ТРУБА-КАПСУЛА И КЛАПАН ПРОРЫВА ЕЕ МЕМБРАН Российский патент 2003 года по МПК F16K17/40 F02K9/95 

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а более конкретно - к устройствам химического зажигания рабочих компонентов газогенератора или камер сгорания данных двигателей с ограниченным числом запусков.

Известны пиротехнические системы зажигания на камерах сгорания и жидкостных газогенераторах с помощью пиропатронов (см. кн. под общ. ред. Г.Г. Гахуна. Конструкция и проектирование ЖРД. - М.: Машиностроение, 1989, с.73).

Основной их недостаток - невозможность многократности запусков из-за отложения продуктов сгорания пороха в пламявыводящих трубках и возможность задержки воспламенения, что приводит к перегрузкам при выходе на режим.

Указанные недостатки устранены при химическом зажигании.

Известная химическая система зажигания в ЖРД (см. кн. Г.Г.Гахуна и др., с. 75, рис. 4.5а) имеет цилиндрическую трубу-капсулу, установленную перед камерой сгорания и заполненную пусковым жидким компонентом, который самовоспламеняется при контакта с окислителем в полости камеры сгорания или газогенератора. При этом не происходит каких-либо задержек воспламенения рабочих компонентов.

В такой трубе-капсуле компонент отделен от остальной части трубопроводов подачи рабочих компонентов мембранами свободного прорыва (см. кн. Г.Г.Гахуна, с. 324, рис. 12.2), выполненными из фольги со специальной насечкой.

Основным недостатком такой конструкции является значительный разброс значения давления, при котором происходит прорыв мембран и, кроме того, большой длинновой габарит прямой цилиндрической трубы-капсулы, что затрудняет ее размещение в компоновке ЖРД и возможность попадания сколов мембран в форсуночные головки.

Известны и мембранные клепаны принудительного прорыва, которые позволяют обеспечить прорезание мембран точно в указанное время или в соответствии с определенными параметрами по циклограмме запуска (см. кн. Г.Г.Гахуна, с. 324, рис. 12.3). Такие клапаны разового действия с кольцевым ножом устанавливаются, в основном, в главных магистралях подвода окислителя и горючего больших диаметров. Они достаточно сложны и состыковываются в магистралях по своим торцам с помощью сварки.

В случае необходимости его использования в магистралях малого расхода и небольшого диаметра их труб исполнение такого клапана выглядит проблематичным (в части размещения внутри его пружины, сворачивания мембраны вокруг внутреннего ребра и. т.д.).

Указанные недостатки частично устранены в быстродействующем клапане с расположением поршня-ножа внутри проточной части рабочего канала.

Известный клапан прорыва мембран (см. авт. св. СССР 164512 за 1963 г.) имеет корпус с Г-образным каналом, мембрану, перекрывающую проходное сечение, пиропривод с гибкой дифрагмой и толкателем и полый цилиндрический поршень-нож, расположенный внутри цилиндрической проточки корпуса с возможностью его скольжения до стенке корпуса. В поршне-ноже имеется одно отверстие для прохода компонента и продольный паз для его фиксации в угловом положении с помощью шпонки.

Кроме того, в клапане есть срезаемый толкателем контрящий поршень-нож штифт, причем пиропровод уплотнен по корпусу путем подтяжки корпуса пиропровода к корпусу клапана. Сам корпус скреплен трубопроводами магистрали с помощью сварки.

Конструкция известного клапана не обеспечивает его повторного использования, например, после огневого сдаточного испытания ЖРД. При наличии больших вибраций при работе двигателя возможна разгерметизация по стыку пиропровода с корпусом.

Клапан является необратимым при изменении направления потока компонента в противоположную сторону, поскольку подрезанная мембрана закроет выход компоненту.

Кроме того, внутренняя полость Г-образного канала является, при целой мембране, тупиковой полостью, не позволяющей производить ее продувку, как это часто требуется перед запуском.

Задачи, на решение которых направлены заявленные изобретения, заключаются в создании для линий питания горючим газогенераторов, или камер сгорания, трубы-капсулы с самовоспламеняющимся компонентом, и клапана прорыва ее мембран, обеспечивающих: точную по времени подачу самовоспламеняющего компонента на рабочие форсунки; компактность устройства в целом; возможность снятия с двигателя для перезарядки после сдаточно-огневых испытаний и вторичной его установки на двигатель; исключение возможности попадания осколков мембран на вход в форсуночные головки; получение возможности продувки внутренних полостей клапанов; упрощение конструкции клапанов; использование клапана прорыва мембран одной конструкции как на входе, так и на выходе из трубы-капсулы; отсутствие возможности разгермитизации корпуса клапана со стороны пиропривода.

