ЗАТВОР С ФУНКЦИЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ
THERMAL PROTECTION VALVE

Изобретение касается затвора с функцией термической защиты согласно ограничительной части пункта 1. В частности, изобретение относится к гидродинамическим турбомашинам, рабочее пространство которых по отношению к внешней среде закрыто затвором с функцией термической защиты.
Затворы с функцией термической защиты известны. Такие затворы служат для герметизации полого пространства, например рабочего пространства гидродинамической муфты, которое заполнено рабочим веществом, по отношению к окружающей среде. Такой затвор, как правило, вставлен в корпус, который непосредственно формирует полое пространство или, по меньшей мере, опосредованно окружает. Затвор находится в термически проводящем соединении с содержимым полого пространства, которое, например, содержит рабочую среду в форме текучей среды.
Функция термической защиты в смысле данного изобретения означает, что затвор, который воспринимает температуру в зависимости от температуры внутри полого пространства, ниже заданного предельного значения температуры является непроницаемым для текучей среды и автоматически открывается при температуре выше заданного предельного значения. Это служит, например, при применении в гидродинамической турбомашине, в частности в гидродинамической муфте, для того, чтобы обеспечить автоматический сброс рабочей среды из гидродинамической муфты при достижении недопустимого верхнего значения предельной температуры. Благодаря этому можно избежать чрезмерного перегрева гидродинамической муфты.
Известные затворы с функцией термической защиты сформированы в виде винта плавкого предохранительного элемента. Такой винт плавкого предохранительного элемента согласно уровню техники показан на фиг.1. Винт плавкого предохранительного элемента имеет основную часть, в которой выполнено проходное отверстие. Проходное отверстие закрыто непроницаемым для жидкости плавким припоем, который нанесен по всему сечению сквозного отверстия со значительной толщиной. Подготовленный таким образом винт плавкого предохранительного элемента ввинчивается в отверстие окружающей стенки закрываемой полости, например, в корпус гидродинамической турбомашины и герметизируется по отношению к стенке кольцевым уплотнением ниже головки болта.
3
Для того чтобы противостоять высокому давлению внутри полого пространства и гарантировать надежную функцию закрытия, необходимо нанести припой значительной толщины по всему сечению проходного отверстия в винте плавкого предохранителя. Это приводит к относительно большому количеству припоя. При использовании такого винта плавкого предохранителя в стенке корпуса гидродинамической муфты требуется, например, 700 кубических миллиметров (мм) объема припоя, если следует надежно закрыть проходное отверстие диаметром 9 миллиметров в винте плавкого предохранителя.
Из US 5398794 А, кл. F16D 9/02, 21.03.1995 известно устройство, которое содержит тепловой затвор с функцией термической защиты, имеющий корпус затвора для герметизации запираемого полого пространства и плавкий предохранительный элемент, который расположен в проходном отверстии, выполненном в корпусе затвора.
Известные затворы с функцией термической защиты имеют недостатки. Существенным недостатком является значительное время срабатывания, когда температура внутри закрываемого полого пространства достигает своей заданной предельной величины. Это длится значительное время и может возникнуть значительная сверхтемпература, пока не расплавится относительно большое количество плавкого припоя и не освободит проход. Как правило, в течение времени, при котором проход еще не освобожден, температура внутри закрытого рабочего пространства продолжает повышаться, что ведет к значительной сверхтемпературе.
Эта задержка срабатывания дополнительно увеличивается, если температура окружающей среды или, соответственно, температура корпуса, окружающего закрытое полое пространство, четко находится ниже температуры полого пространства. В этом случае плавкий припой охлаждается над корпусом винта снаружи, что противодействует плавлению.
При применении такого винта плавкого предохранителя в гидродинамических муфтах могут возникать сверхтемпературы, например, примерно 50 К, это означает, что температура рабочей среды примерно на 50 К выше, чем номинальная температура плавкого припоя. Это повышение температуры зависит от скорости нагрева рабочей среды.
Известное из US 5398794 А, кл. F16D 9/02, 21.03.1995 устройство содержит гидродинамическую турбомашину, в частности гидродинамическую муфту, с рабочим пространством, которое заполнено рабочей средой, нагревающейся при эксплуатации турбомашины, причем рабочее пространство закрыто по отношению к окружающей среде при помощи затвора с функцией термической защиты.
В основу изобретения положена задача предложить затвор с функцией термической защиты, который является улучшенным по отношению к уровню техники и, в частности, имеет надежную функцию открывания с коротким временем срабатывания. В частности, такой затвор должен подходить для применения при герметизации рабочего пространства гидродинамической турбомашины, в частности гидродинамической муфты.
