CN114215948A - 火箭发动机高压氦气瓶充气电磁阀 - Google Patents

火箭发动机高压氦气瓶充气电磁阀 Download PDF

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Abstract

一种火箭发动机高压氦气瓶充气电磁阀，采用一种先导式的电磁阀结构，实现通电打开从而给下游气瓶充气，断电关闭从而停止充气的功能；在电磁阀下游设计一种反向密封活门，实现气瓶的单向充气，断电后保证气瓶内气体的密封；阀门主要零组件如壳体、阀芯均采用铝合金材料，并对结构进行细节设计，实现整阀的轻质化；设计活门动作缓冲结构，防止高压动作时活门受冲击发生径向变形而导致动作卡死；阀芯设计可更换节流结构实现气瓶充气速率可控。

Description

火箭发动机高压氦气瓶充气电磁阀
技术领域
本发明涉及火箭发动机高压氦气瓶充气电磁阀，特别是一种适用于液体火箭发动机高压氦气瓶充气用的电磁阀。
背景技术
液体火箭发动机气控、吹除均需使用大量高压氦气，因此发动机配备气瓶用于存储高压气体。传统发动机对气瓶的充气控制主要采用手动阀门的方法，手动阀门的缺点是在火箭起飞前人员撤离后，则无法对气瓶进行补气。采用电磁阀控制则可以在起飞前随时进行充气操作，弥补发射准备阶段的气瓶的压力消耗，以保证发动机气瓶压力处于合理范围。采用电磁阀对气瓶进行充气具有响应快、充气速率可调、远程操作完全的优点。
给高压气瓶充气时，需要电磁阀在通电时能够快速打开，使其按照要求设计充气速率对气瓶进行充气；充气完成，电磁阀断电后应能够保证阀门反向可靠的密封，保证气瓶可长时间保持压力；同时还要求电磁阀具备结构紧凑、重量轻、密封好、动作可靠、寿命长等特性，因此现有技术中的电磁阀无法满足技术要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种火箭发动机高压氦气瓶充气电磁阀，采用一种先导式的电磁阀结构，实现通电打开从而给下游气瓶充气，断电关闭从而停止充气的功能；在电磁阀下游设计一种反向密封活门，实现气瓶的单向充气，断电后保证气瓶内气体的密封；阀门主要零组件如壳体、阀芯均采用铝合金材料，并对结构进行细节设计，实现整阀的轻质化；设计活门动作缓冲结构，防止高压动作时活门受冲击发生径向变形而导致动作卡死；阀芯设计可更换节流结构实现气瓶充气速率可控。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种火箭发动机高压氦气瓶充气电磁阀，包括：壳体、主阀芯、主弹簧、先导阀芯、先导弹簧、先导阀座、电磁铁、衔铁、顶杆、单向阀芯、阀座、单向阀芯弹簧、缓冲环；
主阀芯位于壳体内，通过主弹簧压紧在主阀座上，先导阀芯位于壳体内，通过先导弹簧压紧在先导阀座上，氦气从下方进入阀门内腔，介质压力和主弹簧一同压紧主阀芯、先导阀芯实现电磁阀的密封，保持阀门关闭；电磁铁通电后，衔铁向下吸合，推动顶杆向下移动，进而向下推动先导阀芯脱离先导阀座，先导阀芯下端密封面压紧壳体并形成密封，主阀芯右侧腔体内氦气通过先导阀芯上端通道排出，主阀芯在其左侧氦气压力的作用下向右移动，至其右端密封面压紧壳体，主阀芯与阀座间通往下游气瓶的通道打开，氦气压力作用在单向阀芯右侧，推动其向左移动，最终限位于缓冲环，氦气经过限流螺钉开始给下游的气瓶充气；
在气瓶气体充至额定压力后，电磁铁断电后不再产生吸力，在氦气压力和先导弹簧的共同作用下，先导阀芯向上移动，推动顶杆推动衔铁向上移动，先导活门上端面再次压紧在先导活门座上，氦气再次充入主阀芯右侧腔体，主阀芯在介质压力和主弹簧的共同作用下向左移动，关闭氦气向下游充气的通道；单向阀芯在单向阀芯弹簧和气瓶压力的作用下向右移动与阀座左端密封面形成密封，在入口气源移除，入口无压力时防止气瓶内氦气泄出。
