ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН Российский патент 2002 года по МПК F16K17/10 

Изобретение относится к предохранительным устройствам топливных баков и систем наддува ракет и космических аппаратов.

Известны предохранительные клапаны, состоящие из корпуса с входным и выходным каналами, запирающего элемента, седла и управляющего элемента (см., например, книгу: Беляев Н. М. "Пневмогидравлические системы. " Расчет и конструирование. М.: Высшая школа, 1988 г.

Недостатком данного предохранительного клапана прямого действия пропорционального открытия является то, что при повышении давления нагрузка на уплотнение запирающего элемента уменьшается и герметичность клапана ухудшается. Такие клапаны нельзя применять длительное время из-за больших потерь рабочего тела. Кроме того, клапаны низкоподъемной схемы имеют малые расходы рабочего тела.

Известны также предохранительные клапаны, содержащие корпус с входным и выходным каналами, запирающий элемент, седло и управляющий элемент (см., например, ОСТ 52-8691-75, лист.4, черт.1).

Схема такого клапана изображена на чертеже к данной заявке на фиг.1. Предохранительный клапан содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 каналами, запирающие элементы 4 и 5, сильфоны 6 и 7, главный клапан 8 и управляющий элемент - клапан 9. Повышенная герметичность обеспечивается за счет действия рабочей среды на эффективную площадь сильфона 6 главного клапана 8. Открытие клапанов (сначала управляющего, а затем главного 8) происходит из-за понижения давления в сильфоне 6 за счет сброса давления из управляющего клапана 9 через запирающий элемент 5.

Недостатками указанного предохранительного клапана являются его сложность, невысокая надежность, а также большой вес и габариты. Кроме того, этот принцип нельзя использовать для высокорасходных клапанов с большими давлениями из-за высоких нагрузок на уплотнение запирающего элемента главного клапана. В клапанах обратной схемы резко улучшается герметичность предохранительного клапана по сравнению с клапанами прямой схемы, т.к. до давлений, близких к началу открытия, происходит увеличение силы, прижимающей клапан к седлу. Но для больших расходов и высоких давлений силы, принимающие к седлу, становятся настолько большими, что уплотнение запирающего органа разрушается. Поэтому этот принцип используется для малорасходных клапанов с малым проходным сечением. Кроме того, в предохранительном клапане обратной схемы необходимо выполнять площадь чувствительного элемента большей, чем площадь запирающего элемента. Это приводит к увеличению веса клапана и его габаритов.

Задачей настоящего изобретения является создание клапана с достижением технического результата - расширение эксплуатационного диапазона предохранительного клапана при сохранении высокой герметичности при любых давлениях настройки клапана и обеспечение высокорасходных характеристик.

Это достигается тем, что в предохранительном клапане, содержащем корпус с входным и выходным каналами, седло, запирающий элемент и управляющий элемент, в соответствии с изобретением запирающий элемент снабжен разгрузочным чувствительным элементом, внутренняя полость которого герметично изолирована от выходного канала с образованием наружной поверхностью управляющего чувствительного элемента и внутренней поверхностью разгрузочного чувствительного элемента управляющей камеры, сообщенной каналами, выполненными в запирающем элементе, с входным каналом клапана, причем эффективная площадь разгрузочного чувствительного элемента выполнена не менее площади запирающего элемента, а величина площади управляющего чувствительного элемента выполнена больше, чем разница величин площадей разгрузочного и запирающего элементов, при этом на поверхности запирающего элемента, обращенной в сторону входного канала, закреплен дисковый эжектор, образующий кольцевую щель между поверхностями запирающего элемента и эжектора, сообщенную с управляющей камерой.

Кроме того, в клапане разгрузочный чувствительный элемент выполнен в виде сильфона или мембраны, кольцевая щель сообщена через каналы в запирающем элементе с управляющей камерой и спрофилирована поверхностями запорного элемента и эжектора в сторону посадки запирающего элемента на седло, а в соединении чувствительного управляющего элемента с запирающим элементом выполнен осевой люфт.

Далее предлагаемое изобретение поясняется более подробно с применением прилагаемых чертежей, где на фиг.1 изображен предохранительный клапан по прототипу; на фиг.2 - общий вид предохранительного клапана по изобретению в разрезе.