Эта задача решается затвором с функцией термической защиты, содержащим корпус затвора для герметизации запираемого полого пространства; плавкий предохранительный элемент, который расположен в проходном отверстии, выполненном в корпусе затвора, причем согласно изобретению корпус затвора охватывает болт, который вставлен в проходное отверстие корпуса затвора и закрывает проходное отверстие, причем плавкий предохранительный элемент соединяет болт с внутренней поверхностью корпуса затвора в проходном отверстии.
3
3
Плавкий предохранительный элемент является плавким припоем с объемом припоя менее чем 350 мм, в частности менее чем 150 мм.
Задача в затворе с функцией термической защиты, содержащем корпус затвора для герметизации закрывающегося полого пространства и плавкий предохранительный элемент, который расположен в проходном отверстии, выполненном в корпусе затвора, согласно изобретению решается также тем, что корпус затвора охватывает втулку с проходным отверстием и болт, который вставлен в это проходное отверстие и закрывает проходное отверстие, причем плавкий предохранительный элемент соединяет друг с другом втулку и болт.
Болт вставлен во втулку таким образом, что при отделении болта от втулки он выходит в заданном направлении выхода; корпус затвора содержит основную часть, к которой присоединена втулка; основная часть имеет отверстие, которое расположено рядом с втулкой в направлении выхода болта таким образом, что оно принимает болт при его отделении от втулки; основная часть имеет проходные отверстия, которые находятся в потокопроводящем соединении с отверстием, причем это отверстие находится в потокопроводящем соединении с проходным отверстием втулки при отделенном болте.
Втулка вставлена в отверстие основной части таким образом, что отверстие основной части и проходное отверстие во втулке находятся друг с другом на одной оси.
Плавкий предохранительный элемент представляет собой плавкий припой, в частности эвтектический плавкий припой, который вводится между внешним периметром болта и внутренним периметром проходного отверстия во втулке.
Плавкий предохранительный элемент до достижения своей точки плавления создает соединение с геометрическим и/или силовым замыканием между втулкой и болтом.
Втулка герметизирована и/или термически изолирована по отношению к основной части при помощи уплотнительного элемента, в частности кольцевого уплотнения.
Болт имеет глухое отверстие, которое расположено на одной оси с проходным отверстием во втулке и открытая сторона которого находится в потокопроводящем соединении с проходным отверстием, причем припой располагается радиально снаружи глухого отверстия.
Втулка и болт выполнены из меди, а основная часть выполнена из латуни.
Основная часть выполнена в виде винта с наружной резьбой.
3
3
Плавкий предохранительный элемент является плавким припоем с объемом припоя менее чем 350 мм, в частности менее чем 150 мм.
Болт имеет на своем конце выступающую радиально наружу головную область, которая расположена противоположно торцевой области втулки, причем между торцевой областью втулки и головной областью установлена пружина сжатия в сжатом состоянии.
Затвор согласно изобретению имеет корпус затвора, который может вставляться в герметизируемое отверстие. Например, корпус затвора может вставляться в стенку корпуса гидродинамической турбомашины, в частности гидродинамической муфты, чтобы таким образом герметизировать рабочее пространство внутри корпуса муфты относительно окружающей среды.
Затвор имеет плавкий предохранительный элемент, который вставлен в корпус затвора. Плавкий предохранительный элемент расположен в проходном отверстии, которое сформировано в корпусе затвора, и держит его закрытым при температуре ниже заданной предельной температуры. Выше заданной предельной температуры плавкий предохранительный элемент плавится и тем самым освобождает проходное отверстие в корпусе затвора. При этом не является необходимым и, как правило, не предусматривается, чтобы плавкий предохранительный элемент непосредственно закрывал полностью проходное отверстие. Согласно форме осуществления изобретения в корпусе затвора согласно изобретению выполняется проходное отверстие или, соответственно, проход, в которое или который вставлен болт. Плавкий предохранительный элемент соединяет болт с геометрическим замыканием с корпусом затвора, а именно так долго, пока плавкий предохранительный элемент имеет температуру ниже температуры плавления. Таким образом, болт удерживается в закрытом состоянии в проходном отверстии в корпусе затвора при температуре ниже точки плавления. Плавкий предохранительный элемент, который преимущественно является плавким припоем, помещается преимущественно между внешним объемом болта и внутренним объемом проходного отверстия в корпусе затвора и поэтому имеет форму кольца.
