Быстродействующее высокотемпературное дроссельное устройство

Изобретение относится к области арматуростроения и предназначено для регулирования расходов высокотемпературных газов в испытательных стендах авиадвигателей, а также в энергетической, химической, металлургической и других отраслях промышленности. Быстродействующее высокотемпературное дроссельное устройство содержит корпус с осевым входом, проточной частью, осевым выходом, каналами подвода и отвода охлаждающего воздуха. Внутри корпуса на пилонах размещена центральная камера с предкамерой с расположенными в них гильзовым затвором и механизмом перемещения последнего. Этот механизм выполнен в виде рейки и шестерни. Рейка жестко связана со штоком гильзового затвора и смещена относительно оси шестерни на величину радиуса делительной окружности. Шестерня жестко соединена с валом механизма привода. Вал механизма привода размещен в разъемной опоре. Эта опора связана с внутренней поверхностью центральной камеры. В плоскости оси шестерни установлены диаметрально силовые штифты и перпендикулярно им упругие технологические втулки. Корпус в проточной части имеет внешний экран. Центральная камера имеет внутренний экран. Вал механизма привода расположен во втулках-подшипниках в разъемной опоре. Последняя упруго связана посредством плоских пружин с внутренней поверхностью центральной камеры. В корпусе установлены дополнительные силовые штифты. Они фиксируются в нем и подвижно соединены с центральной камерой. Механизм перемещения рейка-шестерня снабжен регулирующей пластиной. Часть внешнего экрана в проточной части выполнена возвратно-подвижной. Внутренний экран в центральной камере выполнен многослойным. Изобретение направлено на повышение эксплуатационной надежности и расширение функциональных возможностей конструкции, обеспечение ее работоспособности при высоких температурах при сохранении минимальных тепловых потерь газа по всему тракту дросселирования. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к области арматуростроения и может быть использовано для регулирования расходов высокотемпературных газов в испытательных стендах авиадвигателей, а также в энергетической, химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Известна задвижка (каталог фирмы RZD, MakVeld B.V., Голландия - аналог). Устройство задвижки содержит корпус, центральную камеру, пилоны, механизм привода, который выполнен из двух взаимно пересекающихся реек, одна из которых связана с клапаном, а другая - с приводом. Причем центральная камера, где расположен механизм привода, на пилонах жестко связана с корпусом.

Данная конструкция не может работать в зоне высоких температур, так как без принудительного охлаждения невозможно обеспечить надежное взаимодействие двух взаимно пересекающихся реек и избежать большой концентрации напряжений в местах зацепления.

Повышенная концентрация напряжений возникает под влиянием высокой температуры и давления и в пилонах, с помощью которых центральная камера связана с корпусом.

Наконец, если рассматривать задвижку в состоянии "открыто" как элемент трубопровода, то для уменьшения теплопотерь по тракту корпус задвижки должен быть теплоизолирован или иметь охлаждение, а ее проточная часть, как и центральная камера, должны быть экранированы, что в данной конструкции отсутствует.

Известно "Дроссельное устройство" (см. Патент US 1919165 А, кл. F 16 К 1/12, 18.07.1933 - аналог). Описанное дроссельное устройство содержит корпус с осевым входом и выходом, внутри которого на пилонах размещены центральная камера и предкамера с расположенными в них гильзовым затвором и механизмом перемещения последнего, выполненного из рейки и шестерни, каналов подачи и отвода охлаждающего воздуха, при этом рейка жестко связана со штоком гильзового затвора и смещена относительно оси шестерни на величину радиуса делительной окружности шестерни.

В данном дроссельном устройстве отсутствие жесткой осевой фиксации центральной камеры относительно корпуса является существенным недостатком конструкции, что способствует возникновению дополнительных температурных напряжений при работе дроссельного устройства в зоне высоких температур. Кроме того, в данной конструкции имеют место тепловые потери газа за счет излучения по тракту дросселирования в пределах осевой длины дроссельного устройства с учетом принудительного охлаждения центральной камеры, где расположен механизм перемещения гильзового затвора, что тоже является недостатком рассмотренной конструкции.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является дроссельное устройство (см. Патент на изобретение RU 2251041 C1, F 16 К 1/12, 3/24, 31/54, 49/00, 15.08.2003 - прототип).

