RU2722253C1

RU2722253C1 - Air mass flow regulator

Info

Publication number: RU2722253C1
Application number: RU2019130411A
Authority: RU
Inventors: Никита Александрович Елисеев; Сергей Васильевич Колесников; Владимир Васильевич Матвеев; Вячеслав Михайлович Сергеев
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2020-05-28

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: mass flow rate controller comprises inlet and outlet air channels made in housing and separated by spring-loaded regulating element, actuator, which is made in the form of electromechanical drive installed on housing with possibility of its interaction with control element, made in form of rotary gate, kinematically connected to position sensor, wherein electromechanical drive includes coaxially installed magnetoelectric step motor, reduction gear and electromagnetic clutch.EFFECT: providing stability of temperature conditions in compartments with heat-releasing equipment at changes of heat release power and parameters of air used for temperature control.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к автоматическому регулированию массового расхода воздуха и может быть использовано в системах кондиционирования воздуха летательных аппаратов, преимущественно для термостатирования их отдельных отсеков с тепловыделяющим оборудованием.The invention relates to automatic control of mass air flow and can be used in air conditioning systems of aircraft, mainly for thermostating of their individual compartments with fuel equipment.

Термостатирование отсеков летательных аппаратов с тепловыделяющим оборудованием осуществляется подачей в них охлаждающего воздуха. Для поддержания стабильного температурного режима в отсеках необходимо оперативное реагирование регулятора расхода на динамические изменения мощности тепловыделения и изменения параметров используемого воздуха (температуры, плотности, скорости набегания и т.п.).Thermostatic compartments of aircraft compartments with fuel equipment are supplied with cooling air. In order to maintain a stable temperature regime in the compartments, the flow controller must respond promptly to dynamic changes in heat dissipation power and changes in the parameters of the air used (temperature, density, speed, etc.).

Известен регулятор массового расхода газа (см. А.С. СССР №796799, опубликованный 15.01.1984 г. в Б.И. №2), который, как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому устройству, выбран в качестве прототипа. Регулятор массового расхода газа содержит корпус с входным и выходным патрубками, сужающее устройство, установленное на входном патрубке, исполнительный механизм, жестко соединенный с подпружиненным регулирующим органом. Исполнительный механизм выполнен в виде блока из двух разделителей с соотношением эффективных площадей от 1,001 до 1,5, разделяющего корпус на три полости. Полость, ограниченная большей эффективной площадью, соединена с полостью до сужающего устройства. А полость, ограниченная меньшей эффективной площадью, с полостью после сужающего устройства, при этом полость между разделителями соединена с атмосферой. Вышеуказанный регулятор может быть использован в системах кондиционирования воздуха летательных аппаратов и в системах термостатирования их отдельных агрегатных отсеков, где возможно поддержание заданного температурного режима постоянством массового расхода воздуха. Недостатком прототипа является невозможность обеспечения им стабильного температурного режима в отсеках с тепловыделяющим оборудованием, в которых мощность тепловыделения имеет динамический характер, а параметры воздуха (температура, плотность, скорость набегания и т.д.), используемого для термостатирования, не постоянны.Known regulator of the mass flow of gas (see AS USSR No. 796799, published January 15, 1984 in B.I. No. 2), which, as the closest in technical essence to the claimed device, is selected as a prototype. The gas mass flow controller comprises a housing with inlet and outlet nozzles, a constricting device mounted on the inlet nozzle, an actuator rigidly connected to a spring-loaded regulatory body. The actuator is made in the form of a block of two dividers with a ratio of effective areas from 1.001 to 1.5, dividing the housing into three cavities. A cavity bounded by a larger effective area is connected to the cavity to the constricting device. A cavity, limited by a smaller effective area, with a cavity after a constricting device, while the cavity between the separators is connected to the atmosphere. The aforementioned controller can be used in air conditioning systems of aircraft and in thermostatic systems of their individual aggregate compartments, where it is possible to maintain a given temperature regime by constant mass air flow. The disadvantage of the prototype is the inability to ensure a stable temperature in compartments with heat-generating equipment, in which the heat dissipation power is dynamic, and the air parameters (temperature, density, speed of incidence, etc.) used for thermostating are not constant.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание регулятора массового расхода воздуха с расширенными функциональными возможностями термостатирования отсеков летательных аппаратов.The technical problem to be solved by the claimed invention is directed is the creation of a mass air flow controller with advanced functionality of thermostatic control of aircraft compartments.