Согласно дальнейшей форме осуществления затвора по изобретению в корпус затвора вставлена втулка с проходным отверстием. В проходное отверстие втулки, в свою очередь, вставлен болт, который закрывает проходное отверстие. Как втулка, так и болт могут иметь, например, полое цилиндрическое или, соответственно, цилиндрическое сечение.
Также при второй форме осуществления затвора согласно изобретению, плавкий предохранительный элемент вводится таким образом, что он соединяет между собой втулку и болт с геометрическим замыканием до достижения температуры плавления, так что болт при температуре ниже заданной предельной температуры надежно удерживается во втулке, закрывая проходное отверстие во втулке.
Согласно предпочтительному варианту осуществления затвор имеет основную часть, которая служит для того, чтобы захватывать болт, который выше температуры срабатывания после плавления плавкого предохранительного элемента выходит из проходного отверстия во втулке. Поэтому болт вставлен во втулку преимущественно таким образом, что он при отделении из втулки выходит в заданном направлении выхода. Основная часть имеет отверстие, которое расположено вблизи втулки в направлении выхода болта. Основная часть имеет одно или несколько проходных отверстий, которые выходят в отверстие, так что при отделенном из втулки болте через затвор обеспечивается потокопроводящее соединение.
Плавкий предохранительный элемент является преимущественно плавким припоем, в частности эвтектическим плавким припоем, который вводится между внешним объемом болта и внутренним объемом проходного отверстия во втулке. Болт, таким образом, впаян плавким припоем в сквозном отверстии втулки.
Болт и/или втулка изготовлены преимущественно из материала с высокой теплопроводностью, например, из меди или латуни.
Пример осуществления затвора согласно изобретению далее поясняется подробнее по сравнению с затвором согласно уровню техники при помощи приведенных чертежей.
Показаны:
Фиг.1: затвор согласно уровню техники;
Фиг.2: выполненный согласно изобретению затвор в одном варианте осуществления в собранном состоянии и состоянии после произошедшего разъединения;
Фиг.3: схематично - способ изготовления затвора согласно изобретению в первой форме осуществления;
Фиг.4: гидродинамическая муфта с затвором согласно изобретению по сравнению с уровнем техники;
Фиг.5: предпочтительное осуществление затвора согласно изобретению в первой форме осуществления.
На фиг.1 показан затвор согласно уровню техники. Как видно, затвор имеет корпус 1 затвора с проходным отверстием 1.1, которое закрыто плавким предохранительным элементом 2. Плавкий предохранительный элемент 2 является плавким припоем, который помещается по всему сечению проходного отверстия 1.1 и имеет значительную толщину.
Затвор согласно уровню техники, который вставлен в корпус гидродинамической муфты, дополнительно изображен на фиг.4а и 4b. Такой затвор в гидродинамической муфте имеет задержку срабатывания, которая ведет к превышению температуры рабочего вещества примерно до 50 К, в зависимости от скорости нагрева рабочей среды. Это означает, что температура рабочей среды гидродинамической муфты примерно на 50 К выше номинальной температуры плавкого припоя.
На фиг.2 изображен затвор согласно изобретению, а именно на фиг.2а, в собранном состоянии до разъединения и на фиг.2b - после произошедшего разъединения.
Корпус 1 затвора имеет основную часть 6, которая снабжена отверстием 6.1. Отверстие 6.1 выполнено в форме цилиндрического отверстия, в частности, в виде глухого отверстия. В открытый конец этого глухого отверстия вставлена втулка 3. Противоположный конец глухого отверстия имеет проходные отверстия, которые соединяют отверстие 6.1 потокопроводящим образом с окружающей средой.
Втулка 3 имеет цилиндрическое проходное отверстие 3.1, которое коаксиально с отверстием 6.1. Далее, втулка 3 имеет перемычку 3.4, с помощью которой втулка 3 вставлена в основную часть 6 торцом в выемку, которая имеет по отношению к отверстию 6.1 больший диаметр. Как отчетливо видно на фиг.5, между основной частью 6 и перемычкой 3.4 вставлен уплотнительный элемент 7, который может быть выполнен в виде кольцевого уплотнения. На другой стороне перемычки основная часть 6 отбортована внутрь, так что получается суженный бортик (см. стрелку), который зажимает втулку 3 в основной части 6.
Во втулку 3 вставлен болт 4, а именно, таким образом, что внешний периметр 4.1 болта 4 соответствует внутреннему периметру 3.2 втулки 3. Между внешним периметром 4.1 и внутренним периметром 3.2 введен плавкий предохранительный элемент 2 в форме плавкого припоя, который соединяет между собой с геометрическим замыканием втулку 3 и болт 4 (собранное состояние).
