УСТРОЙСТВО ДЕЛЕНИЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ
FLUID FLOW DIVIDING DEVICE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах терморегулирования изделий авиационной и космической техники, а также в других областях техники.
Известно устройство деления потока жидкости, содержащее корпус с расточкой, одним входным патрубком, отверстие которого сообщено с внутренней полостью расточки, и двумя выходными патрубками, отверстия которых выполнены выходящими на цилиндрическую поверхность расточки, установленный в корпусе соосно расточке вал с переключающим элементом, имеющим наружную цилиндрическую поверхность и снабженным сегментом из эластичного материала (патент РФ №2047803 по кл. F16K 11/085, 1995 г.)
Недостатком этого устройства является нестабильность его характеристики.
Этого недостатка лишено выбранное в качестве прототипа устройство деления потока жидкости, содержащее корпус с расточкой, входным патрубком, отверстие которого сообщено с внутренней полостью расточки, и первым и вторым выходными патрубками, отверстия которых выполнены выходящими на цилиндрическую поверхность расточки, неподвижно установленное и контактирующее с цилиндрической поверхностью расточки кольцо, на наружной поверхности которого выполнены первая и вторая полости, каждая из которых соответственно охватывает отверстия первого и второго выходных патрубков, а также установленный в корпусе шаговый двигатель, ротор которого соединен с соосным расточке валом, снабженным имеющим наружную цилиндрическую поверхность переключающим элементом с размещенным в пазе сегментом, поджимаемым к внутренней поверхности кольца пружинами сжатия, размещенными в глухих сквозные радиальных отверстиях переключающего элемента, при этом на кольце выполнены сквозные радиальные отверстия, сообщающие внутреннюю поверхность кольца с первой и второй полостями (патент РФ №2342582 по кл. F16K 11/085, 2008 г.). Угловые расстояния между осями соседних сквозные радиальных отверстий выполнены равными или кратными шагу а ротора шагового двигателя.
Недостатком этого устройства деления потока жидкости является узкая область применения, поскольку оно позволяет реализовать только монотонно изменяющуюся (увеличивающуюся или уменьшающуюся) характеристику - отношение расхода через один из выходных патрубков к расходу через входной патрубок. Увеличение расхода через один из выходных патрубков сопровождается уменьшением расхода через другой из выходных патрубков. Независимая регулировка расходов в обоих патрубках невозможна, что ограничивает применение прототипа в современных системах терморегулирования, где требуется независимая регулировка.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является расширение области применения устройства деления потока жидкости за счет обеспечения независимой регулировки расходов в выходных патрубках.
Этот результат достигается за счет того, что в известном устройстве деления потока жидкости, содержащем корпус с расточкой, входным патрубком, отверстие которого сообщено с внутренней полостью расточки, и первым и вторым выходными патрубками, отверстия которых выполнены выходящими на цилиндрическую поверхность расточки, неподвижно установленное и контактирующее с цилиндрической поверхностью расточки кольцо, на наружной поверхности которого выполнены первая и вторая полости, каждая из которых соответственно охватывает отверстия первого и второго выходных патрубков, а также установленный в корпусе шаговый двигатель, ротор которого соединен с соосным расточке валом, снабженным имеющим наружную цилиндрическую поверхность переключающим элементом с размещенным в первом пазе первым сегментом с угловой шириной X относительно оси расточки, поджимаемым к внутренней поверхности кольца пружинами сжатия, размещенными в глухих радиальных отверстиях переключающего элемента, при этом на кольце выполнены сквозные радиальные отверстия, сообщающие внутреннюю поверхность кольца с первой и второй полостями, причем угловые расстояния между осями соседних сквозных радиальных отверстий выполнены равными или кратными шагу а ротора шагового двигателя, согласно изобретению, в переключающем элементе выполнен второй паз, в котором размещен второй сегмент с угловой шириной Y≤X относительно оси расточки, поджимаемый к внутренней поверхности кольца пружинами сжатия, размещенными в глухих радиальных отверстиях переключающего элемента, при этом угловое расстояние β относительно оси расточки между ближайшими друг к другу краями первого и второго сегментов выполнено меньшим или равным шагу α ротора шагового двигателя, в переключающем элементе между первым и вторым сегментами выполнена прорезь для прохода жидкости из расточки в сквозные радиальные отверстия кольца, при этом угловая ширина второго сегмента Y относительно оси расточки больше углового расстояния между наиболее удаленными друг от друга краями сквозных радиальных отверстий, выходящих в первую полость.
На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения устройства деления потока жидкости, поперечный разрез, на фиг. 2 - то же, разрез по А-А, на фиг. 3, 4, 5 - то же, поперечные разрезы для разных положений переключающего элемента.
