Дроссель
THROTTLE

Изобретение относится к области арматуростроения и может быть использовано для регулирования расходов высокотемпературных газов на стендах при проведении испытаний авиадвигателей и их узлов, а также в энергетической, химической, металлургической и других отраслях промышленности.
Известно дроссельное устройство, в разъемном корпусе которого размещен дросселирующий орган, выполненный в виде соосно установленных дисков с равномерно расположенными по окружности сквозными отверстиями, образующими в открытом положении сплошные проходные каналы, причем по крайней мере один из дисков закреплен неподвижно, а второй установлен с возможностью осевого поворота относительно неподвижного диска, и конусообразные обтекатели, установленные на входе и выходе дроссельного устройства внутри его корпуса (RU 2279006, 2006). Обтекатели обеспечивают формирование внутренней поверхности проходных отверстий на входе и выходе, обеспечивая снижение сопротивления дросселирующего узла рабочему потоку в открытом положении дисков. Производительность устройства регулируется количеством сквозных отверстий в дисках, площадью поверхности сквозных отверстий, а также возможностью увеличения проходного диаметра корпуса. Недостатком известного технического решения является невозможность использования дроссельного устройства при температурах, близких к 1000°С, поскольку концентрация напряжений в зоне контакта дисков вызывает деформацию неподвижного диска и заклинивание дросселирующего органа.
Известно дроссельное устройство, содержащее корпус с размещенным в нем дросселирующим органом, выполненным в виде соосно установленных дисков с равномерно расположенными по окружности сквозными отверстиями, образующими в открытом положении сплошные проходные каналы, причем один из дисков закреплен неподвижно, а второй установлен с возможностью осевого поворота относительно неподвижного диска (RU 2329425, 2008). Подвижный и неподвижный диски установлены с зазором друг относительно друга в осевом направлении через подшипник качения, одно кольцо которого связано с подвижным диском, а другое - с неподвижным диском. Недостатком известного технического решения является невозможность использования дроссельного устройства при температурах выше 500-600°С, поскольку деформация дисков при нагреве ограничивает работоспособность подшипника и может вызвать заклинивание последнего.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является дроссель (RU 2643876, 2018). Дроссель содержит разъемный корпус, состоящий из передней и задней частей, на внешней стороне которых выполнены рубашки охлаждения, неподвижный диск, размещенный в передней части корпуса и выполненный в виде ступицы с радиально расположенными стойками, которые образуют сквозные отверстия для потока газа, подвижный диск, размещенный в задней части корпуса за неподвижным диском по потоку соосно неподвижному диску и выполненный со сквозными отверстиями для потока газа, вал, на котором закреплены неподвижный и подвижный диски, и гайку, расположенную в передней части. Форма сквозных отверстий обеспечивает плавное регулирование расхода газа. Недостатками известного технического решения являются сравнительно большие утечки рабочей среды при закрытом дросселе и недостаточное охлаждение вала, из-за чего его нельзя применить при повышенных требованиях к дросселю по утечкам и температуре, предъявляемых при проведении испытаний перспективных авиадвигателей и их узлов.
Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в расширении диапазона регулирования дросселя по расходу газа и улучшении охлаждения вала.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением, заключается в уменьшении величины утечек потока газа при закрытом дросселе и в обеспечении его работоспособности при высоких (выше 1000°С) температурах.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что дроссель содержит разъемный корпус, состоящий из передней и задней частей, на внешней стороне которых выполнены рубашки охлаждения, неподвижный диск, размещенный в передней части корпуса и выполненный в виде ступицы с радиально расположенными стойками, которые образуют сквозные отверстия для потока газа, подвижный диск, размещенный в задней части корпуса за неподвижным диском по потоку соосно неподвижному диску и выполненный со сквозными отверстиями для потока газа, вал, на котором закреплены неподвижный и подвижный диски, и гайку, расположенную в передней части корпуса, причем между неподвижным и подвижным дисками соосно установлен неподвижный экранирующий диск со сквозными отверстиями для потока газа, которые соответствуют сквозным отверстиям на неподвижном и подвижном дисках, подвижный диск содержит три контура уплотнений, где первый контур уплотнения включает уплотнительные рамки, вставленные в канавки, выполненные в подвижном диске по периферии каждого его сквозного отверстия для потока газа, второй контур уплотнения располагается по периферии отверстия для вала, а третий контур уплотнения располагается по периферии подвижного диска, причем второй и третий контуры уплотнений включают уплотнительные шайбы, вставленные в канавки, выполненные соосно в подвижном и неподвижном экранирующем дисках, между уплотнительными шайбами установлены пружинные кольца, вал выполнен охлаждаемым, а гайка выполнена с возможностью регулирования величины зазора между подвижным и неподвижным экранирующим дисками.