В собранном состоянии затвор является жидкостно-непроницаемым. Втулка 3 герметизирована и термически изолирована при помощи показанного уплотнения 7 по отношению к основной части 6, и болт 4 запаян жидкостно-непроницаемо с втулкой 3 при помощи плавкого предохранительного элемента 6. При превышении заданной предельной температурной величины плавкий предохранительный элемент плавится и разрушает соединение с силовым замыканием между болтом 4 и втулкой 3. Тем самым болт 4 может отделяться из втулки 3, например за счет избыточного давления внутри закрывающегося полого пространства и полностью двигаться в полое пространство 6.1 в основной части 6 (состояние после произошедшего разъединения). В этом положении существует потокопроводящее соединение через затвор по проходному отверстию 6.2 в головной области основной части 6, которая выполнена, как изображено, в виде винта затвора, через отверстие 6.1 в основной части 6 и цилиндрическое отверстие 3.1 во втулке 3 во внутреннем пространстве прежде закрытого полого пространства.
Вследствие того, что болт 4 выполнен с головной областью 4.4, которая выступает над внешним периметром 4.1 болта 4 и которая прилегает торцом к втулке 3, болту 4 задается направление 5 выхода.
Как изображено на фиг.5, в преимущественном осуществлении между головной областью 4.4 и торцевой областью втулки 3, обращенной к отверстию 6.1 в основной части 6, введена пружина сжатия 9. Эта пружина при плавлении плавкого предохранительного элемента 2 между болтом 4 и втулкой 3 полностью выдавливает болт 4 из сквозного отверстия 3.1 во втулке 3 в полое пространство 6.1. Разумеется, в качестве пружины сжатия можно использовать и другие элементы сжатия, кроме того, может быть дополнительно или альтернативно предусмотрен тяговый элемент, который закреплен, например, в основной части 6 и на болте 4, и сила тяги оказывает действие на болт в направлении 5 выхода. Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.5, болт 4 является полноцилиндрическим, и пространство 6.1, которое вмещает пружину сжатия 9, соединено через отверстия с окружающей средой, так что в разъединенном состоянии среда может выходить из прежде закрытого пространства (на фиг.5 справа налево).
На фиг.5 представлен болт выше осевой линии в разъединенном состоянии и ниже осевой линии в собранном состоянии. Соответственно этому выше осевой линии пружина сжатия 9 совершенно разжата, в то время как ниже осевой линии она показана в полностью сжатом состоянии. Основная часть 6 выполнена в виде винта затвора, который, как изображено, снабжен наружной резьбой для ввинчивания в стенку корпуса. Соответственно этому основная часть имеет в своей головной части наружный шестигранник или внутренний шестигранник для установки завинчивающего инструмента.
Болт 4 имеет, как показано на фиг.2 и 3, глухое отверстие 4.2, которое его почти полностью проходит и не проникает только в закрытую нижнюю область 4.5. Относительно тонкостенный полый болт 4 подвергается быстрому нагреву и, тем самым, без задержки передает тепло, воспринимаемое его нижней частью, на плавкий припой. К тому же, болт 4 выполнен преимущественно из меди, которая имеет высокую теплопроводность. Аналогично это относится и к втулке 3, которая также выполнена преимущественно из тонкостенной меди и передает тепло, которое воспринимается наружной стороной, например по периметру, которая вдается внутрь закрываемого полого пространства 10, почти без задержки на плавкий припой. Так как втулка 3 термически изолирована по отношению к основной части 6 при помощи уплотнения 7, происходит только относительно незначительная теплопередача с втулки 3 на основную часть 6, это означает, что втулка не охлаждается основной частью. Вследствие этого можно достичь крайне незначительного времени разъединения.
Как втулка, так и болт могут быть изготовлены из луженой меди. На фиг.3 изображены промежуточные состояния в изготовлении затвора согласно изобретению. Согласно соответствующему преимущественному способу изготовления затвора втулка 3 изготовляется сначала в виде полого тела с одним закрытым и одним открытым концом, т.е. в виде цилиндра, который снабжен глухим отверстием, так что дно 3.3 остается.
