СИСТЕМА ПОДАЧИ ТОПЛИВА Российский патент 1999 года по МПК F02K9/44 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах подачи рабочих тел к различным потребителям, например, к жидкостным ракетным двигателям малой тяги двигательных установок космических летательных аппаратов.

Известна миниатюрная система наддува по патенту США N 5026259, пр. 9.07.90 г. , НКИ 417/379; 417/392; 417/401; 60/39.462; МКИ 5 F 04 B 9/08. Известная система состоит из топливного бака с жидкостной и газовой полостями, потребителей, топлива, управляемого мультипликатора с полостями низкого и высокого давлений, причем полость низкого давления мультипликатора сообщена через управляющие клапаны с окружающей средой и с газогенератором, а полость высокого давления через обратный клапан с топливной (жидкостной) полостью топливного бака и через обратный клапан с камерой газогенератора. Камера газогенератора может быть сообщена дополнительно с газовой полостью бака. В магистрали потребителей топлива установлен ресивер.

Недостатками известной системы являются циклическое изменение давления на входе потребителя (например, ЖРДМТ); необходимость сложной самостоятельной системы регулирования подачи компонентов топлива в газогенератор, невысокая надежность, большое количество и вес элементов ПГС.

Основные задачи, решаемые предполагаемым изобретением состоят в повышении надежности системы подачи, снижении габаритов и веса.

Предлагаемое решение заключается в следующем. Система подачи топлива содержит топливный бак с жидкостной полостью, связанной с потребителем топлива и газовой полостью, газогенератор, управляемый мультипликатор с полостями низкого и высокого давлений. Полость низкого давления соединена с газогенератором и линией сброса через клапан двойного действия, а полость высокого давления с одной стороны через обратный клапан с жидкостной полостью топливного бака, а с другой стороны через обратный клапан с газогенератором. Отличие состоит в том, что газогенератор, кроме привода мультипликатора, обеспечивает наддув бака, а клапан двойного действия выполнен с двумя постоянными магнитами, взаимодействующими с якорем клапана через магнитопроводы и магнитопроводящую проставку закрепленную на поршне мультипликатора и соединен трубопроводом с газовой полостью топливного бака.

Диаметр седла клапана двойного действия может быть выполнен регулируемым.

Кроме того, клапан двойного действия может быть выполнен в виде золотника.

Магнитопроводящая проставка может быть расположена за пределами размещения клапанов и их привода и механически с ними развязана.

Система подачи топлива представлена на чертеже. На фиг. 1 и 2 приведены возможные конструктивные схемы системы подачи с использованием магнитоуправляемого переключателя.

Система подачи топлива состоит из бака 1, имеющего газовую полость (полость наддува) 2 и жидкостную полость 3, соединенную через трубопровод 4 с потребителями топлива 5, например, ЖРДМТ и одновременно соединенную через трубопровод 6 топливной магистрали и обратный клапан 7 с полостью высокого давления 8 мультипликатора 9, а полость высокого давления мультипликатора через клапан 10 и магистраль 11 соединена с газогенератором 12, который через газовую магистраль 13 соединен с газовой полостью 2 (полость наддува) бака 1. Магнитоуправляемый переключатель 14 приводится в действие магнитопроводящей проставкой 15, установленной на поршне 16 мультипликатора давления. Полость низкого давления 17 мультипликатора давления соединена каналом 18 с клапаном двойного действия 19, имеющим запорный орган с седлом 20, соединяющий полость низкого давления мультипликатора через магистраль 21 с полостью сброса 22, и запорный орган с седлом 23, соединяющий полость низкого давления 17 мультипликатора через магистраль наддува 24 с газовой полостью (полостью наддува) бака. Клана двойного действия 19 соединен штоком 25 с магнитопроводящим якорем 26, взаимодействующим с постоянными магнитами 27 и 28 через магнитопроводы 29, 30, 31 и магнитопроводящую проставку 15.

На фиг. 2 приведена конструктивная схема системы подачи с использованием прямого и обратного хода поршня 16 для подачи топлива в газогенератор 12. Дополнительная топливная полость высокого давления 32 мультипликатора через магистраль 33, обратный клапан 34 сообщается с жидкостной полостью топливного бака, а через топливную магистраль 35 и обратный клапан 36 - с газогенератором 12. Полость низкого давления 37 мультипликатора соединена через канал 38, клапан двойного действия 39 с седлом 40 со сбросной магистралью 41 и полостью сброса 22 или с окружающей средой. В другом положении клапана двойного действия 39 относительно седла 42 полость 37 сообщается через канал 38 с газовыми магистралями 24 и 13.

Возможны и другие конструктивные схемы магнитоуправляемого переключателя, например, с подвижными постоянными магнитами, установленными на поршне, или якорем, выполненным в виде постоянного магнита.

