, например, на периметре тарелки клапана с ответной частью на корпусе.
Шарнирное закрепление торцов упругих элементов обеспечивает свободу их поворота в горизонтальной плоскости в процессе открытия или закрытия клапана и свободу поворота торца упругого элемента в окружном направлении относительно узла, прикрепленного к тарелке.
Переменный осевой зазор в вертикальном шарнире узла крепления упругого элемента к корпусу компенсирует притирочный износ герметизирующего слоя посадочного пояса тарелки клапана.
Устройство автоматического газового клапана дирижабля работает следующим образом (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6):
max
i
0
max
В момент достижения давления в оболочке выше давления настройки клапана, тарелка (4) отходит от седла корпуса (1) (Фиг. 1, Фиг. 2). Штырь (5) перемещается по направляющей (3), обеспечивая осесимметричный рабочий ход. Одновременно упругие элементы (6) деформируются в окружном направлении, задавая тарелке (4) вращательное движение (Фиг. 1, Фиг. 3). Сложение поступательного и вращательного движения тарелки клапана сопровождает весь процесс открытия клапана до достижения положения «Полностью открыто» (Фиг. 4, Фиг. 5) при h. При этом плечо L действия вертикальной составляющей силы сопротивления упругого элемента (6) (Фиг. 1, Фиг. 5), увеличивается в течение рабочего хода от L до L, что свидетельствует о выполнении требования, связанного с принципом переменного плеча.
После выпуска из оболочки дирижабля некоторого количества газа давление в ней снижается настолько, что на площади тарелки клапана (4) возникает сила, направленная в сторону закрытия клапана. Тарелка начинает ускоренное обратное движение. Однако, благодаря связи с упругими элементами (6), деформированными в окружном направлении, на обратном ходе она также совершает совмещенное поступательное и вращательное движение. Поэтому линейная скорость тарелки вдоль центральной оси сначала умеренно растет, затем интенсивно уменьшается до минимума (график Фиг. 6), а линейная окружная скорость тарелки в течение всего рабочего хода интенсивно растет до момента контакта с седлом клапана по касательной траектории (график Фиг. 6). Таким образом, к моменту посадки клапана на седло, падение осевой поступательной скорости до минимума исключает явление удара, а достижение максимальной линейной окружной скорости обеспечивает эффект притирки контактирующих поверхностей, гарантируя сохранение длительной герметичности закрытого положения.
Предложенное устройство автоматического газового клапана дирижабля позволило:
1. Устранить явление ударной посадки тарелки клапана на седло, что повышает надежность его работы и значительно снижает вероятность нарушения герметичности.
2. Обеспечить процесс притирки контактирующих поверхностей в каждом рабочем ходе. В результате не только корректируется состояние герметичности клапана, но и снижается вероятность нарушения герметичности из-за попадания посторонних частиц в зону контакта.
3. Повысить, по сравнению с современными аналогами, эксплуатационную надежность клапана благодаря тому, что все основные функции в нем реализованы в более простой конструкции, с меньшим количеством деталей и подвижных соединений.
4. Приспособить конструкцию клапана к условиям реализации принципа модульности и универсальности. Становится возможным из одних и тех же деталей с добавлением новых создавать для дирижаблей и аэростатов автоматические, управляемые и комбинированные клапаны с различной пропускной способностью.