Поставленные задачи решаются тем, что:
- трубопровод трубы-капсулы выполнен П-образным и с обоих концов снабжен клапанами принудительного прорыва мембран;
- каждая мембрана по ее центру до прорезания скреплена с направляющим штоком, установленным в посадочном седле с отверстиями перепуска топлива, причем направляющий шток мембраны со стороны входа горючего в трубу-капсулу выполнен подпружиненным;
- в каждом клапане прорыва мембран поршень-нож установлен на конце штока, имеющего возможность перемещения в отверстии корпуса соосно толкателю, и образует с внутренним проточным каналом корпуса кольцевой зазор с площадью, как минимум, равной площади вырезаемого участка мембраны, и снабжен рядом окон в его цилиндрической части;
- в каждом клапане на поршень-нож установлена предохранительная втулка, например, из фторопласта, прикрывающая режущую часть в процессе транспортировки, или хранения, и имеющая возможность ее сдвига, при срезании ножом мембраны, по его ступенчатой цилиндрической части.

Сущность изобретений поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схематически труба-капсула с клапанами принудительного прорыва мембран; на фиг. 2 - клапан прорыва мембран, состыкованный с фланцем трубы-капсулы со стороны подачи горючего в газогенератор до прорыва мембраны; на фиг.3 -клапан прорыва мембран, состыкованный с фланцем трубы-капсулы со стороны выхода самовоспламеняющего компонента после прорезания мембраны в начальный период; на фиг.4 - пример заделки мембраны по ее наружному диаметру; на фиг.5 - схема установки трубы-капсулы с клапанами прорыва ее мембран в ЖРД с дожиганием в линии питания горючим газогенератора.

Труба-капсула 1 содержит П-образный трубопровод 2, заполненный, например, триэтилалюминием с входным 3 и выходным 4 крепежными фланцами под клапаны принудительного прорыва мембран 5 и 6 - входного 7 и выходного 8. Обе мембраны по наружным их диаметрам приварены к элементам фланцев, а по внутренним, в их центральных участках, к направляющим штокам. Так со стороны входного клапана 7 мембрана 5 скреплена с наконечником направляющего штока 9, а со стороны выходного клапана 8 мембрана 6 скреплена с наконечником направляющего штока 10. Шток 9 установлен в посадочном седле 11, а шток 10 в посадочном седле 12, причем оба седла выполнены с отверстиями перепуска топлива. В отличие от штока 10 шток 9 подпружинен с помощью винтовой пружины сжатия 13 и самоконтрящей гайки 14 с упором конца пружины в проточку седла 11.

Клапаны прорыва мембран трубы-капсулы на входе горючего 7 и на выходе 8 конструктивно за исключением несущественных элементов выполнены одинаково. Фактически каждый клапан содержит корпус 15 с Г-образным каналом 16 для протока горючего. К каналу 16 примыкает небольшая полость 17 с размещением в ней или обратного клапана, или дроссельных шайб (условно не показанные) и заканчивающаяся штуцером 18. Соосно части канала 16, примыкающей к фланцу 3 или 4, в корпусе 15 выполнено отверстие 19, которое имеет свое продолжение в корпусе пиропривода 20, скрепленного с корпусом 15. Внутри корпуса 20 выполнена полость 21, которая замкнута крышкой 22 с ее штуцером подвода 23 и перфорированной пластинкой равномерного распределения газа 24. Между корпусом 20 и крышкой 22 установлена гибкая диафрагма 25. Внутри отверстия 19 со стороны пиропривода размещен толкатель 26, контактирующий с одной стороны с диафрагмой 25, а с другой с торцом штока 27. На консольной части штока, на его конце, установлен цилиндрический полый поршень-нож 28. Сам шток имеет возможность перемещения в отверстии 19 соосно толкателю 26 и снабжен уплотнительными элементами 29. Поршень-нож 28 включает ряд окон 30 в его цилиндрической части, упорный буртик 31 и ступенчатый цилиндрический участок 32 со стороны режущей части, на которой смонтирована предохранительная втулка 33 из эластичного материала, например из фторопласта. Втулка в крайнем левом положении прикрывает собой режущую часть ножа в процессе хранения и транспортировки, но она имеет возможность ее сдвига в момент перехлопа диафрагмы по ступенчатому участку с упором к мембрану. Сам поршень-нож 28 выполнен с наружным диаметром буртика 31, который образует с внутренним проточным каналом корпуса клапана кольцевой зазор L с площадью, как минимум, равной площади вырезаемого ножом участка мембраны.

На ЖРД с химическим зажиганием топлива в газогенераторе 34 труба-капсула 1, заполненная, например, триэтилалюминием, устанавливается на линии 35 питания горючим газогенератора с клапанами прорыва мембран 7 и 8 во взведенном положении хлопающих диафрагм 25 (между регулятором тяги 36 и клапаном 37). Командное давление к клапанам подключено по линии 38 к пусковой пиротурбине 39.

Перед запуском ЖРД через штуцеры 18 производят продувку линии горючего перед газогенератором или дренаж горючего в ходе работы из регулятора тяги в расходную магистраль ракеты.

