КАТАРАКТ БОЕВОГО КЛАПАНА ПОДВОДНОГО ВОЗДУШНОГО ТОРПЕДНОГО АППАРАТА Российский патент 1997 года по МПК F41F3/10 

Изобретение относится к области кораблестроения, а более конкретно к пневматическим подводным аппаратам.

Известны регуляторы расхода, к которым относятся дроссельные устройства или дроссели, которые представляют собой регулируемые и нерегулируемые местные сопротивления. У регулируемых площадь проходного сечения можно изменять в процессе работы, изменяя тем самым расход рабочего тела. В зависимости от формы проходного сечения и регулирующего элемента дроссели делятся на игольчатые, щелевые, канавочные и пластинчатые. Наиболее характерной особенностью дросселя является форма проходного сечения и соотношение между его площадью и периметром смачивания. Чем больше отверстие и чем меньше его периметр смачивания, тем меньше сказывается облитерация и вязкость жидкости на расходе, тем стабильнее работает дроссель. Изменение площади проходного сечения у игольчатых дросселей достигается за счет осевого перемещения иглы. Их недостаток склонность к облитерации вследствие значительного периметра кольцевой щели (Беляев Н.М. Уваров Е.И. Степанчук Ю.М. Пневмогидравлические системы, расчет и проектирование.//Под ред. Н.М. Беляева. М. Высшая школа/, 1988)
При необходимости в ряде случаев для управления расходом рабочего тела применяют пневмогидроклапаны. В таком клапане тарель перемещается под действием высокого давления, что позволяет уменьшить габариты и массу клапана.

Исходя из условий безопасной эксплуатации на земле предпочтительно применение нормально закрытых клапанов. Если использовать нормально открытые клапаны, то при падении давления газа в управляющей полости, например при повреждении трубопровода, отказа регулятора давления и т.п. произойдет самопроизвольное открытие клапана, что может привести к аварии. Обычно используют нормально закрытые клапаны обратного действия тарельчатого типа. Однако выбор конкретной конструкции клапана зависит прежде всего от рода рабочего тела и конкретных условий работы в пневмогидравлической схеме.

Для надежного разделения управляющей и рабочей полостей пневмогидроклапанов применяют манжетные и сильфонные уплотнители. Герметичность посадки тарели запорного органа на седло обеспечивается мягкими торцевыми уплотнениями из резины, фторопласта или капрона.

Назначение пневмогидроклапанов бывает самое разнообразное. Так может быть отсечной гидропневмоклапан с манжетными уплотнениями для открытия-закрытия доступа жидкости или газа из одной магистрали в другую и известно много различных конструкций пневмогидроклапанов.

Известны электроклапаны, которые предназначены для дистанционного управления потоками жидкости или газа электрическими сигналами.

В зависимости от рода рабочего тела различают электропневмоклапаны (ЭПК) и электрогидроклапаны (ЭГК). Электроклапаны могут быть прямого действия, с разгрузкой, с дренажем, с пневмоусилением и со стопорящим устройством.

Выбор конкретной схемы электроклапана обуславливается величиной проходного сечения, давлением рабочего тела и быстродействием. При больших проходных сечениях, а также при больших давлениях применяют электроклапаны с разгрузкой и пневмоусилением. Для получения максимального быстродействия применяют электроклапаны прямого действия без разгрузки.

При необходимости пребывания (длительное время) в открытом состоянии для уменьшения энергопотребления применяют электроклапаны со стопорящим устройством (Пневмогидравлические системы, М. Высшая школа, 1988).

В 1938 году впервые была создана система беспузырной торпедной стрельбы (БТС), которая в течение 1940-1942 гг. устанавливалась на торпедных аппаратах большинства подводных лодок.

На основе опыта Великой Отечественной войны и развития науки и техники были разработаны торпедные аппараты с системой ГС-30, позволявшей производить беспузырное выстреливание торпед с глубины погружения лодки до 30 метров.

Работы в области создания новых торпедных аппаратов, проводившиеся в послевоенные годы, характеризуются стремлением непрерывного увеличения глубины выстреливания. Система стрельбы ГС-45 позволяет производить стрельбу торпедами с глубин до 45 метров, а ГС-80 с глубин до 80 метров.

