УСТРОЙСТВО ДЕЛЕНИЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ Российский патент 2023 года по МПК F16K11/74 F16K31/04 F16K31/53 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для перераспределения теплоносителя в системах обеспечения теплового режима (СОТР) изделий космической и авиационной техники, а также в других областях техники.

Известно устройство деления потока жидкости, содержащее сборный корпус с входным и двумя выходными патрубками, установленный в нем электродвигатель с шестерней на его валу, входящей в зацепление с зубчатым колесом цилиндрического редуктора, выходное звено которого связано с распределительным элементом, поджатым к седлу посредством пружины сжатия и имеющим фиксатор углового положения (заявка США №US 2019/0277414 А1, МПК: F16K 11/074, 2019 г.)

Недостатком этого устройства является неремонтопригодность после монтажа его в состав установленной на борту изделия космической или авиационной техники СОТР.

Этого недостатка лишено выбранное в качестве прототипа устройство деления потока жидкости, содержащее корпус из двух частей, соединенных фланцами с уплотнением, с цилиндрической расточкой в первой части и входным и двумя выходными патрубками, и кольцевым выступом с перпендикулярным ему плоским седлом с выходящими на поверхность седла каналами во второй части, каждый из которых сообщен с отверстием одного из патрубков соответственно, а также крышку, установленную в цилиндрической расточке и закрепленную резьбовыми деталями на внутренних выступах первой части корпуса, герметичный электродвигатель с шестерней на его валу, установленный с уплотнением в сквозном аксиальном отверстии дна цилиндрической расточки, цилиндрический зубчатый редуктор с выходным звеном редуктора в виде соосного расточке вала, размещенного в подшипниках крышки и дна цилиндрической расточки, установленного на выходном звене диска как минимум с одним распределительным пазом, поджатого к седлу посредством пружины сжатия и имеющим фиксатор углового положения относительно выходного звена, при этом шестерня на валу электродвигателя входит в зацепление с зубчатым колесом цилиндрического редуктора, звенья которого, кроме выходного звена, размещены в пространстве между крышкой и дном цилиндрической расточки (патент Российской Федерации №2771472, МПК: F16K 11/085, 2022 г.)

Недостатком этого устройства деления потока жидкости является незащищенность его электродвигателя от попадания мелких частиц. Частицы могут попасть внутрь устройства после его монтажа в состав СОТР при проверках гидромагистралей (продувки, испытания на прочность и герметичность и т.п.), а также при эксплуатации СОТР в составе изделия космической техники могут быть занесены с потоком теплоносителя. Поскольку трубопроводы СОТР обладают значительной длиной и часто сложной формой, контроль их внутренних поверхностей затруднен. В процессе монтажа СОТР может происходить местное отслоение покрытия трубопроводов, а также в процессе сварки трубопроводов и патрубков гидроагрегатов могут отрываться мелкие фрагменты расплавляемого при сварке металла, которые, остывая, образуют мелкие фрагменты значительной твердости. Попадание же таких фрагментов в подшипники герметичного электродвигателя (а эти подшипники находятся в контакте с внутренней полостью устройства деления потока жидкости, что обусловлено их конструкцией, например, электродвигатели серии БК-2 по ОСТ В 16 0.515.054-80, где статор отделен тонкостенной металлической диафрагмой от ротора и установленных внутри диафрагмы подшипников электродвигателя, которые находятся в полости, омываемой жидкостью) вызывает заклинивание подшипников электродвигателя и, соответственно, отказ устройства. Электродвигатели, используемые в устройстве деления потока жидкости, имеют малую мощность (порядка 1 Вт), поскольку малая скорость вращения выходного звена редуктора (тепловые процессы в СОТР характеризуются большой инерционностью) и большое передаточное число редуктора позволяют применять маломощные электродвигатели, что крайне выгодно с точки зрения малого электропотребления и незначительной массы устройства. Но одновременно использование электродвигателей малой мощности делает устройство деления потока жидкости слабым звеном из номенклатуры агрегатов СОТР. Используемые в составе СОТР насосы имеют электродвигатели существенно большей мощности, что делает их нечувствительными к попаданию твердых частиц с размерами 0,2÷0,3 мм, что подтверждается многолетним использованием таких насосов в составе СОТР космических кораблей и модулей орбитальных станций. Используемый же в составе устройства деления потока жидкости герметичный электродвигатель малой мощности очень чувствителен к попаданию таких частиц из-за малого развиваемого им крутящего момента, вполне достаточного, впрочем, для приведения во вращение установленного на выходном звене редуктора диска, контактирующего с седлом, из-за значительного передаточного числа редуктора, при условии отсутствия возможности попадания мелких твердых частиц в подшипники электродвигателя. В свете вышеизложенного обеспечение защиты электродвигателя устройства деления потока жидкости от попадания мелких частиц является очень важной задачей.

Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является обеспечение защиты электродвигателя устройства деления потока жидкости от попадания мелких частиц и, вследствие этого, повышение надежности устройства.

Этот результат достигается за счет того, что в известном устройстве деления потока жидкости, содержащем корпус из двух частей, соединенных фланцами с уплотнением, с цилиндрической расточкой в первой части и входным и двумя выходными патрубками, и кольцевым выступом с перпендикулярным ему плоским седлом с выходящими на поверхность седла каналами во второй части, каждый из которых сообщен с отверстием одного из патрубков соответственно, а также крышку, установленную в цилиндрической расточке и закрепленную резьбовыми деталями на внутренних выступах первой части корпуса, герметичный электродвигатель с шестерней на его валу, установленный с уплотнением в сквозном аксиальном отверстии дна цилиндрической расточки, цилиндрический зубчатый редуктор с выходным звеном редуктора в виде соосного расточке вала, размещенного в подшипниках крышки и дна цилиндрической расточки, установленного на выходном звене диска как минимум с одним распределительным пазом, поджатого к седлу посредством пружины сжатия и имеющим фиксатор углового положения относительно выходного звена, при этом шестерня на валу электродвигателя входит в зацепление с зубчатым колесом цилиндрического редуктора, звенья которого, кроме выходного звена, размещены в пространстве между крышкой и дном цилиндрической расточки, согласно изобретению, между крышкой и второй частью корпуса установлена уплотненная по наружной цилиндрической поверхности плата с центральным отверстием, на валу выходного звена редуктора установлена втулка, размещенная между внутренним кольцом установленного в крышке подшипника вала выходного звена и пружиной сжатия и проходящая через центральное отверстие платы, на ближайшем ко второй части корпуса торце платы выполнена соосная центральному отверстию выточка, в которой размещена плоская дистанционная шайба, а на плате жестко закреплена пластина, закрывающая своей плоской поверхностью выточку и опирающаяся ей на ближайший ко второй части корпуса торец платы, при этом втулка размещена с гарантированными радиальными зазорами по отношению к центральному отверстию платы и отверстию пластины, дистанционная шайба установлена с гарантированным радиальным зазором по отношению к цилиндрической поверхности выточки и установленными радиальным и осевым зазорами по отношению к наружной поверхности втулки и пространству между дном выточки и плоской поверхностью пластины соответственно.

На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения устройства деления потока жидкости, вид спереди, на фиг. 2 - то же, вид сверху по А, на фиг. 3, - то же, продольный разрез по Б-Б, на фиг. 4, 5 - то же, увеличенное изображение выносного элемента Г в возможных крайних положениях дистанционной шайбы, на фиг. 6 - то же, поперечный разрез по В-В, на фиг. 7, 8, 9 - то же, поперечный разрез по Д-Д для разных положений диска с распределительным пазом.

