CN110454300B - 用于液体火箭发动机的阀门结构及液体发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于液体火箭发动机的阀门结构及液体发动机。本发明的阀门结构和液体发动机，通过在阀门的主体部一侧设置作动筒，并在液体推进剂入口处设置活门及弹性件，可以通过向作动筒中通入控制气，调整阀门的开关状态，并在撤销控制气时，通过弹性件及介质压力将活门保持在原有位置，从而可以以较小的控制气用量，实现对推进剂出入口的开关，改善液体发动机的工作性能。

Description

用于液体火箭发动机的阀门结构及液体发动机

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机的阀门技术领域，尤其涉及一种用于液体火箭发动机的阀门结构及液体发动机。

背景技术

阀门是实现液体火箭发动机启动和关机的重要部件。低温液体火箭发动机的介质为超低温推进剂，介质温区通常在20K～120K左右，压力在10MPa以上。阀门操作气通常为压力20MPa左右的高压气。

目前国内现役低温液体火箭发动机使用的液体推进剂包括液氢和液氧，国内一些在研型号采用了液态甲烷作为推进剂。作为一种新型超低温推进剂，液态甲烷推进剂的温区也在20K～120K，推进剂压力在10MPa以上。

采用传统低温推进剂的液体发动机中所使用的阀门的动密封装置通常为金属波纹管方案和贵金属镀层。阀门可以通过高压氦气动作执行开关机，在阀门动作到位之后，需要继续通控制气保持阀门当前状态，降低了阀门工作的可靠性。

亟需提供一种适用于低温环境、且具有状态保持功能的阀门结构，从而为液氧甲烷推进剂用于液体运载火箭打下基础。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于液体火箭发动机的阀门结构及液体发动机。该阀门结构可以很好的适应低温液体火箭发动机，在可靠密封控制气和液体推进剂的前提下，减少发动机控制气的用量。

本发明的一个方面提供了一种用于液体火箭发动机的阀门结构，包括沿第一方向具有贯穿通孔的主体部、用于与所述主体部在所述第一方向上的一端密封连接的作动筒及用于与所述主体部在所述第一方向上的另一端密封连接的盖板；所述贯穿通孔包括所述主体部沿所述第一方向的两端分别向内形成的第一开孔和第二开孔，所述主体部设置与所述第二开孔连通的介质入口和介质出口；所述主体部在形成所述第二开孔的内侧设置活门，所述活门的外侧抵触在所述主体部在所述第二开孔处的内壁上，且所述活门配置为在受到沿所述第一方向的力时沿所述内壁运动；所述活门与所述盖板之间压缩地设置弹性件，所述弹性件对所述活门施加朝向所述作动筒的力，以使所述活门远离所述盖板一端抵触在所述主体部的限位结构上，从而所述活门关闭所述介质入口；所述作动筒的筒腔连通所述第一开孔，所述作动筒内设有活塞，所述活塞与所述作动筒的内壁之间设有第一密封结构，以将所述筒腔与所述第一开孔形成的空间分隔为彼此密封的两个部分；所述作动筒在远离所述主体部的一端设有开腔，所述主体部在形成所述第一腔体的部分设有关腔；所述活塞与所述活门通过沿所述第一方向设置在所述贯穿通孔的杆状部件连接，所述杆状部件在所述第一开孔和所述第二开孔之间部分的外侧与所述主体部的内侧分别通过彼此间隔的第一密封装置和第二密封装置密封，从而所述第一密封装置用于密封从所述开腔和所述关腔进入的高压控制气，所述第二密封装置用于密封从所述第二开孔中泄漏的液体介质；所述开腔在通入高压控制气时，推动所述活塞带动所述杆状部件及所述活门沿所述第二开孔的内壁向靠近所述盖板方向运动，以使所述介质入口与所述介质出口连通，并且所述活门通过介质压力被限制在使所述介质入口和所述介质出口连通的位置；所述关腔在通入高压控制气体时，推动所述活塞带动所述杆状部件及所述活门沿所述第二开孔的内壁向远离所述盖板方向运动，以关闭所述介质入口，并且所述活门通过所述弹性件被限制在使所述介质入口和所述介质出口关闭的位置。

在一个实施例中，所述主体部在所述第一开孔和所述第二开孔之间的部分设有环形凸起，所述第一密封装置和所述第二密封装置彼此间隔的设置在所述杆状部件外侧与所述环形凸起之间。

