CN105465406A - 一种气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构 - Google Patents

一种气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，包括主阀、气筒和副阀；副阀采用两位三通永磁自锁结构，可通过永磁铁产生的电磁力自锁，线圈脉冲电流时进行开启、关闭动作，副阀操纵控制气体在主阀活塞腔室内充填或排放，从而主阀芯在活塞气动力和弹簧力作用下完成启闭动作，本发明实现了发动机控制阀门的轻质和低功耗。

Description

一种气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构
技术领域
本发明涉及一种气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，可在具有大推力、长程稳态工作要求的液体火箭发动机中应用，气控先导结构能够有效降低产品的重量和流阻，双稳态设计能有效降低系统功耗，。
背景技术
3000N发动机作为某探测器轨道器和上升器主发动机，为探测器完成飞行等任务提供推力。根据3000N发动机任务特点，其控制阀需要满足压降小、功耗低、质量轻、单次工作时间不小于3000s，并能够适应空间环境等要求。
现有发动机控制电磁阀结构重量重，流阻高，在稳态工作时需持续供电，电源负荷较大，不符合低功耗设计要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为克服现有发动机控制电磁阀结构重量重，流阻高，在稳态工作时需持续供电，电源负荷较大，不符合低功耗设计要求的不足。本发明提供一种气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，可以满足大推力(推力大于3000N)液体轨控火箭发动机的工作，采用气控先导结构，打开状态和关闭状态通过永磁铁保持关闭的双稳态阀门结构，实现阀门的轻质化和低功耗。
为解决以上技术问题，本发明给出以下技术方案：
一种气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，其特殊之处在于：包括副阀、气筒和主阀，
所述副阀是两位三通永磁自锁阀，包括副阀体、导磁壳体、副阀座、副阀芯、线圈和永磁铁；副阀芯和副阀座自上至下依次设置在副阀体内；导磁壳体设置与副阀体外侧，永磁铁与线圈位于副阀体与导磁壳体之间；副阀芯的外壁上设有气体通道，副阀体上端开设有气体排放口，副阀座上设有气体通孔，靠近副阀座和副阀芯的副阀体内壁设有与所述气体通道连通的第一环形槽；若副阀芯离开副阀座，气体通孔与第一环形槽连通；若副阀芯与副阀座闭合，第一环形槽通过气体通道与气体排放口连通；
副阀芯在打开、关闭位置时靠永磁铁产生的电磁力保持自锁，当线圈通入不同方向的脉冲电流时，可使副阀芯上下运动。
所述气筒的侧壁或底部设有一通孔，通孔为进气口，气筒的筒口为出气口，出气口与所述气体通孔连通；
所述主阀包括主阀体和设置在主阀体内的主阀杆；主阀杆上自右向左依次套接有活塞和主阀芯，主阀体的左端为推进剂入口，活塞与主阀芯之间的主阀体上设有推进剂出口，推进剂出口右侧的主阀体内设有挡板；
挡板右侧为腔室，活塞位于腔室内，活塞与腔室内壁之间设置有密封圈，活塞与挡板之间的主阀杆上套接有弹簧，活塞能够在腔室内做往复运动；
所述第一环形槽与活塞右侧的腔室连通。上述气筒呈L状，包括横向段和竖向段，副阀体的下端嵌入所述竖向段，竖向段设有第二环形槽，第二环形槽与第一环形槽连通，竖向段左侧的气筒上设有第一通道，所述第二环形槽通过第一通道与活塞右侧的腔室连通。
上述第二环形槽的位置低于第一环形槽的位置。
上述气体排放口上安装有防尘盖，防尘盖为迷宫防尘盖，具有迷宫式防尘结构，避免阀门在月球任务中被月尘污染而导致卡涩等故障。
活塞与腔室内壁之间还设置有挡圈，增加了活塞与腔室内壁之间的对中性，其中，挡圈与密封圈相邻。
上述气筒竖向段的左侧固定有横向设置的第一筒体，挡板右侧的主阀体为第二筒体，第一筒体与第二筒体固定连接，第一筒体与第二筒体构成所述腔室。
上述第一筒体与第二筒体螺纹连接。
上述第一筒体的左端外壁设有外螺纹，第二筒体右端内壁设有与所述外螺纹匹配的内螺纹。
上述第一筒体和第二筒体外壁还套接有螺母，螺母内壁两端分别设置有两种旋向相反的内螺纹，螺母均与第一筒体和第二筒体螺纹连接。
