CN111828699A - 一种具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，包括外壳体、动力组件、阀杆、阀芯和阀座，外壳体具有中空的阀腔，外壳体上设置有用于安装阀杆的阀杆口、用于流体流入的入口和用于流体流出的出口；动力组件用于驱动阀杆沿轴向移动；阀芯安装于阀杆的另一端上，阀芯上设置有用于连通有杆腔和无杆腔的通孔；阀座封装于阀腔中、且通过外壳体定位，阀座上设置有调节窗口，动力组件通过阀杆带动阀芯沿阀座上下移动，阀芯的位移决定阀座窗口的开度。本发明通过设置通孔平衡流体作用在阀芯上的力，能减弱介质流动振荡情况，因此工作稳定性更好；利用动力组件带动阀芯直线运动，精确度高。可应用于液氧甲烷变推发动机中，满足流量调节精度的需求。

Description

一种具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀

技术领域

本申请属于阀门技术领域，具体涉及一种具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀。

背景技术

流量调节阀广泛应用于石油化工行业、航天领域，传统的流量调节阀主要有直通式单座调节阀、直通式双座调节阀、鼠笼式调节阀(又称套筒式调节阀或笼式调节阀，由套筒代替了单、双座阀的阀座)、旋塞式调节阀、角式调节阀等。

在可重复使用液体火箭发动机中，发动机推力的调节是实施关键。而调节阀对推进剂的流量调节是推力调节实现的关键组件。而传统阀座开口形状的调节阀，其流量特性的线性度较差、推力调节变化会产生突变，限制了传统的流量调节阀在变推液体火箭发动机中的应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，可应用于液氧甲烷变推发动机中，满足流量调节精度的需求。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，包括外壳体、动力组件、阀杆、阀芯和阀座，其中：

所述外壳体具有中空的阀腔，所述外壳体的壳体上设置有3个连通阀腔与外界的开口，分别为用于安装阀杆的阀杆口、用于流体流入的入口和用于流体流出的出口；

所述动力组件设置于所述外壳体外，所述动力组件的输出轴与所述阀杆的其中一端连接，用于驱动所述阀杆沿轴向移动；

所述阀杆的另一端通过所述阀杆口伸入所述阀腔中，且所述阀杆与所述阀杆口间隙配合；

所述阀芯安装于所述阀杆的另一端上、且位于所述阀腔中，所述阀芯将所述阀腔划分为有杆腔和与所述出口连通的无杆腔，所述阀芯上设置有用于连通所述有杆腔和所述无杆腔的通孔；

所述阀座封装于所述阀腔中、且通过所述外壳体定位，所述阀座上设置有用于连通所述入口和所述出口的调节窗口；所述阀座嵌套于所述阀芯上，所述阀芯可在所述阀座中沿轴向移动，以完全封闭、部分打开或完全打开所述调节窗口。

可选的，所述动力组件包括电机、减速器、位置传感器、加热丝和输出轴；所述输出轴通过轴套与所述阀杆顶部开设的内孔贴合，且所述输出轴通过扩口销与所述阀杆连接固定。

可选的，所述动力组件通过螺钉与所述外壳体连接，所述动力组件与所述外壳体连接的部位设置有隔热垫。

可选的，所述外壳体包括阀体和端盖，所述阀体和所述端盖通过螺钉连接；

所述端盖通过螺钉与所述外壳体连接，所述阀杆口位于所述端盖上，所述入口和所述出口均位于所述阀体上。

可选的，所述阀杆与所述阀杆口之间设置有密封圈，所述端盖上设置有用于压紧所述密封圈的压板。

可选的，所述端盖上开设有用于安装接管嘴的引流孔，所述引流孔与所述阀杆口连通。

可选的，所述阀座为回转体，由直径不同的上端和下端构成，所述阀座整体呈套筒结构，套筒中心通孔用于放置所述阀芯；所述上端通过所述阀体和所述端盖夹紧定位，所述下端与所述阀体的内孔相配合。

可选的，所述套筒中心通孔的底部设置有用于辅助阀芯定位的定位台阶。

可选的，所述下端下部圆柱面上沿周向均匀分布有2个以上所述调节窗口；所述调节窗口为上大下小的T形开口。

可选的，所述阀芯为回转体，外圆柱面与所述套筒中心通孔相配合；所述阀芯的中间为圆形平台，所述圆形平台中心开设螺纹孔、用于安装所述阀杆，所述圆形平台上沿周向均匀分布有2个以上所述通孔；所述阀芯两端沿轴向设有孔，两个孔分别与所述有杆腔和所述无杆腔连通。

