CN114060574A - 一种单向阀、火箭发动机增压系统及火箭发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单向阀、火箭发动机增压系统及火箭发动机。单向阀包括导向筒、阀体和阀芯。导向筒具有敞口端和闭口端，还具有由闭口端向敞口段过渡的第一凸台；阀体与导向筒外壁连接形成主腔，还具有与主腔连通的进口通道和出口通道；阀芯轴向横截面为T型，直径小的一端为连接端，直径大的一端为施力端，连接端通过弹性件移动设置于导向筒内的第一凸台，施力端用于在弹性件的作用下密封进口通道。闭口端与弹性件之间形成排放腔，并在导向筒形成排放腔的部分设置泄漏口，用于排出由主腔泄漏至排放腔的介质。其中，在施力端密封进口通道状态下，施力端厚度方向上的两个面与主腔接触的面积相同，以防止阀门在反向接通高压介质时被打开。

Description

一种单向阀、火箭发动机增压系统及火箭发动机

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机技术领域，具体涉及一种单向阀、火箭发动机增压系统及火箭发动机。

背景技术

单向阀在工业中广泛应用，在液体火箭发动机中尤为常见，主要用来控制增压系统、吹除系统等系统介质的单向流动。传统的液体火箭发动机中最常用的是简单的正向卸荷式单向阀。此种单向阀结构简单，但是在小流量状态下容易发生颤振，对发动机的稳定性不利，在大流量状态下流阻较大，发动机的性能损失较大。而且常用的单向阀反向通入高压介质时易被打开，因此，亟需提供一种能够防止颤振、流阻较低且可以防止反向密封被破坏的单向阀。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提供了一种单向阀、火箭发动机增压系统及火箭发动机。通过将阀芯的横截面设置为T型，且T型阀芯封堵进口通道后，T型阀芯用于密封进口通道的施力端在其厚度方向上的两个面与主腔接触的面积相同，可以有效实现单向阀在高压下的反向密封，解决了传统单向阀在反向高压介质时阀芯密封容易破坏的问题，可以使发动机的反向气密压力大幅提高。本发明的进、出口直角流道的设计可以显著降低单向阀的流阻，减少流动损失，有益于整个发动机系统的优化。

本发明一方面提供了一种单向阀，包括：导向筒、阀体和阀芯。所述导向筒具有敞口端和闭口端，还具有由所述闭口端向所述敞口段过渡的第一凸台；所述阀体与所述导向筒外壁连接形成主腔，还具有与所述主腔连通的进口通道和出口通道；所述阀芯移动设置于所述导向筒；所述阀芯轴向横截面为T型，直径小的一端为连接端，直径大的一端为施力端；所述连接端通过弹性件设置于所述导向筒内的第一凸台，所述施力端用于在弹性件的作用下密封所述进口通道；

所述闭口端与所述弹性件之间形成排放腔，并在所述导向筒形成所述排放腔的部分设置泄漏口，用于排出由所述主腔泄漏至所述排放腔的介质；其中，在所述施力端密封所述进口通道状态下，所述施力端厚度方向上与所述主腔接触的两个面的受力面积相同，以防止阀门在反向接通高压介质时被打开。

在一个实施例中，所述进口通道靠近所述主腔的位置具有用于与所述施力端接触的第二凸台，所述第二凸台的外径与所述连接端外径相等。

在一个实施例中，所述进口通道与所述出口通道趋于垂直设置，以降低单向阀的流阻，减少流动损失。

在一个实施例中，所述阀体与所述导向筒连接端设有用于密封的石墨垫。

在一个实施例中，所述阀芯与所述导向筒之间设有用于密封的泛塞圈。

在一个实施例中，所述导向筒在所述泄漏口的外侧设置橡皮碗，用于防止水蒸气倒吸。

在一个实施例中，所述阀芯的连接端具有内部通道，所述弹性件设置于所述内部通道，且一端与所述第一凸台抵接。

在一个实施例中，所述导向筒向外形成第三凸台，所述阀体远离所述进口通道的端面抵接在所述第三凸台，所述阀体靠近该端面的内侧包裹在所述导向筒远离所述排放腔的外侧，并通过螺钉将所述阀体与所述导向筒连接。

