ПИРОКЛАПАН
PYRO-VALVE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к сфере агрегатов и механизмов газовых и гидравлических систем.
Известен запорный пироклапан с запорным органом, имеющим форму усеченного конуса, управляемый пиромеханизмом и сопрягаемый при срабатывании с уплотнительной поверхностью седла, имеющего коническую форму. Коническое седло пироклапана имеет двухслойную неразъемную структуру с различными физико-механическими свойствами каждого слоя и выполнено в виде монолитной детали. Внешняя оболочка седла выполнена из материала с повышенным сопротивлением пластической деформации, например конструкционной стали марки 0Х18Н10Т, а внутренняя оболочка из материала, обладающего повышенной пластичностью и ударной вязкостью, например из латуни ЛС-59-1 (авторское свидетельство №599126 от 24.05.1976, М. Кл. F16K 17/40, опубликовано 25.03.1978, бюллетень №11).
Указанное устройство отличается сложностью изготовления из-за трудоемкости формирования внешнего, находящегося глубоко внутри корпуса слоя структуры конического седла с требуемой для обеспечения герметичности точностью формы, что ухудшает надежность герметичности в контактной паре (запорный орган - седло) после срабатывания пироклапана.
1
1
Известен пироклапан для перекрытия топливных магистралей ЖРД, содержащий корпус с входным и выходными патрубками, расположенными на одной оси, между которыми герметично вмонтирована труба, боковую полость в виде ступенчатого цилиндрического отверстия с конической поверхностью перехода между ступенями, с перекрывной пробкой. В корпусе у конической поверхности переходов между ступенями цилиндрического отверстия выполнен торец, на меньшей ступени выполнена коническая поверхность, перекрывная пробка выполнена цилиндрической и двухступенчатой с коническими поверхностями на большей и средней ступенях у торцов ступеней, а труба выполнена тонкостенной и пропущена через меньшие ступени пробки и отверстия с минимальным зазором, при этом диаметры средней и меньшей ступеней пробки выполнены по соотношению D/D=1,01-1,02, где D - диаметр средней ступени; D - диаметр меньшей ступени. Пироклапан отличается тем, что на поверхность средней ступени пробки нанесен слой серебра или кадмия (патент РФ на изобретение 2142085 от 13.05.1998, МПК F16K 17/40, опубликован 27.11.1999).
В указанном устройстве пробка, заклиниваясь средней ступенью в отверстии корпуса, пластично деформируется, упруго деформируя корпус пироклапана, тем самым обеспечивая герметичное перекрытие проходного сечения пироклапана. При этом слой серебра или кадмия, нанесенный на пробку, обеспечивает заклинивание пробки без надиров, царапин и других дефектов, являясь своего рода «смазкой» между пробкой и седлом корпуса непосредственно при перемещении пробки и не участвует в герметизации по коническим поверхностям после срабатывания пироклапана.
То, что пробка после срабатывания пироклапана пластически деформируется, указывает на сравнительно низкие прочностные характеристики материала, из которого она изготовлена. В связи с этим конструкции, разрушаемые пробкой должны быть или тонкостенными (например, тонкостенная труба), или изготовленными из материалов с низкими прочностными характеристиками, что, в свою очередь, ограничивает величину рабочего давления.
Из известных технических решений наиболее близким является пироклапан (патент РФ на изобретение 2289746 от 11.04.2005, МПК F16K 17/14, опубликован 20.12.2006), содержащий корпус с одним впускным и, по меньшей мере, одним выпускным отверстиями, 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. Между впускным и дополнительно введенным выпускным отверстием установлена перемычка, разделяющая полость корпуса на изолированные друг от друга объемы, впускное отверстие имеет вход в цилиндрическую расточку, в которой размещен поршень, 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, срезаемая мембрана образована путем выполнения канавок на цилиндрической и торцевой поверхностях поршня.
При срабатывании пиросредства поршень приводит в движение коническую пробку с пробойником. Пробойник разрушает перемычку, коническая пробка заклинивается в ответном коническом седле, отсоединяя выпускное отверстие от впускного отверстия.
Основным недостатком данного пироклапана является то, что для эффективного разрушения перемычки и заклинивания конической пробки в коническом седле прочностные характеристики материала пробки, штока и пробойника должны быть выше прочностных характеристик корпуса и перемычки. Это накладывает существенные ограничения на величину рабочего давления пироклапана и надежность герметизации при высоких давлениях среды.
Решаемая техническая задача предлагаемого изобретения состоит в создании пироклапана, работающего при высоких давлениях и обладающего высокой надежностью при небольших габаритно-массовых характеристиках и простоте изготовления.
Технический результат заключается в повышении рабочих давлений газового потока, регулируемого пироклапаном, при обеспечении высоких показателей надежности.