Уплотнительные рамки первого контура уплотнения могут быть выполнены разрезными.
Канавки для уплотнительных рамок первого контура уплотнения могут быть выполнены с глухими отверстиями. Уплотнительные рамки могут быть поджаты пружинками, расположенными в глухих отверстиях канавок, выполненных в подвижном диске по периферии каждого его сквозного отверстия для потока газа.
Существенность отличительных признаков заявляемого технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, достаточна для решения указанной технической проблемы и достижения заявленного технического результата. А именно:
- установка неподвижного экранирующего диска со сквозными отверстиями для потока газа соосно между неподвижным и подвижным дисками и соответствие отверстий неподвижного экранирующего диска сквозным отверстиям на неподвижном и подвижном дисках позволяет уменьшить теплоподвод от подвижного диска к передней части корпуса и обеспечить уплотнение зазора между подвижным диском и неподвижным экранирующим диском при закрытом дросселе;
- первый контур уплотнения, включающий уплотнительные рамки, вставленные в канавки, выполненные в подвижном диске по периферии каждого его сквозного отверстия для потока газа, позволяет уменьшить утечки горячего газа через зазор между подвижным диском и неподвижным экранирующим диском при закрытом дросселе;
- второй контур уплотнения, расположенный по периферии отверстия для вала, включающий уплотнительные шайбы, вставленные в канавки, выполненные соосно в подвижном и неподвижном экранирующем дисках, а между уплотнительными шайбами установлено пружинное кольцо позволяет уменьшить утечки горячего газа через зазор между подвижным диском и неподвижным экранирующим диском в сторону вала;
- третий контур уплотнения, расположенный по периферии подвижного диска включающий уплотнительные шайбы, вставленные в канавки, выполненные соосно в подвижном и неподвижном экранирующем дисках, а между уплотнительными шайбами установлено пружинное кольцо позволяет уменьшить утечки горячего газа через зазор между подвижным диском и неподвижным экранирующим диском в сторону наружного диаметра подвижного диска;
- гайка, выполненная с возможностью регулирования величины зазора между подвижным и неподвижным экранирующим дисками, позволяет обеспечить оптимальную величину этого зазора, необходимую для обеспечения работоспособности всех трех контуров уплотнения;
- выполнение вала охлаждаемым позволяет уменьшить его деформации при нагреве и увеличить допустимую рабочую температуру газа;
- выполнение уплотнительных рамок первого контура разрезными позволяет уменьшить величину усилия, необходимого для деформации рамок при закрытии дросселя, что уменьшает износ рамок и неподвижного экранирующего диска;
- выполнение канавок для уплотнительных рамок первого контура уплотнения с глухими отверстиями позволяет установить пружинки для поджатая уплотнительных рамок;
- поджатие уплотнительных рамок пружинками, расположенными в глухих отверстиях канавок, выполненных в подвижном диске по периферии каждого его сквозного отверстия для потока газа позволяет обеспечить минимальные зазоры между этими рамками и неподвижным экранирующим диском при полностью или частично открытом дросселе, а также компенсировать возможные температурные деформации конструкции при изменении температуры пропускаемого газа.
Таким образом, технический результат, обеспечиваемый каждым из существенных признаков предлагаемого изобретения, в совокупности позволяет создать дроссель, который позволит уменьшить величину утечек потока газа при закрытом дросселе и обеспечить его работоспособность при высоких (выше 1000°С) температурах.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции дросселя и его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1-13, где:
на фиг. 1 изображен вид дросселя спереди;
на фиг. 2 - вид дросселя сзади;
на фиг. 3 - разрез А-А дросселя на фиг. 1;
на фиг. 4 - разрез Б-Б дросселя на фиг. 1;
на фиг. 5 - выноска I на фиг. 4;
на фиг. 6 - выноска II на фиг. 4;
на фиг. 7 - разрез В-В дросселя на фиг. 3;
на фиг. 8 - разрез Г-Г дросселя на фиг. 3;
на фиг. 9 - подвижный диск с уплотнительными рамками;
на фиг. 10 - разрез Д-Д на фиг. 7 при открытом дросселе;
на фиг. 11 - выноска III на фиг. 10;
на фиг. 12 - разрез Д-Д на фиг. 7 при закрытом дросселе;
на фиг. 13 - выноска IV на фиг. 12.
