КЛАПАН ПНЕВМОУПРАВЛЯЕМЫЙ Российский патент 2023 года по МПК F16K39/02 F16K1/32 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, может использоваться в ракетном двигателестроении в арматуре систем подачи ЖРД, а также в других областях техники.

Известны дистанционно пневмоуправляемые отсечные клапаны, состоящие из корпуса с входным и выходными патрубками, седла, подпружиненного запорного органа со штоком и пневматического поршневого привода (см. Рис. 6. 12а. стр. 301 «Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования.» автор М.В. Добровольский. Москва. Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2005 г.). Приведенный отсечной пневматический клапан прямого действия применяется для перекрытия магистралей с внутренним диаметром не более 25 мм и неприемлем для жидкостных ракетных двигателей, работающих при высоких давлениях рабочего тела, так как для открытия клапана требуется управляющая полость с большими габаритами и соответственно весом, а при закрытии клапана происходит гидроудар с возможными разрушениями.

Известны конструкции клапанов разгруженного типа для открытия, которых не требуется большого усилия, см., например, а.с. №529331, где в корпусе с подводящими каналами размещены запорный орган, шток и разгрузочный поршень, взаимодействующие друг с другом и перемещаемые от привода. Разгрузка осуществляется за счет равенства активной площади штока и неуравновешенной площади запорного органа, т.е. за счет равенства площадей достигается равновесие сил давления, действующих на запорный орган и разгрузочный поршень.

Однако, как указано в а.с. усилие от действия давления среды на шток не передается на привод, и он полностью разгружен, а это значит, что запорный орган для обеспечения герметичности в закрытом положении при использовании дистанционных приводов - поршневого, мембранного или электромагнитного, должен поджиматься к седлу пружиной, которой нет в данном запорном органе.

Кроме этого в известном разгруженном клапане при использовании дистанционно управляемого привода, в который управляющее давление газа подается и сбрасывается через ЭПК, открытие и также закрытие происходят довольно быстро, а закрытие происходит с гидроударом.

Известны конструкции клапанов разгруженного типа для открытия которых не требуется большого усилия поршневого привода даже при высоких давлениях рабочего тела. Схема клапана такого типа, взятого за прототип изобретения (см. в книге А.И. Эдельман «Топливные клапаны жидкостных ракетных двигателей». Издательство «Машиностроение» Москва 1970. Рис. 1.10. стр. 16). Клапан нормально закрыт, седло перекрыто цилиндрическим поршнем, который является запорным органом, проходящим в полость управления и жестко соединено с поршневым приводом, таким образом, давление рабочего тела не создает осевого усилия, противодействующего открытию клапана, так как площадь седла равна площади запорного органа уплотненного в стенке корпуса, отделяющую входную полость рабочего тела от полости управления. Но после открытия проходного сечения седла появляется неуравновешенная сила от давления рабочего тела на торец запорного органа, противодействующая закрытию клапана. Клапан закроется от усилия пружины только при спаде давления рабочего тела до определенной величины. Таким образом на этом клапане нет гидроудара, но его нельзя закрыть при необходимости при высоких давлениях рабочего тела.

Целью предлагаемого изобретения является создание клапана для ЖРД с минимальным весом и соответственно габаритами, работающего на высоких давлениях рабочего тела и закрывающегося без гидроудара в необходимое время, т.е. при любых давлениях рабочего тела в клапане.

Поставленная цель достигается тем, что в пневмоуправляемом клапане на торце разгрузочного поршня выполнена полость, в которой установлен подпружиненный обратный клапан для входа в тупиковую полость. Пневмоуправляемый клапан состоит из: корпуса с входным и выходным патрубками, подпружиненного запорного органа, поршневого пневматического привода с патрубками на открытие и закрытие, и соединен кинематически хвостовиком, установленным в направляющем отверстии корпуса, с запорным органом. Запорный орган расположен на седле корпуса, выполненном в виде стакана, образующего выходную полость в котором установлен поршень разгрузки, соединенный штоком с запорным органом, кроме этого на боковой стенке стакана имеется выходное отверстие в выходной патрубок. Дно стакана, его стенки и торец поршня образуют разгрузочную тупиковую полость, а на торце поршня выполнены седло обратного клапана для входа и дроссельное отверстие в поршне параллельное седлу обратного клапана для выхода из тупиковой полости. Для чего седло и дроссельное отверстие соединены с диаметральными сквозными отверстиями в поршне и выходящими на наружную цилиндрическую поверхность поршня, между торцевыми буртиками с уплотняющими кольцами и к которым подходит канал из входной полости. Таким образом, тупиковая полость соединяется с входной полостью для обеспечения разгрузки запорного органа от сил давления рабочего тела. Усилия от давления рабочего тела, действующего на запорный орган и на поршень разгрузки, уравновешивают друг друга как в закрытом, так и в открытом положении (только с учетом площадей штока и хвостовика) и что существенно снижает величину давления управляющего газа для привода.

