ВИБРОУСТОЙЧИВЫЙ ДРЕНАЖНО-ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН
VIBRATION-RESISTANT DRAIN SAFETY VALVE

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а именно к дренажно-предохранительным клапанам (ДПК) системы топливоподачи к насосам двигателей, работающим в большом диапазоне частот внешних вибровоздействий и предназначенным для поддержания в заданных пределах давления в газовых полостях топливных емкостей путем сброса избыточного давления газов, а также для дренажа газа из емкостей при заправке и сливе из них жидкостей (например, ракетного топлива). Изобретение может применяться в пневмогидросистемах машин и агрегатов любых областей техники, связанных с хранением, транспортировкой и переработкой жидких и газообразных продуктов в замкнутых объемах, находящихся под давлением.
Известен дренажно-предохранительный клапан (ДПК) для криогенных систем (Романенко Н.Г., Кулешов Ю.Ф. «Криогенная арматура», М.: Машиностроение, 1978, с. 39, рис. 29), состоящий из основного и вспомогательного клапанов, соединенных между собой трубопроводами, включающих в себя запирающие подпружиненные тарели, при этом вспомогательный клапан жестко закреплен на корпусе основного.
Недостатком вышеописанного ДПК является то, что вибрации при внешних вибровоздействиях передаются на вспомогательный клапан, при этом на определенных частотах колебаний давление в газовых полостях топливных емкостей выходит за пределы настроечного, большей частью понижается, что может привести к кавитации насосов и, в конечном итоге, не позволит обеспечить надежную топливоподачу к двигателям.
Задача изобретения состоит в повышении эксплуатационных возможностей ДПК в условиях внешних вибровоздействий и обеспечении надежности работы за счет уменьшения влияния вибрации.
Поставленная задача достигается тем, что в виброустойчивом дренажно-предохранительном клапане, включающем в себя основной и вспомогательный клапаны пружинного типа, герметично соединенные между собой и с предохраняемой емкостью посредством гибких трубопроводов, при этом основной клапан соединен с предохраняемой емкостью герметично и неподвижно, согласно изобретению на корпусе вспомогательного клапана жестко закреплены упругие элементы, например виброизоляторы, через которые, посредством кронштейна, вспомогательный клапан закреплен на каркасе изделия, при этом основной и вспомогательный клапаны в рабочем состоянии находятся в режиме внешних вибровоздействий.
На фиг. 1 изображена схема ДПК, на фиг. 2 - вид А с фиг. 1, вид справа на вспомогательный клапан, на фиг. 3 - график зависимости давления в предохраняемой емкости от частоты внешних вибровоздействий, на фиг. 4 - схема работы вспомогательного клапана в стабильном режиме и при колебательной работе в режиме внешних вибровоздействий.
ДПК состоит из основного I и вспомогательного II клапанов.
Основной клапан I жестко крепится к предохраняемой емкости 1 и состоит из корпуса 2 с входным 3 и выходным 4 каналами и седлом 5, тарели 6 с дренажным отверстием 7, поджатой пружиной 8, сильфона 9, одним концом соединенного с корпусом 2, другим - с тарелью 6, пневмопривода принудительного открытия 10. Предохраняемая емкость 1 и внутренняя полость 11 сильфона 9 основного клапана посредством гибких трубопроводов 12 и 13 соединены с вспомогательным клапаном II.
Вспомогательный клапан II состоит из корпуса 14 с седлом 15, тарели 16, поджатой посредством регулировочного винта 17 пружиной 18, сильфонного узла 19 со штоком 20, взаимодействующим с тарелью 16, при этом на корпусе 14 вспомогательного клапана жестко закреплены упругие элементы, например виброизоляторы, 21, через которые вспомогательный клапан II, посредством кронштейна 22, крепится к каркасу 23 изделия.
Описание работы ДПК.
Настройка ДПК осуществляется при продувке основного клапана I вращением регулировочного винта 17 вспомогательного клапана II, который посредством пружины 18 прижимает тарель 16 к седлу 15 при заданном давлении.
Работа в режиме дренажного клапана осуществляется путем подачи управляющего давления в полость пневмопривода принудительного открытия 10, тарель 6 основного клапана I поднимается, сообщая емкость 1 с атмосферой, по окончании заправки или слива, газ стравливается из пневмопривода 10 и тарель 6 под действием пружины 8 прижимается к седлу 5, клапан закрывается.
Работа в режиме предохранительного клапана осуществляется следующим образом.
При наддуве топливных емкостей газ из газовой полости емкости 1 через дроссельное отверстие 7 в тарели 6 поступает во внутреннюю полость 11 сильфона 9, образуя газовую пружину, которая вместе с пружиной 8 прижимает тарель 6 к седлу 5. Одновременно, газ из емкости 1 по гибкому трубопроводу 12 поступает в полость снаружи сильфонного узла 19 вспомогательного клапана II. При повышении давления в газовой полости емкости 1 выше настроечного сильфон сильфонного узла 19 сжимается, шток 20 отодвигает тарель 16 от седла 15, газ из полости 11 сильфона основного клапана по гибкому трубопроводу 13 и через щель между седлом 15 и тарелью 16 вспомогательного клапана стравливается в атмосферу, давление в полости 11 падает, сильфон 9 сжимается, отрывая тарель 6 от седла 5, в образующуюся щель избыточный газ из емкости 1 стравливается в атмосферу. При достижении в емкости давления настройки тарель 6 под действием пружины 8 возвращается в исходное положение, клапан закрывается.