Описанное дроссельное устройство содержит корпус с осевым входом, проточной частью и осевым выходом, внутри которого на пилонах размещена центральная камера с предкамерой с расположенными в них гильзовым затвором и механизмом перемещения последнего, выполненного из рейки и шестерни, каналов подвода и отвода охлаждающего воздуха, при этом рейка жестко связана со штоком гильзового затвора и смещена относительно оси шестерни на величину радиуса ее делительной окружности, шестерня жестко соединена с валом механизма привода, причем вал механизма привода размещен в разъемной опоре, которая жестко связана с внутренней поверхностью центральной камеры, в плоскости оси шестерни установлены диаметрально силовые штифты и, перпендикулярно им, упругие технологические втулки, корпус в проточной части имеет внешний экран, а центральная камера - внутренний экран.

В данном дроссельном устройстве жесткая связь разъемной опоры вала механизма привода с внутренней поверхностью центральной камеры является существенным недостатком, что способствует возникновению дополнительных температурных напряжений при работе дроссельного устройства в зоне высоких температур, когда имеет место значительная разница температур между внутренней полостью центральной камеры и проточной частью дроссельного устройства.

Кроме того, в рассматриваемой конструкции гильзовый затвор является по сути жестко связанным с гильзой с прорезями. Гильза с прорезями (позиция не обозначена) имеет на конце посадочный пояс, который выполняет роль подвижной опоры, поддерживающей в процессе работы соосность центральной камеры относительно оси корпуса в его горизонтальной плоскости. Однако если возникает необходимость использовать при дросселировании газа в работе дроссельного устройства гильзовый затвор без гильзы с прорезями, то вертикальная нагрузка от веса центральной камеры и ее комплектующих узлов придется на упругие технологические втулки, назначение которых герметизировать проходные каналы ими соединяемые соответствующих узлов конструкции камеры и корпуса, а не выполнять роль силовых элементов. Это также недостаток описываемого дроссельного устройства.

Кроме того, работа дроссельного устройства в зоне более высоких температур (свыше 600°С) является проблематичной, так как потребуется более интенсивное охлаждение воздухом полости центральной камеры, где находится механизм перемещения, что естественно приведет к существенным теплопотерям, то есть к большой разнице температур на входе и выходе быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства.

При работе в зоне более высоких температур, например свыше 600°С, возникает необходимость дополнительной защиты узлов конструкций, находящихся в потоке газа, при условии сохранения минимальных теплопотерь газа по всему тракту дросселирования.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении эксплутационной надежности и расширении функциональных возможностей быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства, в обеспечении его работоспособности при высоких температурах при сохранении минимальных тепловых потерь газа по всему тракту дросселирования.

Это достигается за счет того, что находящаяся в центральной камере разъемная опора, в которой расположен во втулках-подшипниках вал механизма привода, упруго связана посредством плоских пружин с внутренней поверхностью центральной камеры, в корпусе установлены дополнительные силовые штифты, фиксируемые в нем и подвижно соединенные с центральной камерой, механизм перемещения рейка - шестерня снабжен регулирующей пластиной, часть внешнего экрана в проточной части выполнена возвратно-подвижной, а внутренний экран в центральной камере выполнен многослойным.

Указанная техническая задача решается тем, что быстродействующее высокотемпературное дроссельное устройство, содержащее корпус с осевым входом, проточной частью и осевым выходом, внутри которого на пилонах размещена центральная камера с предкамерой, с расположенными в них гильзовым затвором и механизмом перемещения последнего, выполненного из рейки и шестерни, каналов подвода и отвода охлаждающего воздуха, при этом рейка жестко связана со штоком гильзового затвора и смещена относительно оси шестерни на величину радиуса делительной окружности, а шестерня жестко соединена с валом механизма привода, причем вал механизма привода размещен в разъемной опоре, которая связана с внутренней поверхностью центральной камеры, в плоскости оси шестерни установлены диаметрально силовые штифты и, перпендикулярно им, упругие технологические втулки, корпус в проточной части имеет внешний экран, а центральная камера - внутренний экран, снабжено плоскими пружинами, упруго связывающими разъемную опору, в которой вал механизма привода расположен во втулках-подшипниках, с внутренней поверхностью центральной камеры, в корпусе установлены дополнительные силовые штифты, фиксируемые в нем и подвижно соединенные с центральной камерой, механизм перемещения рейка - шестерня снабжен регулирующей пластиной, часть внешнего экрана в проточной части выполнена возвратно-подвижной, а внутренний экран в центральной камере выполнен многослойным.