Сущность изобретения поясняется чертежом фиг.1. На фиг.1 представлен пневмоуправляемый клапан, состоящий из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, запорного органа 4 с хвостовиком 5, пружины 6, привода 7, находящегося в корпусе 8 с патрубками управления на открытие 9 и закрытие 10. Привод 7 соединен хвостовиком 5 с запорным органом 4, который перекрывает проход через седло 11 в выходную полость стакана 12. В полости стакана установлен поршень разгрузки 13 с уплотнительными кольцами 14, который имеет наружный диаметр почти равный внутреннему диаметру седла и делит полость стакана на две части. В полости стакана от седла 11 до поршня разгрузки 13 имеется боковое выходное отверстие в выходной патрубок 3, а также расположен шток 18, соединяющий запорный орган 4 с поршнем разгрузки 13 шарнирным соединением 19. На другом торце разгрузочного поршня выполнена полость с седлом 15 и установленными в ней обратным клапаном 16 и пружиной 17. Эта полость в торце поршня 13 образует совместно с дном и стенками стакана 12 разгрузочную полость. Разгрузочная полость соединена с входной полостью клапана каналом 20, диаметральными отверстиями 21 в поршне разгрузки 13, соединенными с седлом 15, а также дроссельным отверстием 22, выполненным в торце параллельно седлу обратного клапана 15.

Клапан работает следующим образом, при подаче рабочего тела во входной патрубок 2 оно проходит через канал 20, диаметральные отверстия 21 в поршне разгрузки 13, и отжимая клапан обратный 16 через седло 15, проходит в разгрузочную полость, воздействует на торец поршня 13, и создает усилие для уравновешивания встречного усилия рабочего тела во входной полости на запорный орган 4. При этом поджимающее усилие для получения герметичности посадки запорного органа 4 на седло 11 происходит в основном от пружины 6. Поэтому для открытия запорного органа 4 величина необходимого усилия на приводе 7 должна быть такой, чтобы только сжимать пружину 6. В открытом положении клапана поршень 13 частично разгружен и усилие, действующее на него равно разности давлений рабочего тела на его торцах, в связи с этим, клапан можно закрывать при любом давлении рабочего тела, подавая управляющее давление на закрытие в патрубок 10, ненамного больше давления чем в патрубке на открытие 9 и, даже не сбрасывая давление в патрубке 9 (аварийное закрытие). При закрытии клапана рабочее тело (жидкость) вытекает из разгрузочной полости (обратный клапан закрыт) только через дроссельное отверстие 22 и далее через отверстия 21 в поршне 13 и канал 20 во входную полость. Запорный орган 4 садится на седло 11 медленно без гидроудара со скоростью, зависящей от диаметра дроссельного отверстия 22, и после закрытия давление рабочего тела во всех полостях в пневмоуправляемом клапане равно входному давлению.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, может использоваться в ракетном двигателестроении в арматуре систем подачи ЖРД, а также в других областях техники. В клапане пневмоуправляемом в корпусе 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками расположены запорный орган 4 на седле 11 с хвостовиком 5, соединяющий его с приводом 7. На выходе из седла 11 в полость стакана 12 установлен поршень разгрузки 13 и шток 18, соединенный с запорным органом 4. На торце поршня разгрузки 13 выполнена полость, в которой установлен подпружиненный обратный клапан 16 на седле и выполнено дроссельное отверстие 22 для выхода из тупиковой полости разгрузки, образованной дном и стенками стакана 12. На торцах наружной цилиндрической поверхности поршня 13 установлены уплотнительные кольца 14 и выполнены сквозные отверстия 21, соединенные с седлом обратного клапана 16 и дроссельным отверстием 22. Из входной полости корпуса 1 имеется канал, выходящий к сквозным отверстиям 21, седлу 15 в разгрузочную полость. Все это позволило получить клапан для ЖРД с минимальным весом и соответственно габаритами, работающий на высоких давлениях рабочего тела и закрывающийся без гидроудара при любых давлениях рабочего тела. 1 ил.

Клапан пневмоуправляемый, состоящий из корпуса с входным и выходным патрубками, подпружиненного запорного органа с перемещаемым от пневмопривода хвостовиком и разгрузочного поршня, отличающийся тем, что на торце разгрузочного поршня, установленного за седлом в выходной полости корпуса в виде стакана и соединенного штоком с запорным органом, выполнена полость с установленным в ней обратным клапаном, образующая разгрузочную полость с дном и стенками стакана, которая сообщается с входной полостью каналом, диаметральными сквозными отверстиями и седлом обратного клапана в разгрузочном поршне, а выход из разгрузочной полости - только через дроссельное отверстие, выполненное в поршне параллельно седлу.