Достигаемым техническим результатом является обеспечение стабильности температурного режима в отсеках с тепловыделяющим оборудованием при изменениях мощности тепловыделения и параметров воздуха, используемого для термостатирования.Achievable technical result is to ensure the stability of the temperature regime in compartments with heat-generating equipment with changes in heat dissipation power and parameters of the air used for temperature control.

Для достижения технического результата в регуляторе массового расхода воздуха, содержащем входной и выходной воздушные каналы, выполненные в корпусе и разделенные между собой подпружиненным регулирующим органом, исполнительный механизм, новым является то, что исполнительный механизм выполнен в виде электромеханического привода, установленного на корпусе с возможностью его взаимодействия с регулирующим органом, выполненным в виде поворотной заслонки, кинематически связанной с датчиком положения, при этом электромеханический привод включает в себя соосно установленные магнитоэлектрический шаговый двигатель, редуктор и электромагнитную муфту.To achieve a technical result in the mass air flow regulator containing the input and output air channels made in the housing and separated by a spring-loaded regulating body, the actuator is new, the actuator is made in the form of an electromechanical drive mounted on the housing with the possibility of it interaction with the regulatory body, made in the form of a rotary damper kinematically connected with the position sensor, while the electromechanical drive includes a coaxially mounted magnetoelectric stepper motor, gearbox and electromagnetic clutch.

В заявляемом регуляторе массового расхода воздуха выполнение исполнительного механизма в виде электромеханического привода, установленного на корпусе с возможностью его взаимодействия с поворотной заслонкой позволяет поддерживать стабильный температурный режим в отсеке, благодаря возможности оперативного изменения площади сечения воздушного канала в зависимости от изменения выделяемой оборудованием тепловой мощности и параметров воздуха. При этом электропривод, содержащий магнитоэлектрический шаговый двигатель, позволяет удерживать заслонку в любом заданном положении в отсутствии питания, что способствует минимизации энергопотребления, так как указанный двигатель обладает внутренним фиксирующим моментом.In the inventive mass air flow controller, the execution of the actuator in the form of an electromechanical actuator mounted on the housing with the possibility of its interaction with a rotary damper allows maintaining a stable temperature regime in the compartment, due to the possibility of operational changes in the cross-sectional area of the air channel depending on changes in the heat output and the parameters air. At the same time, an electric drive containing a magnetoelectric stepper motor allows you to hold the shutter in any predetermined position in the absence of power, which helps to minimize energy consumption, since this motor has an internal fixing moment.

Электромагнитная муфта в составе электропривода позволяет, в случае аварийного выхода из строя источника питания, разорвать кинематическую связь между электроприводом и заслонкой, обеспечивая возвращение подпружиненной заслонки в исходное положение, т.е в положение максимального расхода воздуха через выходной канал. Это исключает аварийный (критический) перегрев отсека или оборудования.The electromagnetic coupling in the electric drive allows, in the event of an emergency failure of the power source, to break the kinematic connection between the electric drive and the damper, ensuring the spring-loaded damper returns to its original position, i.e., to the position of maximum air flow through the outlet channel. This eliminates emergency (critical) overheating of the compartment or equipment.

Датчик положения, кинематически связанный с заслонкой, выполняет функцию звена обратной связи и позволяет осуществлять фиксацию заслонки в том положении, в котором обеспечивается оптимальный массовый расход воздуха через выходной канал.The position sensor kinematically connected with the shutter performs the function of a feedback link and allows the shutter to be fixed in the position in which the optimal mass air flow through the outlet channel is ensured.