Система подачи работает следующим образом. В исходном состоянии поршень 16 мультипликатора 9 находится в любом, желательно крайнем, положении. Например, таком, когда полость высокого давления 8 имеет наименьший объем. В этом положении магнитопроводящая проставка 15, являющаяся частью поршня, через магнитопроводы 30 и 31 соединяет магнитную цепь магнитопроводящего якоря 26 магнитоуправляемого переключателя 14 с полюсом постоянного магнита 28, противоположным полюсу магнита 27, обращенному к якорю 26. В этом положении усилие притяжения между якорем и постоянным магнитом 28 максимально, якорь 26 притянут к магниту 28, при этом клапан двойного действия 19 прижат к седлу 23, а полость низкого давления 17 мультипликатора 9 отключена от газовых магистралей 24 и 13 и газовой полости (полости наддува) 2 бака 1. При этом клапан 19 отжат от седла 20 и полость низкого давления 17 через канал 18 соединена с магистралью 21 и полостью сброса 22. Газ наддува из полости низкого давления 17 через канал 18, открытую пару седло-клапан (20, 19) и магистраль 21 истекает в полость сброса 22, например, внешнюю среду либо какой-нибудь потребитель с рабочим давлением газа меньшим, чем давление в полости низкого давления мультипликатора. Давление в полости 17 падает. Когда усилие от давления в полости 17 становится меньше усилия от давления рабочего тела (топлива) в полости высокого давления 8, топливо из полости 3 бака 1 через топливную магистраль 6 и обратный клапан 7 поступает в полость высокого давления 8 мультипликатора, перемещая его поршневую группу с поршнем 16 в сторону уменьшения полости 17. Полость высокого давления 8 мультипликатора заполняется топливом. При перемещении поршневой группы магнитопроводящая проставка 15 размыкает магнитную цепь между якорем 26 и постоянным магнитом 28, что приводит к снижению усилия притяжения между ним и якорем. При достижении поршнем 16 крайнего положения (полость 17 имеет минимальный объем) полость высокого давления полностью заполняется рабочим телом, а магнитопроводящая проставка 15 замыкает магнитную цепь между магнитопроводами 29 и 30, что приводит к возрастанию усилия притяжения между постоянным магнитом 27 и якорем 26. Якорь притягивается к постоянному магниту 27, перемещая клапан двойного действия 19 с помощью штока 25 до упора в седло 20 и перекрывая вход в сбросную магистраль 21. При этом клапан двойного действия 19 отжимается от седла 23, сообщая газовую магистраль 13 и магистраль наддува 24 с полостью низкого давления 17 мультипликатора. Газ наддува из полости наддува 2 через магистраль 24 поступает в полость низкого давления 17 мультипликатора. При достижении усилия от газового давления, обеспечивающего давление в полости высокого давления мультипликатора выше давления в топливном баке (в полости 3) и магистрали 6 при закрытом обратном клапане 7, открывается клапан 10. Через магистраль 11 и клапан 10 из полости высокого давления мультипликатора топливо поступает в газогенератор 12, где вырабатывается генераторный газ, который через газовую магистраль 13 поступает в полость наддува 2 бака 1. Давление в системе повышается.

При движении поршня в промежуточном положении между замыканиями магнитных цепей магнитопроводящей проставкой 15 переключения клапана двойного действия 19 не происходит, т.к. сердечник удерживается в притянутом положении к одному из постоянных магнитов за счет их остаточной индукции.

В дальнейшем цикл работы системы подачи повторяется и давление в системе подачи растет. С повышением давления в системе подачи повышается перепад давления на клапане двойного действия 19 в закрытом его положении на седле 20, что приводит к увеличению усилия, необходимого для открытия, на величину пропорциональную площади (диаметру) кольцевой зоны контакта седла 20 с клапаном двойного действия 19. При определенном значении давления в системе подачи перепад давления на клапане двойного действия 19 в закрытом положении на седле 20 возрастает настолько, что тяговое усилие постоянного магнита 28 будет недостаточным для открытия клапана двойного действия 19 при положении магнитопроводящей проставки 15, обеспечивающей наибольшее тяговое усилие постоянного магнита 28 (т.е. полость 8 имеет наименьший объем). Так как переключения клапана двойного действия не произойдет поршень после вытеснения рабочего тела из полости высокого давления 8 в газогенератор остановится и рост давления в системе подачи прекратиться. При расходе топлива через потребитель 5 давление в системе подачи снизится, снизится и усилие, необходимое для открытия клапана с парой седло 20 и клапан двойного действия 19. При снижении давления в системе подачи до величины достаточной для открытия клапана двойного действия 19 происходит его переключение до упора в седло 23. Вход в магистраль 21 и полость сброса 22 открыт. При этом вновь заполняется полость высокого давления 8 топливом и цикл автонаддува системы подачи повторяется.

Таким образом, давление в системе подачи автоматически будет поддерживаться в определенных пределах. Величина диаметра седла 20 клапанной пары, сообщающей полость низкого давления мультипликатора с магистралью 21 и полостью сброса 22 определяет предельно допустимую величину давления в системе подачи.