在一个实施例中，所述第一密封装置和所述第二密封装置均为泛塞圈结构。

在一个实施例中，所述泛塞圈结构包括位于外侧的非金属夹套及位于内侧的蓄能弹簧。

在一个实施例中，所述活门靠近所述盖板的一端设有腔体，所述盖板设有连通所述腔体的泄出口。

在一个实施例中，所述弹性件为弹簧、压簧或板簧。

在一个实施例中，所述活塞和所述活门彼此面对的部分分别设有配合所述杆状部件两端的结构。

在一个实施例中，所述限位结构为设于所述主体部内侧的环形凸起，所述环形凸起通过与所述活门边沿抵接限制所述活门向所述作动筒的运动。

本发明的另一个方面提供了一种液体发动机，包括如上所述的阀门结构。

本发明的阀门结构和液体发动机，通过在阀门的主体部一侧设置作动筒，并在液体推进剂入口处设置活门及弹性件，可以通过向作动筒中通入控制气，调整阀门的开关状态，并在撤销控制气时，通过弹性件及介质压力的共同作用将活门保持在原有位置，从而可以以较小的控制气用量，实现对推进剂出入口的开关，改善液体发动机的工作性能。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1-3为本发明实施例的阀门结构示意图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

现役低温液氢液氧火箭发动机中的多种阀门均采用了金属波纹管动密封技术，这种动密封技术在实际应用中具有零泄漏的优点，在低介质压力环境下，对于小尺寸阀门具有较好的适用性。然而，大尺寸金属波纹管的成型困难，且生产周期长，空间结构大，寿命低，可靠性差，导致采购成本增加，严重制约了金属波纹管在阀门中的应用。

通常情况下，主流液体火箭发动机推进剂压力普遍在10MPa以上。发动机的控制气压力通常达到20MPa以上，为了减少发动机自带控制气体积和阀门作动腔的结构尺寸，同时，实现对波纹管的有效控制，控制气压力需要保持在一定范围内。因此，发动机系统需要在控制气系统增加降压和稳压设计，从而导致发动机的组件数量增加，可靠性降低。本申请中通过在阀门结构中使用泛塞圈动密封结构，实现了宽压力范围的密封，且不需要降压和稳压系统，提高了发动机的可靠性。

此外，为了保持现役的液体火箭发动机的阀门处于打开或关闭状态，需要在阀门工作过程中一直向控制腔通控制气，这样发动机需要自带大量的控制气，显著地增加了发动机的重量和结构尺寸。另外，发动机的工作环境冷热温差大，且工作过程中的振动强度高、持续向阀门控制腔通控制气会严重影响发动机的可靠性。

本发明的一个方面提供了一种用于液体火箭发动机的阀门结构。参见图1，阀门结构包括沿第一方向S1具有贯穿通孔的主体部1，用于与主体部1在第一方向S1上的一端密封连接的作动筒2及用于与主体部1在第一方向S1上的另一端密封连接的盖板3。

贯穿通孔包括主体部1沿第一方向S1的两端分别向内形成的第一开孔11和第二开孔12，主体部1设置与第二开孔12连通的介质入口13和介质出口14。主体部1在形成第二开孔12的内侧设置活门4，活门4的外侧抵触在主体部1在第二开孔12处的内壁上，且活门4配置为在受到沿第一方向S1的力时沿所述内壁运动。

例如，主体部1的介质入口13和介质出口14可以设置在其彼此相反的两侧，介质入口13可以与第二开孔12沿第一方向S1的中部连通，介质出口14与第二开孔12沿第一方向S1远离盖板3的端部连通，且介质入口13与介质出口14在第一方向S1上彼此间隔。例如，介质入口13和介质出口14可以与第一方向S1垂直。

活门4与盖板3之间压缩地设置弹性件5，弹性件5对活门4施加朝向作动筒2的力，以使活门4远离盖板3一端抵触在主体部1的限位结构15上，从而活门4关闭介质入口11。

作动筒2的筒腔连通第一开孔11，作动筒2内设有活塞6，活塞6与作动筒2的内壁之间设有第一密封结构7，以将筒腔与第一开孔11形成的空间分隔为彼此密封的两个部分。作动筒2在远离主体部1的一端设有开腔21，主体部1在形成第一开孔11的部分设有关腔16。