本发明的另一个方面还提供了一种火箭发动机增压系统，包括以上任意一个实施例中的单向阀。

本发明的另一个方面还提供了一种火箭发动机，包括以上任意一个实施例中的单向阀。

本发明提供的一种单向阀、火箭发动机增压系统以及火箭发动机具有如下有益效果：

通过将阀芯头部设计为横截面为T型的结构，可以有效实现单向阀在高压下的反向密封，解决了传统单向阀在反向高压介质进行气密性检查时阀口密封容易被破坏的问题，可以使发动机的反向气密压力大幅提高；

本发明通过阀芯、导向筒以及二者之间动密封的设置，可以改变使阀芯打开的主动力来源，由传统的进、出口压差改进为完全依靠进口的介质压力。将阀芯打开的主动力与进、出口流阻分离开来，可以增加阀芯打开的稳定性，可以有效解决小流量工况下单向阀会发生颤振的问题，提高了发动机稳定性；

本发明的进、出口直角流道的设计可以显著降低单向阀的流阻，减少流动损失，有益于整个发动机系统的优化。

在阅读具体实施方式并且在查看附图之后，本领域的技术人员将认识到另外的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的单向阀关闭状态下的结构示意图。

图2是本发明实施例的单向阀开启状态下的结构示意图

图3是本发明实施例的单向阀的爆炸结构图。

图4是本发明实施例的单向阀的T型阀芯施力端结构图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。

参见图1和图3，本发明的一方面提供了一种单向阀，包括导向筒1、阀体2和阀芯3。导向筒1具有敞口端和闭口端，还具有由闭口端向敞口段过渡的第一凸台11。第一凸台11用于供阀芯3设置于导向筒1内。阀体2与导向筒1外壁连接后形成主腔A，阀体2还具有与主腔A连通的进口通道21和出口通道22，实现高压介质可以由进口通道21进入主腔A后再由出口通道22流出。阀芯3移动设置于导向筒1，从而可以实现发动机未启动时阀芯3将进口通道21密封。发动机启动后，阀芯3被进口通道21内的高压介质推开，使高压介质进入主腔A后由出口通道22流出。

阀芯3轴向横截面为T型，直径小的一端为连接端31，直径大的一端为施力端32。施力端32用于密封进口通道的一侧的面积大于进口通道21的面积，保证即使在施力端32偏移一点位置的情况下也可以实现对进口通道21的有效密封。

发动机刚启动时，阀门进口通道的工质流量、压强较低，传统的单向阀是利用进、出口的压差来克服弹性力，而进、出口压差相对较小且不稳定，此时容易发生颤振。为了解决此问题，本发明采用的是依靠进口介质压力来克服弹性力。具体地，连接端31通过弹性件4设置于导向筒1内的第一凸台11，施力端32用于在弹性件4的作用下密封进口通道21。阀芯运动方向的力完全取决于进口通道的介质力和弹性件的合力，而介质力要比进、出口的压差更稳定，因此，本发明可以克服传统单向阀在小流量工况时容易发生颤振的问题。

其中，导向筒1的闭口端与弹性件4之间形成排放腔B，并在导向筒1形成排放腔B的部分设置泄漏口12，用于排出由主腔A泄漏至排放腔B的介质，同时也便于阀芯3打开进口通道21，保证阀门可以正常开启。

参见图1和图4，需要特别说明的是，在施力端32密封进口通道21状态下，施力端32厚度方向上与主腔A接触的C面和D面的受力面积相同，可以防止阀门在反向接通高压介质时被打开。也就是说，本发明实施例的单向阀在图1的状态下，施力端32将进口通道21压紧密封后，施力端左侧与阀体间隔设置且与主腔A接触的面C，和施力端的右侧面D，两者与主腔A接触的面积相等，受力面积也相等。保证在反向接通介质(介质从出口通道进入)进行气密检查时，阀芯的施力端左侧面C和右侧面D的受力面积相等，从而阀芯两端的受力面积相等，使介质的作用力相互抵消，保证此时阀芯所受合力只有弹性件安装力，因此，不论反向通入多高压强的介质，阀门可以一直起到密封的作用，解决了传统单向阀在反向高压介质下阀门进口通道密封状态被破坏的问题。

