CN105042152A - 一种高压大流量高精度紧凑型二级减压器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高压大流量高精度紧凑型二级减压器，包括活塞式一级减压器和膜片式二级减压器。减压器设计紧凑，一级粗调，二级精调，通过增大通道直径和阀芯作用面积，增大流量和减压器出口压力控制精度。减压器外壳采用比强度高的铝合金，阀芯采用铜合金与氟塑料密封，减压器入口出口采用37度航天标准，便于与管路连接，可以使管路更加紧凑，便于在航天上使用。改减压器可以在入口压力40-6MPa的范围内变化时，输出氮气流量小于100g/s的情况下，保证输出稳定在3.5±0.1MPa的范围内变化，保证航天输送系统流量稳定。

Description

一种高压大流量高精度紧凑型二级减压器

技术领域

本发明属于气体管路控制领域，具体来说，是一种高压大流量高精度紧凑型二级减压器，适用于气体管路。

背景技术

减压器时在工作时不用辅助能源的一种控制阀，阀门靠改变流量来控制压力，流量的变化时阀门感受的实际压力值和要求压力值之差的函数，由压力差引起的任何不平衡都会使节流元件流动、增加或减低流体流量来消除压力偏差。

在固液火箭推进领域，减压器用于为氧化剂贮箱提供不变的气体压力，这个压力用于直接排出预定流量流体，与液体流量控制元件的共同作用下，保证氧化剂的稳定供应。

固液火箭发动机氧化剂一般是挤压式供应系统，采用减压器控制氧化剂贮箱压力，结合液路的汽蚀文氏管控制氧化剂的稳定供应。因此要求减压器可靠工作，流量大，压力高，体积小，重量轻。

发明内容

为了解决上述问题，本发明专利提供了一种体积小、重量轻、工作压力高、流量大，适用于固液火箭发动机挤压式输送系统的高压大流量高精度紧凑型二级减压器，保证固液火箭发动机可靠工作。

本发明一种高压大流量高精度紧凑型二级减压器，包括一级减压结构与二级减压结构。其中，一级减压结构包括壳体、阀芯导向套、一级阀芯、入口嘴、一级密封垫、压盘、一级阀盖与一级碟簧；膜片式二级减压结构包括阀体、膜片、下簧座、弹簧、二级碟簧、上簧座、二级阀芯、阀芯套筒、二级密封垫、出口嘴与二级阀盖。

一级减压结构中，壳体内前部安装一级阀盖；一级阀盖前腔内由前至后依次安装有入口嘴、环形压盘与环形一级密封垫。壳体内中部设置有一级阀芯，一级阀芯内部作为气体通道，与一级阀盖后腔连通；一级阀芯外套有阀芯导向套，通过阀芯导向套实现一级阀芯轴向上的运动导向。阀芯导向套与一级阀芯后端定位盘间设置有碟簧；上述一级阀芯前端周向开设进气孔与气体通道连通。上述结构中，需保证一级阀芯向前移动至极限位置时，一级阀芯的密闭端端部与环形一级密封垫周向上紧密接触。

由此，高压气体由入口嘴进入一级减压结构中，通过控制高压气体对一级阀芯密闭端的压力大小，调整一级阀芯密闭端与环形一级密封垫间的开度，来控制一级减压结构出口端压力。

二级减压结构中，阀体前端安装在一级减压结构中壳体内后部。阀体内中部周向设计有密封导向台肩；阀体上还开有进气通道，进气通道与阀体前腔连通；阀体前腔内螺纹固定安装有阀芯套筒；阀芯套筒内同轴设置有二级阀芯。在阀芯套筒内，位于二级阀芯前端面与阀芯套筒封闭端间同轴设置有弹簧；二级阀芯周向上设计有限位台肩，实现二级阀芯前向移动的限位；二级阀芯上套有环形二级密封垫，与限位台肩周向固定；二级阀芯侧壁周向上还开设有环形气槽，环形气槽通过阀体周向上开设的出气通道与阀体后腔连通。二级阀芯内还开设有气道，气道将阀芯套筒内部与环形气槽连通；阀体侧壁上安装有出口嘴，出口嘴与阀体后腔连通；阀体内中部周向设计有密封导向台肩前端周向上设计有环形密封接头；需保证，当二级阀芯向后移动至极限时，环形密封导向台肩内环壁面将环形气槽封闭，同时，环形密封接头周向上与二级密封垫紧密接触。二级阀盖固定安装在阀体后部二级阀盖与阀体后部间安装有膜片；二级阀盖内由前至后依次设置有下簧座、二级碟簧与上簧座；上簧座后端与输出杆接触；

