ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ДРОССЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
HIGH TEMPERATURE THROTTLE DEVICE

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системе регулирования энергетических установок и технологических производственных процессов.
Известны энергетические установки, предназначенные в основном для маломощных мобильных электростанций, в которых регулирование и поддержание заданной частоты вращения ротора электрогенератора обеспечивается путем перепуска части генераторного газа на сброс по байпасному каналу трубопровода подвода газа к турбоприводу электрогенератора. В качестве исполнительного органа, установленного на байпасном канале и непосредственно изменяющего расход высокотемпературного генераторного газа, часто используются дроссельные устройства, управляемые электроприводом по командному сигналу системы автоматического управления.
Известно быстродействующее дроссельное устройство (патент RU 2296260 С1 от 2005.07.21, МПК F16K 1/12, F16K 31/54, F16K 45/00), которое содержит корпус с осевым входом и выходом и проточную часть, внутри которой на пилонах размещена центральная камера с предкамерой с расположенными в них поступательно перемещающимся гильзовым затвором относительно седла, механизмом перемещения затвора, экраном, и охлаждаемую воздухом полость по всей длине центральной камеры.
Недостатками указанного устройства являются:
- большой крутящий момент на валу привода из-за наличия большого количества конструктивных элементов с трением и опрокидывающего момента сил на штоке 7 из-за приложения усилия со смещением относительно его оси;
- невозможность получения расходной характеристики заданного вида, обусловленная конструктивной схемой;
- конструктивная сложность;
тепловые потери газа в проточной части из-за наличия принудительного охлаждения всей цилиндрической поверхности центральной камеры 3.
Известен клапан для регулирования расхода горячего газа (патент RU 2079023 С1 от 15.02.1994, МПК F16R 5/04, F16K 5/12) и регулятор расхода горячего газа (патент RU 2376518 С1 от 2008.02.10, МПК F16K 5/04, F16K 5/12,G05D 7/00).
Указанные клапан и регулятор содержат дросселирующий орган с вращающимся подвижным элементом относительно неподвижного элемента (седла) с расходными отверстиями в них, причем подвижный элемент кинематически связан с зафиксированным от осевого перемещения валом (или выполнен заодно с валом).
Недостатками указанных клапана и регулятора являются:
- сравнительно большой крутящий момент на валу, обусловленный наличием трения по контактирующим поверхностям подвижного и неподвижного элементов дросселирующего органа и наличием большого осевого и радиального усилий, воспринимаемых подшипниками и зависящих от величины входного давления газа;
- невозможность получения расходной характеристики заданного вида, обусловленная конструктивной схемой;
- неохлаждаемый вал, вследствие чего тепло передается на привод.
Известно дроссельное устройство (патент RU 2027934 С1 от 25.06.1991, МПК F16K 5/04), содержащее дросселирующий орган с вращающимся подвижным элементом (вал) относительно неподвижного элемента (охватывающая обойма) с проходными каналами, соединенными с отверстием вала.
Вал имеет бурт, контактирующий одной стороной с охватывающей обоймой, а другой стороной - с упорной втулкой вала, изготовленной из материала с низким коэффициентом трения.
Указанное дроссельное устройство также содержит кольцевой коллектор с патрубками для подвода и отвода охлаждающей (или нагреваемой) среды. Коллектор выполнен коаксиально над наружной поверхностью корпуса в месте размещения уплотнения вала в корпусе.
Недостатками указанного устройства являются:
- сравнительно большой крутящий момент на валу, обусловленный трением по бурту вала, наружный диаметр которого больше диаметра вала, и большим осевым усилием, зависящим от величины входного давления газа;
- невозможность получения расходной характеристики заданного вида, обусловленная конструктивной схемой;
- недостаточное охлаждение вала, вследствие чего тепло может передаваться по валу к приводу.
Наиболее близким из известных по технической сущности и достигаемому результату к предложенному высокотемпературному дроссельному устройству (далее по тексту - дроссельному устройству) является поворотный клапан для горячего газа (далее по тексту - клапан) (патент США №3276466 от 04.10.1966 - прототип).
В корпусе указанного клапана с угловым расположением патрубков установлен с возможностью вращения стакан с расходным отверстием на его цилиндрической поверхности, при этом между наружной поверхностью стакана и внутренней поверхностью корпуса имеется кольцевой зазор.
В открытом положении клапана расходное отверстие в стакане совмещено с отверстием входного патрубка корпуса. Стакан соединен жестко с зафиксированным от осевого перемещения валом, при этом последний уплотнен в корпусе резиновым кольцом.
Корпус клапана изнутри защищен от прогрева теплоизоляционным материалом.
Недостатками указанного устройства являются:
- большой крутящий момент на валу, хотя и отсутствует трение между подвижными и неподвижными элементами дросселирующего органа.