参见图1、图2和图4，在一个实施例中，进口通道21靠近主腔A的位置具有用于与施力端32接触的第二凸台23。施力端32与第二凸台23接触后实现对进口通道21的密封(图1的状态)，同时也可以保证施力端32未与第二凸台23接触的位置直接与主腔A接触，进而实现反向接通介质时施力端32两个侧面受到的介质作用力可以相互抵消。进一步地，可以将第二凸台23的外径与连接端31的外径设置为相等，施力端32厚度方向上的右面D与连接端31连接，左面C与第二凸台23抵接，由于第二凸台23外径与连接端31的外径相等，因此施力端32左面C和右面D与主腔A的接触面积完全相等,从而受力面积也完全相等。

本发明实施例的单向阀，通过在进口通道靠近主腔的位置设置第二凸台，将第二凸台外径与连接端外径设置为相等，使阀芯的施力端与第二凸台压紧后，该压紧面的其他部分与阀体间隔设置，从而保证施力端的两个侧面与主腔A接触的面积相等，可以有效实现单向阀在高压下的反向密封，解决了传统单向阀在反向接通高压介质时阀门密封状态容易被破坏的问题，可以使发动机的反向气密压力大幅提高。

在一个实施例中，进口通道21与出口通道22趋于垂直设置，以降低单向阀的流阻，减少流动损失，有益于整个发动机系统的优化。具体地，可以将进口通道21与出口通道22的角度设置在80°至95°之间。作为优选，可以将进口通道21与出口通道22之间的角度设置为90°。本发明实施例的单向阀通过将进口通道与出口通道之间的流道改为趋于直角的流道，可以显著降低单向阀的流阻，提升系统的性能。

在一个实施例中，为增加单向阀的整体密封性，可以在阀体2与导向筒1的连接端设置用于密封的石墨垫6。具体的，阀体将导向筒包裹在内，且在阀体内壁和导向筒外壁之间设置石墨垫，并将阀体与导向筒固定连接，从而可以明显提升单向阀的气密性。

参见图2，进一步地，导向筒1向外形成第三凸台13，阀体2远离进口通道21的端面抵接在第三凸台13。阀体2靠近该端面的内侧包裹在导向筒1远离排放腔B的外侧，并通过螺钉将阀体2与导向筒1连接。并在第三凸台与阀体2对接部分之间设置石墨垫6，从而进一步提升了单向阀的密封性。

在一个实施例中，本发明实施例中的导向筒与阀芯之间是运动副，为了防止主腔A内的介质过多的泄露至排放腔B，可以在阀芯3与导向筒1之间设置泛塞圈7，采用泛塞圈动密封的方式增加阀芯与导向筒之间的密封性。进一步地，还可以在阀芯3与导向筒1之间冗余设置两条泛塞圈。

参见图1和图2，在一个实施例中，为了防止泄漏口处的水蒸汽倒吸，可以在导向筒1设置泄漏口12的外侧设置橡皮碗5。

在一个实施例中，阀芯3的连接端具有内部通道，弹性件4设置于阀芯3的内部通道，且另一端与第一凸台11抵接。其中，弹性件可以是弹簧，阀芯依靠弹簧力起到对进口通道密封的作用。

本发明实施例的单向阀可以是一个两位两通的常闭式菌阀结构，导向筒1通过螺钉与阀体2连接，在导向筒与阀体之间设置石墨垫6实现静密封。导向筒1与阀芯3之间是运动副，在导向筒1与阀芯3之间设置泛塞圈7实现动密封。为了排出上述动密封泄漏的介质，在导向筒后端设置排放腔B以及泄漏口12，同时为了防止水蒸汽倒吸，在泄漏口12外边增设一个橡皮碗5。阀门关闭状态下，阀芯通过弹簧压将进口通道压紧密封。阀门打开状态下，介质压力克服弹簧力将阀芯顶开使其远离进口通道。

本发明实施例的单向阀主要工作过程如下：

1、火箭整体气密检查阶段

参见图1，此阶段阀门进口通道没有推进剂，出口通道通入高压检漏工质，此时，横截面为T型结构的阀芯其施力端的内外受力面积相等，介质的作用力相互抵消，此时阀芯所受合力只有弹簧安装力，因此，不论反向通多高压强的介质，阀门一直能起到密封的作用，解决了传统单向阀在反向高压介质下阀门密封状态被破坏的问题。