Втулка 3 ориентирована вертикально, так что открытый конец направлен вверх и закрытый конец (дно 3.3) направлен вниз. В полое пространство, то есть в глухое отверстие втулки вводится плавкий припой, так что на дне 3.3 образуется столб 2.1 плавкого припоя. Затем болт 4 вводится в полое пространство, то есть в глухое отверстие, а именно так далеко, что он погружается своей закрытой торцевой стороной в столб 2.1 плавкого припоя. Плавкий припой вытесняется, соответственно, за счет объема вытеснения погруженной части болта 4 и перемещается в промежуточное пространство между болтом 4 и втулкой 3, то есть в промежуточное пространство между наружным периметром 4.1 болта и внутренним периметром 3.2 втулки. Там плавкий припой запаивается таким образом, что он соединяет с силовым замыканием болт 4 и втулку 3 и одновременно герметизирует их по отношению друг к другу. Альтернативно или дополнительно может происходить герметизация с торцевой стороны между, например, головной областью 4.4 болта 4 и стоящей напротив торцевой стороной втулки 3.
Затем дно 3.3 втулки 3 отделяется, например, при помощи механической обработки. Таким образом, получается сквозное отверстие 3.1 во втулке 3, которое в неразъединенном состоянии закрыто болтом 4.
3
Как показано на фиг.3, втулка 3 имеет перемычку 3.4, с помощью которой она при создании соединения с силовым замыканием между болтом 4 и втулкой 3 зажата в инструменте 8. Эта перемычка 3.4 служит, как описано выше, одновременно для герметизации втулки 3 по отношению к основной части 6. Благодаря выполнению затвора согласно изобретению требуется крайне незначительный объем припоя. Этот объем составляет в показанных примерах осуществления примерно 105 мм.
На фиг.4 показана гидродинамическая муфта, в корпус которой вставлен описанный выше затвор. Муфта имеет рабочее пространство 20, которое соответствует герметизированному полому пространству 10. Рабочее пространство окружается корпусом муфты непосредственно или, соответственно, опосредованно, причем корпус нагружается рабочей средой муфты. Введением затвора, который, как изображено, выполнен в виде винта затвора в проходное отверстие в корпусе, затвор со стороны торца нагружается рабочей средой, и тем самым температура рабочей среды переносится на него. Выше заданной предельной температуры рабочей среды плавкий припой плавится в затворе, и отверстие, в которое вставлен затвор, освобождается почти по всему своему сечению (за исключением стенки основной части), так что рабочая среда выходит из муфты.
Согласно более простой форме выполнения затвора согласно изобретению можно сэкономить на втулке, показанной на фиг.2-4, и болт 4 непосредственно вводить в проходное отверстие в корпус 1 затвора. Плавкий предохранительный элемент 2 соединяет в этом случае болт 4 непосредственно с корпусом 1 затвора, а именно, таким образом, что плавкий предохранительный элемент 2 в форме кольца вводится в корпус 1 затвора между внешним периметром болта 4 и внутренним периметром проходного отверстия. В качестве материала для болта при этом варианте осуществления преимущественно применяется материал, который, с одной стороны, можно надежнее впаять в корпус затвора посредством плавкого предохранительного элемента, в частности плавкого припоя, и который, с другой стороны, одновременно передает большой тепловой поток от своей выступающей торцевой стороны к плавкому припою. Согласно особой форме осуществления является возможным применять также для болта 4 материал, размягчающийся уже при температуре разъединения затвора. Решающим для функции разъединения является то, что, в частности, введенный по периметру плавкий припой при заданной температуре путем расплавления разъединяет механическое соединение между болтом и корпусом затвора.
Для того чтобы предоставить в распоряжение показанного на фиг.2 варианта осуществления большее поперечное сечение потока для выходящей среды после произошедшего разъединения, предпочтительно проходное отверстие во втулке 3 выполнить с большим сечением. Преимущественно, проходное отверстие имеет во втулке 2 диаметр 7,5 мм или более, в частности 7,8 мм, что оказывается хорошим компромиссом между максимальным собранным размером и минимальным отверстием для потока. Для того, чтобы плавкий предохранительный элемент 2, в частности, плавкий припой как можно дальше мог заходить во внутреннее пространство, например в гидродинамическую муфту, весь затвор имеет, в частности, длину 29 мм или более.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 корпус затвора
2 плавкий предохранительный элемент
2.1 столб плавкого припоя
3 втулка
3.1 проходное отверстие
3.2 внутренний периметр
3.3 дно
3.4 перемычка
4 болт
4.1 внешний периметр
4.2 глухое отверстие
4.3 открытая сторона
4.4 головная область
4.5 нижняя область
5 направление выхода
6 основная часть
6.1 отверстие
6.2 проходное отверстие
6.3 наружная резьба
7 уплотнительный элемент
8 инструмент
9 пружина сжатия
10 полое пространство
20 рабочее пространство