由上述技术方案可知，本发明提供的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀包括外壳体、动力组件、阀杆、阀芯和阀座，由设置于外壳体外动力组件驱动阀杆沿轴向移动，提供阀门开启、流量调节、截止的驱动力，动力组件带动阀芯直线运动，精确度高。动力组件通过阀杆驱动阀芯移动，阀座是阀芯运动的导向，阀芯在阀座中沿轴向移动，阀芯的位移决定阀座窗口的开度，流体介质则从入口经阀座调节窗口向出口流动。阀门关闭时阀芯下端面与阀座贴合密封，调节时阀芯下端面与阀座下端面分离，通过控制阀芯移动使之与阀座调节窗口节流面积产生变化，从而控制介质流量的大小，从而实现阀门截止以及阀门开启、流量调节的功能。

本发明提供的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀中，阀芯上设置有用于连通有杆腔和无杆腔的通孔，流体进入阀芯上方空间(有杆腔)，与入口流体对阀芯的轴向力相平衡，阀芯径向流体作用力也相互平衡，流体流过阀芯上的不平衡作用力小，因此稳定性更好，能减弱介质流动振荡情况，有利于阀芯的运动顺畅，避免动作卡滞和入口压力波动的影响。

与现有技术相比，本发明提供的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，运用巧妙的结构设计，平衡流体作用在阀芯上的力，能减弱介质流动振荡情况，因此工作稳定性更好；利用动力组件带动阀芯直线运动，精确度高。可应用于液氧甲烷变推发动机中，满足流量调节精度的需求。

附图说明

图1为本发明实施例中具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀在截止状态下的全剖结构图；

图2为图1的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀在流量调节状态下的全剖结构图；

图3为图1的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀中阀座的结构示意图。

附图标记说明：10-外壳体，11-端盖，12-阀体，13-入口，14-出口，15-阀杆口，16-引流孔，17-有杆腔，18-阀腔，19-无杆腔；20-动力组件；30-阀杆；40-阀芯，41-圆形平台，42-通孔，43-孔；50-阀座，51-调节窗口，52-大端，53-小端，54-定位台阶；60-隔热垫；70-密封圈，71-压板；80-轴套，81-开口销。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

在本发明实施例中，一种具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，应用于液氧甲烷变推发动机中，其结构如图1和图2所示，包括外壳体10、动力组件20、阀杆30、阀芯40和阀座50。相比其它调节阀类型，鼠笼式调节阀流体流过阀芯上的不平衡作用力小，因此稳定性更好，能减弱介质流动振荡情况。通常，阀座是阀芯运动的导向，阀门关闭时阀芯下端面与阀座贴合密封，调节时阀芯下端面与阀座下端面分离。

下面结合一典型实施例对本发明的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀的各组成部分的结构进行详细描述：

外壳体10是该鼠笼式流量调节阀各零部件的安装基础，动力组件20、阀杆30、阀芯40和阀座50均通过外壳体10安装固定。外壳体10具有中空的阀腔18，外壳体10的壳体上设置有3个连通阀腔18与外界的开口，分别为用于安装阀杆30的阀杆口15、用于流体流入的入口13和用于流体流出的出口14。外壳体10既可采用一体式结构，也可采用分体式结构，考虑到该鼠笼式流量调节阀安装维修的方便性，本实施例中外壳体10采用分体式结构。

参见图1和图2，外壳体10包括阀体12和端盖11，阀体12和端盖11通过螺钉连接，端盖11通过螺钉与外壳体10连接，阀杆口15位于端盖11上，入口13和出口14均位于阀体12上。

具体的，端盖11上端与动力组件20连接、下端与阀体12连接，连接方式均为螺钉连接。端盖11沿轴线开设阀杆口15与阀杆30间隙配合，保证阀杆30运动顺畅、同时避免流体泄漏。阀杆口15左侧开设有引流孔16用于安装接管嘴，引流孔16与阀杆口15连通，将泄漏的少量流体介质引出，提高工作可靠性。

阀体12下端通过出口14连接出口管路、右端通过入口13连接入口管路、上端与端盖11相连，连接方式均为螺钉连接。阀体12内轴向开孔(阀腔18)用于放置阀座50，阀座50安装在阀腔18中后，阀座50在周向与阀腔18具有一定间隙，流体从入口13流入后，从阀座50周向调节窗口51流出，避免阀座50受流体不平衡力的影响。

动力组件20用于驱动阀杆30沿轴向移动，动力组件20设置于外壳体10外，动力组件20的输出轴与阀杆30的其中一端连接。动力组件20可采用现有任一输出直线运动的组件，例如气缸、液压缸、直线电机等，具体结构本发明不做限制。

