Регулятор расхода горячего газа
HOT GAS FLOW CONTROLLER

Изобретение относится к области машиностроения и направлено на совершенствование регуляторов расхода, работающих в условиях высоких температур и давлений и обеспечивающих управление летательным аппаратом в плоскостях тангажа, рыскания и крена.
Важной характеристикой регуляторов расхода такого типа является, так называемый, шарнирный момент, т.е. момент необходимый для открытия и закрытия регулятора расхода. Указанный момент состоит из двух составляющих: газодинамической, зависящей от параметров рабочей среды и величины площади расходного отверстия, и момента трения, если регулирующие элементы (заслонка и седло) соприкасаются друг с другом.
Известна конструкция регулятора расхода газа, содержащая корпус с входным и выходным патрубками, седло с равномерно расположенными расходными отверстиями, установленное в выходной патрубок, кинематически связанные заслонку и вал, на заслонке выполнены расходные отверстия в форме сектора кольца, ограниченного двумя цилиндрическими поверхностями, центры которых находятся на оси вала, при этом расходные отверстия заслонки выполнены одинаковыми с расходными отверстиями седла, торец седла, обращенный к заслонке, выполнен плоским, также как и торец заслонки, заслонка и седло контактируют между собой по плоским поверхностям, заслонка и седло загерметизированы при помощи уплотнительных колец (Патент РФ №2285184 С1, кл. F16K 39/04, опубл. 10.10.2006 г.).
Недостаток такой конструкции состоит в том, что в паре заслонка - седло контакт происходит по плоским поверхностям, что приводит к резкому увеличению шарнирного момента в случае высокого давления и значительных величин расходной площади регулятора расхода горячего газа, что требует увеличения мощности привода, это, в свою очередь, приводит к увеличению массы всех узлов кинематической цепи привод-заслонка. Если для регуляторов расхода газа, применяемых в наземных условиях, это не играет решающей роли, то для регуляторов расхода газа, используемых в летательных аппаратах для управления по каналам тангажа, рыскания и крена, это неприемлемо.
Задачами изобретения являются повышение надежности работы регулятора расхода газа за счет уменьшения величины составляющей шарнирного момента трения в зоне контакта заслонки и седла, уменьшения массы конструкции, а также увеличение быстродействия регулятора.
Указанные задачи решаются тем, что в регуляторе расхода горячего газа, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, седло с равномерно расположенными расходными отверстиями, установленное в выходной патрубок, кинематически связанные заслонку и вал, заслонка выполнена с глухим отверстием, в которое заходит вал, и в месте своего соединения с валом выполнена с цилиндрическим участком, переходящим в прилив, на котором выполнены расходные отверстия в форме сектора кольца, ограниченного двумя цилиндрическими поверхностями, центры которых находятся на оси вала, при этом расходные отверстия заслонки выполнены одинаковыми с расходными отверстиями седла, кромки боковой поверхности каждого расходного отверстия заслонки в поперечном сечении, выполнены профилированными: часть, ближайшая к седлу, выполнена в виде прямолинейного участка, а часть, расположенная дальше, выполнена в виде наклонного участка в сторону от расходного отверстия седла под углом, равным 30…45°, на плоском торце седла выполнена выемка сферической формы, соосная оси вала, а на плоском торце заслонки выполнен сферический выступ, соосный оси вала, при этом величина радиуса сферы выемки седла превышает величину радиуса сферы выступа заслонки, а между плоскими поверхностями седла и заслонки, обращенными друг к другу, выполнен равномерный зазор.
На фиг. 1 изображен общий вид регулятора расхода горячего газа.
На фиг. 2 изображен вид на седло регулятора расхода горячего газа.
На фиг. 3 изображено исполнение расходного отверстия заслонки в поперечном сечении.
На фиг. 4 изображена конструкция торцового уплотнения.
На фиг. 5 изображен вариант исполнения кромки боковой поверхности расходного отверстия заслонки в поперечном сечении.
На фиг. 6 изображено исполнение расходного отверстия заслонки в поперечном сечении с переменным углом наклона.