由此，经一级减压结构减压后的气体，经二级减压结构中阀体上的进气通道，通过控制输出杆向前运动位移，实现环形密封接头与二级密封垫周向上的开度大小调节，进而控制二级减压结构出口压力。

本发明专利的优点在于：

1、本发明专利二级减压器，结构简单、质量轻、体积小，适合于航天推进系统；

2、本发明专利二级减压器，适合于入口压力波动范围大，入口压力在40-6MPa范围内变化时，减压器输出压力、流量保持稳定；

3、本发明二级减压器输出压力精度高，二级阀芯有压力反馈孔，工作过程中压力波动小于0.1MPa；

4、本发明二级减压器通径大，阀芯密封处通径Φ13mm，能满足大流量实用要求。

附图说明

图1为本发明二级减压器整体结构示意图。

图中：

1-一级减压结构2-二级减压结构101-壳体

102-阀芯导向套103-一级阀芯104-入口嘴

105-一级密封垫106-压盘107-一级阀盖

108-一级碟簧109-环形定位盘110-气体通道

111-进气孔201-阀体202-膜片

203-下簧座204-弹簧205-二级碟簧

206-上簧座207-二级阀芯208-阀芯套筒

209-二级密封垫210-出口嘴211-二级阀盖

212-密封导向台肩213-进气通道214-限位台肩

215-环形气槽216-出气通道217-环形密封接头

具体实施方案

下面结合附图对本发明专利做进一步说明。

本发明一种高压大流量高精度紧凑型二级减压器，包括一个活塞式一级减压结构1、一个膜片式二级减压结构2，如图1所示。

其中，活塞式一级减压结构1包括壳体101、阀芯导向套102、一级阀芯103、入口嘴104、一级密封垫105、压盘106、一级阀盖107与一级碟簧108。膜片式二级减压结构2包括阀体201、膜片202、下簧座203、弹簧204、二级碟簧205、上簧座206、二级阀芯207、阀芯套筒208、二级密封垫209、出口嘴210与二级阀盖211。

一级减压结构1中，壳体101内前部螺纹固定安装有筒状一级阀盖107；一级阀盖107内壁周向设计有定位台阶，通过定位台阶结构将一级阀盖107内部分为一级阀盖107前腔(高压腔)与一级阀盖107后腔(低压腔)。一级阀盖107前腔内由前至后依次安装有入口嘴104、环形压盘106与环形一级密封垫105，三者间同轴设置，由定位台阶定位，并通过入口嘴104与一级阀盖107间螺纹拧紧，实现三者间的固定，使压盘106将一级密封垫105与定位台阶压紧固定，高压气体可由入口嘴104通入一级减压结构1内。

壳体101内中部设置有一级阀芯103，一级阀芯103为一端密闭的筒装结构，内部作为气体通道110，与一级阀盖107后腔连通；上述一级阀芯103后端外壁周向上设计有环形定位盘109，通过环形定位盘109实现一级阀芯103与壳体101间的径向定位；一级阀芯103的轴向限位通过在壳体101后部安装的二级减压结构2中阀体201前端面实现。一级阀芯103外套有阀芯导向套102，阀芯导向套102位于一级阀盖107后端，通过一级阀盖107内部周向上设计的定位台肩定位，且通过拧紧一级阀盖107将阀芯导向套102与定位台肩压紧固定，通过阀芯导向套102实现一级阀芯103轴向上的运动导向。阀芯导向套102与一级阀芯103后端定位盘间设置有碟簧，碟簧套在阀芯导向套102后端设计的套筒上。