Кроме того, плоские пружины имеют выпукло-вогнутую форму и размещены диаметрально, дополнительные силовые штифты установлены в корпусе в горизонтальной плоскости осей упругих технологических втулок и оси корпуса, регулирующая пластина является упругой, и в продольном сечении имеет волнообразную форму, а между фланцем возвратно-подвижной части внешнего экрана и корпусом, в проточной части, установлена упругая кольцевая пружина плоская U-образного сечения.

На фиг.1 показано быстродействующее высокотемпературное дроссельное устройство, на фиг.2 - разрез А-А быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства (фиг.1), на фиг.3 - разрез Б-Б быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства (фиг.1), на фиг.4 - детали быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства - разрез Г-Г (фиг.3), на фиг.5 - детали быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства - разрез Д-Д (фиг.4), на фиг.6 - разрез В-В быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства (фиг.1), на фиг.7 - детали быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства вида I (фиг.1), на фиг.8 - детали быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства вида II, положение "закрыто" (фиг.1), на фиг.9 - детали быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства вида III (фиг.8).

Быстродействующее высокотемпературное дроссельное устройство содержит корпус 1 с осевым входом, проточной частью и осевым выходом (не обозначены), внутри которого на пилонах 2 размещена центральная камера 3 с предкамерой 4, с расположенными в них гильзовым затвором 5 и механизмом его перемещения. Механизм перемещения выполнен в виде рейки 6, жестко связанной со штоком 7, и шестерни 8, закрепленной на валу механизма привода 9, вал механизма привода установлен в разъемной опоре 10 во втулках-подшипниках 11. На другом конце вала механизма привода 9 расположена шестерня 12. Шестерня 12 входит в зацепление с рейкой 13, жестко связанной с валом гидропривода 14, управляемым гидроприводом 15. Осевая фиксация центральной камеры 3 относительно корпуса 1 осуществляется силовыми штифтами 16, установленными в вертикальной плоскости оси шестерни 8, также в этой плоскости установлены упругие технологические втулки 17, последние расположены перпендикулярно силовым штифтам 16. А в горизонтальной плоскости осей упругих технологических втулок 17 и оси корпуса 1 установлены дополнительные силовые штифты 18. Разъемная опора 10 упруго связана посредством плоских пружин 19, расположенных диаметрально, с внутренней поверхностью центральной камеры 3. Упругая регулирующая пластина 20 установлена в пазу (позиция не обозначена) в перемычке разъемной опоры 10. Внутри центральной камеры 3 расположен внутренний многослойный экран 21. В проточной части корпуса 1 размещен внешний экран 22, а в зоне рабочего хода гильзового затвора 5, в конце проточной части в корпусе 1 расположена возвратно-подвижная часть 23 внешнего экрана 22. В положении "закрыто" гильзовый затвор 3 прижимает ответную поверхность возвратно-подвижной части 23 внешнего экрана 22 к уплотнительной опоре 25. Кроме того, в корпусе 1 выполнены кольцевой канал 26 подвода охлаждающего воздуха и канал 27 отвода охлаждающего воздуха.

