Пуско-отсечной пневмоклапан

Область техники
Полезная модель относится к арматуростроению и может быть использована в трубопроводных системах для управления потоками компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе (ЖРД).
Предшествующий уровень техники
Запуск и останов ЖРД - ответственные режимы его работы. В эти периоды включаются и выключаются многочисленные клапаны, происходит поступление компонентов в камеру сгорания и жидкостной газогенератор (ЖГГ) и их горение.
При останове прекращается поступление компонентов в камеру и ЖГГ. Перед запуском происходит продувка трубопроводов за главными клапанами на линиях окислителя и горючего, полостей камеры и ЖГГ инертным газом - азотом или гелием.
Это делается для того, чтобы исключить возможность смешения паров компонентов топлива газогенератора, что может привести к взрыву.
На этапе останова осуществляется также продувка инертным газом полостей за отсечными клапанами.
В результате происходит догорание компонентов в камере сгорания, поступающих сюда под давлением продувки из полостей камеры и трубопроводов, после чего происходит исчезновение тяги (см. кн. Г.Г. Гахун, «Конструирование и проектирование ЖРД», под общей ред., проф. Г.Г. Гахуна, М., Маш., 1989 г., с. 65-67)
Однако из этой информации неясно, как подключается продувочная магистраль к выходу отсечного клапана - под прямым или острым углом к оси выходного патрубка клапана.
В патентно-технической литературе не найдены пуско-отсечные клапаны, в которых есть продувочная полость.
Например, известен пневмоклапан для дистанционного перекрытия магистрали, включающий в себя корпус с входным и выходным патрубками и пневмоцилиндр с установленным в нем управляющим поршнем, причем между крышкой пневмоцилиндра и поршнем размещен стакан, на наружной поверхности которого выполнен винтовой канал, связанный с патрубком, через который осуществляется подача сжатого газа в надпоршневую полость пневмоцилиндра.
Применение этого пневмоклапана позволяет уменьшить осевые и диаметральные габариты клапана. Аналог предлагаемого изобретения авт. свид. СССР №561829, МПК F16K 31/383, 1977 г.
Недостатком аналога является отсутствие в нем устройства, позволяющего осуществлять продувку жидкостной полости клапана при его закрытии.
Известен нормально закрытый клапан с пневмоприводом (см. кн. Г.Г. Гахун, «Конструирование и проектирование ЖРД», под общей ред., проф. Г.Г. Гахуна, М., Маш., 1989 г., с. 328-329, рис. 12.8), состоящий из корпуса с входным и двумя выходными патрубками, затвора, поджатого пружиной к седлу. Затвор выполнен в виде стакана, внутри которого расположена пружина. Управляющий газ через штуцер и обратный клапан поступает внутрь стакана. Под давлением сжатого газа и действия пружины затвор плотно прижимается к седлу, чем объясняется высокая степень герметизации. Для открытия клапана стравливается давление сжатого газа из управляющей полости.
Недостатком этого клапана является отсутствие в нем устройства, позволяющего осуществлять продувку жидкостной полости клапана при его закрытии.
Известен также пневмоуправляемый клапан одностороннего действия, предназначен для управления подачей горючего в газогенератор ЖРД. Клапан содержит корпус, в котором выполнены входной и выходной патрубки, установленные под углом 90 градусов друг к другу, полый цилиндрический затвор, поджатый пружиной к седлу выходного патрубка, причем затвор выполнен за одно целое с поршнем (диаметр поршня больше диаметра затвора), установленным в управляющей полости клапана, ограниченной крышкой. Крышка имеет штуцер, через который подается управляющий сжатый газ в подпоршневую полость поршня. Управляющая и жидкостная полости отделены от атмосферы резиновыми манжетами (см. В.П. Глушко, «Альбом конструкций ЖРД», стр. 166, фиг. 419, 1989 г.).
Данное техническое решение принимаем в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются:
- отсутствие продувочной полости, обеспечивающей равномерное распределение продувочного газа по всему сечению форсуночной головки газогенератора в период запуска и останова двигателя;
- седло клапана не разгружено от монтажных напряжений, так как оно выполнено за одно целое с корпусом;
- клапан обладает повышенными диаметральными и осевыми габаритами и значительной массой, так как его конструкция - неразгруженного типа;
- быстродействие клапана занижено из-за повышенного значения объема управляющей полости поршня.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является создание пуско-отсечного клапана, лишенного указанных выше недостатков.