活塞6与活门4通过沿第一方向S1设置在贯穿通孔的杆状部件8连接，杆状部件8在所述第一腔体11和第二腔体12之间部分的外侧与主体部1的内侧分别通过彼此间隔的第一密封装置9和第二密封装置密封10，从而第一密封装置9用于密封从开腔21和关腔16进入的高压控制气，第二密封装置10用于密封从第二开孔12中泄漏的液体介质。

开腔21在通入高压控制气时，推动活塞6带动杆状部件8及活门4沿第二开孔12的内壁向靠近盖板3方向运动，以使介质入口13与介质出口14连通，并且活门4通过介质压力被限制在使介质入口13和介质出口14连通的位置。

关腔16在通入高压控制气体时，推动活塞6带动杆状部件8及活门4沿所述第二开孔12的内壁向远离盖板3方向运动，以关闭所述介质入口13，并且活门4通过弹性件5被限制在使介质入口13和介质出口14关闭的位置。

本发明实施例的阀门结构，通过在作动筒、主体部的开腔和关腔通入控制气，可以推动作动筒内的活塞带动杆状部件及活门运动，实现对介质入口的开关，并通过弹性件及介质压力将活门保持在工作位，在降低控制气的用量的前提下，改善阀门性能。

需要说明的是，当阀门处于关闭状态下，活门4可以在从介质入口13流入的介质压力和弹性件5的共同作用下保持密封，即不需要关腔16持续通控制气。同样，阀门打出打开状态下，活门4与泄出口(盖板3设置泄出口的情况下)之间形成一个低压腔，与入口的高压介质形成压差，介质压差克服弹性件的弹力使活门处于打开状态。例如，也可以同时在作动筒2的开腔21通入控制气，使其与介质压差力配合，共同使活门4处于打开位置，这种本申请基础上的变形设计，也属于本申请的保护范围。

参见图2，例如，在一个实施例中，主体部1在第一开孔11和第二开孔12之间的部分设有环形凸起17，第一密封装置9和第二密封装置10彼此间隔的设置在杆状部件8外侧与环形凸起17之间。本发明实施例的阀门结构，通过在两个腔体件设置环形凸起，并在环形凸起与杆状部件外侧之间设置密封装置，可以有效减小密封装置的径向尺寸，提高密封效果。

例如，在环形凸起17与杆状部件8之间，且位于第一密封装置9和第二密封装置10之间还可以设置第三密封装置，从而第三密封装置和第一密封装置9之间形成阻挡气体的密封区，且第三密封装置和第二密封装置10之间形成阻挡液体介质的密封区，可以显著改善密封效果，避免气液发生泄露。例如，第三密封装置可以为泛塞圈结构或金属波纹管结构。

在该实施例中，例如，第一密封装置9和第二密封装置10均为动密封结构。例如，第一密封装置9和第二密封装置10均为泛塞圈结构。

例如，所述泛塞圈结构包括位于外侧的非金属夹套及位于内侧的蓄能弹簧。例如，非金属密封夹套可以由四氟乙烯、填充聚四氟乙烯或其它高性能聚合材料经精密车加工获得。例如，蓄能弹簧可以由耐腐蚀金属制备。非金属夹套和蓄能弹簧的材料选择，可确保泛塞圈在-268℃-427℃的温度范围内性能稳定，在用于液体火箭发动机低温密封阀时，不会与大多数液体介质发生反应。

需要补充说明的是，泛塞密封圈具有如下优点：

(1)采用泛塞圈动密封形式的低温高压液体火箭发动机用阀门产品的动密封结构简单可靠、生产周期短、成本低、满足高压低温动密封要求。

(2)与现有的液体火箭发动机用高压阀门相比，泛塞圈动密封结构在低温液体火箭发动机中适应性高，动密封结构尺寸比金属波纹管动密封结构紧凑，结构尺寸小，从而减小了阀体结构尺寸和重量，提高液体发动机的推重比。

(3)泛塞圈具有介质压力自紧作用，在压力许用范围内，同种操作力的情况下，可以提高阀门的控制气压力，减小活塞作用面积，进而减小阀门作动机构的结构尺寸，减少发动机自带气瓶的体积，减少发动机用气量，提高了低温液体火箭发动机的可靠性和推重比等性能参数。

