ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН
GAS-DISTRIBUTING VALVE

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и направлено на совершенствование газораспределительных клапанов, работающих на продуктах сгорания ракетных топлив и обеспечивающих управление летательным аппаратом в плоскостях тангажа и рыскания.
Известна конструкция клапана, содержащая корпус с входным и выходными патрубками с расходными отверстиями, а также расположенную в корпусе с возможностью поворота заслонку, установленную на валу и контактирующую с расходным отверстием выходного патрубка (заявка Великобритании №2000574, МКИ F16K 5/06, 1979).
Недостаток этой конструкции заключается в том, что при прогреве конструкции заслонка заклинивается, т.к. отсутствуют тепловые зазоры между заслонкой и выходным патрубком, и клапан перестает работать и даже может выйти из строя из-за разрушения заслонки.
Известна конструкция вращающегося клапана для горячего газа, содержащая корпус с входным и выходным патрубками с расходными отверстиями, а также размещенную в корпусе с зазором относительно выходного патрубка и с возможностью поворота заслонку, установленную на валу, при этом ось вала расположена перпендикулярно оси расходного отверстия выходного патрубка (патент США №3276466, НКИ 137-339, 1966 г.).
В этой конструкции благодаря зазору между заслонкой и выходным патрубком не происходит заклинивания заслонки, однако наличие зазора приводит к непроизводительному расходу газа, что требует увеличения запасов рабочего тела, а это нежелательно, особенно при использовании клапана для летательного аппарата. Также недостатком является отсутствие второго выходного патрубка, которое не дает возможности произвести реверс тяги.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение непроизводительного расхода газа при повышении надежности работы газораспределительного клапана в условиях высоких температур и давлений, а также обеспечение реверса тяги.
Указанная цель достигается тем, что в газораспределительном клапане, содержащем корпус с входным и выходным патрубками с расходными отверстиями, а также расположенную в корпусе с возможностью поворота заслонку, связанную с валом, ось которого распложена перпендикулярно оси расходного отверстия выходного патрубка, заслонка выполнена в виде части полого цилиндра в форме сектора с расходным отверстием и установлена по отношению к валу и внутренней поверхности корпуса с радиальным зазором и сопряжена с выходным патрубком, а на валу выполнены перпендикулярно его оси кольцевые приливы, охватывающие расположенные в одной плоскости расходные отверстия входных и выходных патрубков, при этом в кольцевых приливах выполнены прорези, в которых установлены с торцевым зазором цилиндрические ограничители, выполненные на боковых поверхностях заслонки. Ограничители заслонки могут быть расположены симметрично относительно крайних торцов цилиндрического участка заслонки в ее радиальном сечении.
Клапан может быть снабжен с противоположной стороны от входного патрубка дополнительным выходным патрубком с расходным отверстием и дополнительной заслонкой, выполненными одинаковыми с основными, а расходные отверстия заслонок и выходных патрубков выполнены в форме прямоугольника, одна пара сторон которого перпендикулярна оси вала, а в радиальной плоскости, перпендикулярной оси вала длина расходных отверстий заслонок и выходных патрубков одинакова, причем взаимосвязь отверстий заслонок и выходных патрубков определяется соотношениями:
где δ - угол между торцами расходного отверстия заслонки или торцами расходного отверстия выходного патрубка;
ω - угол между торцами расходного отверстия заслонок, наиболее удаленными от входного патрубка, и торцами заслонок, ближайшими к входному патрубку;
γ - угол между торцом расходного отверстия выходного патрубка, ближайшим к входному патрубку, и торцом расходного отверстия заслонки, наиболее удаленным от входного патрубка;
ρ - угол между наиболее удаленными от входного патрубка торцами заслонок и их расходных отверстий по цилиндрической поверхности контакта заслонки и выходного патрубка.
На фиг.1 изображен общий вид газораспределительного клапана.
На фиг.2, 3 изображены сечения газораспределительного клапана.
На фиг.4 изображен общий вид газораспределительного клапана с дополнительными заслонками и выходными патрубками.
На фиг.5 изображено расходное отверстие заслонки и выходного патрубка прямоугольной формы.
На фиг.6 изображены угловые расположения взаимосвязанных между собой деталей и узлов газораспределительного клапана.
На фиг.7 изображена расходная характеристика газораспределительного клапана с двумя заслонками и расходными патрубками.
Газораспределительный клапан (фиг.1, 2) содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками с расходными отверстиями 4 и 5 соответственно, размещенную в корпусе с возможностью поворота совместно с валом 6 заслонку 7. Ось 8 вала расположена перпендикулярно оси 9 расходного отверстия 5 выходного патрубка 3.
На валу 6 выполнены перпендикулярно его оси кольцевые приливы 10, не перекрывающие размещенные в одной плоскости расходные отверстия входного и выходного патрубков. Внутри корпуса 1 на выходном патрубке 3 вокруг его расходного отверстия выполнен выступ 11, с которым контактирует по соосным цилиндрическим поверхностям 12 и 13 заслонка 7, выполненная в виде части полого цилиндра в форме сектора, с расходным отверстием 14, длина которого в радиальной плоскости, перпендикулярной оси 8 вала 6, равна длине расходного отверстия 5 выходного патрубка 3 в этой же плоскости. Заслонка установлена по отношению к внутренней поверхности корпуса с радиальным зазором. Для обеспечения радиального перемещения заслонки в цилиндрических приливах 10 выполнена прорезь 15, в которую установлены с торцевым зазором «h» цилиндрические ограничители 16, выполненные на боковых поверхностях 17 и 18 заслонки (фиг.2, 3). Цилиндрические ограничители заслонок могут быть расположены симметрично относительно крайних торцов 19 и 20 цилиндрического участка заслонки в ее радиальном сечении. Газораспределительный клапан может быть снабжен дополнительным выходным патрубком 21 с расходным отверстием 22 и дополнительной заслонкой 23, выполненными одинаковыми с основными патрубком 3 и заслонкой 7. Основная часть заслонки расположена внутри приливов 10 с зазором для компенсации тепловых расширений, а цилиндрические ограничители 16 заслонок установлены внутри приливов вала и контактируют с ними.
