Предохранительное устройство

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к средствам защиты от разрушения гермофюзеляжей летательных аппаратов при испытаниях их на прочность внутренним избыточным давлением.

Известны предохранительные клапаны грузового типа, в основу работы которых положен метод уравновешивания весом затвора давления газа, действующего на этот затвор со стороны предохраняемого объекта (парового котла и т.п.).

Характерным примером грузового клапана является клапан предохранительный КПС 0,7 (http://www/kiparmotest.ru/catalog/kps0.7.html, см. приложение 1). Конструктивно этот клапан содержит корпус, соединенный с входной стойкой, являющейся входным патрубком. На этот входной патрубок навернуто седло. Затвор выполнен в виде грибка, на который давит груз крыльчатка.

Недостатками построения предохранительных клапанов такого типа является малая точность срабатывания, большая величина груза (т.е. громоздкость конструкции) при больших проходных сечениях d_y 200÷600 и трудоемкость перестройки их работы с одного уровня давления на другой.

Например, при диаметре седла предохранительного клапана 400 мм груз, давящий на затвор, должен быть весом 816 кг при давлении срабатывания 0,65 атм.

Известны устройства защиты полых изделий от превышения заданной величины избыточного давления посредством гидрозатвора.

Такое устройство защиты используется в системе пневматического нагружения фюзеляжа летательного аппарата, описанной в патенте РФ №2416075, МПК G01M 5/00, «Установка для нагружения сжатым воздухом гермофюзеляжа летательного аппарата при испытании на выносливость». В этой установке для защиты фюзеляжа от перегрузки внутренним избыточным давлением сжатого воздуха установлен гидрозатвор. Герметичный бак этого гидрозатвора, заполненный водой, трубопроводом для подачи воздуха связан с фюзеляжем, а уровень срабатывания гидрозатвора задан высотой мерной трубы, входящей в его состав. При увеличении давления в гермофюзеляже вода из герметического бака выдавливается в мерную трубу. При программной величине давления в гермофюзеляже уровень воды в мерной трубе не достигает ее верхнего конца. Если в случае аварийной ситуации давление в гермофюзеляже вырастет выше программного, вода поднимается до верхнего конца мерной трубы и выплескивается из гидрозатвора. В результате этого воздух из гермофюзеляжа через освободившуюся от воды мерную трубу будет выходить в атмосферу. Диаметры (d_y) мерной трубы и трубопровода в зависимости от размеров испытуемых изделий достигают 200÷600 мм.

Достоинством гидрозатвора является высокая точность его срабатывания, значительно большая, чем 500 мм водяного столба.

Недостаток - конструктивная громоздкость, необходимость в большом количестве воды и трудоемкость перестройки с одного уровня срабатывания на другой (при диаметре гидрозатвора 400 мм и высоте 6,5 м необходимо залить более 800 л воды).

Одним из вариантов построения предохранительных клапанов с использованием гидрозатвора устройства является предохранительный клапан, описанный в патенте РФ №2595319, МПК G01M 5/00 «Устройство защиты полых изделий от превышения заданной величины внутреннего избыточного давления газа».

Это устройство включает в свой состав корпус предохранительного клапана с входным патрубком и отверстиями для выхода воздуха при срабатывании запорного органа, состоящего из седла воздушного клапана, встроенного в корпус, и запорного элемента, жестко связанного с гибкой мембраной, на которую передается давление, создаваемое гидростатическим столбом жидкости, поступающей из резервуара, расположенного на заданной высоте.

Недостатком данного устройства защиты является требование соблюдения строгого соотношения между гидравлическими сопротивлениями трубопроводов. В случае его нарушения затрудняется удаление жидкости из бака при превышении заданного уровня давления на входе клапана, что приводит к недостаточному падению давления в камере 6 и тем самым к неполному открытию запорного органа. Особенно это сказывается при изменении длины трубопровода в связи с увеличением высоты расположения верхнего бака, что требуется при необходимости повышения задаваемого уровня давления в испытываемом объекте.

Широко известны предохранительные клапаны, в которых давление газа на затвор со стороны предохраняемого объекта уравновешивается силой сжатия пружины, действующей на затвор с другой стороны и настроенной на заданный уровень предельного давления. К этому классу клапанов, в частности, относятся предохранительные клапаны в системе кондиционирования воздуха на летательных аппаратах, например, клапан предохранительный 4617 (см. приложение 2. «Руководство по технической эксплуатации 4617 РЭ»). Расход воздуха через этот клапан при избыточном давлении 0,95 кгс/см² и температуре 20±10°C от 80 до 100 кг/ч.