Большой момент обусловлен
- наличием трения по резиновым кольцам, уплотняющим роликовый подшипник и вал, а также наличием большого осевого и радиального усилий, действующих на подвижный элемент дросселирующего органа и зависящих от величины входного давления горячего газа;
- невозможностью получения расходной характеристики заданного вида, обусловленной конструктивной схемой;
- конструктивной сложностью и большой массой в связи с наличием теплоизоляционного покрытия изнутри корпуса и наличием роликоподшипника, наружный диаметр которого соизмерим с наружным диаметром корпуса;
- недостаточной надежностью и работоспособностью вследствие поступления горячего газа к резиновым уплотнительным кольцам и к валу по торцевым и диаметральным зазорам между соответствующими деталями.
Целью изобретения является создание дроссельного устройства, в том числе и дроссельного устройства устанавливаемого на байпасном канале трубопровода подвода высокотемпературного газа к турбоприводу электрогенератора, с устранением вышеуказанных недостатков прототипа, а именно:
- упрощение конструкции и уменьшение массы;
- уменьшение крутящего момента на валу;
- обеспечение расходной характеристики заданного вида;
- повышение надежности и работоспособности.
Поставленная цель достигается тем, что в дроссельном устройстве, содержащем корпус с угловым расположением патрубков входа и выхода высокотемпературного газа и дросселирующий орган с вращающимся подвижным элементом, выполненным в виде стакана, относительно неподвижного элемента с расходными окнами в них, совмещенными в открытом положении дроссельного устройства, и кольцевым зазором между ними, при этом вращающийся элемент дросселирующего органа жестко присоединен к валу, зафиксированному от осевого перемещения и уплотненному в корпусе, согласно изобретению неподвижный элемент дросселирующего органа выполнен в виде гильзы с расходными окнами, расположенными в диаметрально противоположных местах, установленной по оси выходного патрубка корпуса и образующей с расточкой в корпусе коллектор для подвода высокотемпературного газа к расходным окнам гильзы, а подвижный элемент дросселирующего органа выполнен в виде стакана, размещенного внутри гильзы и имеющего расходные окна, выполненные также в диаметрально противоположных местах на его цилиндрической части, при этом в корпусе образована полость охлаждающей среды, ограниченная с одной стороны герметично установленной в корпус заглушкой, через дно которой выходит уплотненный вал во внутреннюю полость стакана, и с другой стороны - цилиндрической втулкой, уплотненной по корпусу и валу, а также образована полость дренажа охлаждающей среды, ограниченная с одной стороны вышеупомянутой цилиндрической втулкой и другой аналогичной цилиндрической втулкой, последовательно установленной с первой.
Расходные окна на деталях дросселирующего органа для дроссельного устройства устанавливаемого, например, на байпасном канале трубопровода подвода высокотемпературного газа к турбоприводу электрогенератора выполнены в виде Т-образных пазов, при этом одна часть этого паза выполнена вдоль образующих цилиндрических поверхностей гильзы и стакана и его максимальная длина может быть равной длине коллектора в корпусе, а другая часть этого паза выполнена перпендикулярно образующим цилиндрических поверхностей гильзы и стакана и его длина определяется требуемой расходной характеристикой.
При этом уплотнение вала, разделяющее проточные полости с высокотемпературным газом и охлаждающей средой, выполнено в виде цилиндрической втулки, изготовленной из пирографита и имеющей с одной стороны наружную коническую поверхность, контактирующую с внутренней конической поверхностью прорезной пружины, торец ее контактирует с торцом заглушки, установленной в корпусе, а внутренняя цилиндрическая поверхность в ее тонкой части - с валом.
1
Конструкция дроссельного устройства показана на фиг.1-4. Геометрия и взаимное расположение расходных окон на гильзе и стакане для дроссельного устройства, устанавливаемого на байпасном канале трубопровода подвода высокотемпературного газа к турбоприводу электрогенератора, показаны на фиг.5, 7, 9, 11 (сечение Б-Б на фиг.1) и на фиг.6, 8, 10, 12 (развертки поверхностей D стакана и d гильзы).