本实施例中，动力组件20包括电机、减速器、位置传感器、加热丝和输出轴。参见图1和图2，动力组件20通过螺钉与外壳体10的端盖11顶部连接，考虑到液氧甲烷变推发动机内部的超低温工况，本实施例中，在动力组件20与端盖11连接的部位设置有隔热垫60，隔热垫60安装于动力组件20和端盖11之间，能有效防止低温介质影响电机工作环境温度，是保障电机正常工作的措施。输出轴通过轴套80与阀杆30顶部开设的内孔贴合，轴套7为“L”形回转体，安装在动力组件20的输出轴与阀杆30之间，进行隔热。输出轴通过扩口销81与阀杆30连接固定，扩口销81是两段圆柱体，插入阀杆30、轴套80以及输出轴的开孔中，保证阀杆30和输出轴运动的一致性。

动力组件20的电机、减速器、输出轴的连接形式参照现有技术，本发明不做限制。位置传感器用于配合控制器精准控制动力组件20的轴向伸缩位置。加热丝用于加热电机工作环境温度，配合隔热垫60共同保证电机工作环境温度不低于零下30℃，可靠性更高。

阀杆30用于将动力组件20输出轴的直线运动传递给阀芯40，参见图1和图2，阀杆30的顶端设置有内孔，用于安装轴套80、与动力组件20的输出轴连接，下端通过阀杆口15伸入阀腔18中，阀杆30下端与阀芯40螺纹连接、并通过螺母锁紧。阀杆30与阀杆口15间隙配合。阀杆30与阀杆口15之间设置有密封圈70，端盖11上设置有用于压紧密封圈70的压板71，通过压板71和O型密封圈70密封，防止流体泄漏。

参见图1和图2，阀芯40安装于阀杆30的下端、且位于阀腔18中，阀芯40将阀腔18划分为与有阀杆口15连通的杆腔17和与出口14连通的无杆腔19，阀芯40上设置有用于连通有杆腔17和无杆腔19的通孔42。

具体的，阀芯40为回转体，外圆柱面与阀座50的中心通孔相配合；阀芯40的中间为圆形平台41，圆形平台41中心开设螺纹孔、用于安装阀杆30，圆形平台41上沿周向均匀分布有2个以上通孔42，保证流体从入口13流入后能进入阀芯40与端盖11形成的空间(有杆腔17)，从而平衡流体对阀芯40的轴向作用力。阀芯40两端沿轴向设有孔43，两个孔分别与有杆腔17和无杆腔19连通，为保证阀芯40两端所受轴向力平衡，两个孔43优选深度相同。

参见图1和图2，阀座50封装于阀腔18中、且通过外壳体10定位，阀座50上设置有用于连通入口13和出口14的调节窗口51；阀座50嵌套于阀芯40上，阀芯40可在阀座50中沿轴向移动，以完全封闭、部分打开或完全打开调节窗口51。

具体的，参见图3，阀座50为回转体，由直径不同的上端52和下端53构成，阀座50整体呈套筒结构，套筒轴向的中心通孔用于放置阀芯40。上端52通过阀体12和端盖11夹紧定位，满足定位要求的同时保证密封性。下端53与阀体12的阀腔18相配合。套筒中心通孔的底部设置有用于辅助阀芯40定位的定位台阶54，如图2所示。下端53下部圆柱面上沿周向均匀分布有2个以上调节窗口51，通过阀芯40的位移调节调节窗口51开度从而调节流量。

流体流量的调节是通过控制阀芯移动使之与阀座调节窗口节流面积产生变化，从而控制介质流量的大小。因此，阀座窗口的形状对于表征流体流过阀时的状态具有很大影响。传统的窗口形状多为圆形、矩形、菱形和网格形等，加工方法一般是在阀座壁面机加工形成。液体火箭发动机中所使用的流量调节阀一般要求其流量特性为线性，推力调节变化均匀。根据液体火箭发动机的调节流量要求，设计阀座调节窗口的拟合型面，本实施例中，调节窗口51为上大下小的T形开口，如图3所示。T形开口实现流量和阀芯位移线性变化，能更好的确保流量的精确调节，满足液氧甲烷低温液体火箭发动机变推力过程中流量的需求。

参见图1和图2，本实施例的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀在液氧甲烷变推发动机中应用时，工作过程如下：

如图1所示，当阀芯40与阀座50下端定位台阶54相贴合时，阀座50周向调节窗口51开度为0，阀门处于关闭状态。

如图2所示，动力组件20接受指令沿轴向直线运动，到达要求的位移后停止。此时阀芯40向上运动相应的位移，阀座50开口开度确定。此时流体从入口通路13流入，经过阀座50的周向窗口51流出。由于调节窗口51开口形状为T形，节流面积与阀座50开口开度为线性关系，因此出口流量与阀芯位移之间线性度关系很好，这对于控制流量调节精度是十分有效的。

在阀门开启后，流体从入口通路13流入，在流入阀芯40下端空间后，通过中间圆形平台41的通孔42流入阀芯40与端盖11之间，此时阀芯40相当于浸没在流体介质中，流体对阀芯的轴向作用力相平衡。阀杆30与端盖11配合面之间的空隙由于采用O形圈密封，可以防止低温流体泄漏。