Заявляемое изобретение поясняется конкретным примером его реализации. На фигуре 1 показан общий вид регулятора массового расхода воздуха. На фигуре 2 - сечение А-А заявляемого устройства. Регулятор массового расхода воздуха содержит входной 1 и выходной 2 воздушные каналы, выполненные в корпусе 3 и разделенные между собой подпружиненным регулирующим органом, выполненным в виде поворотной заслонки 4 с пружиной 5. На корпусе 3 установлен электромеханический привод, включающий в себя соосно установленные магнитоэлектрический шаговый двигатель 6, редуктор 7 и электромагнитную муфту, представляющую собой две зубчатые полумуфты 8 и 9, одна из которых установлена на выходном валу 10 с возможностью осевого перемещения, а другая - жестко закреплена на валу редуктора 7. Вал 10 одним концом опирается на вал редуктора 7 и имеет возможность свободного вращения относительно последнего. Сцепление полумуфт 8 и 9 обеспечивается электромагнитом 11 втяжного типа при подаче на него питания, а их расцепление - сжатой пружиной 12 при обесточенном электромагните 11. Передача момента от полумуфты 9 на вал 10 осуществляется посредством шпонки 13. Кинематическая связь выходного вала 10 электропривода с поворотной заслонкой 4 осуществляется посредством зубчатых колес 14 и 15. Датчик положения 16, предназначенный для определения положения заслонки 4, кинематически связан с последней через зубчатые колеса 17, 14 и 15.The invention is illustrated by a specific example of its implementation. The figure 1 shows a General view of the mass air flow controller. Figure 2 is a section aa of the inventive device. The mass air flow regulator contains inlet 1 and outlet 2 air channels made in the housing 3 and separated by a spring-loaded regulatory body made in the form of a rotary damper 4 with a spring 5. An electromechanical drive is installed on the housing 3, including a coaxially mounted magnetoelectric stepper motor 6, the gearbox 7 and the electromagnetic coupling, which is two gear half-couplings 8 and 9, one of which is mounted on the output shaft 10 with the possibility of axial movement, and the other is rigidly mounted on the gearbox shaft 7. The shaft 10 is based on one end of the gearbox shaft 7 and has the possibility of free rotation relative to the latter. The coupling of the coupling halves 8 and 9 is provided by a retractable type electromagnet 11 when power is supplied to it, and their disengagement is provided by a compressed spring 12 when the electromagnet is de-energized 11. The torque is transmitted from the coupling half 9 to the shaft 10 by means of a key 13. The output drive shaft 10 is kinematically connected to the rotary damper 4 is carried out by means of gears 14 and 15. A position sensor 16, designed to determine the position of the shutter 4, is kinematically connected to the latter through gears 17, 14 and 15.

На фигуре 2 заслонка 4 показана в положениях: I открытое (исходное), II - промежуточное, III - закрытое (положения II и III показаны на фигуре 2 пунктирными линиями). Регулятор массового расхода воздуха работает следующим образом.In figure 2, the shutter 4 is shown in the positions: I open (initial), II - intermediate, III - closed (positions II and III are shown in dashed lines in figure 2). The mass air flow controller operates as follows.