Расходные отверстия выходных патрубков и заслонок выполнены в форме прямоугольника, у которого одна пара сторон 24 и 25 перпендикулярна оси 8 вала 6. Торцевые поверхности 26 и 27 заслонок выполнены параллельно сторонам 28 и 29 отверстий выходных патрубков (фиг.5). В радиальной плоскости, перпендикулярной оси вала, длина отверстий заслонок и выходных патрубков одинакова, а взаимосвязь заслонок и расходных отверстий выходных патрубков в радиальном сечении определяется эмпирически полученными соотношениями:
где δ - угол между торцами расходного отверстия заслонки или торцами расходного отверстия выходного патрубка (соответствует максимальному расходу газа через клапан);
ω - угол между торцами расходного отверстия заслонок, наиболее удаленными от входного патрубка, и торцами заслонок, ближайшими к входному патрубку;
γ - угол между торцом расходного отверстия выходного патрубка, ближайшим к входному патрубку, и торцом расходного отверстия заслонки, наиболее удаленным от входного патрубка (образует расходное отверстие клапана, соответствующего половине номинального расхода через клапан; в сумме открытая площадь двух открытых расходных отверстий выходных патрубков соответствует номинальному расходу газа);
ρ - угол между наиболее удаленными от входного патрубка торцами заслонки и их расходных отверстий по цилиндрической поверхности контакта заслонки и выходного патрубка.
Для обеспечения исключения упора заслонок друг в друга и исключения перекрытия отверстия входного патрубка должно обеспечиваться следующее соотношение углов:
ψ<360°, α≥ω,
где ψ - угол между наиболее удаленными от входного патрубка торцами заслонок по цилиндрической поверхности контакта заслонки и выходного патрубка;
α - угол между смежными кромками расходного отверстия входного патрубка и торцами заслонок.
Расположение углов приведено на фиг.6.
При работе горячие газы поступают через расходное отверстие 4 входного патрубка 2 во внутреннюю полость клапана и далее подходят к расходным отверстиям 5 или 22 выходных патрубков 3 или 21.
При вращении вала 6 одна из заслонок 7 или 23 может закрывать расходное отверстие 5 или 22 выходных патрубков 3 или 21 или открывать их. Через часть открытого расходного отверстия 5 или 22 газ истекает из клапана, создавая тягу. Регулировка расходных отверстий 5 или 22 выходных патрубков 3 или 21 обеспечивается кромками 27 заслонки, ближайшими к входному патрубку 2. Т.к. цилиндрические приливы 10 не перекрывают расходные отверстия 4, 5 и 22 входного 2 и выходных патрубков 3 и 21, то газ с минимальными газодинамическими потерями поступает к расходным отверстиям, что увеличивает коэффициент расхода. Если клапан выполнен с одним выходным патрубком 3, то расход газа изменяется только через него. Поджатие заслонок 7 и 23 давлением газа к расходным отверстиям 5 и 22 выходных патрубков 3 и 21 уменьшает непроизводительный расход газа через закрытые расходные отверстия.
Выполнение расходных отверстий заслонок 7 и 23 и расходных отверстий выходных патрубков 3 и 21 прямоугольной формы, ориентированной вполне определенным образом, обеспечивает линейное изменение расходной площади. При наличии вполне определенного взаимного расположения расходных отверстий заслонок и расходных отверстий выходных патрубков обеспечивается линейная расходная характеристика, которая приведена на фиг.7
При
обеспечивается заданная расходная характеристика (фиг.7). При закрытии одного расходного отверстия и открытии другого расходного отверстия выходных патрубков обеспечивается постоянство расхода газа через клапан, что исключает повышение давления внутри клапана, которое в свою очередь может привести к повышению нагрузочной характеристики и разрушению клапана.
При ψ<360° обеспечивается исключение упора заслонок друг в друга.
При α≥ω исключается перекрытие заслонками расходного отверстия входного патрубка.
Обычно в летательном аппарате устанавливают четыре клапана и управление идет таким образом, что в двух клапанах, установленных в одной плоскости (тангажа или рыскания), должен поддерживаться постоянный расход газа как при управлении, так и при реверсе тяги.
Наличие зазора «h» обеспечивает нормальную работу клапана при прогреве деталей. Зазор «h» выбирается из расчета теплового расширения деталей: заслонки, вала и выходного патрубка.
Выполнение цилиндрических ограничителей 16 заслонок 7 и 23 симметрично относительно крайних торцов 19 и 20 цилиндрических участков заслонок в их радиальном сечении снижает максимальную величину нагрузочной характеристики, т.к. при движении заслонок вправо или влево сохраняется одинаковый расклад сил.
Таким образом, как видно из вышеизложенного, конструкция газораспределительного клапана обеспечивает:
- уменьшение непроизводительного расхода газа через закрытые участки расходных отверстий выходных патрубков;
- регулирование расхода газа через оба отверстия выходных патрубков;
- реверсирование тяги;
- уменьшение нагрузочной характеристики;
- линейность расходной характеристики;
- исключение повышения давления газа внутри клапана;
- уменьшение веса привода, т.к. не нужна вторая рулевая машинка.