通过上述实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

1)本发明提供的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，运用巧妙的结构设计，平衡流体作用在阀芯上的力，避免动作卡滞和入口压力波动的影响。阀芯中间的平台设置轴向光孔，流体进入阀芯上方空间与入口流体对阀芯的轴向力相平衡，阀芯径向流体作用力也相互平衡，这有利于阀芯的运动顺畅。

2)本发明提供的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，通过设计阀座T形调节窗口匹配线性流量需求，并且与阀芯的直线运动相配合，实现流量调节阀的流量特性达到要求的线性度。取流量调节范围最大值和最小值两点进行计算，得到流量和阀芯位移的线性函数关系，基于流量试验，证明此方式的流量特性具有良好的线性度。

3)本发明提供的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，在阀座内部底端设置定位台阶，利用阀芯关闭状态时与阀座的紧密贴合，作为流量调节阀同时能起到截止阀的作用。

4)本发明提供的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，利用动力组件带动阀芯直线运动，精确度高。考虑到流体介质为低温液氧液甲烷，为防止电机工作环境温度过低，一方面在动力组件与端盖接触位置设置隔热垫，另一方面动力组件中额外增加发热丝。通过这两个措施保证电机工作环境温度不低于零下30℃，可靠性更高。

5)本发明提供的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，结构设计紧凑合理，适用于低温环境，并且具备精度高，可靠性高等优点，在液氧甲烷低温液体火箭发动机中能得到很好的应用。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，其特征在于：包括外壳体、动力组件、阀杆、阀芯和阀座，其中：

所述外壳体具有中空的阀腔，所述外壳体的壳体上设置有3个连通阀腔与外界的开口，分别为用于安装阀杆的阀杆口、用于流体流入的入口和用于流体流出的出口；

所述动力组件设置于所述外壳体外，所述动力组件的输出轴与所述阀杆的其中一端连接，用于驱动所述阀杆沿轴向移动；

所述阀杆的另一端通过所述阀杆口伸入所述阀腔中，且所述阀杆与所述阀杆口间隙配合；

所述阀芯安装于所述阀杆的另一端上、且位于所述阀腔中，所述阀芯将所述阀腔划分为有杆腔和与所述出口连通的无杆腔，所述阀芯上设置有用于连通所述有杆腔和所述无杆腔的通孔；

所述阀座封装于所述阀腔中、且通过所述外壳体定位，所述阀座上设置有用于连通所述入口和所述出口的调节窗口；所述阀座嵌套于所述阀芯上，所述阀芯可在所述阀座中沿轴向移动，以完全封闭、部分打开或完全打开所述调节窗口。

2.如权利要求1所述的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，其特征在于：所述动力组件包括电机、减速器、位置传感器、加热丝和输出轴；所述输出轴通过轴套与所述阀杆顶部开设的内孔贴合，且所述输出轴通过扩口销与所述阀杆连接固定。

3.如权利要求1或2所述的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，其特征在于：所述动力组件通过螺钉与所述外壳体连接，所述动力组件与所述外壳体连接的部位设置有隔热垫。

4.如权利要求1或2所述的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，其特征在于：所述外壳体包括阀体和端盖，所述阀体和所述端盖通过螺钉连接；

所述端盖通过螺钉与所述外壳体连接，所述阀杆口位于所述端盖上，所述入口和所述出口均位于所述阀体上。

5.如权利要求4所述的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，其特征在于：所述阀杆与所述阀杆口之间设置有密封圈，所述端盖上设置有用于压紧所述密封圈的压板。

6.如权利要求5所述的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，其特征在于：所述端盖上开设有用于安装接管嘴的引流孔，所述引流孔与所述阀杆口连通。

7.如权利要求4所述的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，其特征在于：所述阀座为回转体，由直径不同的上端和下端构成，所述阀座整体呈套筒结构，套筒中心通孔用于放置所述阀芯；所述上端通过所述阀体和所述端盖夹紧定位，所述下端与所述阀体的内孔相配合。

8.如权利要求7所述的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，其特征在于：所述套筒中心通孔的底部设置有用于辅助阀芯定位的定位台阶。

9.如权利要求7所述的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，其特征在于：所述下端下部圆柱面上沿周向均匀分布有2个以上所述调节窗口；所述调节窗口为上大下小的T形开口。

10.如权利要求7-9中任一项所述的具有调节窗口的鼠笼式流量调节阀，其特征在于：所述阀芯为回转体，外圆柱面与所述套筒中心通孔相配合；所述阀芯的中间为圆形平台，所述圆形平台中心开设螺纹孔、用于安装所述阀杆，所述圆形平台上沿周向均匀分布有2个以上所述通孔；所述阀芯两端沿轴向设有孔，两个孔分别与所述有杆腔和所述无杆腔连通。

Images