ДРЕНАЖНО-ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН БАКА ОКИСЛИТЕЛЯ
DRAIN-SAFETY VALVE OF OXIDISER TANK

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а именно к дренажно-предохранительным клапанам (ДПК), которые предназначены для поддержания в заданных пределах с высокой точностью давления в газовых полостях топливных емкостей в большом диапазоне температур (от криогенных до высоких) 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.
Известно устройство предохранительного клапана не прямого действия (Водяник В.И. «Предохранительные устройства для защиты химического оборудования». - М.: Химия, 1975, стр.8, рис.3), состоящего из основного и вспомогательного клапанов и работающего следующим образом: при повышении давления в защищаемой емкости сверх установленного срабатывает вспомогательный клапан, сбрасываемая среда подается под поршень основного клапана, обеспечивая его открытие.
Недостатком известного предохранительного клапана является полуавтоматическая работа, то есть для его закрытия необходимо вручную стравить давление при помощи вентиля из управляющей полости основного клапана, при этом происходит значительное понижение давления рабочей среды в защищаемой емкости, что не позволяет поддерживать рабочее давление в заданном диапазоне с высокой точностью.
Известен дренажно-предохранительный клапан (Патент РФ №2086844, МПК 8 F16K 17/00), содержащий корпус с входным и выходным каналами, подпружиненный запорный элемент, чувствительный элемент в виде сильфона с верхним и нижним фланцами, управляющий орган со штуцером управляющего давления с гибким трубопроводом, дополнительное наружное седло, в зоне которого выполнены дренажные отверстия.
Недостатком известного дренажно-предохранительного клапана является невысокая точность поддержания давления в предохраняемой емкости, так как она прямо пропорциональна жесткости рабочей пружины и жесткости чувствительного сильфона, который одновременно должен выдерживать значительное внутреннее давление управляющих газов при работе в режиме дренажа, то есть сильфон должен быть достаточно толстостенным, а значит жестким.
Известен дренажно-предохранительный клапан (Патент РФ №2142592, МПК 8 F16K 17/00), содержащий корпус с входным и выходным каналами и дренажной полостью, седло и затвор с уплотнением, соединенный со штоком управляющего клапана, сильфонный узел, разъемный промежуточный корпус и регулирующее устройство.
Недостатками известного дренажно-предохранительного клапана являются ограниченные функциональные возможности поддержания давления в газовых полостях предохраняемой емкости, а именно: указанный ДПК производит только сброс избыточных газов, ограничивая давление в емкости только верхним допустимым пределом, не обеспечивая автоматического закрытия клапана при снижении давления в емкости.
Наиболее близким по своим конструктивным особенностям к заявленному клапану является дренажно-предохранительный клапан (ДПК) для криогенных систем (Романенко Н.Г., Кулешов Ю.Ф. «Криогенная арматура». - М.: Машиностроение, 1978, с.39, рис.29), включающий в себя основной и вспомогательный клапаны, соединенные трубопроводами между собой и с предохраняемой емкостью, состоящие из корпусов с уплотнительными седлами и запирающих подпружиненных тарелей, при этом основной клапан имеет двойную пружину (механическую + газовую), а также пневмоцилиндр для принудительного открытия клапана.
Недостатками вышеописанного ДПК являются:
- большие габариты, «громоздкость» и вес клапана:
а) газовая пружина выполнена в виде двойного сильфона и сила, требуемая для прижатия тарели основного клапана к седлу, будет зависеть от разности между эффективной площадью наружного и внутреннего сильфонов, что (при одной и той же силе) приводит к увеличению диаметра наружного сильфона, а значит к увеличению размеров корпуса основного клапана и его веса;
б) наружное расположение пневмоцилиндра для принудительного открытия клапана требует создания собственного корпуса, что ведет к увеличению габаритов и веса клапана;
в) жесткое крепление вспомогательного клапана к корпусу основного увеличивает суммарные габариты и требует соответственно увеличенных зон размещения;
- низкая точность:
а) во вспомогательном клапане подвижные элементы при функционировании испытывают воздействие сил трения покоя (в момент начала открытия) и скольжения (в процессе открытия и закрытия), что увеличивает гистерезис ДПК по давлению открытия и закрытия основного клапана;
б) газовая пружина из двух сильфонов имеет удвоенную жесткость по сравнению с одним сильфоном, что также увеличивает разность между давлением открытия и давлением закрытия основного клапана;
в) жесткость крепления вспомогательного клапана к корпусу основного приводит к тому, что автоколебания основного клапана влияют на точность работы вспомогательного.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание ДПК для поддержания давления в газовых полостях топливных емкостей в заданных пределах с высокой точностью настройки, снижение веса и габаритов клапана.