Открытие клапана происходит при давлении (0,95+0,05) кг/см², закрытие (0,95 0,05) кг/см². Погрешность открытия клапана в переводе на высоту водяного столба составляет 500 мм.

Недостатками указанных клапанов являются малый с точки зрения прочностных испытаний расход воздуха, а также изменение усилия пружины при ее сжатии, что снижает точность их работы. Из приведенного выше примера видно, что погрешность срабатывания составляет более 5%.

Технология испытаний гермофюзеляжей современных крупногабаритных самолетов требует наличия в составе стендового оборудования предохранительных устройств с большими проходными сечениями для обеспечения безопасности испытаний в случае возникновения аварийных ситуаций в линиях подачи сжатого воздуха в фюзеляж. Необходимый диапазон расходов воздуха через предохранительные клапаны при наземных испытаниях различных типов гермофюзеляжей находится в диапазоне от 600 до 10000 кг/час, при перепаде давления на клапанах от 0,6 до 0,95 кг/см², т.е. известные аналоги и прототип по своим конструктивным параметрам, как показано выше, не удовлетворяют современным требованиям построения стендов для испытаний наддувом фюзеляжей летательных аппаратов.

Прототипом предлагаемого устройства является клапан выпускной 6527А, используемый для поддержания избыточного давления в гермокабинах (фюзеляжах) летательных аппаратов (см. приложение 3).

Клапан состоит из корпуса с каналами для входа и выхода воздуха, конструктивным элементом которого является седло. Затвор клапана соединен с мембраной, расположенной между корпусом и крышкой, мембрана вместе с крышкой клапана образуют полость, в которую подается сжатый воздух от эталонного задатчика давления. Между жестким центром мембраны и крышкой клапана вмонтирована пружина, создающая начальное усилие прижатия затвора к седлу. Давление из внутреннего объема гермокабины поступает снизу под жесткий центр мембраны через отверстие в корпусе затвора. До тех пор, пока это давление создает усилие меньшее усилия, создаваемого пружиной и эталонным давлением над мембраной, клапан закрыт. Если усилие снизу мембраны превосходит усилие сверху, клапан приоткрывается и стравливает давление из гермокабины. Как только давление в гермокабине снижается до заданного (штатного) уровня, клапан закрывается. Как указывается в технических характеристиках клапана 6527А, его назначение заключается в поддержании в салоне самолета давления комфортного для пребывания в нем людей, поэтому расходные характеристики клапана согласованы с расходными характеристиками системы нагнетания воздуха в салон для обеспечения санитарных норм. Из этих же соображений требуется плавное перемещение затвора клапана во избежание резкого изменения давления в салоне самолета. Конструкция клапана рассчитана на его размещение внутри фюзеляжа.

При ресурсных испытаниях режим изменения давления внутри фюзеляжа испытываемого самолета существенно отличается от режима поддержания давления в нем в полете в штатных условиях. Для ускорения проведения испытаний время наддува фюзеляжа до уровня 0,4÷0,7 ати составляет 10÷60 с, т.е. расходы воздуха при испытаниях планеров больших пассажирских и транспортных самолетов значительно превосходят расходы, которые могут обеспечить выпускные клапаны 6527А. Кроме того, во избежание возможного разрушения фюзеляжа от недопустимо высокого давления сброс воздуха в аварийной ситуации надо производить как можно скорее.

В процессе ресурсных испытаний ограничений на темп изменения давления в фюзеляже не существует, соблюдать санитарные нормы нет необходимости. В силу приведенных технологических соображений самолетные выпускные клапаны 6527А находят применения в системе стабилизации давления на участках программы испытаний, соответствующих режиму крейсерского полета. В качестве аварийных клапанов их использование недостаточно. Поэтому возникла необходимость в разработке специального клапана для сброса давления из испытываемых фюзеляжей при возникновении аварийной ситуации.

Техническим результатом предлагаемого предохранительного клапана является возможность легкой перенастройки уровня срабатывания, повышение точности и скорости срабатывания, расширение области использования, что достигается введением промежуточного и управляющего клапанов и полостей, уравновешивающих давление на затворы этих клапанов.