Регулирование диаметра седла 20 обеспечивает регулировку предельно допустимого давления в системе подачи. Уменьшение диаметра седла ведет к увеличению давления в системе подачи, а увеличение диаметра седла - к уменьшению.

При изменении расхода топлива через потребитель 5 автоматически изменяется частота следования циклов автонаддува, что позволяет системе подачи работать в широком диапазоне расходов топлива через потребитель, в том числе и при расходе равном нулю.

При работе системе подачи топлива, показанной на фиг. 2 после переключения клапанов двойного действия 19 и 39 в положение, соответствующее посадке, соответственно, на седла 23 и 40 и положению поршневого блока, при котором объем полости 8 наименьший, происходит наддув полости низкого давления 37 из полости наддува бака (газовой полости) через магистраль 24 и клапанную пару 39, 42 и канал 38. При этом одновременно с заполнением полости низкого давления 37 мультипликатора происходит вытеснение топлива из полости высокого давления 32 мультипликатора через канал 33, топливную магистраль 35, обратный клапан 36 в газогенератор 12. Поршень 16 при заполнении полости 37 вытесняет газ наддува из полости низкого давления 17 через магистраль 21 в полость сброса 22. После перемещения поршневой группы в противоположное положение происходит переключение магнитоуправляемого переключателя и клапаны двойного действия 19 и 39 садятся, соответственно, на седла 20 и 42. Система переходит в режим вытеснения топлива из полости высокого давления 8, заполненной через обратный клапан 7 при предыдущем движении поршневой группы. Вытеснение топлива из полости 8 происходит по схеме (фиг. 1), описанной выше. При этом происходит вытеснение газа из наддува из полости низкого давления 37 через канал 38, клапанную пару 39, 40, сбросную магистраль 41 в полость сброса 22. Одновременно заполняется полость высокого давления 32 мультипликатора топливом из топливной полости 3 бака 1 через обратный клапан 34, магистраль 33. Преимуществом этой схемы является исключение технологической паузы системы наддува, необходимой для заполнения полости высокого давления мультипликатора, приведенной на фиг. 1, что расширяет возможности системы по обеспечению расходов через потребителя от нуля до величины, обеспечивающей практически непрерывный расход через газогенератор. Преимуществом схемы приведенной на фиг. 2, является также уменьшение массы привода за счет уменьшения усилия, необходимого для переключения клапанов двойного действия, так как клапаны находятся в разгруженном состоянии, а регулирование предельно допустимого давления можно проводить за счет изменения разности диаметров седел 23 и 40 или 20 и 42.

Заявляемая система подачи автоматически поддерживает давление топлива на входе потребителя без использования внешних источников энергии, элементов автоматики и управления, а также без специальной системы защиты от превышения давления свыше допустимого в широком диапазоне расхода топлива из бака через потребителя.

Регулирование предельно допустимого давления обеспечивается изменением диаметра седла клапана, соединяющего полость низкого давления мультипликатора с полостью сброса.

Отсутствие механической связи управляющего органа с приводом исполнительного органа обеспечивает возможность их герметичного разделения.

Система предназначена для топливоподачи компонентов топлива в ракетные двигатели малой тяги. Она содержит топливный бак с жидкостной и газовой полостями. Жидкостная полость сообщена с потребителями топлива, а газовая - с газогенератором наддува. Управляемый мультипликатор давления имеет полость низкого давления, сообщаемую через клапан двойного действия с газогенератором наддува или с линией сброса, и жидкостную полость высокого давления, сообщенную через обратные клапаны с жидкостной полостью бака с одной стороны и с газогенератором - с другой. Клапан двойного действия перемещается с помощью магнитоуправляемого переключателя, имеющего якорь и магниты, взаимодействующие с ним через магнитопроводы, и подвижную магнитопроводящую проставку, закрепленную на поршне мультипликатора. Магниты могут быть установлены на поршне мультипликатора или в других элементах магнитной цепи. Система подачи автоматически поддерживает давление топлива на входе потребителя без использования внешних источников энергии, элементов автоматики и управления, и без специальной системы зашиты от превышения давления. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система подачи топлива, содержащая топливный бак с жидкостной полостью, связанной с потребителем топлива и газовой полостью, газогенератор, управляемый мультипликатор с полостями низкого и высокого давлений, первая из которых соединена с газогенератором и линией сброса через клапан двойного действия, а вторая с одной стороны через обратный клапан - с жидкостной полостью топливного бака, а с другой стороны - через обратный клапан с газогенератором, отличающаяся тем, что газогенератор выполнен обеспечивающим наддув, клапан двойного действия выполнен с двумя постоянными магнитами, взаимодействующими с якорем клапана через магнитопроводы и магнитопроводящую проставку, закрепленную на поршне мультипликатора, и соединен трубопроводом с газовой полостью топливного бака. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что диаметр седла клапана двойного действия выполнен регулируемым. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что клапан двойного действия выполнен в виде золотника. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что магнитопроводящая проставка расположена за пределами зоны размещения клапанов двойного действия и механически с ними развязана.