На фиг. 1-13 приняты следующие обозначения:
1 - передняя часть корпуса;
2 - рубашка охлаждения, выполненная в передней части корпуса;
3 - внутренние экраны, расположенные в передней части корпуса;
4 - ступица неподвижного диска;
5 - стойки неподвижного диска;
6 - задняя часть корпуса;
7 - рубашка охлаждения, выполненная в задней части корпуса;
8 - внутренние экраны, расположенные в задней части корпуса;
9 - левая камера;
10 - правая камера;
11 - рубашка охлаждения левой камеры;
12 - рубашка охлаждения правой камеры;
13 - подвижный диск;
14 - вал;
15 - подшипник;
16 - коллектор подачи охлаждающей среды;
17 - коллектор отвода охлаждающей среды;
18 - патрубок подвода охлаждающей среды в рубашку охлаждения 2;
19 - патрубок подвода охлаждающей среды в рубашку охлаждения 7;
20 - патрубок отвода охлаждающей среды из рубашки охлаждения 2;
21 - патрубок отвода охлаждающей среды из рубашки охлаждения 7;
22 - кронштейн;
23 - экран, установленный по периметру подвижного диска 13;
24 - передняя крышка дросселя;
25 - кожух;
26 - экран передней крышки;
27 - задняя крышка вала;
28 - экран задней крышки;
29 - экраны стоек и ступицы;
30 - шпильки:
31 - гайки;
32 - неподвижный экранирующий диск;
33 - пружинное кольцо, установленное во втором контуре уплотнения;
34 - пружинное кольцо, установленное в третьем контуре уплотнения;
35 - уплотнительные рамки;
36 - гайка, регулирующая величину зазора между дисками 13 и 32;
37 - сферический вкладыш;
38 - пружинки;
39 - уплотнительные шайбы, вставленные во втором контуре уплотнения;
40 - уплотнительные шайбы, вставленные в третьем контуре уплотнения;
41 - сквозные отверстия в подвижном диске 13;
42 - сквозные отверстия в неподвижном диске;
43 - сквозные отверстия в неподвижном экранирующем диске 32;
44 - отверстие для вала.
Дроссель содержит разъемный корпус, состоящий из передней и задней частей 1 и 6, на внешней стороне которых выполнены рубашки охлаждения 2 и 7, неподвижный диск, размещенный в передней части 1 корпуса и выполненный в виде ступицы 4 с радиально расположенными стойками 5, которые образуют сквозные отверстия 42 для потока газа (фиг. 8), подвижный диск 13, размещенный в задней части 6 корпуса за неподвижным диском по потоку соосно неподвижному диску и выполненный со сквозными отверстиями 41 для потока газа, вал 14, на котором закреплены неподвижный диск и подвижный диск 13, и гайку 36, расположенную в передней части 1 корпуса (фиг. 1-4). Между неподвижным диском и подвижным диском 13 соосно установлен неподвижный экранирующий диск 32 (фиг. 4) со сквозными отверстиями 43 для потока газа, которые соответствуют сквозным отверстиям 42 и 41 на неподвижном диске и подвижном диске 13. Подвижный диск 13 содержит три контура уплотнений. Первый контур уплотнения включает уплотнительные рамки 35, вставленные в канавки, выполненные в подвижном диске 13 по периферии каждого его сквозного отверстия 41 для потока газа (фиг. 9). Второй контур уплотнения располагается по периферии отверстия 44 для вала 14, а третий контур уплотнения располагается по периферии подвижного диска 13. Причем второй и третий контуры уплотнений включают уплотнительные шайбы 39 и 40, вставленные в канавки, выполненные соосно в подвижном диске 13 и неподвижном экранирующем диске 32. Между уплотнительными шайбами 39 и 40 установлены пружинные кольца 33 и 34 (фиг. 5, 6). Вал 14 выполнен охлаждаемым. Гайка 36 выполнена с возможностью регулирования величины зазора между подвижным диском 13 и неподвижным экранирующим диском 32. Уплотнительные рамки 35 первого контура уплотнения выполнены разрезными. Канавки для уплотнительных рамок первого контура уплотнения выполнены с глухими отверстиями. Уплотнительные рамки 35 поджаты пружинками 38, расположенными в глухих отверстиях канавок, выполненных в подвижном диске 13 по периферии каждого его сквозного отверстия 41 для потока газа (фиг. 10-13).