Каналы подвода 26 и отвода 27 охлаждающего воздуха соединяются с полостью (не обозначена), образованный внутренним многослойным экраном 21 в центральной камере 3. Рейка 6, жестко связанная со штоком 7 гильзового затвора 5, смещена относительно оси шестерни 8, сидящей на валу механизма привода 9, на величину радиуса делительной окружности. Внутренний многослойный экран 21 выполнен в виде полого двухслойного цилиндра с отверстиями. Внешний экран 22, состоящий из нескольких частей, и возвратно-подвижная часть 23 внешнего экрана 22 расположены эквидистантно относительно внутренней поверхности корпуса 1 и выполнены с отверстиями.

Подвижность возвратно-подвижной части 23 внешнего экрана 22 осуществляется за счет упругой кольцевой пружины плоской U-образного сечения 24.

Кольцевой канал 26 подвода охлаждающего воздуха определяется кольцевым зазором между валом механизма привода 9 и внутренней поверхностью упругой технологической втулки 17.

Быстродействующее высокотемпературное дроссельное устройство работает следующим образом.

Охлаждающий воздух от внешнего источника поступает через кольцевой канал 26 подвода охлаждающего воздуха, определяемый кольцевым зазором между валом механизма привода 9 и внутренней поверхностью упругой технологической втулки 17, в полость, образованную внутренним многослойным экраном 21 в центральной камере 3 (размещенной на пилонах 2). Воздух подается для охлаждения механизма перемещения гильзового затвора 5. Из указанной полости центральной камеры 3 воздух поступает в канал 27 отвода охлаждающего воздуха. Внутренний многослойный экран 21, например двухслойный, улучшает охлаждение механизма перемещения гильзового затвора 5 и значительно уменьшает влияние охлаждающего воздуха, подаваемого в центральную камеру 3, на температуру дросселируемого газа по всему тракту быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства. Вал механизма привода 9, с которым жестко связана шестерня 8 механизма перемещения, находится в разъемной опоре 10, последняя посредством диаметрально расположенных выпукло-вогнутых плоских пружин 19 упруго связана с внутренней поверхностью центральной камеры 3. Это дает возможность при радиальной температурной деформации камеры 3 практически избежать (или свести к минимуму) отклонения оси вала механизма привода 9 от первоначального положения, что необходимо для обеспечения нормальных условий эксплуатации механизма перемещения. Если быстродействующее высокотемпературное дроссельное устройство работает в режиме дросселирования газа, то, например, в нашем случае, когда в проточной части температура порядка 700÷750°С, соответственно в центральной камере 3, в полости, ограниченной внутренним многослойным экраном 21, где находится механизм перемещения (зацепление рейки 6 с шестерней 8), температура порядка 250÷300°С.

Кроме того, для поддержания оптимальных условий работы механизма перемещения - пары: рейка 6 - шестерня 8 используется упругая регулирующая пластина 20 волнообразной формы в продольном сечении, которая вставляется в паз (не обозначен) подвижной опоры 10. Зазор S между рейкой 6 и прилегающей к ней поверхностью упругой регулирующей пластины 20 определяется расчетом, например: в нашем случае S=0,1-0,2 мм.

Для того, чтобы в процессе работы быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства ось центральной камеры 3 совпадала с осью корпуса 1, а также для радиальной разгрузки от вертикальной нагрузки упругих технологических втулок 17, выполняющих функции уплотнительных соединений, камеру 3 с корпусом 1 соединяют дополнительные силовые штифты 18, расположенные диаметрально, которые устанавливаются по посадке в корпусе 1 в горизонтальной плоскости осей упругих технологических втулок и оси корпуса и подвижно соединены с центральной камерой 3 посредством пазов (позиция не указана), выполненных в последней. Такое соединение позволяет расширяться центральной камере 3 под влиянием температурного фактора от плоскости оси шестерни 8.

