КЛАПАН С ПНЕВМОПРИВОДОМ

Область техники
Полезная модель относится к арматуростроению и, в частности, к пневмоклапанам, которые могут быть использованы в трубопроводных системах для управления потоком криогенной среды.
Предшествующий уровень техники
Известен пневмоуправляемый клапан одностороннего действия, предназначен для управления подачей компонента топлива в газогенератор жидкостного ракетного двигателя (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), установленный в управляющей полости клапана ограниченной крышкой. Крышка имеет штуцер, через который подается управляющий сжатый газ в подпоршневую полость поршня. Управляющая полость отделена от атмосферы резиновой манжетой, а жидкостная полость отделена от атмосферы резиновой манжетой (см. В.П. Глушко, «Альбом конструкций ЖРД», стр.166, фиг.419, 1989 г.).
Данное техническое решение принимаем в качестве аналога.
Недостатком аналога является то, что в нем нет средств, обеспечивающих захолаживание кислородных магистралей двигателя.
Известен также клапан с пневмоприводом, содержащий корпус с выходным и выходным патрубками, пневмопривод и седло, которое установлено в выходном патрубке. Пневмопривод содержит поршень, который связан со штоком, другой конец которого соединен с запорным органом. Между стенкой пневмоцилиндра и поршнем установлен стакан, на наружной поверхности которого выполнен винтовой канал, связанный со штуцером, через который осуществляется подвод управляющего давления в надпоршневую полость пневмоцилиндра. Запорный орган поджат к седлу клапана пружиной. Все элементы клапана снаружи герметично закрыты сильфоном. Полость, ограниченная сильфоном, соединена с атмосферой через жиклер, выполненный в крышке корпуса клапана. Кроме того, между штоком и цилиндром пневмопривода установлна уплотнительная прокладка (см. авт. свид. СССР, №561829, МПК F16K 31/383, 1977). Прототип полезной модели.
Недостатком прототипа является то, что в нем нет средств, обеспечивающих захолаживание кислородных магистралей двигателя, а также то, что запорный орган клапана удерживается в открытом положении управляющей средой высокого давления, что снижает надежную работу клапана и двигателя в целом.
Раскрытие полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является создание клапана с пневмоприводом, имеющего систему захолаживания двигателя, обеспечивающего высокую надежность работы двигателя.
Эта задача решена за счет того, что в клапане с пневмоприводом, содержащем корпус, входной и выходной патрубки, пневмопривод, запорный орган и седло, установленное в выходном патрубке, при этом корпус связан с пневмоцилиндром, в котором размещен управляющий поршень, связанный штоком с запорным органом, который поджат пружиной к седлу, внутри корпуса коаксиально штоку размещена направляющая корпуса (втулка), верхний участок которой выполнен за одно целое с корпусом, а нижний - телескопически соединен со стаканом, расположенным с тыльной стороны запорного органа и между направляющей и штоком образована проточная полость, которая через радиальное отверстие (щель), выполненное в стенке втулки, соединена с полостью клапана, а через штуцер, вваренный в корпус, соединена с дренажем, кроме того, на внешней поверхности втулки выполнен упор с коническим седлом, а торец стакана имеет конический затвор.
Другими отличиями полезной модели являются:
- во внутренней полости клапана размещен обтекатель, который совместно с внутренней поверхностью корпуса образует кольцевую полость, при этом обтекатель состоит из двух частей, одна из которых закреплена на наружной поверхности корпуса, а другая расположена на тыльной стороне запорного органа;
- подпоршневая полость пневмоцилиндра и внутренняя полость, ограниченная направляющей втулкой, разделены уплотнительной манжетой;
- надпоршневая полость пневмоцилиндра соединена с окружающей средой через дренажный клапан, а подпоршневая полость пневмопривода соединена с газовой управляющей средой высокого давления;
- шток поршня выполнен полым и его концевые участки соединены резьбовой парой «винт-гайка» с запорным органом и с поршнем;
- пружина, поджимающая запорный орган к седлу клапана, расположена внутри обтекателя между торцом кольцевого бурта, выполненного на втулке, и торцом затвора, находящимся на его тыльной стороне;
- уплотнение между внешней поверхностью запорного органа и внутренней поверхностью седла клапана выполнено «конус по конусу».
Технический результат состоит в повышении надежности работы клапана за счет разгрузки манжеты, установленной между штоком и корпусом клапана, и удержания запорного органа в открытом положении давлением криогенной среды.
Перечень фигур
На фиг. представлено продольное сечение клапана с пневмоприводом.
