ПИРОКЛАПАН
PYROVALVE

Заявляемое изобретение относится к области машиностроения, в частности к сфере агрегатов и механизмов газовых систем.
Известен пироклапан отсечной (патент РФ на изобретение 2068142 от 29.06.1993, МПК 6 F16K 17/14, опубликован 20.10.96), содержащий корпус, пирокамеру и срезную мембрану. В цилиндрической расточке корпуса размещен поршень с конической пробкой, которая установлена с возможностью заклинивания в ответном коническом седле и разобщения впускного и выпускного отверстий корпуса. Одно из отверстий выполнено в боковой поверхности седла. В месте пересечения отверстия с поверхностью седла в последнем выполнена расточка, разделяющая седло на два участка. На конической пробке выполнена проточка с возможностью сообщения ее с отверстием в боковой поверхности седла при срабатывании пироклапана. Срезная мембрана закреплена на поршне или выполнена с ним за одно целое, неподвижно соединена с корпусом с обеспечением герметичного отделения пирокамеры от цилиндрической расточки корпуса.
Основным недостатком данного пироклапана отсечного является его ограниченная функциональность, обусловленная отсутствием в нем элементов распределения газового потока. Кроме того, клапан имеет пониженную степень герметичности соединения, так как заклинивание пробки происходит в ответном коническом седле, выполненном в виде двух конических участков, разделенных между собой расточкой. Это в значительной степени снижает рабочее давление в системе.
Использование на поршне уплотнительного пояска с полостью существенно увеличивает габаритно-массовые характеристики пироклапана, при этом поджим уплотнительного пояска происходит с задержкой после среза мембраны.
Наиболее близким к заявляемому решению является пироклапан (патент РФ №2289746 от 11.04.2005, МПК F16K 17/14, опубликован 20.12.2006 Бюл. №35). Пироклапан содержит корпус с одним впускным и, по меньшей мере, одним выпускным отверстиями. В корпусе имеется полость с цилиндрической расточкой, в которой размещены поршень и срезаемая мембрана, выполненная за одно целое с поршнем. Срезаемая мембрана образована путем выполнения канавок на цилиндрической и торцевой поверхностях поршня. Пироклапан также содержит пирокамеру и коническую пробку, установленную с возможностью, во-первых, заклинивания в ответном коническом седле, выполненном в полости корпуса, и, во-вторых, разобщения впускного и выпускного отверстий. Между впускным и дополнительным выпускным отверстиями установлена перемычка, разделяющая полость корпуса на изолированные друг от друга объемы. Выпускное отверстие имеет вход в цилиндрическую расточку, в которой размещен поршень. Поршень снабжен штоком, на котором со стороны перемычки установлен пробойник. Диаметр пробойника превышает диаметр штока. Коническая пробка размещена между штоком и поршнем и жестко связана со штоком.
Недостатками данного решения являются:
- утечка рабочего газа через посадочное место и электроконтакты пиропатрона после срабатывания пироклапана из полости пирокамеры, соединенной с полостью с цилиндрической расточкой, куда входит выпускное отверстие;
- возможность попадания продуктов сгорания пиропатрона (примесей) в переключаемую полость по зазорам между корпусом и поршнем при срабатывании пироклапана;
- отсутствие возможности переборки пироклапана (демонтажа поршня).
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение герметизации выходного отверстия.
При использовании изобретения достигается следующий технический результат:
- обеспечивается герметизация выпускного отверстия путем его переноса из полости с цилиндрической расточкой в коническую расточку;
- уменьшается попадание продуктов сгорания пиропатрона в переключаемую полость за счет образования срезаемой мембраны на цилиндрической поверхности поршня путем выполнения канавки на торцевой поверхности поршня;
- обеспечивается возможность демонтажа поршня при переборке пироклапана за счет введения резьбового отверстия;
- уменьшаются габаритно-массовые характеристики при обеспечении высокого давления в системе.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется пироклапан, содержащий корпус с одним впускным и, по меньшей мере, одним выпускным отверстиями, с перемычкой между впускным и дополнительно введенным выпускным отверстием, разделяющей полость корпуса на изолированные друг от друга объемы, с полостью с цилиндрической расточкой, в которой размещен поршень, срезаемую мембрану, выполненную за одно целое с поршнем, коническую пробку, установленную с возможностью заклинивания в ответном коническом седле, выполненном в полости корпуса и разобщения впускного и выпускного отверстий, пирокамеру. Поршень снабжен штоком, на котором со стороны перемычки установлен пробойник, диаметр которого превышает диаметр штока, а коническая пробка размещена между штоком и поршнем, и жестко связана со штоком. Выпускное отверстие имеет вход в коническую расточку, в которой размещен поршень.
Срезаемая мембрана образована путем выполнения канавки на торцевой поверхности поршня, которое имеет резьбовое отверстие.
Расположение входа выпускного отверстия в конической расточке (седле) корпуса обеспечивает его герметизацию при срабатывании пироклапана путем заклинивания конической пробки в ответном коническом седле с одновременным отсоединением впускного отверстия от выпускного.
Использование более прочного материала конической пробки по сравнению с материалом корпуса, повышает степень герметичности соединения «коническая пробка - коническое седло» после срабатывания пироклапана (по всей конической поверхности).
Выполнение входа выпускного отверстия в коническое седло уменьшает попадание в него продуктов сгорания пиропатрона из пирокамеры после его срабатывания.
Срезаемая мембрана образована путем выполнения канавки на торцевой поверхности поршня с образованием тонкостенного цилиндрического участка, наружный диаметр которого соответствует диаметру поршня.