Устройство деления потока жидкости содержит корпус 1 с расточкой 2, входным патрубком 3, отверстие 4 которого сообщено с внутренней полостью 5 расточки 2, и первым 6 и вторым 7 выходными патрубками, отверстия 8 и 9 которых соответственно выполнены выходящими на цилиндрическую поверхность 10 расточки 2. В корпусе 1 неподвижно установлено контактирующее с цилиндрической поверхностью 10 расточки 2 кольцо 11 (в данном примере - запрессовано), на наружной поверхности 12 которого выполнены первая 13 и вторая 14 полости, каждая из которых соответственно охватывает отверстия 8 и 9 первого 6 и второго 7 выходных патрубков соответственно. Также в корпусе 1 установлен шаговый двигатель 15, ротор 16 которого соединен с соосным расточке 2 валом 17, снабженным имеющим наружную цилиндрическую поверхность 18 переключающим элементом 19. Переключающий элемент 19 неподвижно закреплен на валу 17 при помощи шпонки 20. В первом пазе 21 переключающего элемента 19 размещен первый сегмент 22 с угловой шириной X относительно оси расточки 2, который поджимается к внутренней поверхности 23 кольца 11 пружинами сжатия 24, размещенными в глухих радиальных отверстиях 25 переключающего элемента 19. На кольце 11 выполнены сквозные радиальные отверстия 26, сообщающие внутреннюю поверхность кольца 11 с первой 13 и второй 14 полостями, причем угловые расстояния между осями соседних сквозных радиальных отверстий 26 выполнены равными или кратными шагу α ротора шагового двигателя. В переключающем элементе 19 выполнен второй паз 27, в котором размещен второй сегмент 28 с угловой шириной Y≤X относительно оси расточки 2, поджимаемый к внутренней поверхности кольца 11 пружинами сжатия 24, размещенными в глухих радиальных отверстиях 25 переключающего элемента 19. Угловое расстояние β относительно оси расточки 2 между ближайшими друг к другу краями первого 22 и второго 28 сегментов выполнено меньшим или равным шагу α ротора 16 шагового двигателя 15. В переключающем элементе 19 между первым 22 и вторым 28 сегментами выполнена прорезь 29 для прохода жидкости из расточки 2 в сквозные радиальные отверстия 26 кольца 11, при этом угловая ширина второго сегмента Y относительно оси расточки больше углового расстояния ϕ между наиболее удаленными друг от друга краями сквозных радиальных отверстий 26, выходящих в первую полость 13. Сегменты 22 и 28 установлены в пазах 21 и 27 соответственно с ограничением их перемещений в осевом и угловом относительно оси переключающего элемента 19 направлениях стенками пазов 21 и 27. Отверстие 4 входного патрубка 3 сообщено с внутренней полостью 5 расточки 2 через выполненный в корпусе 1 канал 30, выходящий во внутреннюю полость 5 расточки 2 со стороны ее торца 31. Вал 17 установлен в корпусе 1 на подшипниках 32.
Устройство деления потока жидкости работает следующим образом: при поступлении жидкости от внешнего источника через входной патрубок 3 поток жидкости через отверстие 4 и канал 30 поступает во внутреннюю полость 5 расточки 2. Сегменты 22 и 28, первоначально поджимаемые к внутренней поверхности кольца 11 пружинами сжатия 24, поджимаются к ней также гидростатическим давлением жидкости в полости 5. Толщина сегментов 22 и 28 выполнена меньшей, чем расстояние от внутренней цилиндрической поверхности 23 кольца 11 до дна пазов 21 и 27 соответственно, что обеспечивает отсутствие заклинивания сегментов 22 и 28 между кольцом 11 и переключающим элементом 19. На фиг. 1 и 2 показано положение переключающего элемента 19, при котором все сквозные радиальные отверстия 26, сообщающие внутреннюю поверхность кольца 11 с полостью 13, перекрыты вторым сегментом 28 (поскольку угловая ширина второго сегмента Y относительно оси расточки больше углового расстояния ϕ между наиболее удаленными друг от друга краями сквозных радиальных отверстий 26, выходящих в первую полость 13), а все сквозные радиальные отверстия 26, сообщающие внутреннюю поверхность кольца 11 с полостью 14, перекрыты первым сегментом 22, поэтому жидкость не поступает ни в патрубок 6, ни в патрубок 7. Это положение является исходным для приведенного примера конкретного исполнения. При подаче импульса напряжения на шаговый двигатель 15 его ротор 16 поворачивается по часовой стрелке (по фиг. 1) на один шаг - на угол α. На этот же угол поворачивается и переключающий элемент 19 с сегментами 22 и 28, и устройство переходит в положение, показанное на фиг. 3, при этом все сквозные радиальные отверстия 26, сообщающие внутреннюю поверхность кольца 11 с полостью 14, по-прежнему перекрыты первым сегментом 22, и расход через патрубок 7 отсутствует, в то время как одно из отверстий 26, сообщающих внутреннюю поверхность кольца 11 с полостью 13, оказывается открытым, так как находится между ближайшими друг к другу краями первого 22 и второго 28 сегментов. Поскольку угловое