本发明具有以下技术效果：
本发明包括主阀和副阀，主阀部分用来控制推进剂的供应和切断，副阀部分为主阀提供控制气体的充填与排放。副阀是一种两位三通永磁自锁式电磁阀，打开、关闭动作时仅需给线圈短时通电，阀芯处于打开或关闭位置时利用永磁铁实现自锁，从而实现阀门的低功耗设计。
本发明采用了永磁自锁两位三通电磁阀作为气动先导阀副阀的发动机控制阀结构，通过采用双稳态设计，在电磁副阀短时通电产生相应动作后，即可断电保持在动作后稳定状态，无需持续通电保持打开，能有效降低功耗，在长程稳态工作的大推力液体轨控火箭发动机中应用节能优势明显，较好地实现了低功耗设计目标。
本发明除可应用于液体火箭发动机外，在卫星在轨执行系统、地面试验系统、自动化流体管路系统的相关阀门中均可推广应用，可有效减轻发动机重量和降低系统电源功耗。
附图说明
图1为气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构原理图；
图2为两位三通永磁自锁电磁阀结构图。
附图标记：
1-接管嘴，2-主阀芯，3-主阀体，4-气筒，5-弹簧，6-活塞，7-挡圈，8-螺母，9-密封圈，10-副阀体，11-副阀芯，12-副阀座，13-永磁铁，14-线圈，15-导磁壳体，16-第一环形槽，17-第二环形槽，18-第一通道，19-气体通孔，20-迷宫式防尘结构。
具体实施方式
本发明的图1为气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，即本发明的基本形式，它主要由接管嘴1、主阀芯2、主阀体3、气筒4、弹簧5、活塞6、挡圈7、螺母8、密封圈9、副阀体10、导磁壳体15、线圈14、副阀芯11、副阀座12、永磁铁13等组成。
采用气动先导结构，主阀部分用活塞驱动，通过活塞控制腔室与副阀第一环形槽相通。副阀采用永磁自锁的两位三通电磁阀，通过合理设计永磁铁的规格、磁极的间隙、行程、面积等参数从而使副阀能够实现磁自锁，并在线圈通电时能够实现打开或关闭动作，进而控制气体在主阀活塞腔室内充填或排放，从而主阀芯在活塞气动力和弹簧力作用下完成启闭动作。
如图1所示，活塞3与气筒4之间通过具有自润滑特性的挡圈支持，增加二者之间的对中性。
如图2所示，为解决副阀芯与副阀座间隙较小对副阀排气速度造成的影响，副阀体内壁对应于副阀芯11和副阀座12的位置设置有第一环形槽，以提高阀门的关闭速度。
如图2所示，副阀的气体排放口采用迷宫式防尘结构以防止月尘造成产品内部污染引起而造成阀门卡涩、泄漏等故障。
将本发明应用于深空探测发动机的实施实例如下：
在3000N发动机研制中，其控制阀需要满足压降小、功耗低、质量轻、单次工作时间不小于3000s，并能够适应空间环境等要求。为满足上述要求，提出了气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，本发明经过了多批产品的生产试验、力学环境试验、热循环和热真空试验、发动机试车及飞行考核，本发明工作可靠，性能稳定，持续工作时间可无限延长，功耗低，结构尺寸小于520g，能够满足该型号研制任务需求。
本发明包括副阀、气筒和主阀，主阀可采用反向菌状密封结构，通过活塞气动力和弹簧力作用下完成启闭动作，用来实现推进剂通路的通断，副阀用来操纵控制气体的充填和排放。为节省功耗，副阀采用两位三通永磁自锁阀，通过对线圈通脉冲电流来控制阀门的启闭，具体为：副阀芯在打开、关闭位置时靠永磁铁产生的电磁力来锁闭和密封，实现了阀门的零功耗保持。当副阀开线圈或关线圈通入脉冲电流时，线圈产生的磁通与原有磁通叠加、副阀芯受力方向发生改变，实现副阀的开启、关闭动作。
本发明的原理是：主阀芯、活塞和主阀杆为一体，活塞作为主阀芯的作动机构，驱动主阀芯运动。活塞控制腔与副阀控制口相通，副阀为两位三通阀，副阀处于关闭位置时控制口与排放口接通，活塞不受气动力，主阀芯通过弹簧力和推进剂压力保持关闭和密封；副阀处于打开位置时控制口与控制气入口接通，活塞受到气动力驱动主阀芯打开。由于副阀内部的永磁铁产生的磁通分别从副阀芯的两端通过，且气隙较小的一端由于磁阻较小而获得相对较大的磁通量，进而有较大的吸力，因此副阀芯在不通电流的情况下总能保持在关闭或打开状态。当给副阀线圈通入电流时，线圈产生的磁通与永磁铁产生的磁通相互叠加或抵消，从而改变了副阀芯的受力方向，实现副阀芯的打开或关闭。通过以上原理实现了整个阀门的双稳态工作过程。

