КЛАПАН ОДНОКРАТНОГО ДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК F16K17/38 F16K17/40 

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано при создании клапанов однократного действия в системах подачи газообразного рабочего тела высокого давления в двигательных установках (ДУ) космических аппаратов (КА), а также может быть применено в различных областях промышленности для работы с газами высокого давления.

В системах хранения и подачи рабочего тела в двигательных установках КА в качестве элемента, который до начала функционирования ДУ герметично разделяет полость системы хранения рабочего тела и магистраль системы подачи рабочего тела, а после включения ДУ и на протяжении всего срока их эксплуатации свободно пропускает через себя рабочее тело, используется клапан однократного действия. К клапанам однократного действия предъявляются высокие требования по герметичности, до так называемой абсолютной герметичности, и надежности срабатывания, а также ограничения по габаритно-массовым характеристикам и потреблению электроэнергии.

В качестве клапанов однократного действия в системах хранения и подачи рабочего тела в двигательных установках часто применяют пироклапаны. Принцип действия пироклапанов основан на принудительном разрушении с помощью пиропатрона разрывного запорного элемента и последующей разгерметизации внутренней полости клапана и, соответственно, открытие свободного прохода рабочего тела через клапан (патенты на изобретения RU 2092204 С1 от 20.05.1991 г., МПК А62С 37/40, RU 2159889 С1 от 04.04.2000 г., МПК F16K 17/40, № RU 2533592 С1 от 22.07.2013 г., МПК F02K 9/50).

Однако, известные пироклапаны имеют большие габариты и массу, нетехнологичность изготовления разрывного запорного органа. При наземных проверках и испытаниях двигательных установок работа с пироклапанами требует соблюдения мер по обеспечению техники безопасности, несоблюдение которых может привести к преждевременному подрыву пиропатронов в присутствии персонала. Также при эксплуатации на космических аппаратах при срабатывании пироклапанов возникают ударно-импульсные воздействия, которые могут привести к разрушению запорных элементов с последующей разгерметизацией внутренних полостей пироклапанов, что может привести к потере рабочего тела в ДУ КА. При ударно-импульсном воздействии также вероятно возникновение вибрации, которая может привести к частичному разрушению как самих элементов ДУ, так и полезной нагрузки КА.

Известен термозапорный клапан для автоматического перекрытия проходного сечения трубопроводов в результате повышения температуры (патент на изобретение № RU 2359162 C1 от 16.06.2008 г., МПК F16K 17/38), который содержит прямоточный корпус с выполненным в нем седлом. Соосно седлу установлен нагруженный пружиной запорный орган, снабженный штоком, который пропущен сквозь центральное отверстие закрепленной в корпусе перегородки с проходным каналом и снабжен стопором отрытого положения клапана. В перегородке концентрично центральному отверстию выполнена кольцевая расточка, а на штоке выполнена кольцевая проточка. Стопор размещен между боковыми стенками расточки и поверхностью проточки и выполнен в виде одного или нескольких витков проволоки из материала с эффектом памяти формы (ЭПФ). Согласно эффекту памяти формы, внутренний диаметр витков проволоки больше диаметра штока, а наружный диаметр - меньше диаметра расточки в перегородке.

Недостатками этого термозапорного клапана являются: в исходном положении -открытое состояние, применение только в наземных условиях, сложность конструкции, для срабатывания требуется повышение температуры рабочего тела или окружающей среды до критической температуры, неудовлетворительные габаритно-массовые характеристики для применения в космических условиях в составе двигательной установки КА, низкая герметичность запорного элемента после срабатывания.

Известен аварийный термоклапан одноразового действия, находящийся в исходном состоянии в закрытом положении (патент на изобретение № RU 2469233 С1 от 09.11.2011 г., МПК F16K 17/40). Клапан содержит цилиндрообразный корпус, в котором аксиально расположены первый и второй подпружиненные штоки, соединенные между собой фиксатором. На конце второго штока закреплена заслонка, герметично перекрывающая входное отверстие, а на стенке выходного отверстия цилиндрообразного корпуса расположена перфорированная гильза с плавким предохранителем. При повышении температуры приблизительно до 600°С в районе выходного отверстия плавкий предохранитель расплавляется и вытекает из отверстий перфорированной гильзы, при этом приходит в движение первый шток, а затем второй шток тянет за собой заслонку, отрывая ее от посадочного места входного отверстия и освобождая проход для текучей среды.