Описание клапана
Клапан с пневмоприводом содержит корпус 1, входной 2 и выходной 3 патрубки, пневмопривод 4, запорный орган 5 и седло 6, установленное в выходном патрубке 3. Корпус клапана связан с пневмоцилиндром 7, в котором размещен управляющий поршень 8, связанный штоком 9 с запорным органом 5, который поджат пружиной 10 к седлу 6. Внутри корпуса коаксиально штоку 9 размещена направляющая корпуса 11 (втулка), верхний участок которой выполнен за одно целое с корпусом, а нижний 12 телескопически соединен со стаканом 13, расположенным с тыльной стороны запорного органа 5. Между направляющей корпуса 11 и штоком 9 образована проточная полость 14, которая через радиальные отверстия 15 (щели), выполненное в стенке направляющей корпуса, соединена с полостью 16 клапана, а через штуцер 17, вваренный в корпус (сварной шов A), соединена с магистралью циркуляции компонента. На внешней поверхности направляющей корпуса выполнен упор 18 с коническим седлом 19, а торец стакана 13 снабжен коническим затвором 20.
Во внутренней полости клапана размещен обтекатель 21, который совместно с внутренней поверхностью корпуса образует кольцевую полость 22. Обтекатель 21 состоит из двух частей, одна из которых закреплена сваркой (сварной шов B) на наружной поверхности направляющей корпуса, а другая расположена на тыльной стороне запорного органа 5.
Подпоршневая полость 23 пневмоцилиндра 7 и внутренняя полость, ограниченная направляющей корпуса, разделены уплотнительной манжетой 24.
Кроме того, надпоршневая полость 25 пневмоцилиндра 7 соединена с окружающей средой через дренажный клапан 26, а подпоршневая полость 23 пневмоцилиндра соединена с управляющей средой высокого давления через штуцер (не показан).
Шток 9 поршня 8 выполнен полым (полость 27) и его концевые участки соединены резьбовой парой «винт-гайка» с запорным органом 5 и с поршнем 8. Это сделано для того чтобы уменьшить массу клапана.
Пружина 10, поджимающая запорный орган 5 к седлу 6 клапана, расположена внутри обтекателя 21 между торцом кольцевого бурта 18, выполненного на направляющей корпуса, и торцом затвора 20, находящимся на его тыльной стороне.
Запорный орган имеет грибообразную форму с конической уплотнительной поверхностью, которая взаимодействуя с конической поверхностью седла, обеспечивает надежное уплотнение клапана.
Диаметр Д направляющей корпуса 11 выбран таким образом, чтобы усилие от давления рабочей среды, действующее на площадь, ограниченную этим диаметром, обеспечивало бы удержание клапана в открытом положении.
Работа клапана
В исходном положении запорный орган 5 под действием усилия пружины 10 прижат к седлу 6, при этом осуществляется циркуляция компонента топлива (окислителя) через радиальные отверстия 15 в направляющей корпуса 11, полость 14 и штуцер 17, обеспечивая захолаживание клапана и удаление пузырьков газа из криогенной магистрали двигателя.
При подаче управляющего давления в полость 23 под поршень 8 шток 9 и связанный с ним запорный орган 5, преодолевая усилие пружины 10, перемещаются вверх до тех пор пока конический затвор 20, выполненный на торце стакана 13, не упрется в коническое седло 19, расположенное на направляющей корпуса 11. При этом происходит разобщение магистрали двигателя с системой циркуляции, и циркуляция прекращается.
Одновременно происходит соединение двух частей обтекателя 21 в единое целое, что позволяет выровнять поток компонента топлива на входе и выходе клапана.
При работе двигателя запорный орган удерживается в открытом положении при снятом управляющем давлении в подпоршневой полости 23. Это происходит за счет того, что площадь, определяемая внешним диаметром направляющей корпуса, при герметизации проточной полости становится неразгруженной, и при действии давления рабочей среды на эту площадь создается усилие, которое и удерживает клапан в открытом положении.
Такое решение позволяет разгрузить уплотнительную манжету 24 от высокого управляющего давления, что повышает надежность работы клапана и, соответственно, надежность двигателя в целом.
При останове двигателя давление окислителя в полости клапана уменьшается, в результате чего под действием усилия пружины 10 запорный орган 5 закрывается, перекрывая доступ окислителя в газогенератор и открывая магистраль циркуляции окислителя.
Следует заметить, что при перемещении поршня 8 в верхнее положение воздух, находящийся в полости 25 пневмоцилиндре, стравливается в атмосферу через дренажный клапан 26, что позволяет увеличить скорость срабатывания клапана.
Промышленное применение
Предлагаемый клапан найдет применение в ЖРД для управления подачей окислителя в газогенератор двигателя.