2、发动机预冷阶段

此时阀门进口通道通入一定压强的推进剂，阀芯所受合力为弹簧安装力和进口介质压力的差，此时阀芯依靠弹簧力起到密封作用，保证阀门在预冷阶段不会打开。

3、初级阶段

阀芯运动方向的力完全取决于进口的介质压力和弹簧的合力，而介质压力要比传统阀门进、出口的压差更稳定，因此，本发明可以克服传统单向阀在小流量工况时容易发生颤振的问题。

4、主级阶段

主级阶段阀芯处于完全打开的状态，如图3所示，此时进口介质压力通过克服弹簧力将阀芯推到开度最大位置，介质从进口通道经过一个直角流道流向出口通道，此种直角流道流阻较小，远小于传统单向阀中的开孔流道，因此本发明可以解决在大流量工况下阀门流阻较大的问题。

5、关机阶段

阀门在关机阶段，进口介质压力降低，直到低于弹簧力，此时阀芯会在弹簧力和介质压力的共同作用下回位至密封进口通道的状态。

本发明的上述实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。

另一当面，本发明还提供了一种火箭发动机增压系统，包括以上任意一个实施例中的单向阀。

进一步地，本发明还提供了一种火箭发动机，包括以上任意一个实施例中的单向阀。

本发明提供的一种单向阀以及应用于火箭发动机增压系统和火箭发动机的单向阀，具有结构紧凑、功能稳定等优点，利用横截面为T型的阀芯为单向阀提供有效的反向密封，解决了传统单向阀在反向高压介质下阀门密封同意损坏的问题，显著提升了单向阀的系统性能，提高了单向阀的稳定性，适合液体火箭发动机吹除系统和增压系统的搭建。

本发明利用进口介质压力作为主动力打开阀门，可以有效提高单向阀打开的稳定性，解决了单向阀的颤振问题。

本发明通过将进、出口通道设置为直角流道，可以显著降低单向阀的流阻，减少流动损失，使整个发动机系统的得到优化。

本发明的上述实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单向阀，其特征在于，包括：

导向筒，具有敞口端和闭口端，还具有由所述闭口端向所述敞口段过渡的第一凸台；

阀体，与所述导向筒外壁连接形成主腔，还具有与所述主腔连通的进口通道和出口通道；

阀芯，移动设置于所述导向筒；所述阀芯轴向横截面为T型，直径小的一端为连接端，直径大的一端为施力端；所述连接端通过弹性件设置于所述导向筒内的第一凸台，所述施力端用于在弹性件的作用下密封所述进口通道；

所述闭口端与所述弹性件之间形成排放腔，并在所述导向筒形成所述排放腔的部分设置泄漏口，用于排出由所述主腔泄漏至所述排放腔的介质；

其中，在所述施力端密封所述进口通道状态下，所述施力端厚度方向上与所述主腔接触的两个面的受力面积相同，以防止阀门在反向接通高压介质时被打开。

2.根据权利要求1所述的单向阀，其特征在于，所述进口通道靠近所述主腔的位置具有用于与所述施力端接触的第二凸台，所述第二凸台的外径与所述连接端外径相等。

3.根据权利要求1所述的单向阀，其特征在于，所述进口通道与所述出口通道趋于垂直设置，以降低单向阀的流阻，减少流动损失。

4.根据权利要求3所述的单向阀，其特征在于，所述阀体与所述导向筒连接端设有用于密封的石墨垫。

5.根据权利要求4所述的单向阀，其特征在于，所述阀芯与所述导向筒之间设有用于密封的泛塞圈。

6.根据权利要求1所述的单向阀，其特征在于，所述导向筒在所述泄漏口的外侧设置橡皮碗，用于防止水蒸气倒吸。

7.根据权利要求1所述的单向阀，其特征在于，所述阀芯的连接端具有内部通道，所述弹性件设置于所述内部通道，且一端与所述第一凸台抵接。

8.根据权利要求3所述的单向阀，其特征在于，所述导向筒向外形成第三凸台，所述阀体远离所述进口通道的端面抵接在所述第三凸台，所述阀体靠近该端面的内侧包裹在所述导向筒远离所述排放腔的外侧，并通过螺钉将所述阀体与所述导向筒连接。

9.一种火箭发动机增压系统，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的单向阀。

10.一种火箭发动机，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的单向阀。

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