CN113418037A - 一种空间系统用膜片组件及安全装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间系统用膜片组件及安全装置，用以解决航天系统安全装置技术中结构复杂，不适用于系统集成，且安全性和可靠性差的问题。空间系统用膜片组件包括入口接嘴管、膜片和压环，其中膜片凸面正对膜片组件入口，膜片凹面设有刻痕。本发明还公开了一种空间系统用安全装置，包括膜片组件、安全阀组件和出口接管嘴，当系统超压时，膜片组件入口的压力达到膜片破裂的临界值，膜片失稳翻转并沿刻痕破裂，介质到达安全阀组件入口，当入口的介质压力达到阀芯的开启压力时，介质作用力克服弹簧力使阀芯开启，介质从出口管接嘴流出；当安全阀组件入口的介质压力排放至阀芯的回座压力时，弹簧力克服介质作用力使阀芯关闭，截断介质的排泄通道。

Description

一种空间系统用膜片组件及安全装置

技术领域

本发明涉及一种安全泄放装置，尤其涉及一种空间系统用膜片组件及其安全装置。

背景技术

安全装置作为增压系统中贮箱的保护设备，广泛应用于液体火箭发动机系统及空间推进系统中。对于长期在轨的空间动力系统来说，其系统的增压介质非常有限并十分珍贵，直接影响动力系统的工作寿命。传统的直接作用式安全装置或先导式安全装置，无论是金属硬密封还是软密封，当工作介质为气体，特别是氦气时，很难做到非工作状态下零泄漏的要求。为实现长期在轨期间非工作状态下安全泄放装置的零泄漏要求，系统上一般会在安全装置前设置电磁阀或自锁阀，结构复杂，可靠性低，不适用于系统集成。同时该系统工作存在一定的风险，当电磁阀或自锁阀无法打开时，安全装置就失去了超压保护的功能，这将严重影响系统的安全性和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间系统用膜片组件及安全装置，主要解决了现有安全装置技术中结构复杂，不适用于系统集成，且安全性和可靠性差等缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

本发明提供一种膜片组件，包括膜片，其特殊之处在于：还包括入口接嘴管和压环；

所述膜片加持在入口接管嘴与压环之间，膜片中间为破裂精度高、偏差小的球面形，膜片凸面正对膜片组件入口；

所述膜片凹面设有刻痕。

进一步地，所述入口接嘴管、膜片、压环三者之间通过径向焊接固定，可提高膜片组件整体的安全性及可靠性。

进一步地，所述刻痕为C形槽或十字形槽，C形槽一般用在破裂压力≤5MPa的场合，十字槽一般用在＞5MPa的高压场合。

进一步地，所述膜片球面凸出高度H为0.1D≤H≤0.25D，其中，D为膜片直径，此范围内膜片的承压能力、破裂精度的综合性能最优。

本发明还提供一种空间系统用安全装置，其特殊之处在于，包括空间系统用膜片组件，安全阀组件及出口接管嘴，安全装置整体结构简单，组装也较为方便。

所述膜片组件、安全阀组件及出口接管嘴沿介质流入方向依次连接；

所述膜片组件出口与安全阀组件入口之间设有第一密封垫片；

所述安全阀组件出口与出口接管嘴入口之间设有第二密封垫片，多处密封提高了安全装置整体的密封性，从而提高其安全性和可靠性。

进一步地，所述膜片组件与安全阀组件之间设有容腔，所述容腔的轴向距离L为0.9D≤L≤1.2D，其中，D为膜片直径。距离L太小，影响膜片的翻转角度，同时翻转的膜片可能刮坏过滤网；距离L太大，可能导致膜片翻转后，由于气体膨胀力过大而脱落，进而影响过滤器的过流面积，同时也容易形成多余物。

进一步地，所述安全阀组件包括阀体，依次设置在阀体内的弹簧座、弹簧及阀芯，设置在阀体出口端的外套螺母，外套螺母用于将阀体内部密封，从而提高阀体内各部件工作的稳定性。