1
Регулятор расхода горячего газа (фиг. 1) состоит из корпуса 1, который содержит входной 2 и выходной 3 патрубки, седло 4 с регулируемыми расходными отверстиями 5, установленное в выходной патрубок 3, заслонки 6, кинематически связанной с валом 7. Торец 8 седла 4, обращенный к заслонке 6, выполнен плоским, а плоский торец 9 заслонки 6 расположен с равномерным зазором «δ» по отношению к плоскому торцу 8 седла 4. Вал 7 установлен в подшипники качения 10 и кинематически связан с заслонкой 6, которая выполнена в форме цилиндрического участка 11, переходящего в прилив 12. Заслонка 6 выполнена с глухим отверстием, в которое заходит вал 7 и соединена с валом 7 при помощи двух штифтов 13, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. На плоском торце 8 седла 4 выполнена выемка 14 сферической формы, соосная оси вала 7, а на плоском торце 9 заслонки 6 выполнен сферический выступ 15, при этом величина радиуса сферы выемки 14 седла 4 превышает величину радиуса сферы выступа 15 заслонки 6. Корпус 1 защищен изнутри деталями 16 из эрозионностойкого прессматериала (например, углепластика). Между наружной поверхностью вала 7 и глухим отверстием заслонки 6 расположено теплозащитное покрытие 17. Прилив 12 заслонки 6 и седло 4 в районе плоского торца также выполнены в форме цилиндра, соосного с валом 7. Регулируемая площадь седла 4 (фиг. 2) выполнена в виде одинаковых расходных отверстий 5, расположенных равномерно и выполненных в форме сектора кольца, ограниченного двумя цилиндрическими поверхностям 18 и 19, центры которых находятся на оси вала 7. На приливе 12 заслонки 6 выполнены расходные отверстия 20 (фиг. 3, 6) одинаковые с расходными отверстиями 5 седла 4. Максимальный угол раскрытия «α» расходных отверстий седла 4 и заслонки 6 равен 360°/2n, где n-количество расходных отверстий (фиг. 2, 3, 6). Заслонка 6 в зоне ее цилиндрического участка 11 и вал 7 защищены втулкой 21 из эрозионностойкого прессматериала, которая перекрывает зону соединения заслонки 6 с валом 7. Между цилиндрическим участком 11 заслонки 6 и приливом 12, на котором выполнены расходные отверстия 20 заслонки 6, выполнен соосный с валом 7 дополнительный цилиндрический участок 22, диаметр которого меньше диаметра цилиндрического участка 11 заслонки 6 в месте установки штифтов 13. Диаметр меньшей цилиндрической поверхности 18, которая образует регулируемое расходное отверстие 20 заслонки 6, равен диаметру дополнительного цилиндрического участка 22. На цилиндрическом участке 11 заслонки 6 выполнен кольцевой выступ 23, соосный с осью вала 7 (фиг. 4), а во втулке 21 из эрозионностойкого прессматериала выполнена кольцевая полость 24, соосная с осью вала 7 (фиг. 1, 4), в которую установлено с осевым люфтом торцовое уплотнение, состоящее из четного количества графитовых колец, причем графитовое кольцо 25, расположенное ближе к цилиндрическому выступу 23 заслонки 6, контактирует с цилиндрическим участком 11 заслонки 6 и установлено с кольцевым зазором по отношению к кольцевой полости 24 втулки 21 из эрозионностойкого прессматериала, следующее за ним графитовое кольцо 26 контактирует с цилиндрической поверхностью кольцевой полости 24 втулки 21 и установлено с кольцевым зазором по отношению к цилиндрическому участку 11 заслонки 6. Такая установка аналогична для последующих пар колец. На фиг. 1, 4 показана конструкция торцового уплотнения, состоящего, например, из четырех графитовых колец. Первое и третье графитовое кольца 25, также как второе и четвертое 26, выполнены одинаковыми между собой. Выходной конец вала 7 снабжен уплотнительными кольцами 27. Заслонка 6 и седло 4, как вариант, могут быть выполнены из антифрикционного материала типа графита или пироуглерода для уменьшения массы изделия.