При срабатывании пиропатрона продукты сгорания поступают в пирокамеру и воздействуют на поршень. При повышении давления в пирокамере под действием радиальных напряжений происходит деформация тонкостенной мембраны, в результате чего выбирается существующий зазор между поверхностью полости корпуса с цилиндрической расточкой и поршнем.
В момент действия максимального давления в пирокамере срезается мембрана и поршень начинает движение, при этом оставшаяся часть мембраны на поршне выполняет роль уплотнительного пояска.
Выполнение резьбового отверстия на торцевой поверхности поршня со стороны пирокамеры, обеспечивает возможность его демонтажа при переборке пироклапана (например, устранение негерметичности), затрудненного использованием герметизирующих прокладок.
Изобретение поясняется следующими графическими изображениями:
- на фиг. 1 схематически изображен продольный разрез пироклапана;
- на фиг. 2 показан фрагмент поршня со срезаемой мембраной, где:
1 - корпус;
2 - впускное отверстие;
3 - выпускное отверстие;
4 - дополнительно введенное выпускное отверстие;
5 - перемычка;
6 - цилиндрическая расточка;
7 - поршень;
8 - коническая пробка;
9 - коническое седло;
10 - шток;
11 - пробойник;
12 - срезаемая мембрана;
13 - канавка на торцевой поверхности поршня;
14 - пирокамера;
15 - резьбовое отверстие.
Пироклапан состоит из корпуса 1 с впускным 2, выпускным 3 и дополнительно введенным выпускным 4 отверстиями. Между впускным отверстием 2 и дополнительно введенным выпускным отверстием 4 корпуса 1 установлена перемычка 5, разделяющая полость корпуса 1 на изолированные друг от друга объемы. В цилиндрической расточке 6 корпуса 1 размещен поршень 7 с конической пробкой 8, установленной с возможностью заклинивания в ответном коническом седле 9, выполненном в полости корпуса 1 и разобщения впускного 2 и выпускного 3 отверстий. Поршень 7 снабжен штоком 10, на котором со стороны перемычки 5 установлен пробойник 11, диаметр которого превышает диаметр штока 10, а коническая пробка 8 размещена между штоком 10 и поршнем 7, и жестко связана со штоком 10. Срезаемая мембрана 12 выполнена за одно целое с поршнем 7 и образована путем выполнения канавки 13 на торцевой поверхности поршня 7. Выпускное отверстие 3 имеет вход в коническое седло 9, в котором размещен поршень 7.
На торцевой поверхности поршня 7 со стороны пирокамеры 14 выполнено резьбовое отверстие 15, предназначенное для демонтажа поршня 7.
Устройство работает следующим образом.
Перед срабатыванием устройства газовый поток проходит только от впускного отверстия 2 к выпускному отверстию 3. При высоких давлениях газа в цилиндрической расточке 6 на поршень 7 будет действовать сила, способная деформировать и даже разрушить срезаемую мембрану 12. Втулка (не показана) установленная со стороны канавки 13 поршня 7, ограничит прогиб и разрушение срезаемой мембраны 12.
После подрыва пиросредства (не показано) продукты сгорания поступают в пирокамеру 14 и воздействуют на поршень 7, который начинает движение, при этом срезаемая мембрана 12, выполненная в виде тонкостенного кольца, разрывается.
Поршень 7 приводит в движение коническую пробку 8 и шток 10 с пробойником 11. Пробойник 11 разрушает перемычку 5 (в ней образуется отверстие), коническая пробка 8 заклинивается в ответном коническом седле 9, отсоединяя впускное отверстие 2 от выпускного отверстия 3 и одновременно герметизируя выпускное отверстие 3. Разрушение перемычки 5 и заклинивание конической пробки 8 будет более эффективным, если прочностные характеристики материала конической пробки 8, штока 10 и пробойника 11 будут выше прочностных характеристик материала корпуса 1.
В связи с тем, что диаметр пробойника 11 превышает диаметр штока 10, в перемычке 5 образуется отверстие большего диаметра, чем диаметр штока 10. За счет этого между штоком 10 и отверстием в перемычке 5 образуется зазор, по которому поток газа направляется от впускного отверстия 2 к дополнительно введенному выпускному отверстию 4.
Пироклапан может иметь следующие параметры конструктивных элементов, обеспечивающие работу устройства при высоких давлениях.
Корпус 1 может быть выполнен из стали 37Х12Н8Г8МФБ-Ш (ЭИ481-Ш). Установленный в цилиндрической расточке поршень 7 может быть выполнен из стали 12Х18Н10Т. Шток 10, пробойник 11 и размещенная между штоком 10 и поршнем 7 коническая пробка 8, могут быть выполнены из стали 02Н18К9М5Т-ИД (ЭП637А-ИД). Толщина срезаемой мембраны 12, образованной канавкой 13 может составлять от 0,25 до 0,29 мм, а толщина перемычки 5-0,8 мм. При этом рекомендуемый диаметр поршня 7 равен 14 мм, а диаметр перемычки 5 со стороны поршня 7-4,5 мм. Угол конусности конической пробки 8 может быть около 12°, а конического седла 9 около 11°.
Таким образом, при работе устройства достигается заявленный выше технический результат, а именно, обеспечивается герметизация выпускного отверстия, уменьшается попадание продуктов сгорания пиропатрона в переключаемую магистраль, имеется возможность переборки пироклапана.
Работоспособность заявляемого пироклапана подтверждена на макетных образцах.
Утечек газа через соединение «коническая пробка - коническое седло» как со стороны выходного отверстия, так и со стороны дополнительно введенного выпускного отверстия не было обнаружено.
Подтверждена возможность демонтажа поршня с использованием резьбового отверстия.