Технический результат достигается тем, что в дренажно-предохранительном клапане бака окислителя, включающем в себя основной и вспомогательный клапаны, соединенные герметичными трубопроводами между собой, с предохраняемой емкостью и с дренажным трубопроводом, состоящие из корпусов с уплотнительными седлами и запирающих подпружиненных тарелей, при этом основной клапан имеет входной и выходной каналы, двойную пружину чувствительного элемента в виде механической - витой и газовой - сильфонной, а также пневмопривод принудительного открытия, вспомогательный клапан имеет сильфонный чувствительный элемент, согласно изобретению пневмопривод принудительного открытия основного клапана выполнен в виде армированного разжимными витыми пружинными кольцами герметичного сильфона со штоком, взаимодействующим с запирающей подпружиненной тарелью, и расположен внутри сильфона основного клапана на ребрах жесткости корпуса, в одном из которых выполнен канал подвода управляющего давления, при этом для соединения полости предохраняемой емкости с полостью сильфона на цилиндрической части корпуса выполнены продольные пазы, а в запирающей подпружиненной тарели - жиклер в виде дроссельного отверстия, проходное сечение которого меньше проходного сечения полностью открытого вспомогательного клапана, запирающая подпружиненная тарель и сильфонный чувствительный элемент вспомогательного клапана соединены с корпусом через попарно установленные упругие центрирующие мембраны, в которых выполнены дугообразные концентрические просечки, при этом корпус вспомогательного клапана выполнен отдельно от корпуса основного.
На фиг.1 изображен общий вид ДПК в разрезе, на фиг.2 - вид А с фиг.1, на фиг.3 - вид Б с фиг.1, на фиг.4 - вид В с фиг.1, на фиг.5 - разжимное витое пружинное кольцо в аксонометрии, на фиг.6 - упругая центрирующая мембрана в аксонометрии.
ДПК состоит из основного I и вспомогательного II клапанов.
Основной клапан I (Фиг.1) состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 каналами с выполненным в нем уплотнительным седлом 4, запирающей тарели 5, поджатой пружиной 6, сильфона 7, одним концом приваренного к кольцу 8, установленному в корпусе 1, другим - к запирающей подпружиненной тарели 5, внутренняя полость Г сильфона 7 через штуцер 9 посредством трубоповодов 10 и 11 соединена с вспомогательным клапаном II, вместе с тем внутри сильфона 7 на ребрах жесткости 12 корпуса 1 (Фиг.2) расположен пневмопривод принудительного открытия, состоящий из герметичного сильфона 13, армированного витыми, разжимными, обвитыми тонкой проволокой 14 (Фиг.5) пружинными кольцами 15 (Фиг.3), с одной стороны приваренного к кольцу 16, установленному в корпусе 1, в одном из ребер которого выполнен канал 17 для подвода газа и установлен штуцер 18 управляющего давления, с другой - со штоком 19, взаимодействующим с запирающей подпружиненной тарелью 5, на цилиндрической части корпуса 1 основного клапана выполнены продольные пазы 20, а в запирающей подпружиненной тарели 5 выполнен жиклер 21 (проходное сечение жиклера меньше проходного сечения полностью открытого вспомогательного клапана), соединяющие полость емкости (емкость не показана) с внутренней полостью Г сильфона 7.
Вспомогательный клапан II (Фиг.1) состоит из корпуса 22, в котором установлены штуцеры 23 и 24 для подсоединения трубопроводов из полости Г сильфона 7 основного клапана и дренажного трубопровода 25, к корпусу 22 посредством накидной гайки 26 подсоединен стакан 27 с входным каналом 28 для подсоединения трубопровода 29 из полости емкости, внутри стакана 27 на двух упругих центрирующих мембранах 30, в которых выполнены дугообразные концентрические просечки 31 (Фиг.6), посредством развальцовки 32 и гайки 33 закреплен шток 34 сильфонного чувствительного элемента, представляющего из себя латунный сильфон 35, одним концом припаянный к штоку 34, другим - к фланцу 36, внутри сильфона 35 установлена поджимающая пружина 37, при этом в корпусе 22 на таких же центрирующих мембранах 38 посредством втулки 39 и гайки 40 установлена запирающая тарель 41, которая с помощью пружины 42 и регулировочного винта 43 поджимается к седлу 44. В свою очередь мембраны 30 и 38, фланец 36 и седло 44 через кольца 45 и 46 с помощью стаканов 27 и 47 и накидных гаек 26 и 48 жестко зафиксированы по наружному диаметру.
Описание работы ДПК
Настройка ДПК осуществляется при продувке основного клапана I вращением регулировочного винта 43 вспомогательного клапана II, который посредством пружины 42 прижимает запирающую тарель 41 к седлу 44 при заданном давлении.
Работа в режиме предохранительного клапана осуществляется следующим образом.