Аварийный термоклапан одноразового действия не может быть применен в качестве клапана однократного действия в системе хранения и подачи рабочего тела ДУ КА, так как имеет достаточно сложную конструкцию и, как следствие, с одной стороны, повышенные габаритно-массовые характеристики, а с другой стороны, соответствующее снижение надежности срабатывания клапана. Высокая температура расплавления плавкой вставки требует повышенного расхода электроэнергии, а после расплавления есть вероятность попадания частиц плавкой вставки в магистраль подачи рабочего тела.

В заявке на патент рассматривается клапан космического корабля с приводом из сплава с памятью формы (заявка на патент на изобретение № US 20050173661 А1 от 23.12.2003 г., МПК F16K 31/00), предназначенный для использования в системах наддува двигательных установках космических кораблей, где он позволяет открывать или закрывать трубопровод с помощью специального электрического управления. Изобретение относится к клапану с исполнительным механизмом, выполненным из сплава с ЭПФ и снабженному средствами для управления температурой срабатывания, отличающемуся тем, что указанные средства содержат механизм обратного смещения, который, по одному из вариантов представляет собой ломаемый штифт. Клапан, согласно изобретению, относится к нормально открытому или нормально закрытому типу. Активация исполнительного механизма достигается путем нагревания, например, прямым пропусканием электрического тока через исполнительный механизм, который находится в форме проводов. Этот ток должен быть достаточным для доведения проводов до температуры выше или равной температуре активации материала с ЭПФ (более 100°С), определенной путем выбора размера исполнительного механизма и изменения его длины. В рассмотренном примере исполнительный механизм выбран так, чтобы он сжимался во время температурного перехода материала с ЭПФ.

Недостатком изобретения является необеспечение клапаном абсолютной герметичности, сложность конструкции, высокое потребление мощности при нагревании исполнительного механизма пропусканием через него прямого тока, а также действие входного давления на открытие клапанной пары, что увеличивает риски негерметичности клапана при высоких давлениях и длительном хранении.

Наиболее близким по своим конструктивным особенностям к заявляемому клапану однократного действия высокого давления является клапан (патент на полезную модель № RU 11290 U1 от 20.10.1998 г., МПК F16K 15/02, F16K 17/38), принятый за прототип, содержащий корпус с размещенным внутри него запорным элементом, выполненным из материала с эффектом памяти формы в виде тонкостенной трубки с конической головкой, который предварительно подвергается пластической деформации - растягиванию. В корпусе запорный элемент закреплен посредством резьбы, а для прохода среды в основании конической головки под углом выполнены отверстия. В исходном состоянии клапан находится в открытом положении, при этом коническая головка запорного элемента размещена с зазором относительно корпуса. В случае же повышения температуры среды трубка разогревается и восстанавливает свою форму, предшествующую пластической деформации, то есть, сжимается. При этом коническая головка постепенно перекрывает входное отверстие, препятствуя дальнейшему перетеканию рабочей среды.

Однако, известный клапан не может быть применен в системе хранения и подачи рабочего тела, где требуется исходное закрытое состояние для герметичного разделения полости системы хранения рабочего тела высокого давления и магистрали системы подачи до начала функционирования двигательной установки. Выполнение запорного элемента в виде тонкостенной трубки с отверстиями, расположенными в основании конической головки, снижает прочность запорного элемента из-за вероятности его деформации в процессе закручивания и затягивания, и, как следствие, снижает надежность клапана.

При создании изобретения решались задачи обеспечения надежности клапана с минимальными габаритно-массовыми характеристиками и минимальной мощностью нагревателя, с герметично разделенными в режиме ожидания полостями хранения рабочего тела высокого давления до 39,2 МПа и магистралями системы подачи, в условиях воздействия вибраций и с последующим однократным срабатыванием.