Технический результат достигается тем, что в пироклапане, содержащем корпус с впускным и выпускными отверстиями, с разделенными перемычкой полостями, в одной из которых размещен поршень, снабженный штоком с пробойником, направленным в сторону перемычки, выполненную за одно целое со штоком коническую пробку, установленную с возможностью заклинивания в ответном коническом седле, выполненном в полости корпуса, пирокамеру, размещенную за поршнем, коническая пробка выполнена с двухслойной структурой, условный предел текучести и твердость материала корпуса, штока, пробойника и внутреннего слоя структуры конической пробки в 2-3 раза выше условного предела текучести и твердости внешнего слоя структуры конической пробки, толщина верхнего слоя структуры конической пробки соразмерна глубине пластической деформации этого слоя при запирании конической пробки в коническом седле корпуса и составляет 0,05-0,1 длины образующей конической пробки.
Перемычка, разделяющая полости в корпусе, может быть выполнена за одно целое с корпусом.
Рассмотренные выше отличительные признаки обеспечат работу пироклапана в условиях высокого давления газа при высоких показателях надежности.
Выполнение конической пробки с двухслойной структурой, у которой условный предел текучести и твердости материала внутреннего слоя, равно как и условный предел текучести и твердости материала корпуса, штока и пробойника в 2-3 раза выше условного предела текучести и твердости материала внешнего слоя структуры конической пробки, позволит, во-первых, повысить рабочее давление газа в пироклапане, во-вторых, беспрепятственно и без изменения формы пробки и штока разрушить перемычку корпуса, и, в-третьих, обеспечить надежную герметизацию соединения «коническая пробка - коническое седло корпуса». Толщина внешнего слоя структуры конической пробки, соразмерная глубине пластической деформации этого слоя при запирании конической пробки в коническом седле корпуса и составляющая 0,05-0,1 длины образующей конической пробки, обеспечивает после срабатывания пироклапана, за счет полного исключения межповерхностного зазора в зоне контакта соединения «коническая пробка - коническое седло», надежную герметизацию при перепадах давления на названном соединении свыше 400 МПа. Кроме того, сравнительно небольшая толщина внешнего слоя структуры конической пробки (0,05-1 длины образующей конической пробки) позволяет сохранить без увеличения размеров внутреннего слоя структуры конической пробки ее прочностные характеристики, что обеспечивает решение задачи по разрушению перемычки и герметизации при небольших габаритно-массовых характеристиках пироклапана.
На чертеже представлена схема пироклапана, где
- 1 - корпус;
- 2 - впускное отверстие;
- 3, 4 - выпускные отверстия;
- 5 - цилиндрическая расточка;
- 6 - поршень;
- 7 - срезаемая мембрана;
- 8 - двухслойная коническая пробка;
- 9 - коническое седло;
- 10 - пирокамера;
- 11 - перемычка;
- 12 - шток;
- 13 - канавка на цилиндрической поверхности поршня;
- 14 - канавка на торцевой поверхности поршня;
- 15 - пробойник;
- 16 - внешний слой структуры конической пробки;
- L - длина образующей конической пробки.
Пироклапан может иметь следующие параметры конструктивных элементов, обеспечивающих надежную работу пироклапана при высоких давлениях.
Корпус 1 и разрушаемая перемычка 11 может быть выполнен из сплава ЭП543У-ИД. Внешний слой конической пробки может иметь химический состав аустенитной стали, например 04Х19Н11М3, толщина которой составляет 0,7-0,8 мм. Внутренний слой двухслойной конической пробки 8, пробойник и шток могут быть сделаны из стали мартенситного класса, например 30X13. Длина образующей конической пробки может составлять 12 мм. Толщина срезаемой мембраны 7, образованной канавками 13 и 14, может составлять, например, 0,25 мм, а толщина перемычки 11-1 мм. При этом рекомендуемый диаметр поршня 6 равняется 17…25 мм, а диаметр перемычки 11-3…6 мм. Угол конусности конической пробки 8 может быть около 12°, а конического седла 8 около 11°.
Устройство работает следующим образом.
Перед срабатыванием устройства газовый поток проходит только от впускного отверстия 2 к выпускному отверстию 3. После подрыва пиросредства (не показано) продукты сгорания поступают в пирокамеру 10 и воздействуют на поршень 6. При этом срезается мембрана 7, поршень 6 начинает движение.
Поршень 6 приводит в движение двухслойную коническую пробку 8 и шток 12 с пробойником 15. Пробойник 15 разрушает перемычку 11 (в ней образуется отверстие), двухслойная коническая пробка 8 заклинивается в ответном коническом седле 9, отсоединяя выпускное отверстие 3 от впускного отверстия 2, направляя газовый поток в выпускное отверстие 4. При этом внешний слой испытывает пластическую деформацию на всю его толщину.
Проведенные испытания пироклапана с заявляемыми параметрами показали, что устройство герметично перекрывает газовый поток с давлением свыше 400 МПа.
Таким образом, заявляемый пироклапан работает при высоких давлениях, обладает высокой надежностью при небольших габаритно-массовых характеристиках и простоте изготовления.