расстояние Р относительно оси расточки 2 между ближайшими друг к другу краями первого 22 и второго 28 сегментов выполнено меньшим или равным шагу а ротора 16, то открыто только одно из отверстий 26. Таким образом, поток жидкости из полости 5 поступает через прорезь 29 и отверстие 26 в полость 13 и отверстие 8 первого выходного патрубка 6. Расход через патрубок 6 определяется геометрическими характеристиками открытого в этом положении отверстия 26, сообщающего внутреннюю полость 5 с полостью 13 и давлением внутри полости 5. При дальнейшей подаче импульсов на шаговый электродвигатель 15 будут происходить дальнейшие повороты вала 17, переключающего элемента 19 с сегментами 22 и 28, при этом последовательно будут открываться те или иные отверстия 26, сообщающиеся с полостью 13, вследствие чего расход через патрубок 6 будет меняться в зависимости от геометрических характеристик открытого при каждом конкретном шаге отверстия 26. Вышесказанное справедливо для первых пяти шагов, выполненных от исходного положения, показанного на фиг. 1. При всех этих пяти шагах отверстия 26, выходящие в полость 14, будут перекрыты первым сегментом 22, поэтому расход через патрубок 7 будет отсутствовать. При следующем, шестом шаге, устройство перейдет в положение, показанное на фиг. 4, при котором все отверстия 26, выходящие в полость 13, будут перекрыты уже первым сегментом 22 (поскольку его ширина X≥Y (ширины второго сегмента), и откроется первое из отверстий 26, выходящих в полость 14. Таким образом, поток жидкости из полости 5 поступает через отверстие 26 в полость 14 и отверстие 9 второго выходного патрубка 8. Расход через патрубок 8 определяется геометрическими характеристиками открытого в этом положении отверстия 26, сообщающего внутреннюю полость 5 с полостью 14 и давлением внутри полости 5. При дальнейшей подаче импульсов на шаговый электродвигатель 15 будут происходить дальнейшие повороты вала 17, переключающего элемента 19 с сегментами 22 и 28, при этом последовательно будут открываться новые отверстия 26, сообщающиеся с полостью 14, вследствие чего расход через патрубок 7 будет меняться в зависимости от числа и геометрических характеристик открытых при каждом конкретном шаге отверстий 26, сообщающих внутреннюю поверхность кольца 11 с его полостью 14. В то же время отверстия 26, сообщающих внутреннюю поверхность кольца 11 с его полостью 13 будут перекрыты сегментом 22, и расход через патрубок 6 будет отсутствовать. При отработке 13 шагов от положения, показанного на фиг. 1, устройство перейдет в положение, показанное на фиг. 5, при этом весь расход жидкости будет протекать через патрубок 7, а расход через патрубок 6 будет равен нулю. В данном примере конкретного исполнения на первых 5 шагах регулируется расход через патрубок 6 (расход через патрубок 7 равен нулю), на следующих 8 шагах регулируется расход через патрубок 7 (расход через патрубок 6 равен нулю). Этот закон регулирования является одним из многих, приведен в иллюстративных целях - возможно регулирование расхода по двум патрубкам одновременно - например, разместив дополнительные отверстия 26, выходящие в полость 14, еще в пяти сечениях, отстоящих на равные шаги α от крайнего левого отверстия 26 (на фиг. 1), не меняя все остальные элементы конструкции, получим, что расходы в обоих патрубках будут появляться уже с первого шага. Но при этом расход через патрубок 7 будет увеличиваться с каждым шагом - так как количество отверстий 26, через которые жидкость может поступать в полость 14, и, соответственно, их суммарное сечение, будет все время увеличиваться, то расход через патрубок 6 будет на первых 5 шагах меняться в зависимости от сечения открытого на каждом шаге отверстия - а это сечение может как увеличиваться, так и уменьшаться.
В результате использования изобретения обеспечивается расширение области применения устройства деления потока жидкости за счет обеспечения независимой регулировки расходов в выходных патрубках. Естественно, диаметры самих отверстий для этого должны быть увязаны с величиной шага шагового двигателя и точностью отработки шагов ротором при движении в прямом и обратном направлениях, однако это является задачей обычного проектирования и не отражено в описании изобретения. Также указанный в формуле признак «Y≤X» является необходимым для реализации регулирования расхода через первый выходной патрубок. Конкретное же соотношение ширин X и Y первого и второго сегментов зависит от заданного закона регулирования (одновременного по двум патрубкам, с запаздыванием второго или последовательным) и также являются следствием методов обычного проектирования. Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленное изобретение к применению в качестве регулирующего органа систем терморегулирования космических летательных аппаратов.