В плоскости оси шестерни 8 установлены диаметрально силовые штифты 16 и перпендикулярно им упругие технологические втулки 17. Перфорированный внешний экран 22 корпуса 1 снижает теплопотери дросселируемого газа, проходящего по всему тракту быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства. Возвратно-подвижная часть 23 внешнего экрана 22 не только снижает теплопотери дросселируемого газа непосредственно в зоне дросселирования (на участке, перекрываемом гильзовым затвором 5), но и перемещается вместе с гильзовым затвором 5 на конечном участке, сжимая кольцевую пружину плоскую U-образного сечения 24 при "запирании" им проходного дросселируемого сечения. При обратном движении гильзового затвора 5 возвратно-подвижная часть 23 внешнего экрана 22 возвращается с помощью кольцевой пружины плоской U-образного сечения в первоначальное положение, причем зазор между фланцем возвратно-подвижной части 23 внешнего экрана 22 и ответным фланцем внешнего экрана 22 корпуса, в нашем случае, с учетом температурных удлинений δ=4÷5 мм.

Процесс дросселирования осуществляется с помощью гидропривода 15, который через рейку 13, жестко связанную с валом гидропривода 14, входящую в зацепление с шестерней 12, жестко посаженной на находящийся во втулках-подшипниках 11 вал механизма привода 9 (на выходном его конце), приводит во вращение соединенную с валом механизма привода 9 шестерню 8, входящую в зацепление с рейкой 6, жестко связанной со штоком 7, на котором закреплен гильзовый затвор 5. В результате перемещения гильзового затвора 5 в предкамере 4 происходит изменение проходного сечения быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства. В положении "закрыто" гильзовый затвор 5 своей контактирующей торцевой поверхностью, соприкасаясь с соответствующей торцевой поверхностью возвратно-подвижной части 23 внешнего экрана 22, входит в контакт с уплотнительной опорой 24. Так реализуется процесс дросселирования газа в быстродействующем высокотемпературном дроссельном устройстве.

По сравнению с аналогами и прототипом по своей технической сущности и достигаемому техническому результату предлагаемое авторами быстродействующее высокотемпературное дроссельное устройство позволяет работать в зоне высоких температур, например ≤1000 К (723°С), и давлений ≤5 МПа (50 кг/см²) при условных проходах ≤⊘500 мм, что значительно расширяет возможность регулирования расходов высокотемпературных газов на испытательных стендах авиадвигателей.

Кроме того, быстродействующее высокотемпературное дроссельное устройство может выполнять функции быстродействующего высокотемпературного отсечного клапана в случае возникновения "не штатных" ситуаций на стендах для испытания авиационных двигателей.

Корпус 1 быстродействующего высокотемпературного дроссельного устройства может охлаждаться водой.

Данное быстродействующее высокотемпературное дроссельное устройство может найти применение во многих отраслях промышленности.

1. Быстродействующее высокотемпературное дроссельное устройство, содержащее корпус с осевым входом, проточной частью и осевым выходом, внутри которого на пилонах размещена центральная камера с предкамерой с расположенными в них гильзовым затвором и механизмом перемещения последнего, выполненного из рейки и шестерни, каналов подвода и отвода охлаждающего воздуха, при этом рейка жестко связана со штоком гильзового затвора и смещена относительно оси шестерни на величину радиуса делительной окружности, а шестерня жестко соединена с валом механизма привода, причем вал механизма привода размещен в разъемной опоре, которая связана с внутренней поверхностью центральной камеры, в плоскости оси шестерни установлены диаметрально силовые штифты и перпендикулярно им упругие технологические втулки, корпус в проточной части имеет внешний экран, а центральная камера - внутренний экран, отличающееся тем, что вал механизма привода расположен во втулках-подшипниках в разъемной опоре, последняя упруго связана посредством плоских пружин с внутренней поверхностью центральной камеры, в корпусе установлены дополнительные силовые штифты, фиксируемые в нем и подвижно соединенные с центральной камерой, механизм перемещения рейка - шестерня снабжен регулирующей пластиной, часть внешнего экрана в проточной части выполнена возвратно-подвижной, а внутренний экран в центральной камере выполнен многослойным.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плоские пружины имеют выпукло-вогнутую форму и размещены диаметрально.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительные силовые штифты установлены в корпусе в горизонтальной плоскости осей упругих технологических втулок и оси корпуса.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулирующая пластина является упругой и в продольном сечении имеет волнообразную форму, а между фланцем возвратно-подвижной части внешнего экрана и корпусом в проточной части установлена упругая кольцевая пружина U-образного сечения.