Эта задача решена за счет того, что в пуско-отсечном пневмоклапане, включающем в себя корпус с угловым расположением входного и выходного патрубков, затвор, поджатый пружиной к седлу, поршневой привод, выполненный в виде цилиндра, поршня и штока, соединяющего затвор с поршнем, кроме того, седло выполнено в виде отдельной детали и закреплено в выходном патрубке гайкой, при этом между внешней поверхностью седла и внутренней поверхностью указанного патрубка образована проточная полость, которая с одной стороны соединена со штуцером, соединенным с системой подачи инертного газа для продувки клапана и газогенератора инертным газом, а с другой стороны соединена с радиальными каналами, выполненными в теле седла, выходящими в полость за затвором, а с наружной стороны пружины установлен обтекатель, при этом на корпусе клапана закреплен штуцер для подвода управляющего давления при запуске двигателя и штуцер подвода управляющего давления при останове двигателя.
Другими отличиями являются:
- корпус и поршень выполнены из титанового сплава, а остальные детали - из стали;
- герметизация полостей клапана обеспечивается установкой резиновых колец;
- конструкция клапана представляет собой агрегат уравновешенного типа;
- уплотнение между седлом и затвором выполнено по типу «конус по конусу»;
- в качестве инертного газа используется гелий;
Технический результат состоит в том, что предлагаемый пуско-отсечной пневмоклапан имеет повышенное быстродействие, меньшую массу, высокую герметичность и надежность.
На фиг. представлен продольный разрез пуско-отсечного пневмоклапана.
Пуско-отсечной пневмоклапан содержит корпус 1, с входным 2 и выходным 3 патрубками, размещенных под углом 90° друг относительно друга, затвор 4, поршневой пневмопривод 5, выполненный в виде цилиндра 6, поршня 7 и штока 8, соединяющего затвор 4 с поршнем 7. Затвор 4 в исходном положении под действием пружины 8 поджат к седлу 9. Для исключения воздействия потока компонента топлива пружина 8 установлена в обтекатель 10. Седло 11 выполнено в виде отдельной детали и закреплено в выходном патрубке 3 гайкой 12. Такое крепление седла позволяет разгрузить клапанную пару от монтажных напряжений. Седло включает в себя цилиндрическую 13, сужающуюся 14 и расширяющуюся 15 части. Между внутренней поверхностью 16 патрубка 3 и внешней поверхностью 17 седла 11 образована проточная полость 18 - полость продувки. Эта полость с одной стороны соединена со штуцером 19, предназначенной для соединения с системой продувочного газа, а с другой стороны - с радиальными каналами 20, выполненные в теле седла 11, выходящими в полость за затвором 4.
Выполнение продувочной полости 18 внутри клапана обеспечивает равномерное расширение продувочного газа по всему сечению форсуночной головки газогенератора.
Это ускоряет процесс догорания компонентов при останове двигателя и уменьшает импульс последействия.
На корпусе имеются: штуцер 21, предназначенный для подвода управляющего давления в надпоршневую полость 22 поршня 7 при останове двигателя, и штуцер 23, предназначенный для подвода управляющего давления в подпоршневую полость 24 поршня 7.
Герметизация внутренних полостей клапана обеспечивается установкой уплотнительных резиновых колец 25, 26, 27 и 28.
Корпус 1 и поршень 7 изготовлены из титанового сплава, остальные детали - из стали. Это позволяет уменьшить массу клапана.
Заявленный клапан, кроме того, представляет собой агрегат уравновешенного типа, оказалось возможным применять относительно слабую пружину 8 и малый диаметр поршня 7 и меньшие объемы управляющих полостей 22 и 24. Это также позволяет снизить массу клапана и повысить его быстродействие.
Работа устройства
В исходном положении усилием пружины 8 затвор 4 прижат к седлу 9. Через штуцер 19 при запуске двигателя обеспечивается интенсивная продувка полостей клапана и газогенератора.
При подаче управляющего давления в штуцер 21 затвор, преодолевая усилия пружины 4, перемещается и открывает входное сечение клапана. После запуска двигателя при сбросе управляющего давления затвор 4 удерживается в открытом положении давлением компонента. При останове двигателя с уменьшением давления горючего в полости клапана усилием пружины 8 затвор 4 возвращается в исходное положение, прекращая поступление компонента в газогенератор. При этом для гарантированного закрытия клапана в штуцер 22 подается управляющее давление.
При включении послепусковой продувки гелий поступает через штуцер 19 в полость клапана и далее в полость газогенератора.
Промышленное применение
Предлагаемый клапан найдет применение в ракетной технике при конструировании жидкостных ракетных двигателей, например, в системе подачи компонентов топлива в газогенератор и камеру сгорания.