В процессе запуска при достижении определенных давлений горючего в линии 35 и пороховых газов в линии 38 происходит перехлоп диафрагм 25 в клапанах 7 и 8, в результате чего поршень-нож 28 перемещается влево и сдвигает за счет упора о мембрану предохранительную втулку 33 до упора в буртик 31. При этом происходит вырезание круглых участков мембран 5 и 6. Освобожденный направляющий шток 9 под воздействием дружины 13 и давления, поступающего по стрелке 40 горючего, вместе с вырезанным круглым участком мембрана 5 сдвигается до упора влево и освобождает проходное сечение для горючего. В то же время вырезанный участок мембраны 6 вместо со штоком 10 под давлением горючего и воспламеняющего компонента уходит вправо до упора во внутренний торец поршня-ножа. Воспламеняющий компонент, перемешиваясь с горючим, поступает по стрелке 41 в клапан 37 на самовоспламенение с окислителем в полости газогенератора 34. В результате возрастания давления горючего в полостях 16 поршень-нож 28 возвращается в первоначальное положение до запуска, при этом также происходит перехлоп диафрагм 25 в ее начальное положение.

В случае повторных наземных огневых испытаний на одной и той же матчасти или использовании на спасаемых ракетах конструкция трубы-капсулы и клапанов прорыва мембран позволяет после небольшой доработки произвести перезарядку самовоспламеняющего компонента. В частности, со штоков 9 и 10 и с фланцев 3 и 4 срезаются остатки мембран 5 и 6 и привариваются новые, неразрушенные, при этом устанавливаются также новые предохранительные втулки 33.

Конфигурация трубопровода капсулы может быть слегка видоизменена, например быть С-образной.

При необходимости повторного запуска в полете возможна установка дублирующих трубы-капсулы и пирозарядов ЖРД.

Предложенная труба-капсула химического воспламенения хорошо вписывается в общую схему обвязки ЖРД из-за ее компактности (совместно с клапанами прорыва мембран) и обеспечивает точную подачу воспламеняющего компонента в соответствии с циклограммой двигателя. Осевое смещение срезанных частей мембран совместно с их штоками устраняет возможность запирания тракта отрывками мембран. Труба-капсула легко восстанавливается для повторного использования.

Предложенный клапан прорыва мембран позволяет использовать его как на входе, так и на выходе горючего в трубе-капсуле, т.е. он обратим по своему действию. Клапан не имеет срезаемых штифтов и легко взводится для повторного применения. Клапан не имеет возможности разгерметизации со стороны пиропривода и позволяет продувку тракта без наличия глухих полостей. Конструкция его проста, а следовательно, и надежна.

Изобретение предназначено для устройств химического зажигания рабочих компонентов газогенератора или камер сгорания данных двигателей с ограниченным числом запусков. Труба-капсула содержит трубопровод, заполненный воспламеняющимся с окислителем компонентом, заключенным между мембранами. Трубопровод выполнен П-образным и с обоих концов снабжен клапанами принудительного прорыва мембран. Клапан прорыва мембран содержит корпус с Г-образным каналом для протока компонента, пиропривод с гибкой диафрагмой и толкателем, полый цилиндрический поршень-нож. Поршень-нож установлен на конце штока, имеющего возможность перемещения в отверстии корпуса соосно толкателю, и образует с внутренним проточным каналом корпуса кольцевой зазор с площадью, как минимум, равной площади вырезаемого участка. Изобретение позволяет обеспечить точную подачу воспламеняющего компонента в соответствии с циклограммой двигателя, устранить возможность запирания тракта обрывками мембран, упростить конструкцию и повысить надежность устройства. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Труба-капсула, содержащая трубопровод, заполненный воспламеняющимся с окислителем компонентом, заключенным между мембранами, отличающаяся тем, что трубопровод выполнен П-образным и с обоих концов снабжен клапанами принудительного прорыва мембран. 2. Труба-капсула по п. 1, отличающаяся тем, что каждая мембрана до прорезания по ее центру скреплена с направляющим штоком, установленным в посадочном седле с отверстиями перепуска топлива, причем направляющий шток мембраны со стороны входа горючего в трубу-капсулу выполнен подпружиненным. 3. Клапан прорыва мембран, содержащий корпус с Г-образным каналом для протока компонента, пиропривод с гибкой диафрагмой и толкателем, полый цилиндрический поршень-нож, отличающийся тем, что поршень-нож установлен на конце штока, имеющего возможность перемещения в отверстии корпуса соосно толкателю, и образует с внутренним проточным каналом корпуса кольцевой зазор с площадью, как минимум, равной площади вырезаемого участка мембраны и снабжен рядом окон в его цилиндрической части. 4. Клапан по п. 3, отличающийся тем, что на поршень-нож установлена предохранительная втулка, например, из фторопласта, прикрывающая режущую часть в процессе транспортировки или хранения, и имеющая возможность ее сдвига при срезании ножом мембраны по его ступенчатой цилиндрической части.