Устройство деления потока жидкости содержит корпус 1 из двух частей: первой 2 и второй 3 соединенных фланцами 4 и 5 с уплотнением 6. Фланцы 4 и 5 стянуты винтами 7. На фланце 4 корпуса 1 выполнены четыре сквозных отверстия 8, служащих для крепления устройства на изделии. В первой части 2 выполнены цилиндрическая расточка 9. Во второй части 3 выполнены входной 10 и два выходных 11 патрубка и кольцевой выступ 12 с перпендикулярным ему плоским седлом 13. Также во второй части 3 выполнены выходящие на поверхность седла 13 три канала 14, при этом каждый из каналов 14 сообщен с отверстием одного из патрубков 10 и 11 соответственно. В цилиндрической расточке 9 установлена крышка 15, закрепленная резьбовыми деталями 16 на внутренних выступах 17 первой части 2 корпуса 1. В сквозном аксиальном отверстии 18 дна 19 цилиндрической расточки 9 установлен с уплотнением 20 герметичный электродвигатель 21 с шестерней 22 на его валу. Устройство деления потока жидкости содержит также цилиндрический зубчатый редуктор 23 с выходным звеном 24 редуктора 23 в виде соосного расточке 9 вала 25, размещенного в подшипнике 26 крышки 15 и подшипнике 27 дна 19 цилиндрической расточки 9. на выходном звене 24 установлен диск 28 как минимум с одним распределительным пазом 29, поджатый к седлу 13 посредством пружины 30 сжатия. Диск 28 имеет фиксатор 31 углового положения относительно выходного звена, выполненный в виде шпонки. Шестерня 22 на валу электродвигателя 21 входит в зацепление с зубчатым колесом 32 цилиндрического редуктора 23, звенья которого, кроме выходного звена 24, размещены в пространстве между крышкой 15 и дном 19 цилиндрической расточки 9. Между крышкой 15 и второй частью 3 корпуса 1 установлена уплотненная уплотнением 33 по наружной цилиндрической поверхности плата 34 с центральным отверстием 35. На валу 25 выходного звена 24 редуктора 23 установлена втулка 36, размещенная между внутренним кольцом установленного в крышке 15 подшипника 26 вала 25 выходного звена 24 и пружиной 30 сжатия и проходящая через центральное отверстие 35 платы 34. На ближайшем ко второй части 3 корпуса 1 торце 37 платы 34 выполнена соосная центральному отверстию 35 выточка 38. в которой размещена плоская дистанционная шайба 39. На плате 34 посредством винтов 40 жестко закреплена пластина 41. На валу 25 также посредством штифтового соединения 42 установлено зубчатое колесо 43 Пластина 41 закрывает своей плоской поверхностью 44 выточку 38 и опирается ей на ближайший ко второй части 3 корпуса 1 торец 37 платы 34. Втулка 36 размещена с гарантированными радиальными зазорами по отношению к центральному отверстию 35 платы 34 и отверстию 45 пластины 41. Дистанционная шайба 39 установлена с гарантированным радиальным зазором по отношению к цилиндрической поверхности выточки 38 и установленными радиальным r и осевым s зазорами по отношению к наружной поверхности втулки 36 и пространству между дном 46 выточки 38 и плоской поверхностью 44 пластины 41 соответственно. Зубчатое колесо 43 введено в зацепление с шестерней 47 предпоследнего вала 48 редуктора 23.