上述一级阀芯103前端周向均匀开设进气孔111与气体通道110连通；一级阀芯103后端作为一级减压结构1出口。由此，进入一级减压结构1中的高压气体经进气孔111进入气体通道110后，由一级减压结构1出口进入二级减压结构2中。上述结构中，需保证一级阀芯103向前移动至极限位置时，一级阀芯103的密闭端端部与环形一级密封垫105周向上紧密接触，实现壳体101前腔与后腔间的密封。由此，在进入一级减压结构1中的高压气体压力和一级碟簧108碟簧的共同作用下，通过控制入口嘴104通入一级减压结构1内的高压气体对一级阀芯103密闭端的压力大小，调整一级阀芯103密闭端与环形一级密封垫105间的开度(一级阀芯103开度)，来控制一级减压结构1出口端压力。具体来说，当一级减压结构1出口端压力较小，一级碟簧108压缩量小，此时，增大一级阀芯103开度，使一级减压结构1中的高压气体流量增加，进而使一级减压结构1出口端压力增大；同理，当一级出口端压力较大，一级碟簧108压缩量大；此时，减小一级阀芯103开度，使一级减压结构1中高压气体流量减少，进而使一级减压结构1出口端压力减少；最终，实现一级减压结构1出口端压力在一定的范围内保持稳定。

二级减压结构2中，阀体201为筒装结构，前端螺纹固定安装在一级减压结构1中壳体101内后部；且当一级减压结构1中二级阀芯207的密闭端端部与一级密封垫105周向上紧密接触时，阀体201前端与二级阀芯207后端间存在一定间隙。阀体201内中部周向设计有密封导向台肩212，通过密封导向台肩212将阀体201内部分为阀体201前腔(高压腔)与阀体201后腔(低压腔)；阀体201上还开有进气通道213，进气通道213与阀体201前腔连通。阀体201前腔内螺纹固定安装有一端密闭的阀芯套筒208。阀芯套筒208内同轴设置有二级阀芯207，使二级阀芯207可沿阀芯套筒208轴向移动，在阀芯套筒208内，位于二级阀芯207前端面与阀芯套筒208封闭端间同轴设置有弹簧204。二级阀芯207周向上设计有限位台肩214，实现二级阀芯207前向移动的限位；二级阀芯207上套有环形二级密封垫209，与限位台肩214周向固定；二级阀芯207侧壁周向上还开设有环形气槽215；环形气槽215通过阀体201周向上倾斜开设的出气通道216与阀体201后腔连通。二级阀芯207内还开设有两条相互垂直连通的气道，一条气道沿二级阀芯207轴向开设与阀芯套筒208内部连通，另一条气道与环形气槽215连通。阀体201侧壁上安装有出口嘴210，出口嘴210与阀体201后腔连通，作为二级减压结构2出口。阀体201内中部周向设计有密封导向台肩212前端周向上设计有环形密封接头217，需保证，当二级阀芯207向后移动至极限时，环形密封导向台肩212内环壁面将环形气槽215封闭，同时，环形密封接头217周向上与二级密封垫209紧密接触，实现阀体201前腔与环形气槽215间的密封。