При наддуве топливной емкости (на рисунке не показана) газ из газовой полости емкости через продольные пазы 20 в корпусе 1 основного клапана и жиклер 21 в запирающей подпружиненной тарели 5 поступает во внутреннюю полость Г сильфона 7, образуя газовую пружину, которая вместе с витой механической пружиной 6 прижимает запирающую подпружиненную тарель 5 к уплотняющему седлу 4 клапана, одновременно газ из полости емкости по трубопроводу 29 поступает в полость Д снаружи сильфона 35 вспомогательного клапана. При повышении давления в газовой полости предохраняемой емкости выше настроечного сильфон 35 сжимается, при этом шток 34 перемещается, отодвигает запирающую подпружиненную тарель 41 от седла 44, преодолевая отрегулированное усилие пружины 42, газ из полости Г сильфона основного клапана по трубопроводам 10 и 11 через образовавшуюся щель δ (Фиг.4) между седлом 44 и запирающей тарелью 41 стравливается в дренажный трубопровод 25, давление в полости Г падает, сильфон 7 сжимается, отрывая запирающую тарель 5 от седла 4, в образующуюся щель газ из предохраняемой емкости стравливается в дренажный трубопровод.
При снижении давления в емкости до давления настройки давление в полости Д вспомогательного клапана снижается, сильфон 35 разжимается, шток 34 отходит от запирающей подпружиненной тарели 41, которая под действием силы пружины 42 садится на седло 44, автоматически прекращая расход газа через вспомогательный клапан из полости Г сильфона 7 основного клапана, после чего в полости Г давление газа повышается, сила газовой пружины увеличивается, в результате чего под действием газовой и витой механической 6 пружин запирающая подпружиненная тарель 5 основного клапана автоматически прижимается к седлу 4, прекращая расход газа из емкости, таким образом в емкости остается газ под давлением, равным давлению настройки ДПК.
Автоматическая работа ДПК (открытие или закрытие при заданных уровнях давления в предохраняемой емкости) обеспечивается за счет того, что проходное сечение жиклера 21 в запирающей подпружиненной тарели 5 основного клапана значительно меньше полного проходного сечения, образованного щелью 5 вспомогательного клапана, что обеспечивает сброс давления из сильфонной полости Г основного клапана перед его открытием при срабатывании (открывании) вспомогательного клапана, так как при этом приток газа в сильфонную полость Г из емкости меньше оттока газа из нее при открытии вспомогательного клапана. И в то же время площадь проходного сечения дроссельного отверстия 21 достаточна для быстрого наполнения сильфонной полости Г и закрытия основного клапана при срабатывании (закрытии) вспомогательного клапана (когда давление в предохраняемой емкости достигнет нижнего допустимого предела).
Работа в режиме дренажного клапана производится при заправке и сливе топлива и осуществляется путем подачи управляющего газа высокого давления через штуцер 18 в полость Е превмопривода принудительного открытия, под давлением управляющего газа герметичный сильфон 13 сжимается, преодолевая силу пружины 6, шток 19 воздействует на запирающую подпружиненную тарель 5, которая поднимается, сообщая газовую полость емкости с дренажным трубопроводом, по окончании заправки или слива топлива, газ принудительно стравливается из пневмопривода и запирающая подпружиненная тарель 5 под действием пружины 6 прижимается к седлу 4.
Положительный эффект от использования заявляемой конструкции дренажно-предохранительного клапана заключается в обеспечении высокой точности поддержания давления в газовых полостях топливных емкостей в заданных пределах за счет отсутствия силы трения при перемещении запирающей тарели 41 и сжатии сильфона 35 во время открытия и закрытия вспомогательного клапана в результате применения упругих центрирующих мембран 30 и 38 с дугообразными концентрическими просечками 31, уменьшающими их жесткость, за счет использования газовой пружины из одного сильфона, что ведет к уменьшению жесткости системы, а также за счет отсутствия жесткого крепления вспомогательного клапана II к корпусу основного I, что позволяет исключить влияние автоколебаний основного клапана на точность работы вспомогательного.
Уменьшение габаритов и веса клапана обеспечивается за счет того, что в результате армирования разжимными витыми пружинными кольцами 15, увеличивается прочность сильфона 13, что дает возможность применять в качестве управляющего газ более высокого давления, при этом превмопривод принудительного открытия становится малогабаритным и его можно расположить внутри сильфона 7, не заслоняя входной канал 2 основного клапана, а также за счет размещения канала 17 подвода управляющего давления в ребре жесткости 11 корпуса 1 и выполнения продольных пазов 20 на цилиндрической части корпуса 1. Кроме того, к уменьшению габаритов и веса ДПК ведет выполнение корпуса вспомогательного клапана отдельно от корпуса основного.