Дроссель содержит внутренние экраны 3, расположенные в передней части 1 корпуса, внутренние экраны 8, расположенные в задней части 6 корпуса, левую камеру 9 и правую камеру 10, имеющие свои рубашки охлаждения 11 и 12, подшипник 15 опирающийся на сферический вкладыш 37, коллектор 16 подачи и коллектор 17 отвода охлаждающей среды из стоек 5 передней части 1 корпуса, патрубки 18 и 19 подвода и патрубки 20 и 21 отвода охлаждающей среды из рубашек охлаждения 2 и 7 передней части 1 и задней части 6 корпуса. К подвижному диску 13 прикреплены два кронштейна 22, через которые к нему передается усилие от приводов дросселя (на фигурах не показаны). По периметру подвижного диска 13 установлены экраны 23. Подшипник 15 отделен от полости передней крышки 24 дросселя кожухом 25. Передняя крышка 24 дросселя снабжена экраном 26. Задняя крышка 27 вала 14 снабжена экраном 28. Стойки 5 передней части 1 корпуса и ступица 4 снабжены экранами 29. Передняя часть 1 и задняя часть 6 корпуса соединены при помощи шпилек 30 и гаек 31 (см. фиг. 3, 4, 7).
Дроссель работает следующим образом. Перед пуском газового потока через дроссель включается система охлаждения дросселя. Внутренние экраны 3 и 8 предохраняют переднюю часть 1 корпуса и заднюю часть 6 корпуса дросселя от воздействия высокотемпературного газового потока. Рубашки охлаждения 2 и 7 обеспечивают теплосъем потоком охлаждающей среды со стенок и фланцев передней части 1 и задней части 6 корпуса. Подвод охлаждающей среды к рубашкам 2 и 7 производится через патрубки 18 и 19, а отвод - через патрубки 20 и 21. Ступица 4 крепится к передней части 1 корпуса при помощи стоек 5 и воспринимает осевое усилие от перепада давлений на подвижном диске 13, которое передается через охлаждаемый вал 14, гайку 36, подшипник 15 и сферический вкладыш 37. Ступица 4 и стойки 5 защищены от воздействия высокотемпературного газового потока экранами 29. Подача охлаждающей среды, охлаждающей ступицу 4 и стойки 5, производится через коллекторы 16, а отвод охлаждающей среды - через коллекторы 17. Кожух 25 отделяет подшипник 15 от потока охлаждающей среды, протекающего в зазоре между кожухом 25 и передней крышкой 24 дросселя. Передняя крышка 24 защищена от воздействия высокотемпературного газового потока экраном 26. При необходимости изменения расхода газового потока, проходящего через дроссель, включаются приводы дросселя, которые через кронштейны 22 заставляют поворачиваться диск 13 относительно передней части 1 корпуса. При этом происходит изменение площади проходного сечения, т.е. изменение величины сопротивления дросселя. В положении «открыто» сквозные отверстия 41 для потока газа на подвижном диске 13 совмещаются со сквозными отверстиями 42 передней части 1 корпуса и сквозными отверстиями 43 неподвижного экранирующего диска 32. При этом дроссель обеспечивает минимальное сопротивление потоку. В положении «закрыто» отверстия 41 на подвижном диске 13 совмещаются со стойками 5 неподвижного диска и перемычками между отверстиями 43 неподвижного экранирующего диска 32, при этом дроссель обеспечивает максимальное сопротивление потоку. Приводы закреплены на правой и левой камерах 10 и 9 задней части 6 корпуса. Камеры 9 и 10 имеют свои рубашки охлаждения 11 и 12. Задняя крышка 27 вала 14 защищена от воздействия высокотемпературного газового потока экраном 28. Экран 23, размещенный по периметру подвижного диска 13, защищает от воздействия высокотемпературного газового потока заднюю часть 6 корпуса. Передняя часть 1 и задняя часть 6 корпуса соединены при помощи шпилек 30 и гаек 31. Пружинные кольца 33 и 34 производят уплотнение зазора между подвижным диском 13 и неподвижным экранирующим диском 32 по внутреннему и наружному диаметрам с помощью уплотнительных шайб 39 и 40. Уплотнительные рамки 35 производят уплотнение зазора между подвижным диском 13 и неподвижным экранирующим диском 32 по контуру сквозных отверстий 41 для потока газа в подвижном диске 13. Поджатие рамок 35 к диску 32 обеспечивается пружинками 38. Величина этого зазора регулируется затяжкой гайки 36. Пружинное кольцо 33 препятствует проникновению газа из проточной части в сторону отверстия 44 для вала 14 в подвижном диске 13. Пружинное кольцо 34 препятствует проникновению газа из проточной части в сторону периферии подвижного диска 13.
Таким образом, применение охлаждаемого вала, пружинных колец и разрезных уплотнительных рамок по контуру каждого сквозного отверстия для потока газа на подвижном диске, поджимаемых экранирующим диском и пружинками позволяет создать компактную, надежную, технологичную и работоспособную конструкцию дросселя, позволяющую уменьшить величину утечек рабочей среды в закрытом положении и обеспечить требования, предъявляемые к дросселям в процессе испытаний перспективных авиационных двигателей и их узлов.