例如，泛塞圈可以设置在密封沟槽内，即在杆状部件8的外侧、主体部1的环形凸起17外表面匹配地设置环形沟槽，并将泛塞圈设置在环形沟槽内，从而泛塞圈的内侧进入杆状部件8外侧地环形沟槽，且外径部分进入环形凸起17表面的环形凹槽中。在泛塞圈设置在密封沟槽内的时候，泛塞圈内的弹簧由于受到压力而向外形成支撑，促使夹套唇边紧贴密封沟槽，由此在环形凸起17与杆状部件8之间，形成可靠、紧密密封结构。

此外，弹簧可以给密封夹套提供永久弹力，可以有效弥补密封材料磨损及配合零件的偏移和偏心，为泛塞圈提供冗余的初始密封力。当液体介质进入泛塞圈的内腔，可以撑起非金属夹套，起到自紧式密封效果，实现更高的密封力。也就是说，在允许的压力范围内，液体介质的压力越高，密封效果越好。

在一个实施例中，弹性件5为弹簧、压簧或板簧。且弹性件5压缩地设置在盖板3与活门4之间，以对活门4施加朝向作动筒2侧的弹性力。此外，弹性件5对活门4施加的弹性力大小，可以根据液体介质入口13的高压液体与泄出口31(在盖板设置泄出口的情况下)之间的压差决定。即在活门4处于使介质入口13打开的位置时，上述压差能够抵抗处于压缩状态的弹性件的回弹力，从而即使在开腔21停止通气时，液体介质仍然能够从介质入口13流入，并从介质出口14流出。例如，上述打开的位置可以是使介质入口13完全打开的位置。

本发明实施例的阀门结构在关闭时靠入口介质压力和弹簧力(在弹性件为弹簧的情况下)保持出口密封，且打开时靠介质入口与泄出口的压差克服弹簧力保持出口打开。具体而言，在阀门从关闭状态向打开状态转换时，需要通入控制气，阀门动作到位以后，控制气断开，高压介质压力克服弹簧回弹力使介质出口处于打开状态。阀门结构需要从打开状态向关闭状态转换时，需要向阀门控制腔通入控制气使其关闭，阀门关闭到位之后控制气断开，阀门靠介质压力和弹簧力保持密封。即阀门只在动作时通控制气，动作到位以后即断开控制气，从而节约发动机自带的控制气量，提高发动机可靠性。

参见图3，在一个实施例中，活门4靠近盖板3的一端设有腔体41，盖板3设有连通腔体41的泄出口31。例如，腔体41可以为一端具有开孔的圆柱形空腔(图3中所示朝向盖板3的腔体)，大致为圆柱形的弹性件5(图3中所示为圆柱形弹簧)可以抵接在圆柱形空腔的侧壁上，且处于压缩状态，以对活门4施加朝向作动筒2方向的力。例如，腔体41的底部(远离盖板侧)设有用以匹配弹性件的凹槽，从而避免弹性件在腔体底部发生滑动，提高阀门工作的可靠性。

在一个实施例中，活塞6和活门4彼此面对的部分分别设有配合杆状部件8两端的结构。例如，如图所示，杆状部件8可以为轴结构，轴结构的与活塞6匹配的一端具有直径逐渐减小的部分，且活塞6的配合端设有与轴结构端部匹配的槽。相应地，活门4的配合端具有圆柱形槽，轴结构的另一端插入活门4的圆柱形槽中与之匹配。例如，活塞6的圆柱形槽和活门4的槽可以均与轴的对应端过盈配合，从而确保轴结构不会沿径向方向偏移，改善阀门工作的可靠性。

在一个实施例中，限位结构15为设于主体部1内侧的环形凸起，环形凸起通过与活门4边沿抵接限制活门4向作动筒2的运动。活门4向作动筒2的运动极限位置即是其边沿与环形凸起抵接的位置，且在活门4抵接环形凸起时，其侧壁可以恰好完全使介质入口13闭合。

以上实施例可以彼此组合，且具有更好的技术效果。

本发明的另一个方面提供了一种液体发动机，包括如上所述的阀门结构。本发明的液体发动机采用了上述各实施例中的阀门结构，因此具有相应的技术效果。

本发明的阀门结构和液体发动机，通过在阀门的主体部一侧设置作动筒，并在液体推进剂入口处设置活门及弹性件，可以通过向作动筒中通入控制气，调整阀门的开关状态，并在撤销控制气时，通过弹性件及介质将活门保持在原有位置，可以以较小的控制气用量，实现对推进剂出入口的开关，改善液体发动机的工作性能。