Поставленные задачи решены за счет того, что в клапане однократного действия высокого давления, содержатся корпус с электрическим нагревателем на его наружной поверхности и торцевые входной и выходной штуцеры с размещенным внутри корпуса толкателем, выполненным из материала с эффектом памяти формы. Согласно изобретению, часть входного штуцера внутри корпуса выполнена в виде хвостовика с глухим отверстием, над которым на наружной поверхности выполнена кольцевая проточка треугольной формы для утонения толщины стенки. При этом толкатель, в форме втулки с двумя выполненными перпендикулярно оси втулки сквозными отверстиями, пересекающими внутреннее отверстие толкателя, для прохода рабочего тела после срабатывания клапана, расположен коаксиально хвостовику входного штуцера, между упорным фланцем входного штуцера и гайкой, навинченной на резьбу хвостовика и предварительно деформированный на сжатие на величину 3-5% от первоначальной длины в направлении продольной оси. В исходном положении толкатель предварительно поджат гайкой к фланцу входного штуцера через набор шайб с моментом затяжки, обеспечивающим обжатие толкателя без промежуточных зазоров, над которым на наружной поверхности выполнена кольцевая проточка треугольной формы для утонения толщины стенки хвостовика входного штуцера. Гайка выполнена с четырьмя стойками на выходной торцевой поверхности для прохода рабочего тела после срабатывания клапана, а положение гайки относительно торца хвостовика подогнано с помощью набора шайб для совмещения торцевых поверхностей хвостовика и гайки для их стопорения сваркой. На входе выходного штуцера установлена сетка, а зазор между сеткой выходного штуцера и стойками гайки составляет не менее величины предварительного обжатия толкателя на сжатие в направлении продольной оси.

Конструкция клапана с предварительно сжатым и поджатым в клапане толкателем без промежуточных зазоров при срабатывании (восстановлении формы толкателя) обеспечивает осевое усилие не менее 40% от усилия, создаваемого толкателем, и достаточным для принудительного разрыва хвостовика в месте проточки, при одновременном обеспечении прочности в сечении проточки на всех этапах применения клапана до срабатывания, в том числе от давления рабочего тела в отверстии входного штуцера, от дополнительных деформаций хвостовика при навинчивании и стопорении гайки с необходимым для исключения зазоров в соединении моментом затяжки.

Выполнение части входного штуцера в виде хвостовика с глухим отверстием обеспечивает по металлу гарантированно герметичное разделение полости системы хранения рабочего тела и магистрали системы подачи до начала функционирования двигательной установки. Такое решение конструкции клапана позволяет в принципе подавать газ на вход как со стороны входного штуцера, так и со стороны выходного штуцера с дополнительной установкой фильтрующей сетки на входном штуцере.

Предварительное сжатие толкателя на величину 3-5% от первоначальной длины в направлении продольной оси позволяет гарантированно создать достаточное усилие для принудительного разрыва металла в месте проточки на наружной поверхности хвостовика входного штуцера при тепловом воздействии и восстановлении толкателем исходной формы по длине, обеспечивая через зазор, образованный при принудительном разрыве хвостовика, свободный проход рабочего тела.

Стопорение резьбы соединения «гайка-хвостовик» сваркой с предварительным подбором количества шайб между толкателем и гайкой для совмещения их торцевых поверхностей, позволяет предотвратить самоотвинчивание гайки вследствие воздействия механических нагрузок, возникающих при выводе космического аппарата на орбиту.

Установка на входе выходного штуцера сетки позволяет предотвратить попадание частиц металла, образующихся при трении в резьбовом соединении и, возможно, оставшихся в полости клапана в момент навинчивании гайки на стакан, обеспечивая тем самым чистоту проходящего рабочего тела в выходном штуцере.

Введение достаточного зазора между стойками гайки и сеткой выходного штуцера обеспечивает нахождение толкателя с восстановленной длиной после срабатывания без воздействия на сетку выходного штуцера.