Дроссельное устройство содержит корпус 1 с патрубком входа высокотемпературного газа 2, патрубком выхода высокотемпературного газа 3, штуцером входа охлаждающей среды 4, штуцером выхода охлаждающей среды 5 и штуцером дренажа охлаждающей среды 6. В корпусе 1 по оси патрубка выхода высокотемпературного газа 3 установлена гильза 7, являющаяся неподвижным элементом дросселирующего органа. На цилиндрической поверхности гильзы 7 выполнены в диаметрально противоположных местах расходные окна. Угловое расположение гильзы 7 относительно патрубка входа высокотемпературного газа 2 обеспечивается установкой штифта 8. В осевом направлении гильза 7 закреплена гайкой 9. В корпусе 1 выполнена расточка 10, которая совместно с гильзой 7 образует коллектор 11. Внутри гильзы 7 размещен подвижный элемент дросселирующего органа - стакан 12 с расходными окнами, расположенными на его цилиндрической поверхности также в диаметрально противоположных местах. Форма расходных окон определяется требуемой расходной характеристикой. Для дроссельного устройства, установленного на байпасном канале трубопровода подвода высокотемпературного газа к турбоприводу электрогенератора, расходные окна имеют вид Т-образных пазов. При этом одна часть 13 этого паза выполнена вдоль образующих цилиндрических поверхностей гильзы 7 и стакана 12 и длина этой части паза может быть равной длине коллектора 11, а другая часть 14 этого паза выполнена перпендикулярно образующим цилиндрических поверхностей гильзы 7 и стакана 12 и ее длина определяется требуемой расходной характеристикой.
Между внутренней цилиндрической поверхностью гильзы 7 и наружной цилиндрической поверхностью стакана 12 имеется кольцевой зазор. Величина зазора должна быть не менее величины суммарной возможной температурной деформации гильзы 7 и стакана 12. Полость, образованная патрубком входа высокотемпературного газа 2, коллектором 11, внутренней полостью 15 стакана 12 и патрубком выхода высокотемпературного газа 3, является проточной полостью высокотемпературного газа. Стакан 12 жестко соединен с валом 16 при помощи шлицев 17 и гайки 18. Совмещение расходных окон, выполненных на гильзе 7 и стакане 12, по оси патрубка выхода высокотемпературного газа 3, обеспечивается подбором толщины регулировочного кольца 19.
В корпусе 1 образованы проточная полость охлаждающей среды 20 и полость дренажа охлаждающей среды 21. Проточная полость охлаждающей среды 20 ограничена с одной стороны герметично установленной в корпусе 1 заглушкой 22 и с другой стороны цилиндрической втулкой 23, уплотненной по корпусу 1 резиновым кольцом 24 и по валу - резиновым кольцом 25 и фторопластовой манжетой 26. Заглушка 22 уплотнена в корпусе 1 кольцом 27, изготовленным, например, из меди.
Полость дренажа охлаждающей среды 21 ограничена с одной стороны вышеупомянутой цилиндрической втулкой 23 и с другой стороны аналогичной цилиндрической втулкой 28, также уплотненной по корпусу 1 и валу 16.
Вал 16 имеет две опоры. Одной опорой является кольцо 29, изготовленное из пирографита и выполняющее роль подшипника скольжения. Кольцо 29 вмонтировано в заглушку 22. Выбор материала кольца 29 обусловлен необходимостью обеспечения в паре трения вал-кольцо низкого коэффициента трения.
Другой опорой вала 16 является шарикоподшипник 30. При помощи шарикоподшипника 30 вал 16 зафиксирован от осевого перемещения в корпусе 1 путем закрепления его внутреннего кольца на валу 16 с применением кольца 31, упорного кольца 32, полумуфты 33 и гайки 34, а наружное кольцо шарикоподшипника 30 закреплено в цилиндрической втулке 28 гайкой 35.
Проточная полость высокотемпературного газа герметично отделена от проточной полости охлаждающей среды 20 уплотнительным кольцом 36, изготовленным из пирографита.
Уплотнительное кольцо 36 имеет вид цилиндрической втулки, на одной стороне которой выполнена наружная коническая поверхность, с которой контактирует прорезная пружина 37 своей внутренней конической поверхностью. За счет этого обеспечивается осевое поджатие торца уплотнительного кольца 36 к притертому торцу заглушки 22 и радиальное поджатие внутренней цилиндрической поверхности кольца 36 в ее тонкой части к поверхности вала 16.
Прорезная пружина 37 сжимается поджатием втулки 38 к торцу заглушки 22, которое обеспечивается поджатием втулок 23, 28 друг к другу при затяжке гайки 35.
На хвостовике вала 16 закреплена полумуфта 33, которою вращает электропривод, закрепляемый на фланце корпуса 1 через термоизолирующую прокладку 39. На боковой цилиндрической поверхности полумуфты 33 выполнен лимб с рисками и цифрами для отсчета углового положения стакана 12. Угол поворота полумуфты 33 ограничен упорами 40, 41, выполненными на упорных кольцах 42, 43.
Упорные кольца фиксируются в угловом положении относительно друг друга и корпуса 1 торцевыми шлицами, выполненными на указанных деталях, а в осевом направлении они поджимаются друг к другу и корпусу кольцом 44 и болтами.
Позиции торцевых шлицев и болты на фиг.1 и 2 не приведены.
Во втулке 38 выполнены отверстия 45, 46 для расхода охлаждающей среды.
Предлагаемое дроссельное устройство функционирует следующим образом.