Данный технический результат достигается тем что, в предохранительном устройстве, содержащем корпус с каналами для входа и выхода воздуха, крышку, мембрану с жестким центром, расположенную между корпусом и крышкой, рабочий воздушный клапан, седло которого является элементом корпуса, а затвор связан с жестким центром мембраны, а также задатчик давления, задатчик давления содержит регулирующий прижимной элемент, управляющий клапан, седло которого соединено с крышкой, а затвор - с жестким центром мембраны, промежуточный клапан, седло которого соединено с жестким центром мембраны, а затвор - с затвором рабочего воздушного клапана с обеспечением открывания рабочего клапана за счет перемещения жесткого центра мембраны при открытом управляющем и закрытом промежуточном клапанах. Полость, образованная крышкой и мембраной, через промежуточный клапан связана с полостью между мембраной и корпусом, установленным в крышку. Регулирующий прижимной элемент, находящийся в крышке, представляет собой пружину, расположенную между жестким центром мембраны и регулировочным винтом, вмонтированным в крышку. Эффективная площадь верхней поверхности мембраны меньше эффективной площади нижней поверхности мембраны. В стенке затвора рабочего клапана находятся отверстия, а эффективная площадь верхней поверхности затвора рабочего воздушного клапана больше эффективной площади его нижней поверхности. Полость между мембраной и корпусом имеет выход для связи с контролируемым объемом. Между верхней стенкой корпуса и затвором рабочего клапана находится пружина. Рабочий воздушный клапан выполнен двухседельным.

На фиг. 1 изображена схема предохранительного устройства.

Устройство состоит из корпуса 1, включающего в свой состав верхнее 2, нижнее 3 седла рабочего воздушного клапана двухседельного типа и штуцер 4, затвора 5 рабочего воздушного клапана, пружины 6 рабочего воздушного клапана, затвора 7, свободно проходящего через горизонтальную стенку корпуса 1 и образующего с седлом 8, находящимся на нижней части жесткого центра 9 мембраны 10, промежуточный клапан. Затвор 7 промежуточного клапана жестко соединен с затвором 5 рабочего воздушного клапана. Сверху к мембране 10 крепится нижним фланцем затвор 11 управляющего клапана, имеющий сложную форму и являющийся верхней частью жесткого центра мембраны 10. Седло 12 управляющего клапана выполнено заодно с крышкой 13. Через крышку 13 проходит регулировочный винт 14, сжимающий пружину 15. Регулировочный винт и пружина являются прижимным элементом, воздействующим на жесткий центр мембраны. Затвор 11 и стенки крышки 13 образуют полость А, давление в которой уравновешивает давление в мембранной полости Б, образованной корпусом 1 и мембраной 10. Противодавление в полости А обеспечивается за счет прохождения воздуха через промежуточный клапан. Для разгрузки двухседельного клапана воздух через отверстия в двухседельном затворе поступает в полость В, образованную стенками корпуса 1 и затвором двухседельного клапана 5.

Входным фланцем предохранительный клапан соединяется с неуказанной на чертеже линией подачи воздуха в объем испытываемого изделия после всех устройств, регулирующих эту подачу. Штуцер 4 представляет собой выход из полости Б для связи через трубопровод малого проходного сечения (неуказанный на чертеже) с внутренним объемом испытываемого изделия (контролируемым объемом). Регулирующий прижимной элемент, управляющий и промежуточный клапаны в совокупности составляют задатчик давления. Задатчик давления обеспечивает открытие рабочего воздушного клапана за счет перемещения жесткого центра мембраны при открытом управляющем и закрытом промежуточном клапанах.

Работает устройство следующим образом.

Воздух из линии подачи сжатого воздуха поступает в испытываемое изделие, а также через входной фланец и отверстия в затворе 5 в полость В. За счет силы, создаваемой пружиной 6, и силы, создаваемой давлением воздуха из за разницы площадей сверху и снизу затвора 5 рабочего двухседельного клапана, затвор 5 плотно прижимается к седлам 2 и 3, выполненным из эластичных материалов.

Воздух из линии нагнетания поступает в испытываемый объект. В объекте устанавливается требуемое давление. Из объекта по трубопроводу связи, имеющему небольшое проходное сечение, воздух через штуцер 4 поступает в полость Б, а затем через щель между затвором 7 и седлом 8 в полость А. Затвор 11 управляющего клапана за счет усилия, создаваемого пружиной 15, и усилия, создаваемого давлением, приходящимся на разность верхней и нижней площадей затвора 11, прижимается к седлу 12. Требуемый уровень срабатывания предохранительного устройства определяется степенью сжатия пружины 15, которая сжимается регулировочным винтом 14.

Если давление в испытываемом объекте, а следовательно, и в полости Б, начнет расти выше заданного значения, мембрана 10 начнет перемещаться вверх и промежуточный клапан, состоящий из затвора 7 и седла 8, закроется. Давление в полости А перестает увеличиваться, а давление в полости Б будет продолжать расти, в силу чего затвор 11 отойдет от седла 12, и давление в полости А резко упадет.

Затвор 7 с большой скоростью поднимется вверх на максимальную конструктивно допустимую величину и тем самым откроет рабочий воздушный клапан, состоящий из затвора 5 и седел 2, 3. При этом произойдет резкое уменьшение подачи воздуха в испытываемый объект, а, следовательно, падение давления в нем.