Для обеспечения соосного положения толкателя относительно хвостовика входного штуцера с гарантированным зазором на его фланце выполнен центрирующий уступ с диаметром, обеспечивающим скользящую посадку толкателя по его внутреннему диаметру.

Соосное расположение основных силовых элементов клапана однократного действия в корпусе позволяет выполнить конструкцию с минимально возможным диаметром, что дает возможность при минимальных габаритно-массовых характеристиках клапана существенно повысить допускаемое давление рабочего тела на входе. Также это достигается за счет выполнения таких основных силовых элементов клапана, как корпус, входной и выходной штуцеры, а также гайки из нержавеющих сталей повышенной прочности.

Для снижения потребляемой мощности нагревателя по образующей корпуса с нагревателем и по торцам корпуса установлена экранно-вакуумная теплоизоляция.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на Фиг. 1 показан продольный разрез клапана однократного действия высокого давления в исходном закрытом состоянии; на Фиг. 2 - вид сбоку клапана однократного действия высокого давления в исходном, закрытом состоянии; на Фиг. 3 - вид взаимного положения хвостовика с центрирующим уступом и кольцевой протокой, и толкателя; на Фиг. 4 - вид взаимного положения гайки со стойками и сетки перед выходным штуцером.

Клапан однократного действия высокого давления (Фиг. 1) содержит цилиндрической формы корпус 1, на наружной поверхности которого расположен нагреватель 2, с одной стороны корпуса герметично приварен входной штуцер 3, а с другой стороны герметично приварен выходной штуцер 4. Внутри корпуса, на входном штуцере коаксиально расположен толкатель 5, выполненный из материала с эффектом памяти формы, между фланцем 6 входного штуцера 3 и гайкой 7, навинченной на хвостовик 8, являющегося частью входного штуцера 3, через набор шайб 9 для совмещения торцевых поверхностей хвостовика и гайки для их стопорения сваркой. Для обеспечения коаксиального положения толкателя 5 относительно хвостовика 8 на фланце 6 входного штуцера выполнен центрирующий уступ 10 с наружным диаметром, обеспечивающим скользящую посадку толкателя по его внутреннему диаметру. Для прохода рабочего тела после срабатывания в толкателе 5 выполнены два сквозных отверстия 11 перпендикулярно его оси, а на торце гайки 7 выполнены четыре стойки 12, обеспечивающие проход рабочего тела после срабатывания клапана. Предварительно, перед установкой на входной штуцер 3 толкатель 5 сжат в направлении продольной оси на величину 3-5% от первоначальной длины, а затем установлен между фланцем 6 входного штуцера 3 и гайкой 7 с моментом затяжки, обеспечивающим соединение без зазоров. Для предотвращения самоотвинчивания гайки 7 вследствие воздействия вибраций резьбовое соединение 13 застопорено с помощью сварки 14 (Фиг. 2). Во входной части штуцера 3 по его оси выполнено глухое отверстие 15, над которым по наружной поверхности выполнена кольцевая проточка 16 треугольной формы для утонения площади сечения хвостовика 8 (Фиг. 3). Перед выходным штуцером 4 установлена сетка 17, предотвращающая попадание возможных частиц металла, образующихся при трении в резьбовом соединении во время навинчивания гайки 7 на хвостовик 8 и, возможно, оставшихся в полости клапана после окончательной его сборки, а также возможных частиц металла при разрыве хвостовика в момент срабатывания. Между стойками 12 гайки и сеткой 17 выходного штуцера предусмотрен достаточный зазор 18 (Фиг. 4), для расположения восстановленной длины толкателя после срабатывания без воздействия на сетку выходного штуцера 4. Для снижения потребляемой мощности нагревателя по образующей корпуса с нагревателем и по торцам корпуса установлена экранно-вакуумная теплоизоляция 19.