Регулирование давление воздуха в торпедном аппарате ГС-45 достигается соответствующим профилем (конфигурацией) газопролетных окон боевого клапана, не показанного на фиг. 1, а также скоростью открывания клапана, а следовательно, и увеличение площади окон, через которые происходит истечение воздуха из баллона в заторпедный объем трубы торпедного аппарата, определяется катарактом (гидравлическим регулятором скорости движения рабочего органа) боевого клапана.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является катаракт стреляющего устройства ГС-45 (см. Описание торпедных аппаратов подводных лодок проектов 611, 613, А-615 и 617. М. Военное издательство Министерства Обороны СССР, 1957, стр. 86-89) прототип.

Прототип обладает следующими недостатками:
резервы саморегулирования боевого клапана по мере возрастания глубины ограничены при ограничении Р_изб.;
сужен диапазон стрельбы при снижении Р_{изб.макс.}.

Целью изобретения является расширение диапазона стрельбы с требуемой выходной скоростью при ограничении допустимого избыточного давления на выстреливаемое оружие и повышение коэффициента полезного действия при использовании энергии сжатого воздуха.

Указанная цель достигается тем, что для управления в заданном диапазоне глубин требуемой минимальной выходной скоростью изделия к напорной полости катаракта и его полости низкого давления подключены трубопроводы их связи с не менее чем одним нормально закрытым пневмогидроклапаном, причем каждый клапан снабжен дросселем с регулируемым сечением, при этом управляющее забортное давление (например, через баллон с автоматическим забортным клапаном) подведено к управляющим полостям каждого пневмогидроклапана, имеющего пружину с подстройкой.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что катаракт снабжен не менее чем одним нормально закрытым пневмогидроклапаном, имеющим пружину подстройки, и имеющим регулируемый элемент дроссель сечения, а управляющее забортное давление пневмогидроклапанов поступает от баллона с автоматическим забортным клапаном.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого устройства с известными техническими решениями показывает, что катаракты с пружиной, сливной заглушкой, поршнем с расточкой, соединяющим его напорную полость с полостью низкого давления, золотником и регулировочной шайбой, дроссели, гидропневмоклапаны, контрольные бачки, регулировочные шайбы, известны. Однако сообщение напорной полости и полости низкого давления не менее одной гидравлической связью с гидропневмоклапанами, управляемыми забортным давлением от автоматического забортного клапана, что обеспечивает расширение диапазона выстреливания с требуемой выходной скоростью подводных снарядов за счет повышения коэффициента полезного действия энергии сжатого воздуха, неизвестны.

Заявляемое устройство на основании вышесказанного соответствует критерию "изобретательский уровень".

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на изображено: на фиг. 1 - катаракт боевого клапана системы стрельбы ГС-45; на фиг. 2 катаракт боевого клапана с двумя (их может быть больше и меньше) пневмогидроклапанами напорной полости и полости низкого давления.

Внутри полого корпуса 1 (фиг. 1) катаракта помещается поршень 2, изготовленный вместе со штоком 3. Шток 3 поршня 2 выходит из корпуса катаракта через сальниковое уплотнение 4.

Поршень 2 со штоком катаракта имеет центральное отверстие 5 под золотник 6, ввернутый в дно корпуса 1 катаракта и четыре радиальных отверстия 7, соединяющих нижнюю напорную полость 8 катаракта с верхней (низкого давления) 9. Золотник 6 в верхней рабочей части имеет цилиндрическую и коническую формы.

Корпус 1 катаракта заполняется водой из наполнительного бачка 16 через трубопровод 10 и разобщительный клапан 11.

Полость 9 низкого давления катаракта трубопроводом 12 связана с контрольным бачком 17.

Наполнительный 16 и контрольный 17 водяные бачки изготовлены из прозрачного органического стекла и имеют форму цилиндра. Верхние и нижние днища изготовлены из латуни. Каждое верхнее дно закрыто крышкой, а нижнее имеет центральное отверстие для присоединения соответственно трубопроводов 10 и 12, идущих к корпусу 1 катаракта, при этом наполнительный 16 водяной бачок трубопроводом 10 соединен с разобщительным клапаном 11, а контрольный бачок 17 трубопроводом 12 с верхней полостью корпуса 1.