Предохранительный клапан содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 каналами, с установленным в корпус 1 запирающим элементом 4 с уплотнением 5 (см. фиг. 2), седлом 6 и управляющий чувствительный элемент 7. Запирающий элемент 4 имеет каналы 8 (см. фиг.2) и снабжен разгрузочным чувствительным элементом 9, эффективная площадь которого равна или более (не менее) площади запирающего элемента. Разгрузочный элемент 9 герметично изолирует внутреннюю полость клапана от выходного канала 3. Внутри корпуса 1 образована управляющая камера 10, ограниченная наружной поверхностью управляющего сильфона 7 и внутренней поверхностью разгрузочного сильфона 9. Управляющий сильфон 7 верхней частью герметично соединен с корпусом 1, a в нижней подвижной части имеет законцовку 11, на которой жестко закреплен шарнир 12 гайкой 13. На шарнир 12 установлен запирающий элемент 4 с осевым люфтом 0,1...0,2 мм. На запирающий элемент 4 со стороны входного канала 2 закреплен эжектор 14, образующий кольцевую щель 15 между поверхностями запирающего элемента 4 и поверхностью эжектора 14. Управляющая камера 10 сообщена с кольцевой щелью 15 величиной А через каналы 8 в запирающем элементе 4, а кольцевая щель спрофилирована таким образом, чтобы поток газа, исходящий из управляющей камеры через щель, направлялся в зазор между запирающим элементом 4 и седлом 6 при открытом клапане. На необходимое давление начала открытия клапан настраивается винтом 16. Для прижатия запирающего элемента 4 к седлу 6 между опорной тарелью 17 и подвижной нижней частью управляющего сильфона 7, соединенного с запирающим элементом 4 и эжектором 14, установлена пружина 18. Эффективная площадь управляющего сильфона 7 выполнена большей, чем разность величин эффективных площадей разгрузочного сильфона 9 и запирающего элемента 4.

Предохранительный клапан работает следующим образом.

При подаче давления во входной канал 2 корпуса 1 газы поступают через каналы 8 в запирающем элементе 4 в управляющую камеру 10, действуя на эффективную площадь управляющего сильфона 7, разгрузочный сильфон 9 и запирающий элемент 4, создавая усилие, необходимое для создания герметичности запирающего элемента по седлу 6 до открытия клапана.

Работа предохранительного клапана при наличии давления в системе разделяется на 4 этапа. Первый этап - возрастание давления до момента, когда сила, действующая на эффективную площадь элемента 7 становится равной силе регулировочной управляющей пружины 18. После этого происходит сжатие управляющего сильфона 7 на величину зазора 0,1-0,2 мм в шарнире запирающего элемента. До момента выборки зазора 0,1-0,2 мм сила, прижимающая запирающий элемент 4 к седлу 6, увеличивается, герметичность клапана улучшается. Второй этап: это работа клапана после выборки зазора 0,1-0,2 мм до начала открытия клапана. После выборки зазора 0,1-0,2 мм дальнейшему сжатию гофр управляющего элемента 7 препятствует сила от действия давления на разность эффективных площадей разгрузочного сильфона 9 и запирающего элемента 4. Т.к. эффективная площадь управляющего сильфона 7 выполнена больше разности эффективных площадей разгрузочного сильфона 9 и запирающего элемента 4 прижатие запирающего элемента 4 с уплотнителем 5 к седлу 6 уменьшается. Поэтому герметичность на этом этапе, близком к моменту начала открытия клапана уменьшается. При дальнейшем повышении давления (третий этап) силы на открытие клапана определяются действием давления на эффективную площадь управляющего сильфона 7, разгрузочного 9 и запирающего 4 элементов. И когда сила от действия давления на управляющий элемент 7 станет больше, чем сила регулируемой пружины 18 и от действия давления на разность величин эффективных площадей разгрузочного сильфона 9 и запирающего элемента 4, клапан откроется. Четвертый этап: до вступления в работу эжектора предохранительный клапан работает как клапан низкоподъемной схемы пропорционального открытия. Поэтому расход через клапан незначительный. В дальнейшем по мере увеличения давления в системе и расхода через зазор между седлом и запирающим элементом за счет применения эжектора происходит разрежение в статической зоне управляющей камеры и образующийся перепад давления между давлением во входном канале и в управляющей камере (ΔP) приводит к образованию силы, которая поднимает запирающий элемент на большую высоту и соответственно к увеличению расхода через щель между седлом и запирающим элементом. Предохранительный клапан работает как полноподъемный клапан. Дополнительная подъемная сила возникает от действия давления во входном канале 2 (Р_вх) на эффективную площадь запирающего элемента 4 и действия давления в статической зоне управляющей камеры 10 (Р_вх-ΔP) на разность эффективных площадей разгрузочного 9 и управляющего элементов 7.