Таким образом, осуществляется защита объекта от недопустимого превышения давления в нем.

Положительными свойствами предлагаемой конструкции являются.

1. Возможность установки предохранительного клапана в месте подачи сжатого воздуха в испытываемое изделие, что значительно упрощает конструкции испытательных стендов, особенно при испытании крупногабаритных изделий, например, фюзеляжей самолетов.

2. Использование предлагаемой конструкции как пилотного устройства на большерасходных защитных клапанах, используемых на стендах для испытаний фюзеляжей самолетов, имеющих объем несколько сотен кубических метров.

3. Повышение точности и скорости срабатывания в силу разгруженности клапанов, входящих в состав предлагаемого устройства и поэтому обеспечивающих задание уровня срабатывания мягкой пружиной. Испытания опытного образца предохранительного устройства показали, что погрешность срабатывания его не превышает 0,01 ат, а время срабатывания составляет десятые доли секунды.

Приложение 1

Клапан предохранительный КПС-0,7 (клапан самопритирающийся безрычажный грузовой полноподъемный)

Клапаны КПС применяются взамен гидравлических предохранительных выкидных приспособлений на паровых котлах любых типов, конструкций и мощностей, разрешенное рабочее давление которых не превышает 0,7 кгс/см².

Приложение 2

РУКОВОДСТВО ПС ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

I. ОПИСАНИЕ И РАБОТА

I.I. Общая часть

I.I.I. Клапан предохранительный 4617 (далее по тексту клапан) разработан для герметичного в негерметичного отсека и предназначен для сброса избыточного давленая воздуха из системы воздухоподготовки в случае повышения давления в ней выше допустимого.

I.I.2. Внешний вид клапана показан на рис. I

Приложение 3

Принцип действия основан на зависимости между разностью давлений и упругими деформациями чувствительных элементов - пружины и мембраны.

Описание конструкции. Выпускной клапан состоит из корпуса, крышки, подпружиненного запорного органа, подвешенного на эластичной мембране, контактов сигнализации крайних положений запорного органа и индукционного датчика, выходное напряжение которого обратно пропорционально перемещению запорного органа.

Основные технические характеристики

Рабочая среда - кабинный воздух.

Гидравлическое сопротивление полностью открытого клапана по прямой линии при абсолютном давлении 99±2б67 кПа (745±20 мм рт.ст.) и расходе воздуха 2000 кг/ч - не более 0,735 кПа (75 мм вод. ст.).

Гидравлическое сопротивление клапана по обратной линии при сообщении управляющей полости с кабиной в нормальных наземных условиях:

при расходе воздуха 300 кг/ч - не более

0,784 кПа (80 мм вод. ст.);

при расходе воздуха 2000 кг/ч - не более 1,37 кПа (140 мм под. ст.).

Перетекание воздуха через запорный орган клапана при избыточном давлении в кабине 78,4 кПа (0,8 кгс/см²) и сообщении управляющей полости клапана с кабиной в нормальных наземных условиях - не более 200 л/мин.

Условия проверки превышения кабинного давления над управляющим (Рк-Рупр), должны соответствовать таблице.

Выходное напряжение датчика клапана в нормальных наземных условиях при напряжении питания 115±1,5 В частотой 400 Гц и нагрузочном сопротивлении 16 кОм:

при полностью закрытом положении клапана - 12±0,5 В;

при полностью открытом положении клапана - 4±0,5 В.

Напряжение питания контактов сигнализации крайних положений клапана - 27±2,7 В.

Ток, проходящий через контакты сигнализации, - от 1 до 500 мА.

Внешние воздействующие факторы

Синусоидальная вибрация:

амплитуда ускорения - до 49,1 м⋅с^-2 (59);

амплитуда переметшим - до 2,5 мм;

диапазон частот - от 5 до 2000 Гц.

Механический удар многократного действия:

пиковое ускорение - до 59 м⋅с^-2 (69);

длительность действия ударного ускорения - 20 мс.

Повышенная температура среды +85°C.

Пониженная температура среды - минус 60°C.

Относительная влажность среды при температуре +35°C - 98%.

Воздействие росы, инея, соляного (морского) тумана, плесневых грибов.

Применяется в условиях влажного тропического климата.

Масса - не более 4,2 кг.

Показателя надежности

Назначенный ресурс - 500 ч.

Назначенный срок службы - 4 года.

Назначенный срок хранения - 1 год.

Условия установки и монтажа. Клапан устанавливается внутри кабины и крепится фланцем к ответной части. Допускается установка с наклоном седла клапана под углом до 15° к горизонту.