Устройство деления потока жидкости работает следующим образом: при поступлении жидкости от внешнего источника через входной патрубок 10 поток жидкости через сообщенный с ним канал 14 (правый на фиг. 7) и распределительный паз 29 поступает во внутреннюю полость устройства, поскольку выходное отверстие канала 14, сообщенного с патрубком 10, полностью открыто, так как выходит в распределительный паз 29. Оттуда жидкость через распределительный паз 29, частично перекрытые диском 28 каналы 14, сообщенные с выходными патрубками 11, поступает в выходные патрубки 11. Диск 28, первоначально поджимаемый к седлу 13 пружиной сжатия 30, поджимается к ней также гидростатическим давлением жидкости во внутренней полости устройства. На фиг. 7 показано положение диска 28, при котором поступающий из входного патрубка 10 поток жидкости распределяется равномерно между двумя выходными патрубками 11 (верхний и нижний по фиг. 7), поскольку открытые сечения каналов 14, сообщенных с патрубками 11, частично перекрытые диском 28, равны друг другу (для простоты примем, что гидравлические сопротивления ветвей гидромагистралей, подключенных к патрубкам 11 (на иллюстрациях не показаны), равны друг другу. При необходимости увеличить относительный расход через верхний (по фиг. 8) патрубок 11 и снизить через нижний (по фиг. 8) патрубок 11, включают электродвигатель 21, чтобы он вращался по часовой стрелке (глядя по фиг. 6). Через редуктор 23 вращение передается на зубчатое колесо 43 и вал 25, которые также вращаются по часовой стрелке (глядя по фиг. 6). Вращение вала 25 через фиксатор углового положения 31 в виде шпонки передается на диск 28, который вращается вместе с валом 25, в том же направлении (по часовой стрелке на фиг. 6 и против часовой стрелки по фиг. 8, поскольку направления разрезов В-В (фиг. 6) и Г-Г (фиг. 8) противоположны. При вращении диска 28 против часовой стрелки (по фиг. 8) площадь частично открытого верхнего (по фиг. 8) канала 14 увеличивается, а нижнего - уменьшается, что приводит к увеличению расхода через верхний (по фиг. 9) патрубок 11 и снижению - через нижний (по фиг. 8) патрубок 11. По достижению заданного соотношения расходов (по данным датчиков расходов СОТР, или по датчику положения диска 28, не показаны) электродвигатель 21 выключают, и диск 28 останавливается. В предельном случае диск 28 придет в положение, показанное на фиг. 8, при котором верхний (по фиг. 8) канал 14 полностью открыт распределительным пазом 29, а нижний - полностью закрыт, при этом вся жидкость из входного патрубка 10 поступает в верхний (по фиг. 8) выходной патрубок 11, а расход через нижний выходной патрубок 11 отсутствует. При необходимости увеличить относительный расход через нижний (по фиг. 9) патрубок 11 и снизить через верхний патрубок 11, включают электродвигатель 21, чтобы он вращался против часовой стрелки (глядя по фиг. 6). Через редуктор 23 вращение передается на зубчатое колесо 43 и вал 25, которые также вращаются против часовой стрелки (глядя по фиг. 6). Вращение вала 25 через фиксатор углового положения 31 в виде шпонки передается на диск 28, который вращается вместе с валом 25, в том же направлении (против часовой стрелки на фиг. 6 и по часовой стрелке по фиг. 9, поскольку направления разрезов В-В (фиг. 6) и Г-Г (фиг. 9) противоположны. При вращении диска 28 по часовой стрелке (по фиг. 9) площадь частично открытого нижнего (по фиг. 9) канала 14 увеличивается, а верхнего - уменьшается, что приводит к снижению расхода через верхний (по фиг. 9) патрубок 11 и увеличению - через нижний патрубок 11. По достижению заданного соотношения расходов электродвигатель 21 выключают, и диск 28 останавливается. В предельном случае диск 28 придет в положение, показанное на фиг. 9, при котором нижний (по фиг. 9) канал 14 полностью открыт распределительным пазом 29, а верхний - полностью закрыт, при этом вся жидкость из входного патрубка 10 поступает в нижний (по фиг. 9) выходной патрубок 11, а расход через верхний патрубок 11 отсутствует. При работе устройства на изделии подшипники редуктора 23 и герметичного электродвигателя 21 смазываются протекающей через устройство жидкостью - теплоносителем системы обеспечения теплового режима. В данном примере конкретного исполнения устройства не конкретизируется форма распределительного паза, который в зависимости от требуемой характеристики (соотношение расходов через патрубки 11 в функции от угла поворота диска 28) может быть рассчитан методами обычного проектирования с применением гидравлических расчетов по известным методикам. В случае отказа устройства деления потока жидкости в составе установленной на борту изделия космической или авиационной техники СОТР, не заправленной