所述安全阀组件与出口接管嘴入口之间围成第一内腔，为介质提供了路径保障，确保介质顺利排出。

所述外套螺母、阀体与弹簧座后端面围成第二内腔，用于汇集通过阀体内部的少量介质，而后将其排至第一内腔，进而排出。

所述阀体上设有沿轴线径向均布并连通阀体通道出口与第一内腔的多个第一通孔，多个第一通孔组成了安全阀组件的第一出口，用于将阀体内大量的介质排至第一内腔。

所述外套螺母上设有沿轴线径向均布并连通第二内腔与第一内腔的多个第二通孔，多个第二通孔组成了安全阀组件的第二出口，可用于将阀体内的少量介质排除，保证阀体内部处于零介质状态，进而保证了阀体的使用寿命。

所述阀芯与阀体通道出口之间为密封连接，从而提高安全装置的密封性；

所述阀芯径向截面为六方结构，与阀体内径圆周形成排泄通道，并连通第二内腔。

进一步地，所述安全阀组件与膜片组件相通的通道入口处设有过滤器，有效避免了上游膜片破裂产生的碎屑等多余物对下游阀芯运动灵活性的影响。

进一步地，所述安全阀组件还包括设置在阀体出口端且用于锁紧外套螺母的锁紧螺母。

进一步地，所述膜片组件通过螺纹连接并焊接固定在安全阀组件入口；所述出口接管嘴通过螺纹连接在安全阀组件出口。

本发明的有益效果是：

1、本发明膜片组件中的膜片采用特殊的球面结构设计，工作时介质力正对膜片凸面，膜片凹面设有刻痕，当介质压力达到临界值时，膜片会失稳翻转并沿刻痕破裂，设计的球面形膜片破裂压力精度高、偏差小，特别适用于长期带载的工作场合，其长期带载压力可达破裂压力的80％，偏差范围可达±0.25MPa。

2、本发明膜片组件中的膜片球面凸出高度H为0.1D≤H≤0.25D，其中，D为膜片直径，此范围内膜片的承压能力、破裂精度的综合性能最优。

3、本发明的空间系统用安全装置在膜片组件出口与安全阀组件入口之间设有第一密封垫片；在安全阀组件出口与出口接管嘴入口之间设有第二密封垫片，多处密封实现了安全装置长期在轨期间非工作状态下零泄漏的要求，工作可靠，安全性高。

4、本发明膜片组件与安全阀组件之间设有容腔，容腔为介质流通提供了路径保障，若距离L太小，影响膜片的翻转角度，同时翻转的膜片可能刮坏过滤网；距离L太大，可能导致膜片翻转后，由于气体膨胀力过大而脱落，进而影响过滤器的过流面积，同时也容易形成多余物，因此容腔的轴向距离L为0.9D≤L≤1.2D，D为膜片直径，此范围内安全性及工作的可靠性最佳。

5、本发明安全阀组件阀体内设有弹簧座、弹簧及阀芯，阀体出口端设有外套螺母，以及锁紧外套螺母的锁紧螺母，均用于提高阀体内部的密封性，从而提高阀体内各部件工作的稳定性。阀体入口处还设有过滤器，有效避免了上游膜片破裂产生的碎屑等多余物对下游阀芯运动灵活性的影响。

6、本发明安全阀组件中阀芯与阀体通道出口之间为密封连接，从而提高安全装置的密封性，阀芯径向截面为六方结构，与阀体内径圆周形成排泄通道，为介质顺利通过阀体内部提供了路径保障，提高了安全装置整体工作的可靠性。

7、本发明的空间系统用安全装置设有第一出口，以及与第一出口相通的第一内腔，同时设有第二出口，用于连通第一内腔和第二内腔，确保阀体内部处于零介质状态，进而保证了阀体的使用寿命。