Таким образом, в отличие от предохранительного клапана, изображенного на фиг.1, предлагаемый принцип можно использовать для полноподъемных клапанов с обеспечением высокой герметичности. Это стало возможным благодаря применению разгрузочного чувствительного элемента, позволяющего разгрузить уплотнение запирающего элемента от действия разрушающих усилий. Кроме того, применение эжектора значительно увеличивает расход газа через клапан, а изготовление управляющего чувствительного элемента с величиной площади, значительно меньшей (за счет применения разгрузочного сильфона), чем в предохранительном клапане, изображенном на фиг.1, позволяет уменьшить вес и габариты клапана, расширяет арсенал технических средств в этой области техники.

Предохранительный клапан предназначен для применения в топливных баках и системах наддува ракет и космических аппаратов. Предохранительный клапан содержит корпус с входным и выходным каналами, седло, запирающий элемент, управляющий чувствительный элемент, каналы, сообщающие входной канал с управляющим чувствительным элементом. Запирающий элемент снабжен разгрузочным чувствительным элементом. Внутренняя полость последнего герметично изолирована от выходного канала с образованием наружной поверхностью управляющего чувствительного элемента и внутренней поверхностью разгрузочного чувствительного элемента управляющей камеры. Эта камера сообщена каналами, выполненными в запирающем элементе, с входным каналом клапана. Причем эффективная площадь разгрузочного чувствительного элемента выполнена не менее площади запирающего элемента. Величина площади управляющего чувствительного элемента выполнена больше, чем разница величин площадей разгрузочного и запирающего элементов. При этом на поверхности запирающего элемента, обращенной в сторону входного канала, закреплен дисковый эжектор с образованием кольцевой щели между поверхностями запирающего элемента и эжектора, сообщенной с управляющей камерой. Изобретение позволяет обеспечить высокую герметичность, увеличить расход газа через клапан, уменьшить вес и габариты клапана, а также расширить арсенал технических средств в этой области техники. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Предохранительный клапан, содержащий корпус с входным и выходным каналами, седло, запирающий элемент, управляющий чувствительный элемент, каналы, сообщающие входной канал с управляющим чувствительным элементом, отличающийся тем, что в нем запирающий элемент снабжен разгрузочным чувствительным элементом, внутренняя полость которого герметично изолирована от выходного канала с образованием наружной поверхностью управляющего чувствительного элемента и внутренней поверхностью разгрузочного чувствительного элемента управляющей камеры, сообщенной каналами, выполненными в запирающем элементе, с входным каналом клапана, причем эффективная площадь разгрузочного чувствительного элемента выполнена не менее площади запирающего элемента, а величина площади управляющего чувствительного элемента выполнена больше, чем разница величин площадей разгрузочного и запирающего элементов, при этом на поверхности запирающего элемента, обращенной в сторону входного канала, закреплен дисковый эжектор с образованием кольцевой щели между поверхностями запирающего элемента и эжектора, сообщенной с управляющей камерой. 2. Предохранительный клапан по п. 1, отличающийся тем, что разгрузочный чувствительный элемент выполнен в виде сильфона. 3. Предохранительный клапан по п. 1, отличающийся тем, что разгрузочный чувствительный элемент выполнен в виде мембраны. 4. Предохранительный клапан по п. 1, отличающийся тем, что кольцевая щель сообщена через каналы в запирающем элементе с управляющей камерой, образована поверхностями запирающего элемента и эжектора и направлена в сторону посадки запирающего элемента на седло.