Клапан однократного действия высокого давления работает следующим образом. До начала работы двигательной установки КА клапан однократного действия находится в режиме хранения, рассчитанным на требуемое время. В исходном состоянии толкатель 5 зажат без зазоров между фланцем 6 входного штуцера 3 и шайбами 9 с гайкой 7. Для обеспечения запуска двигательной установки на нагреватель 2 клапана подается напряжение питания, при этом температура толкателя начинает увеличиваться и при достижении температуры обратного мартенситного превращения предварительно деформированный толкатель начинает удлиняться в направлении продольной оси на 3-5%, создавая усилие на фланец 6 входного штуцера и гайку 7, принудительно разрывая хвостовик 8 в месте выполненной проточки 16 на наружной поверхности. При этом рабочее тело свободно проходит через образовавшийся зазор в хвостовике 8, через два отверстия 11 в толкателе 5, через зазор между корпусом и толкателем, через щели, образованными стойками 12 в гайке и торцом выходного штуцера 4, и далее поступает в отверстие выходного штуцера клапана. После отключения нагревателя и остывания толкатель остается в удлиненном состоянии, обеспечивая постоянный проход рабочего тела из системы хранения в магистраль подачи в течение всего срока эксплуатации двигательной установки.

Испытания опытных образцов предлагаемого клапана однократного действия высокого давления показали абсолютную герметичность при проверочном давлении на прочность до 58,9 МПа и гарантированное срабатывание при рабочем давлении газа на входе до 39,2 МПа.

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано при создании клапанов однократного действия в системах подачи газообразного рабочего тела в двигательных установках космических аппаратов, в различных областях промышленности для работы с газом высокого давления. Клапан однократного действия высокого давления содержит корпус с электрическим нагревателем на его наружной поверхности и входной и выходной штуцеры на его торцах и размещенный внутри корпуса предварительно деформированный толкатель из материала с эффектом памяти формы. Часть входного штуцера внутри корпуса выполнена в виде хвостовика с глухим отверстием, на наружной поверхности хвостовика выполнена кольцевая проточка треугольной формы, а коаксиально хвостовику входного штуцера, между упорным фланцем входного штуцера с центрирующим уступом и гайкой, навинченной на резьбу хвостовика, расположен толкатель в виде втулки с двумя сквозными отверстиями, выполненными перпендикулярно оси втулки и пересекающими отверстие толкателя, в исходном положении толкатель предварительно поджат гайкой с моментом затяжки, обеспечивающим обжатие толкателя без промежуточных зазоров. Изобретение направлено на обеспечение абсолютной герметичности при разделении полости системы хранения газа высокого давления и магистрали системы его подачи в режимах хранения и в условиях воздействия вибраций, а также на надежное открытие клапана при срабатывании. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Клапан однократного действия высокого давления, содержащий корпус с электрическим нагревателем на его наружной поверхности и входной и выходной штуцеры на его торцах, а также размещенный внутри корпуса предварительно деформированный толкатель из материала с эффектом памяти формы, отличающийся тем, что часть входного штуцера внутри корпуса выполнена в виде хвостовика с глухим отверстием, на наружной поверхности хвостовика выполнена кольцевая проточка треугольной формы, а коаксиально хвостовику входного штуцера, между упорным фланцем входного штуцера с центрирующим уступом и гайкой, навинченной на резьбу хвостовика, расположен толкатель в виде втулки с двумя сквозными отверстиями, выполненными перпендикулярно оси втулки и пересекающими внутреннее отверстие толкателя, в исходном положении толкатель предварительно поджат гайкой с моментом затяжки, обеспечивающим обжатие толкателя без промежуточных зазоров.

2. Клапан однократного действия высокого давления по п. 1, отличающийся тем, что осевое усилие разрыва в сечении проточки на хвостовике входного штуцера составляет не более 40% от усилия, создаваемого толкателем при срабатывании.

3. Клапан однократного действия высокого давления по п. 1, отличающийся тем, что гайка выполнена с четырьмя стойками на выходной торцевой поверхности, резьбовое соединение гайки с хвостовиком входного штуцера застопорена посредством сварки, а зазор между сеткой на входе выходного штуцера и стойками гайки составляет не менее 5% от первоначальной длины толкателя.

4. Клапан однократного действия высокого давления по п. 1, отличающийся тем, что по образующей корпуса с нагревателем и по торцам корпуса установлена экранно-вакуумная теплоизоляция.