емк.
При работе ДПК в режиме вибрации на определенных частотах начинает происходить внезапное падение давления в предохраняемой емкости. На фиг.3 представлен график зависимости давления в предохраняемой емкости (P) от частоты внешних вибровоздействий (f) для прототипа, где:
н
P - давление настройки ДПК,
1
P - наибольшее допустимое давление в емкости для обеспечения ее прочности,
2
P - наименьшее допустимое давление в емкости для обеспечения бескавитационной работы насосов двигателя,
3
1
2
P - уровень давления на некоторых интервалах частот (от f до f) внешних вибровоздействий.
Падение давления объясняется тем, что подвижные части вспомогательного клапана II при работе ДПК начинают резонировать, то есть тарель 16, приподнятая над седлом 15, при работе в режиме расхода начинает совершать колебательные движения с какой-то амплитудой вокруг средней высоты подъема (см. фиг.4, где на схемах «а» и «б» показана работа заявленного ДПК, на схеме «в» - прототипа), при этом:
- при стабильной работе вспомогательного клапана (схема «а» на фиг.4), при которой ДПК поддерживает постоянное давление в емкости:
H=const
- при колебательной работе вспомогательного клапана в режиме внешних вибровоздействий (схема «б» на фиг.4), с амплитудой A со слабым резонансом (A<H), при которой ДПК поддерживает постоянное давление в емкости:
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>д</mi><mi>н</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>H</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo>+</mo><mi>A</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo>−</mo><mi>A</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mi>H</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
средн
где: H - средняя высота подъема тарели,
max
H - максимальная высота подъема тарели,
min
H - минимальная высота подъема тарели,
A - амплитуда колебаний тарели,
H - высота подъема тарели над седлом, обеспечивающая требуемый расход газа через ЧЭ,
1 сред
- при колебательной работе вспомогательного клапана в режиме внешних вибровоздействий (схема «в» на фиг.4), с амплитудой A с сильным резонансом, при которой амплитуда колебаний тарели превышает среднюю высоту подъема тарели над седлом, необходимую для пропускания заданного расхода газа (A>H), при этом средняя высота подъема тарели над седлом H становится больше требуемой - H:
- без учета отскока тарели при ударе о седло:
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mn>1</mn><mtext> </mtext><mi>с</mi><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>д</mi><mi>н</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>H</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo>+</mo><mi>A</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo>−</mo><mi>A</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>A</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mi>H</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>A</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где: ΔA - превышение амплитуды колебаний клапана над потребной высотой подъема;
- с учетом отскока тарели при ударе о седло:
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mrow><mn>1</mn><mtext> </mtext><mi>с</mi><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>д</mi><mi>н</mi><mo>.</mo></mrow><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>H</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo>+</mo><mi>A</mi><mo>+</mo><mi>δ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo>−</mo><mi>A</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>A</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mi>H</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>δ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>A</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где: δ - прирост амплитуды колебаний клапана за счет отскока при ударе о седло.
Таким образом:
- из (1) видно, что при колебательной работе вспомогательного клапана в режиме внешних вибровоздействий с малыми амплитудами средняя высота подъема тарели равна потребной высоте подъема для обеспечения заданного расхода и изменений в величине настройки ДПК не происходит;
- из (2) и (3) следует, что при колебательной работе вспомогательного клапана в режиме внешних вибровоздействий с амплитудами, превышающими потребную высоту подъема, происходит увеличение значений средней высоты подъема тарели, которое еще более ощутимо при упругом соударении тарели с седлом (в нашем случае и тарель и седло металлические - наибольший отскок), то есть щель между седлом 15 и тарелью 16 вспомогательного клапана в рассматриваемом случае растет, а следовательно, из полости 11 основного клапана уходит больше газа, давление в ней уменьшается, то есть уменьшается сила газовой пружины, прижимающей тарель 6 основного клапана к седлу 5, при этом тарель 6 дальше отходит от седла 5, и через основной клапан увеличивается расход газа из предохраняемой емкости, что приводит к уменьшению в ней давления ниже допустимых пределов (требуемой настройки).
Аналогичные процессы возможны и на основном клапане, но учитывая, что при своей работе он обеспечивает большие расходы, при которых тарель 6 значительно удаляется от седла 5 и колебания тарели описываются уравнением (1), то при этом занижения давления в предохраняемой емкости по причине колебаний тарели основного клапана не происходит. Отсюда следует, что указанный недостаток можно преодолеть, устранив колебания тарели вспомогательного клапана, что предлагается обеспечить виброизоляцией вспомогательного клапана от внешних вибровоздействий, при этом основной клапан остается неподвижно закрепленным на емкости.
Таким образом, автономное крепление вспомогательного клапана через виброизоляторы к каркасу изделия позволяет устранить занижение давления настройки ДПК при вибрации и поддерживать его в газовых полостях топливных емкостей в заданных пределах при работе в заданном диапазоне частот внешних вибровоздействий и обеспечить бескавитационную работу насосов и надежную топливоподачу к двигателям.