8、本发明采用传统安全阀组件与膜片组件结合的方案，结构简单且经济性好。

附图说明

图1为本发明空间系统用膜片组件结构的剖视图；

图2为本发明空间系统用膜片组件中膜片结构的示意图；

图3为本发明空间系统用膜片组件中膜片结构凹面十字形刻痕示意图；

图4为本发明空间系统用膜片组件中膜片结构凹面C形刻痕示意图；

图5为本发明空间系统用安全装置的剖视图；

图6为本发明空间系统用安全装置中安全阀组件结构的剖视图；

图7为本发明空间系统用安全装置中安全阀组件阀芯结构的剖视图；

图8为本发明空间系统用安全装置中安全阀组件阀芯径向截面示意图。

图中，1-膜片组件，2-第一密封垫片，3-安全阀组件，4-第二密封垫片，5-出口接管嘴，6-阀体，7-过滤器，8-阀芯，9-弹簧，10-锁紧螺母，11-外套螺母，12-弹簧座，13-入口接管嘴，14-膜片，15-压环，16-容腔，17-通道入口，18-排泄通道，19-第一通孔，20-第二通孔，21-第一内腔，22-第二内腔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种空间系统用膜片组件及其安全装置进行详细的说明。

结合图1、图2、图3、图4所示，一种空间系统用膜片组件1包括入口接嘴管13，膜片14和压环15，膜片14加持在入口接管嘴13与压环15之间，入口接嘴管13、膜片14、压环15三者之间通过径向焊接固定。膜片14中间为特殊的球面结构设计，膜片14凸面正对膜片组件1入口，凸出高度H为0.1D≤H≤0.25D时(其中：D为膜片直径)，其承压能力、破裂精度的综合性能最优。膜片14凹面设有刻痕，刻痕为C形槽或十字形槽，C形槽一般用在破裂压力≤5MPa的场合，十字槽一般用在＞5MPa的高压场合，相对于十字槽膜片，C形槽破裂后的流通能力更好。当工作时介质力正对膜片14凸面，主要靠膜片14球面结构变形失稳破裂，当压力达到临界值时突然破裂。

结合图5所示，一种空间系统用安全装置，包括依次连接的膜片组件1、安全阀组件3、出口接管嘴5；膜片组件1出口与安全阀组件3入口之间设有第一密封垫片2，安全阀组件3出口与出口接管嘴5入口之间设有第二密封垫片4；膜片组件1通过螺纹连接并焊接固定在安全阀组件3入口，出口接管嘴5通过螺纹连接在安全阀组件3出口。

膜片组件1与安全阀组件3之间设有容腔16，容腔16的轴向距离L为0.9D≤L≤1.2D时(其中：D为膜片直径)时效果最佳。若距离L太小，会影响膜片14的翻转角度，同时翻转的膜片14可能刮坏过滤器7的滤网；若距离L太大，可能导致膜片14翻转后，由于气体膨胀力过大而脱落，进而影响过滤器7的过流面积，同时也容易形成多余物。

结合图6所示，安全阀组件3包括阀体6，以及依次设置在阀体6内的弹簧座12、弹簧9、阀芯8，阀芯8在弹簧9作用力下与阀体6的通道出口形成密封副；阀体6通道入口处还设有过滤器7，有效避免了上游膜片破裂产生的碎屑等多余物对下游阀芯8运动灵活性的影响；安全阀组件3还包括设置在阀体6另一端的外套螺母11以及用于锁紧外套螺母11的锁紧螺母10，通过调整外套螺母11来调节弹簧9的安装力，从而设定安全阀组件3的开启压力,开启压力设定后通过锁紧螺母10将外套螺母11的位置锁紧固定；阀体6一端还设置有与膜片组件1相通的通道入口17。

结合图7、图8所示，阀芯8与安全阀组件3入口之间为平面密封，也可是锥面密封，可有效防止当通道入口压力低于设置打开压力时，通道入口介质的泄漏，即保证阀芯8与阀体6的密封。

阀芯8径向截面为六方结构，与阀体6内径圆周形成排泄通道18，并连通第二内腔22，六方结构的横截面积A大小与阀芯8的回座压力P相关，即假设弹簧安装力为F，则阀芯8的回座压力P＝F/A；阀芯8径向截面也可为铣扁结构、或三方、或四方等，其结构设计一般取决于横截面积A的设计。

结合图5和图6，阀体6与出口接管嘴5入口之间围成第一内腔21，同时阀体6上设有沿轴线径向均布并连通阀体6通道出口与第一内腔21的多个第一通孔19，由多个第一通孔19组成了安全阀组件3的第一出口，用于将大部分介质排放至第一内腔21，再通过出口接管嘴5排出。