Для заполнения катаракта боевого клапана водой надлежит открыть разобщительный клапан 11, и налить воду в наполнительный бачок (о заполнении катаракта судят по уровню воды в контрольном бачке). После этого необходимо закрыть разобщительный клапан 11. При необходимости катаракт 1 может быть осушен путем вывинчивания пробки 13.

Регулировочная шайба 14 расположена в нижней части корпуса 1 катаракта и предназначена для изменения положения золотника 6 относительно поршня 2 катаракта с пружиной 15 с целью регулировки давления в трубе торпедного аппарата, не превышающего технически допустимой величины.

В нижнюю часть корпуса 1 катаракта (фиг. 2) введен трубопровод 18 от разобщительного клапана 11, связанного с наполнительным бачком 16 трубопроводом 10. Верхняя полость корпуса 1 трубопроводом 12 гидравлически соединяется с контрольным бачком 17. В трубопроводы 12 и 18 гидравлически отключены трубопроводами 19 и 20 дроссели 21 и 22 с регулируемым сечением. Дроссели 21 и 22 подключены гидравлически соответственно к нормально закрытым пневмогидроклапанам 23 и 24. Пневмогидроклапаны 23 и 24 имеют пружины 25 и 26 с подстройкой. Наконец, пневмогидроклапаны 23 и 24 соединены гидравлически трубопроводом 27 с баллоном автоматического забортного клапана (управляющее забортное давление P_н).

Пружина 15 расположена вокруг золотника 6 и упирается в поршень 2 катарактами предназначена для регулировки скорости открытия боевого клапана.

Катаракт работает следующим образом.

В исходном положении пружиной 15 поршень 2 катаракта поднят в крайнее верхнее положение и его шток упирается в шток боевого клапана. Во время открывания боевого клапана под действием его штока 3 опускается поршень 2 катаракта. Скорость движения поршня катаракта, а следовательно, и скорость открывания боевого клапана определяется количеством воды, перетекающей из напорной полости катаракта в верхнюю, низкого давления полость. Вода из напорной полости 8 катаракта перетекает в полость низкого давления 9 между золотником 6 и расточкой поршня 2 катаракта по четырем радиальным отверстиям 7 в поршне 2.

Расход воды из нижней напорной полости 8 катаракта зависит от площади зазора между поршнем 2 катаракта и золотником 6, а также от величины усилия на штоке 3. Площадь зазора между золотником 6 и поршнем 2 изменяется в процессе выстрела, ибо поршень катаракта перемещается сначала относительно цилиндрической части, а затем относительно конической части золотника 6. Поэтому вначале клапан опускается медленно, а затем все быстрее и быстрее. Следовательно, профиль золотника 6 и расположение золотника относительно поршня катаракта обуславливают скорость открывания боевого клапана.

Чем быстрее движется боевой клапан на открывание, тем быстрее увеличивается площадь боевого клапана и тем больше давление в заторпедном объеме торпедного аппарата. В связи с этим необходимо следить, чтобы разобщительный клапан 11 катаракта был закрыт, а корпус катаракта полностью заполнен водой. В противном случае клапан откроется очень легко и быстро. При открытом же разобщительном клапане 11 катаракта наибольшее давление в трубе торпедного аппарата достигает 20-22 кг/см², при котором кормовые оболочки торпед разрушаются.

Пристрелка боевого клапана на заводе изготовителе или на подводной лодке (после переборки, ремонта и т.д.) заключается в том, чтобы найти такое положение золотника 6 относительно поршня 2 катаракта, при котором давление в трубе торпедного аппарата по индикатору не поднимается выше технически допустимой величины.

Изменять положение золотника 6 относительно поршня 2 катаракта можно путем изменения толщины регулировочной шайбы 14.

Если давление в трубе торпедного аппарата велико, т.е. клапан открывается слишком быстро, чтобы замедлить движение клапана и уменьшить давление сжатого воздуха в заторпедном объеме торпедного аппарата, необходимо опустить золотник 6 относительно поршня катаракта, т.е. увеличить толщину шайбы 14.

Если давление в трубе торпедного аппарата невелико, т.е. клапан открывается медленно, чтобы ускорить движение клапана, необходимо приподнять золотник 6 относительно поршня 2 катаракта, т.е. уменьшить толщину шайбы 14. Так боевой клапан выполняет одно свое назначение открываясь, автоматически перепускает воздух из боевого баллона в трубу торпедного аппарата во время выстреливания так, чтобы давление в аппарате не превышало технически допустимой величины. При этом скорость вылета торпеды (изделия) на различной глубине должна обеспечивать свободное прохождение ею волнорезной ниши.