二级阀盖211螺纹配合固定安装在阀体201内后部，通过拧紧二级阀盖211，将膜片202与阀体201内壁周向上设计的定位台肩压紧固定。二级阀盖211内由前至后依次设置有下簧座203、二级碟簧205与上簧座206；上簧座206后端开有锥形孔，与具有球面输出端的输出杆配合。上述二级碟簧205至少具有2组，可以有效降低摩擦阻力的影响和提升减压器灵敏度，二级碟簧205预压缩量可以通过螺钉来进行调整。通过弹簧204、二级碟簧205以及阀体201后腔内气体压力共同作用，可保证二级阀芯207后端、膜片202与下簧座203三者间始终保持贴合。由此，经一级减压结构1减压后的气体，经二级减压结构2中阀体201上的进气通道213，进入阀体201前腔内。通过输出杆向前运动，可推动二级阀芯207向前运动，此时，环形密封接头217与二级密封垫209台肩分离，使阀体201前腔与环形气槽215连通，气体由环形气槽215后经出气通道后以环向通入阀体201后腔，环向通入区域面积和阀体201后腔容积对二级减压结构2出口压力调节的精度和灵敏度有重要影响，即气体环向通过面积越大，阀芯开度变化越小，二级碟簧205弹力变化越小，出口压力越稳定精确；阀体201后腔容积增大，可以有效保证阀体201后腔压力的稳定性，提高减压器输出压力的稳定性。上述环形气槽215内一部气体还经二级阀芯207内部气道进入阀芯套筒208内部；通过阀芯套筒208内部气体对二级阀芯207前端面的压力与二级碟簧205的共同作用，使二级阀芯207具有反馈环节，进一步消除二级阀芯207前端压力对后端压力的影响，二级减压结构2中阀体201后腔的压力与二级碟簧205的弹力相平衡，从而能够保证输出压力的控制精度。通过控制输出杆向前运动位移，实现环形密封接头217与二级密封垫209周向上的开度大小调节(二级阀芯207开度)，进而控制二级减压结构2出口压力。具体为：二级减压结构2出口端压力较小，碟簧压缩量小，此时，增大阀芯开度，使二级减压结构2中的高压气体流量，进而使二级减压结构2出口端压力增大；同理，二级减压结构2出口端压力较大，碟簧压缩量增大，此时，减小阀芯开度，使二级减压结构2中的高压气体流量减少，进而使二级减压结构2出口端压力降低。上述阀体201后腔气体环向通入面积和阀体201后腔容积对二减压结构出口压力调节的精度和灵敏度有重要影响，即气体环向通入面积越大，二级阀芯207开度变化越小，二级碟簧205弹力变化越小，二减压结构出口压力越稳定精确；阀体201后腔容积增大，可以有效保证阀体201后腔压力的稳定性，提高减压器输出压力的稳定性。

本发明二级减压结构2中，二级阀芯207最小直径处为6mm，二级阀芯207气体环向通入区域直径为13mm，在3.5MPa的输出压力情况下，氮气介质的流量高达100g/s，在同等外观尺寸下流量较大，具有明显的比较优势。且本发明二级减压结构2采用紧凑型设计，尽量减少零部件的数量，同时，入口嘴104与一级阀盖107间、阀芯导向套102与一级阀盖107间、阀芯导向套102与一级阀芯103间、一级阀芯103后端环形盘与壳体101间、阀体201与壳体101间、阀体201与二级阀盖203间、二级阀芯207与二级阀盖203间、出口嘴210与阀体201间均可采用O型圈密封，且多处采用螺纹连接，可有效较少零部件的复杂性，在保证流量和精度的前提下，极大地减小了减压器的体积。减压器壳体101采用铝合金，铝合金具有比强度高的优点，能够有效降低减压器质量，便于减压器在航天系统中的应用。

本发明中一级减压结构1出口端压力还可以通过在一级碟簧108处增加或减少不锈钢薄片来控制，二级减压结构2出口端压力可以通过螺钉实时调整减压器出口压力。通常情况下，一级减压结构1出口端压力粗调，将一级减压结构1出口端压力调整高于额定出口压力1MPa左右，再对二级减压结构2出口端压力进行精确调节，从而保证减压器出口压力的稳定性。

本发明二级减压器中一级密封垫105与二级密封垫209均采用氟塑料进行密封，氟塑料相容性好，密封可靠，能通过各种氧化性或还原性气体。一级阀芯103和二级阀芯207轴向均采用两处定位，保证阀芯与壳体101的同轴度，一方面提高了减压器工作的稳定性，另一方面保证了锁闭情况下减压器的密封。

应用上述结构二级减压器，入口嘴104处压力在40-6MPa范围内变化，通过一级减压结构1将压力降低到5MPa左右，再通过二级减压结构2将压力降低到3.5±0.1MPa，保持减压器在额定流量下出口压力稳定，从而保证输送系统流量稳定。

Claims (8)