Claims (9)

1.一种气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，其特征在于：包括副阀、气筒(4)和主阀，
所述副阀是两位三通永磁自锁阀，包括副阀体(10)、导磁壳体(15)、副阀座(12)、副阀芯(11)、线圈(14)和永磁铁(13)；副阀芯和副阀座自上至下依次设置在副阀体内；导磁壳体(15)设置与副阀体(10)外侧，永磁铁(13)与线圈(14)位于副阀体(10)与导磁壳体(15)之间；副阀芯的外壁上设有气体通道，副阀体上端开设有气体排放口，副阀座上设有气体通孔(19)，靠近副阀座和副阀芯的副阀体内壁设有与所述气体通道连通的第一环形槽(16)；若副阀芯离开副阀座，气体通孔与第一环形槽连通；若副阀芯与副阀座闭合，第一环形槽通过气体通道与气体排放口连通；
所述气筒的侧壁或底部设有一通孔，通孔为进气口，气筒的筒口为出气口，出气口与所述气体通孔连通；
所述主阀包括主阀体(3)和设置在主阀体内的主阀杆；主阀杆上自右向左依次套接有活塞(6)和主阀芯(2)，主阀体的左端为推进剂入口，活塞与主阀芯之间的主阀体上设有推进剂出口，推进剂出口右侧的主阀体内设有挡板；
挡板右侧为腔室，活塞位于腔室内，活塞与腔室内壁之间设置有密封圈(9)，活塞与挡板之间的主阀杆上套接有弹簧，活塞能够在腔室内做往复运动；
所述第一环形槽与活塞右侧的腔室连通。
2.根据权利要求1所述的气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，其特征在于：所述气筒呈L状，包括横向段和竖向段，副阀体的下端嵌入所述竖向段，竖向段设有第二环形槽(17)，第二环形槽与第一环形槽连通，竖向段左侧的气筒上设有第一通道(18)，所述第二环形槽通过第一通道与活塞右侧的腔室连通。
3.根据权利要求2所述的气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，其特征在于：所述第二环形槽的位置低于第一环形槽的位置。
4.根据权利要求3所述的气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，其特征在于：所述气体排放口上安装有防尘盖。
5.根据权利要求4所述的气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，其特征在于：活塞与腔室内壁之间还设置有挡圈(7)，挡圈与密封圈相邻。
6.根据权利要求2至5任一所述的气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，其特征在于：气筒竖向段的左侧固定有横向设置的第一筒体，所述挡板右侧的主阀体为第二筒体，第一筒体与第二筒体固定连接，第一筒体与第二筒体构成所述腔室。
7.根据权利要求6所述的气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，其特征在于：第一筒体与第二筒体螺纹连接。
8.根据权利要求7所述的气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，其特征在于：
第一筒体的左端外壁设有外螺纹，第二筒体右端内壁设有与所述外螺纹匹配的内螺纹。
9.根据权利要求6所述的气控先导磁自锁双稳态发动机控制阀门结构，其特征在于：第一筒体和第二筒体外壁还套接有螺母(8)，螺母内壁两端分别设置有两种旋向相反的内螺纹，螺母均与第一筒体和第二筒体螺纹连接。
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