При рассмотренном регулировании скорости движения клапана и отсечки подаваемого из боевого баллона на выстрел воздуха на максимальной для конкретного стреляющего устройства (ГС) глубине (с обеспечением требуемой выходной скорости V_вых торпеды), избыточное давление по отношению к забортному давлению P_изб=P-P_н (P текущее значение давления в торпедном аппарате, P_н забортное давление) в трубе торпедного аппарата постепенно будет увеличиваться на меньших глубинах стрельбы. Регулировкой ГС добиваются обеспечения в назначенном диапазоне глубин ограничений:
P_изб=[P]_изб и
V_вых>=>[V]_вых,
где P_изб максимально допустимая величина избыточного давления в торпедном аппарате;
V_вых минимально допустимая скорость изделия на срезе торпедного аппарата.

Снижение выходной скорости по мере увеличения глубины выстреливания одновременно связано с уменьшением избыточного давления, что в свою очередь определяет падение коэффициента полезного действия воздуха, используемого для выстреливания изделия.

При снижении P_изб, что требуется, например, когда используются некоторые образцы ракетного оружия, сужается возможный диапазон глубин стрельбы при выполнении показанных выше ограничений.

Настройка и действие катаракта боевого клапана подводного воздушного торпедного аппарата заключается в том, что на минимальной глубине выстреливания в первом диапазоне глубин (малые глубины, например 10-40 метров) на гидродинамическом стенде производится регулировка работы стреляющего устройства известным (штатным) способом. При этом клапаны 23 и 24 закрыты. Подбирается регулировочная шайба 14 таким образом, чтобы избыточное давление при выстреливании на любой (в этом диапазоне) глубине выстреливания было меньше максимально допустимого и выходная скорость изделия была не менее установленной для безаварийного его выхода из торпедного аппарата и прохода волнорезной ниши.

В следующем диапазоне глубин (например 41-80 метров) клапан 23 должен быть закрыт, а клапаны 24 и другие аналогичные закрыты. Регулировка P_изб и V_вых осуществляется с помощью дросселя 21.

При подключении на глубине 80-120- метров клапана 24 дальнейшая регулировка P_изб и V_вых осуществляется с помощью дросселя 22 клапана 24. При этом настройка отсечки подачи воздуха в трубу торпедного аппарата аналогична системе ГС-45.

Цель изобретения по расширению диапазона стрельбы и повышению коэффициента полезного действия воздуха достигается за счет введения в схему стреляющего устройства (ГС) новых пневмогидроклапанов с дросселями, которые обеспечивают рациональное распределение воздуха для работы катаракта боевого клапана при стрельбе с различных глубин.

Лицензию для дальнейшей разработки и доведения катаракта пневматического боевого клапана до промышленного образца рекомендуется приобрести у ВМА им. Н.Г.Кузнецова специализированному кораблестроительному предприятию России.

Использование: кораблестроение, подводные воздушные торпедные аппараты. Сущность изобретения: катаракта боевого клапана подводного торпедного аппарата содержит корпус, внутри которого расположены поршень с расточкой, соединяющей напорную полость катаракта с полостью низкого давления, пружину, золотник с регулировочной шайбой, а также наполнительный и контрольный бачки, разобщительный клапан. Между напорной и низкого давления полостями катаракта введена по меньшей мере одна гидравлическая связь. В состав гидравлической связи входит управляемый забортным давлением пневмогидроклапан с дросселем и пружиной настройки на дискретное значение забортного давления. 2 ил.

Катаракт боевого клапана подводного воздушного торпедного аппарата, содержащий корпус, поршень с расточкой, соединяющей напорную полость катаракта с полостью низкого давления, пружину, золотник, регулировочную шайбу, наполнительный и контрольный бачки, разобщительный клапан, отличающийся тем, что между полостями напорной и низкого давления введена по крайней мере одна гидравлическая связь, на которой установлен пневмогидроклапан с дросселем, управляемый забортным давлением и пружиной настройки на дискретное значение забортного давления.