1.一种高压大流量高精度紧凑型二级减压器，其特征在于：包括一级减压结构与二级减压结构；

其中，一级减压结构包括壳体、阀芯导向套、一级阀芯、入口嘴、一级密封垫、压盘、一级阀盖与一级碟簧；膜片式二级减压结构包括阀体、膜片、下簧座、弹簧、二级碟簧、上簧座、二级阀芯、阀芯套筒、二级密封垫、出口嘴与二级阀盖；

一级减压结构中，壳体内前部安装一级阀盖；一级阀盖前腔内由前至后依次安装有入口嘴、环形压盘与环形一级密封垫；

壳体内中部设置有一级阀芯，一级阀芯内部作为气体通道，与一级阀盖后腔连通；一级阀芯外套有阀芯导向套，通过阀芯导向套实现一级阀芯轴向上的运动导向；阀芯导向套与一级阀芯后端定位盘间设置有碟簧；上述一级阀芯前端周向开设进气孔与气体通道连通；

上述结构中，需保证一级阀芯向前移动至极限位置时，一级阀芯的密闭端端部与环形一级密封垫周向上紧密接触；

二级减压结构中，阀体前端安装在一级减压结构中壳体内后部；阀体内中部周向设计有密封导向台肩；阀体上还开有进气通道，进气通道与阀体前腔连通；阀体前腔内螺纹固定安装有阀芯套筒；阀芯套筒内同轴设置有二级阀芯；在阀芯套筒内，位于二级阀芯前端面与阀芯套筒封闭端间同轴设置有弹簧；二级阀芯周向上设计有限位台肩，实现二级阀芯前向移动的限位；二级阀芯上套有环形二级密封垫，与限位台肩周向固定；二级阀芯侧壁周向上还开设有环形气槽；环形气槽通过阀体周向上开设的出气通道与阀体后腔连通；二级阀芯内还开设有气道，气道将阀芯套筒内部与环形气槽连通；阀体侧壁上安装有出口嘴，出口嘴与阀体后腔连通；阀体内中部周向设计有密封导向台肩前端周向上设计有环形密封接头；需保证，当二级阀芯向后移动至极限时，环形密封导向台肩内环壁面将环形气槽封闭，同时，环形密封接头周向上与二级密封垫紧密接触；

二级阀盖固定安装在阀体后部二级阀盖与阀体后部间安装有膜片；二级阀盖内由前至后依次设置有下簧座、二级碟簧与上簧座；上簧座后端与输出杆接触。

2.如权利要求1所述一种高压大流量高精度紧凑型二级减压器，其特征在于：所述环形气槽通过阀体周向上倾斜开设的出气通道与阀体后腔连通。

3.如权利要求1所述一种高压大流量高精度紧凑型二级减压器，其特征在于：上述二级碟簧至少具有2组。

4.如权利要求1所述一种高压大流量高精度紧凑型二级减压器，其特征在于：通过输出杆向前运动，推动二级阀芯向前运动，此时，环形密封接头与二级密封垫台肩分离，使阀体前腔与环形气槽连通，气体由环形气槽后经出气通道后以环向通入阀体后腔。

5.如权利要求1所述一种高压大流量高精度紧凑型二级减压器，其特征在于：所述入口嘴与一级阀盖间、阀芯导向套与一级阀盖间、阀芯导向套与一级阀芯间、一级阀芯后端环形盘与壳体间、阀体与壳体间、阀体与二级阀盖间、二级阀芯与二级阀盖间、出口嘴与阀体间均采用O型圈密封。

6.如权利要求1所述一种高压大流量高精度紧凑型二级减压器，其特征在于：所述减压器壳体采用铝合金制成。

7.如权利要求1所述一种高压大流量高精度紧凑型二级减压器，其特征在于：所述一级密封垫与二级密封垫均采用氟塑料制成。

8.如权利要求1所述一种高压大流量高精度紧凑型二级减压器，其特征在于：入口嘴处压力在40-6MPa范围内变化，通过一级减压结构将压力降低到5MPa左右，再通过二级减压结构将压力降低到3.5±0.1MPa，保持减压器在额定流量下出口压力稳定。