На фиг. 3, 5 изображена кромка 28 боковой поверхности 29 расходного отверстия 20 заслонки 6 в поперечном сечении. Кромка 28 выполнена профилированной: часть, ближайшая к седлу 4 выполнена в виде прямолинейного участка, а часть, расположенная дальше, выполнена в виде наклонного участка в сторону от расходного отверстия 5 седла 4 под углом «α». Минимальная толщина «h» кромки 28 определяется из условия отсутствия ее сквозного уноса под воздействием температуры и давления горячего газа. Результаты расчетов показывают, что чем больше величина угла «α», тем меньше значение газодинамического шарнирного момента. Однако, с увеличением угла «α» снижается прочность заслонки. Оптимальное значение угла «α» равно 30°…45°.
Возможно выполнение угла «α» переменным, при этом угол «α» плавно изменятся от 0° в сторону от оси вращения вала 7 (фиг. 6). Такое исполнение позволяет увеличить прочность заслонки 6 в месте соединения прилива 12 с дополнительным цилиндрическим участком 22. Поэтому возможно выполнять угол «α» переменным, в сторону его увеличения от оси вращения вала 7. При выполнении угла «α» переменным его можно увеличить до 70°.
Зазор «δ» определяется из условия допустимого уровня площади утечек при закрытых расходных отверстий 5 седла 4 и рассчитывается по формуле:
ут.
δ=F/Р, где
ут.
2
F - допустимый уровень площади утечек (мм),
Р - суммарный периметр расходных отверстий седла (мм).
Чем меньше величина зазора «δ», тем меньше непроизводительные потери рабочего тела. С учетом допусков на изготовление величина зазора «δ» выбирается обычно 0,3…0,5 мм.
Регулятор расхода горячего газа работает следующим образом.
При поступлении в регулятор горячего газа от системы управления подается сигнал на поворот вала 7 и, поскольку он кинематически соединен с заслонкой 6 при помощи штифтов 13, заслонка 6 также поворачивается, открывая регулируемые расходные отверстия 5 седла 4, и газ истекает из выходного патрубка 3, обеспечивая необходимый расход. Расположение штифтов 13 во взаимно перпендикулярных плоскостях позволяет максимально уменьшить торцевой зазор между плоскими поверхностями седла 4 и заслонки 6 за счет увеличения сопротивления изгибу.
Изменение открытой площади расходных отверстий 5 седла 4 в зависимости от угла поворота вала 7 происходит линейно, благодаря тому что, расходные отверстия 5 седла 4 и расходные отверстия 20 заслонки 6 выполнены одинаковыми в форме сектора кольца, ограниченного двумя цилиндрическими поверхностями. Линейное изменение площади упрощает систему управления.
Выполнение дополнительного цилиндрического участка 22, диаметр которого меньше наружного диаметра заслонки 6 в месте установки штифтов 13, и выполнение меньшей цилиндрической поверхности, которая образует регулируемое расходное отверстие 20 заслонки 6, равной диаметру дополнительного цилиндрического участка 22, обеспечивает уменьшение величины газодинамической составляющей шарнирного момента и габаритов регулятора расхода горячего газа, а также приводит к снижению массы.
Возможность изменения числа расходных отверстий седла 4 и заслонки 6 при той же суммарной площади отверстий и скорости вращения вала 7 позволяет изменять быстродействие регулятора расхода газа при меньшем угле поворота.
Выполнение на плоском торце 8 седла 4 выемки 14 сферической формы, соосной оси вала 7, а на плоском торце 9 заслонки 6 сферического выступа 15, также соосного оси вала 7 и установленного с равномерным боковым зазором в выемку 14 седла 4, обеспечивает касание заслонки 6 и седла 4 в точке, что обеспечивает уменьшение величины шарнирного момента трения в паре заслонка - седло, а также при использовании графитовых материалов для изготовления последних уменьшает износ выемки 14 и выступа 15.
Выполнение кромок 28 боковых поверхностей 29 каждого расходного отверстия 20 заслонки 6 в поперечном сечении профилированными (в форме ломаной линии или ступенчатой форме, а также в виде криволинейной поверхности) позволяет оптимизировать распределение давления на ней и тем самым снизить газодинамическую составляющую шарнирного момента.
Таким образом, исходя из вышеизложенного, обеспечивается повышение надежности работы регулятора расхода горячего газа за счет уменьшения величин составляющих шарнирного момента в паре заслонка-седло, увеличение быстродействия регулятора расхода горячего газа, при сохранении его линейной расходной характеристики и уменьшения его массы.