В исходном состоянии I регулятора полумуфты 8 и 9 разъединены и кинематическая связь между электроприводом и заслонкой 4 отсутствует. При этом заслонка 4 в открытом состоянии I удерживается моментом заневоленной пружины 5. При задействовании электромагнита 11 полумуфта 8, перемещаясь в осевом направлении соединяется с полумуфтой 9, образуя кинематическую связь между электроприводом и заслонкой 4. При холодном отсеке (температура ниже требуемой), шаговый двигатель 6 получает от электронного блока (на фигуре не показан) команду на закрывание заслонки 4, которая при повороте полностью перекрывает входной канал 1, после чего по сигналу датчика положения 16 шаговый двигатель 6 отключится. В этом положении в условиях действия скоростного напора заслонка 4 удерживается внутренним фиксирующим моментом шагового двигателя 6 без потребления электроэнергии.In the initial state I of the regulator, the coupling halves 8 and 9 are disconnected and there is no kinematic connection between the electric actuator and the shutter 4. In this case, the shutter 4 in the open state I is held by the moment of a forceful spring 5. When the electromagnet 11 is engaged, the coupling half 8, moving in the axial direction, is connected to the coupling half 9, forming a kinematic connection between the electric actuator and the shutter 4. When the compartment is cold (temperature is lower than required), the stepper motor 6 receives a command from the electronic unit (not shown in the figure) to close the shutter 4, which, when turned, completely blocks the input channel 1, after which the stepper motor 6 is switched off by the signal of the position sensor 16. In this position, under the action of the high-speed pressure, the shutter 4 is held by the internal fixing moment of the stepper motor 6 without the consumption of electricity.

В случае превышения температуры в отсеке выше требуемой, шаговый двигатель 6 поворачивает заслонку 4 в сторону открывания входного канала 1, обеспечивая доступ воздуха из него в выходной канал 2 с последующим отключением по сигналу датчика положения 16 (например, в положении II). Угол поворота заслонки 4 задается электронным блоком, по сигналам датчиков температуры в термостатируемом отсеке. В зависимости от рассогласования требуемого и фактического значений температур в отсеке в ту или иную сторону, шаговый двигатель 6 по команде от электронного блока поворачивает заслонку 4 с дискретностью, задаваемым электронным блоком, в сторону открывания или закрывания, обеспечивая таким образом оптимальный массовый расход воздуха через выходной канал 2. В случае аварийного выхода из строя источника питания или электронного блока, кинематическая связь между заслонкой 4 и электроприводом автоматически разрывается в связи с разъединением полумуфт 8 и 9, а заслонка 4 под действием пружины 12 займет исходное положение I, в котором обеспечивается максимальный расход воздуха через выходной канал 2. Это позволяет исключить аварийный (критический) перегрев оборудования.If the temperature in the compartment is higher than the required one, the stepper motor 6 rotates the shutter 4 in the direction of opening of the inlet channel 1, providing air from it to the outlet channel 2, followed by shutdown by the signal of the position sensor 16 (for example, in position II). The rotation angle of the shutter 4 is set by the electronic unit, according to the signals of the temperature sensors in the thermostatically controlled compartment. Depending on the mismatch between the required and actual values of the temperature in the compartment in one direction or another, the stepper motor 6, upon a command from the electronic unit, rotates the shutter 4 with the discreteness set by the electronic unit in the direction of opening or closing, thus ensuring the optimal mass air flow through the outlet channel 2. In the event of an emergency failure of the power source or the electronic unit, the kinematic connection between the shutter 4 and the electric actuator is automatically broken due to the separation of the coupling halves 8 and 9, and the shutter 4 under the action of the spring 12 will take the initial position I, which ensures maximum flow air through the outlet channel 2. This eliminates the emergency (critical) overheating of the equipment.

Достижение указанного выше технического результата подтверждены испытаниями опытных образцов заявляемого регулятора, что является доказательством его промышленной применимости.Achievement of the above technical result is confirmed by testing prototypes of the inventive regulator, which is proof of its industrial applicability.

Claims

The mass air flow regulator containing the inlet and outlet air channels made in the housing and separated by a spring-loaded regulatory body, an actuator, characterized in that the actuator is made in the form of an electromechanical drive mounted on the housing with the possibility of its interaction with the regulatory body made in the form of a rotary damper kinematically connected with the position sensor, while the electromechanical actuator includes a coaxially mounted magnetoelectric stepper motor, gearbox and electromagnetic clutch.