与现有的液体火箭发动机用高压阀门相比，本发明的实施例的阀门结构，使用泛塞圈密封结构在液体火箭发动机具有很好的适应性，动密封结构的尺寸比金属波纹管动密封结构更加紧凑，减小了阀体的结构尺寸和重量。

此外，泛塞圈具有介质压力自紧作用，在压力允许范围内，同种操作力的情况下，可以提高阀门的控制力，减小活塞的作用面积，减小阀门作动结构尺寸，进而减小发动机自带气瓶的体积，提高火箭的运载力。

另外，阀门具有动作到位后的自保持功能，即在通控制气且阀门动作到位后，不在需要继续通气维持，减少了发动机控制的用气量，提高了发动机的可靠性，从而进一步提高低温液体火箭发动机的可靠性及推重比等性能参数。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种用于液体火箭发动机的阀门结构，其特征在于，包括沿第一方向具有贯穿通孔的主体部、用于与所述主体部在所述第一方向上的一端密封连接的作动筒及用于与所述主体部在所述第一方向上的另一端密封连接的盖板；

所述贯穿通孔包括所述主体部沿所述第一方向的两端分别向内形成的第一开孔和第二开孔，所述主体部设置与所述第二开孔连通的介质入口和介质出口；所述主体部在形成所述第二开孔的内侧设置活门，所述活门的外侧抵触在所述主体部在所述第二开孔处的内壁上，且所述活门配置为在受到沿所述第一方向的力时沿所述内壁运动；

所述活门与所述盖板之间压缩地设置弹性件，所述弹性件对所述活门施加朝向所述作动筒的力，以使所述活门远离所述盖板一端抵触在所述主体部的限位结构上，从而所述活门关闭所述介质入口；所述活门靠近盖板一侧设置腔体，所述弹性件设置在所述腔体内，所述盖板设置连通所述腔体的泄出口，所述泄出口用于与所述介质入口之间形成压差，以克服所述弹性件的弹力使介质入口保持打开状态；

所述作动筒的筒腔连通所述第一开孔，所述作动筒内设有活塞，所述活塞与所述作动筒的内壁之间设有第一密封结构，以将所述筒腔与所述第一开孔形成的空间分隔为彼此密封的两个部分；所述作动筒在远离所述主体部的一端设有开腔，所述主体部在形成所述第一开孔的部分设有关腔；

所述活塞与所述活门通过沿所述第一方向设置在所述贯穿通孔的杆状部件连接，所述杆状部件在所述第一开孔和所述第二开孔之间部分的外侧与所述主体部的内侧分别通过彼此间隔的第一密封装置和第二密封装置密封，从而所述第一密封装置用于密封从所述开腔和所述关腔进入的高压控制气，所述第二密封装置用于密封从所述第二开孔中泄漏的液体介质；所述第一密封装置和所述第二密封装置为泛塞圈结构；

所述开腔在通入高压控制气时，推动所述活塞带动所述杆状部件及所述活门沿所述第二开孔的内壁向靠近所述盖板方向运动，以使所述介质入口与所述介质出口连通，并且所述活门通过介质压力被限制在使所述介质入口和所述介质出口连通的位置；所述关腔在通入高压控制气体时，推动所述活塞带动所述杆状部件及所述活门沿所述第二开孔的内壁向远离所述盖板方向运动，以关闭所述介质入口，并且所述活门通过所述弹性件被限制在使所述介质入口和所述介质出口关闭的位置。

2.根据权利要求1所述的阀门结构，其特征在于，所述主体部在所述第一开孔和所述第二开孔之间的部分设有环形凸起，所述第一密封装置和所述第二密封装置彼此间隔的设置在所述杆状部件外侧与所述环形凸起之间。

3.根据权利要求1所述的阀门结构，其特征在于，所述泛塞圈结构包括位于外侧的非金属夹套及位于内侧的蓄能弹簧。

4.根据权利要求1所述的阀门结构，其特征在于，所述弹性件为弹簧、压簧或板簧。

5.根据权利要求1所述的阀门结构，其特征在于，所述活塞和所述活门彼此面对的部分分别设有配合所述杆状部件两端的结构。

6.根据权利要求1所述的阀门结构，其特征在于，所述限位结构为设于所述主体部内侧的环形凸起，所述环形凸起通过与所述活门边沿抵接限制所述活门向所述作动筒的运动。

7.一种液体发动机，其特征在于，包括如1-6任一项所述的阀门结构。

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