теплоносителем, возможно, как и в прототипе, произвести восстановление работоспособности устройства, не прибегая к отстыковке патрубков устройства от трубопроводов СОТР или к разрезке трубопроводов, вывинтив винты 7 и произведя расстыковку фланцев 4 и 5, после чего осевым движением вынуть из второй части 3 корпуса 1 его первую часть 2 со всеми остальными сборочными единицами, деталями и стандартными изделиями, за исключением эластомерного уплотнения 6, которое остается в канавке второй части 3 корпуса 1. Благодаря тому, что пространство, в котором размещен редуктор 23 и электродвигатель 21, отделено от подстыкованной к трубопроводам изделия космической техники второй части 3 корпуса 1 платой 34, пластиной 41 и дистанционной шайбой 39, то к наиболее подверженным влиянию наличия в жидкости посторонных частиц подшипникам герметичного электродвигателя 21 (из-за малого развиваемого крутящего момента, моменты, развиваемые на валах редуктора 23, уже больше из-за увеличения момента за счет передаточных чисел каждого звена редуктора) могут попасть очень мелкие частицы, которые вместе с жидкостью могут пройти через установленные радиальный r и осевой s зазоры, являющиеся единственным путем, через который частицы могут попасть к электродвигателю 21. Попасть через зазор между валом 25 и втулкой 36 частицы не могут, поскольку отсутствует зазор между торцем втулки 36 и внутренним кольцом подшипника 26 из-за поджима втулки 36 к внутреннему кольцу подшипника 26 пружиной сжатия 30. Величина установленных радиального r и осевого s зазоров определяется при наземной экспериментальной отработке изделия. Так, для маломощного герметичного электродвигателя с механической мощностью 1 Вт проведенные экспериментальные работы показали безотказную работу электродвигателя при установлении величины установленного радиального зазора r=10÷15 мкм и осевого зазора s=5÷25 мкм. Наличие установленного осевого зазора s необходимо для обеспечения свободного радиального движения дистанционной шайбы 39 в выточке 38, чтобы избежать заклинивания между дистанционной шайбой 39 и втулкой 36. В то же время максимальная величина установленного осевого зазора s предотвращает попадание частиц с минимальным размером (по крайней мере, в одном измерении), превышающим фактическое значение зазора s, через зазор между дистанционной шайбой 39 и плоской поверхностью 44 пластины 41, и зазор между дистанционной шайбой 39 и дном выточки 38. Зазор s является ограничивающим размеры частиц через оба эти зазора - сначала частица может пройти через максимально возможный осевой зазор между дистанционной шайбой 39 и плоской поверхностью 44 (что показано на фиг. 4) и попасть в гарантированный радиальный зазор между наружным диаметром шайбы 39 и цилиндрической поверхностью выточки 38. Затем, при возможном смещении шайбы 39 при работе устройства до контакта ее с плоской поверхностью 44 пластины 41 (как показано на фиг. 5), зазор величиной s образуется между дистанционной шайбой 39 и дном выточки 38, что даст возможность частице, попавшей в гарантированный радиальный зазор между наружным диаметром шайбы 39 и цилиндрической поверхностью выточки 38, попасть далее в полость, где размещен редуктор 23 и электродвигатель 21. Кроме того, при любом положении шайбы 39 возможно попадание частицы с минимальным размером (по крайней мере, в одном измерении) менее величины 2r в вышеуказанную полость через зазор в радиальном направлении между шайбой 39 и наружной поверхностью втулки 36. Множитель «2» у величины размера 2r учитывает возможность несимметричного расположения шайбы 39 относительно втулки 36 - при наличии теоретического установленного радиального зазора r возможно касание отверстием шайбы 39 наружного диаметра втулки 36 с одной его стороны, при этом с противовоположной стороны отверстия шайбы 39 между этим отверстием и наружным диаметром втулки 36 будет максимальный зазор величиной 2r. Условие, что втулка 36 размещена с гарантированными радиальными зазорами по отношению к центральному отверстию 35 платы 34 и отверстию 45 пластины 41, предотвращает возможность заклинивания втулки 36 по этим поверхностям. Условие, что дистанционная шайба 39 установлена с гарантированным радиальным зазором по отношению к цилиндрической поверхности выточки 38, предотвращает возможность заклинивания шайбы 39 в цилиндрической поверхности выточки 38. Наличие установленного радиального зазора r необходимо для обеспечения полного заполнения через него внутренней полости, где размещен редуктор 23 и электродвигатель 21 при вакуумировании и заправке СОТР, теплоносителем, который также выполняет функцию смазки подшипников редуктора и электродвигателя при работе устройства деления потока жидкости.