外套螺母11、阀体6与弹簧座12后端面围成第二内腔22，同时外套螺母11上设有沿轴线径向均布并连通第二内腔22与第一内腔21的多个第二通孔20，由多个第二通孔20组成了安全阀组件3的第二出口，少量介质通过阀芯8与阀体6的排泄通道18汇集于第二内腔22，然后通过第二出口汇集到第一内腔21，最后由出口接管嘴5排出。

当系统超压时，即膜片组件1入口的压力达到膜片破裂的临界值时，膜片14突然失稳翻转并沿刻痕破裂，介质到达安全阀组件3入口，当安全阀组件3入口的介质压力达到阀芯8的开启压力时，介质作用力克服弹簧力使阀芯8自动开启，介质从出口管接嘴5流出。当安全阀组件3入口的介质压力排放至阀芯8的回座压力时，弹簧力克服介质作用力使阀芯8自动关闭，截断介质的排泄通道。

Claims (10)

1.一种空间系统用膜片组件(1)，包括膜片(14)，其特征在于：

还包括入口接嘴管(13)和压环(15)；

所述膜片(14)加持在入口接管嘴(13)与压环(15)之间，膜片(14)中间为球面形，膜片(14)凸面正对膜片组件(1)入口；

所述膜片(14)凹面设有刻痕。

2.根据权利要求1所述的空间系统用膜片组件，其特征在于：

所述入口接嘴管(13)、膜片(14)、压环(15)三者之间通过径向焊接固定。

3.根据权利要求1或2所述的空间系统用膜片组件，其特征在于：

所述刻痕为C形槽或十字形槽。

4.根据权利要求3所述的空间系统用膜片组件，其特征在于：

所述膜片(14)球面凸出高度H为0.1D≤H≤0.25D，其中，D为膜片直径。

5.一种空间系统用安全装置，其特征在于：

包括如权利要求1至4任一所述的膜片组件(1)，以及安全阀组件(3)及出口接管嘴(5)；

所述膜片组件(1)、安全阀组件(3)及出口接管嘴(5)沿介质流入方向依次连接；

所述膜片组件(1)出口与安全阀组件(3)入口之间设有第一密封垫片(2)；所述安全阀组件(3)出口与出口接管嘴(5)入口之间设有第二密封垫片(4)。

6.根据权利要求5所述的空间系统用安全装置，其特征在于：

所述膜片组件(1)与安全阀组件(3)之间设有容腔(16)，所述容腔(16)的轴向距离L为0.9D≤L≤1.2D，其中，D为膜片直径。

7.根据权利要求5或6所述的空间系统用安全装置，其特征在于：

所述安全阀组件(3)包括阀体(6)，依次设置在阀体(6)内的弹簧座(12)、弹簧(9)及阀芯(8)，设置在阀体(6)出口端的外套螺母(11)；

所述安全阀组件(3)与出口接管嘴(5)入口之间围成第一内腔(21)；

所述外套螺母(11)、阀体(6)与弹簧座(12)后端面围成第二内腔(22)；

所述阀体(6)上设有沿轴线径向均布并连通阀体(6)通道出口与第一内腔(21)的多个第一通孔(19)，多个第一通孔(19)组成了安全阀组件(3)的第一出口；

所述外套螺母(11)上设有沿轴线径向均布并连通第二内腔(22)与第一内腔(21)的多个第二通孔(20)，多个第二通孔(20)组成了安全阀组件(3)的第二出口；

所述阀芯(8)与阀体(6)通道出口之间为密封连接；

所述阀芯(8)径向截面为六方结构，与阀体(6)内径圆周形成排泄通道(18)，并连通第二内腔(22)。

8.根据权利要求7所述的空间系统用安全装置，其特征在于：

所述安全阀组件(3)与膜片组件(1)相通的通道入口(17)处设有过滤器(7)。

9.根据权利要求8所述的空间系统用安全装置，其特征在于：

所述安全阀组件(3)还包括设置在阀体(6)出口端且用于锁紧外套螺母(11)的锁紧螺母(10)。

10.根据权利要求9所述的空间系统用安全装置，其特征在于：

所述膜片组件(1)通过螺纹连接并焊接固定在安全阀组件(3)入口；

所述出口接管嘴(5)通过螺纹连接在安全阀组件(3)出口。

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