Высокотемпературный газ, подведенный к патрубку входа высокотемпературного газа 2, поступает в коллектор 11, затем через расходные окна на гильзе 7 и стакане 12 во внутреннюю полость 15 стакана 12 и далее в патрубок выхода высокотемпературного газа 3. Кромки расходных окон на гильзе 7 образуют с кромками расходных окон на стакане 12 дросселирующее сечение, площадь которого определяется угловым положением стакана 12. В процессе функционирования вал 16 вращается электроприводом по команде системы автоматического регулирования, изменяя величину дросселирующего сечения, следовательно, и величину расхода высокотемпературного газа.
При этом на стакан 12 и, следовательно, на вал 16 не действуют радиальные статические и динамические силы, так как они взаимно уравновешиваются в связи с тем, что расходные окна на гильзе 7 и стакане 12 выполнены в диаметрально противоположных местах. На вал 16 действует только осевая сила, определяемая диаметром уплотнения вала 16 и выходным давлением высокотемпературного газа.
Стакан 12 дроссельного устройства, установленного на байпасном канале трубопровода подвода высокотемпературного газа к турбоприводу электрогенератора, перед запуском турбопривода с неподключенным электрогенератором устанавливается в положение, показанное на фиг.5, 6. В этом положении цилиндрической поверхностью стакана 12 закрыта часть 13 Т-образного паза на гильзе 7 и открыта часть 14 этого паза.
В процессе запуска турбопривода при выходе его на номинальные обороты стакан 12 устанавливается в положение, показанное на фиг.7, 8. В этом положении в дополнение к открытой части 14 Т-образного паза на гильзе 7 открывается часть 13 Т-образного паза, то есть Т-образные пазы на гильзе 7 и стакане 12 совмещаются. Через дроссельное устройство в байпасный канал идет максимальный расход высокотемпературного газа и за счет этого уменьшается заброс оборотов турбопривода.
Для исключения провала оборотов турбопривода после подключения к нему электрогенератора вал 16 дроссельного устройства устанавливается в положение, показанное на фиг.9, 10. При этом уменьшается расход высокотемпературного газа в байпасный канал и обороты турбопривода устанавливаются близкими к номинальному значению.
Вышеуказанное открытие и закрытие части 13 Т-образного паза на гильзе 7 выполняется при небольшом угле поворота, определяемого шириной этой части паза. Следовательно, и время этого поворота может быть равным долям секунды при сравнительно небольшой скорости поворота электропривода. При этом площадь открываемого и закрываемого дросселирующего сечения может быть большой, так как длина части 13 Т-образного паза, определяющая площадь дросселирующего сечения, может быть равной длине коллектора 11.
Плавная настройка номинальных оборотов турбопривода обеспечивается перекрытием части 14 Т-образного паза на гильзе 7 стаканом 12. Положение стакана 12 относительно гильзы 7 при частичном и полном перекрытии части 14 Т- образного паза на гильзе 7 показано на фиг.9, 10 и фиг.11, 12 соответственно.
При поступлении в патрубок входа высокотемпературного газа 2 дроссельного устройства высокотемпературного газа в штуцер входа охлаждающей среды 4 поступает охлаждающая среда, которая проходит через отверстия 45, 46 во втулке 38 и далее в штуцер выхода охлаждающей среды 5, охлаждая при этом корпус 1 и вал 16. В случае утечки охлаждающей среды через неподвижное уплотнение резиновым кольцом 24 и через подвижное уплотнение резиновым кольцом 25 и фторопластовой манжетой 26 охлаждающая среда поступает в полость дренажа охлаждающей среды 21 и далее в штуцер дренажа охлаждающей среды 6. При этом исключается поступление утечек охлаждающей среды к шарикоподшипнику 30 и электроприводу.
Предложенное дроссельное устройство по сравнению с прототипом имеет:
- упрощенную конструкцию и уменьшенную массу за счет исключения теплоизоляционного покрытия, выполненного изнутри клапана, и роликоподшипника с большими диаметральными размерами. За счет исключения указанных конструктивных элементов уменьшены диаметральные размеры дроссельного устройства, в квадратной степени определяющие массу дроссельного устройства;
- уменьшенный крутящий момент на валу за счет:
замены трения по резиновым кольцам на трение по фторопластовым манжетам, которое имеет меньший коэффициент трения;
уменьшения трения в подшипниках вследствие исключения радиальной силы и уменьшения осевой силы, действующих на вал;
- требуемую расходную характеристику, так как на цилиндрических поверхностях подвижного и неподвижного элементов дросселирующего органа можно выполнить расходные окна любой требуемой геометрической формы;
- повышенную надежность и работоспособность, так как в конструкции нет резиновых колец, контактирующих с высокотемпературным газом, и исключен подвод тепла к электроприводу за счет введения проточной полости охлаждающей среды.