В результате использования изобретения обеспечивается защита электродвигателя устройства деления потока жидкости от попадания мелких частиц и, вследствие этого, повышение надежности устройства. Частицы с минимальным размером менее величины установленных зазоров не влияют на работоспособность электродвигателя, что подтверждено автономными испытаниями устройства. При этом обеспечивается надежная работа подшипников электродвигателя и редуктора за счет их смазки теплоносителем, свободно проникающим через установленные зазоры.

Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленное изобретение к применению в качестве регулирующего органа СОТР в изделиях космической и авиационной техники.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах терморегулирования изделий космической и авиационной техники, а также в других областях техники. Устройство деления потока жидкости содержит корпус с электродвигателем, редуктором и распределительным диском. Полость электродвигателя и редуктора отделена от полости штуцеров платой с дистанционной шайбой, имеющей установленные осевой и радиальный зазоры относительно втулки выходного вала. Изобретение направлено на защиту электродвигателя устройства деления потока жидкости от попадания мелких частиц и, вследствие этого, повышение надежности устройства. При этом обеспечивается надежная работа подшипников электродвигателя и редуктора за счет их смазки теплоносителем, свободно проникающим через установленные зазоры. 9 ил.

Устройство деления потока жидкости, содержащее корпус из двух частей, соединенных фланцами с уплотнением, с цилиндрической расточкой в первой части и входным и двумя выходными патрубками, и кольцевым выступом с перпендикулярным ему плоским седлом с выходящими на поверхность седла каналами во второй части, каждый из которых сообщен с отверстием одного из патрубков соответственно, а также крышку, установленную в цилиндрической расточке и закрепленную резьбовыми деталями на внутренних выступах первой части корпуса, герметичный электродвигатель с шестерней на его валу, установленный с уплотнением в сквозном аксиальном отверстии дна цилиндрической расточки, цилиндрический зубчатый редуктор с выходным звеном редуктора в виде соосного расточке вала, размещенного в подшипниках крышки и дна цилиндрической расточки, установленного на выходном звене диска как минимум с одним распределительным пазом, поджатым к седлу посредством пружины сжатия и имеющим фиксатор углового положения относительно выходного звена, при этом шестерня на валу электродвигателя входит в зацепление с зубчатым колесом цилиндрического редуктора, звенья которого, кроме выходного звена, размещены в пространстве между крышкой и дном цилиндрической расточки, отличающееся тем, что между крышкой и второй частью корпуса установлена уплотненная по наружной цилиндрической поверхности плата с центральным отверстием, на валу выходного звена редуктора установлена втулка, размещенная между внутренним кольцом установленного в крышке подшипника вала выходного звена и пружиной сжатия и проходящая через центральное отверстие платы, на ближайшем ко второй части корпуса торце платы выполнена соосная центральному отверстию выточка, в которой размещена плоская дистанционная шайба, а на плате жестко закреплена пластина, закрывающая своей плоской поверхностью выточку и опирающаяся ей на ближайший ко второй части корпуса торец платы, при этом втулка размещена с гарантированными радиальными зазорами по отношению к центральному отверстию платы и отверстию пластины, дистанционная шайба установлена с гарантированным радиальным зазором по отношению к цилиндрической поверхности выточки и установленными радиальным и осевым зазорами по отношению к наружной поверхности втулки и пространству между дном выточки и плоской поверхностью пластины соответственно.