本发明一实施例中，还包括限流螺钉，限流螺钉安装在单向阀芯内，限流螺钉结构为中心带孔的螺钉。
本发明一实施例中，单向阀芯、主阀芯的铝合金基材采用硬质阳极化表面处理。
本发明一实施例中，壳体、主阀座的铝合金基材采用瓷质阳极化处理。
本发明一实施例中，在单向阀芯和阀座、主阀芯和壳体的两个运动副间形成硬度差，避免磨损黏着导致的阀门卡死。
本发明一实施例中，还包括安装在阀座上的接管嘴，与单向阀芯的左侧连通。
一种火箭发动机高压氦气瓶充气电磁阀，包括：壳体、主阀芯、主弹簧、先导阀芯、先导弹簧、先导阀座、电磁铁、衔铁、顶杆、单向阀芯、阀座、单向阀芯弹簧、缓冲环；
主阀芯位于壳体内，通过主弹簧压紧在主阀座右侧密封座上，主阀芯外径安装有O形圈，形成与壳体间的径向密封；先导阀芯位于壳体内，通过先导弹簧向上压在先导阀座上，电磁铁通过螺母连接到壳体上，同时将先导阀座夹紧在电磁铁和壳体间，衔铁位于电磁铁内部，其下端面与顶杆上端接触，顶杆下端与先导阀芯上端面接触。主阀座通过螺纹拧入壳体内，并压紧第一垫片形成静密封，单向阀芯位于主阀芯下游的主阀座内腔内，通过单向阀芯弹簧压紧于主阀座左测密封座上，单向阀芯内通过螺纹连接拧入限流螺钉，接管嘴通过螺纹拧如主阀座内，并压紧第二垫片形成静密封，接管嘴右侧内孔安装缓冲环。
本发明一实施例中，主阀芯左右端均热压非金属。
本发明一实施例中，在单向阀芯打开与左侧阀座的限位位置配置了缓冲环，单向阀芯打开时与缓冲环相撞，其冲击能量通过缓冲环得到缓冲，避免单向阀芯墩粗卡死。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)替代传统手动充气阀，实现火箭发动机气瓶充气的远程控制，在火箭发射的准备阶段实现发射现台的无人值守。
(2)充气完成单向阀芯可实现气瓶的自动密封。
(3)采用铝合金结构实现阀门结构的轻质化，通过不同的铝合金表面阳极化处理工艺行程运动副间的硬度差，避免运动副的磨损造成的卡滞。
(4)通过可更换节流结构实现不同充气速率要求，应用于不同容积的气瓶的充气。
(5)通过设计主阀芯和单向阀芯相关的动作缓冲结构，能够在35MPa高压下保证阀门动作的长寿命，不发生冲击造成的阀芯变形。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记：1.壳体；2.主阀芯；3.O形圈；4.主弹簧；5.先导阀芯；6.先导弹簧7.先导阀座8.电磁铁；9.衔铁；10.顶杆；11.螺母；12.单向阀芯；13.限流螺钉；14.阀座；15.第一垫片；16.接管嘴；17.第二垫片；18.弹簧；19.缓冲环。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本发明为一种电磁阀结构，具备给火箭发动机气瓶充气的功能，并在断电后保持气瓶内气体密封，22～30V直流电压供电，阀门进出口通径约6mm，最高工作压力35MPa，结构紧凑、集成度高，整阀重量小于1kg。可满足液体火箭发动机20L、40L、70L、140L、280L等不同容量氦气瓶的不同速率的充气要求。其主要结构包括壳体1、主阀芯2、O形圈3、主弹簧4、先导阀芯5、先导弹簧6、先导阀座7、电磁铁8、衔铁9、顶杆10、螺母11、单向阀芯12、限流螺钉13、主阀座14、第一垫片15、接管嘴16、第二垫片17、单向阀芯弹簧18、缓冲环19。
主阀芯2位于壳体1内，通过主弹簧4压紧在主阀座14右侧密封座上，主阀芯2外径安装有O形圈3，形成与壳体1间的径向密封；先导阀芯5位于壳体1内，通过先导弹簧6向上压在先导阀座7上，电磁铁8通过螺母11连接到壳体1上，同时将先导阀座7夹紧在电磁铁8和壳体1间，衔铁9位于电磁铁8内部，其下端面与顶杆10上端接触，顶杆10下端与先导阀芯7上端面接触。主阀座14通过螺纹拧入壳体1内，并压紧第一垫片15形成静密封，单向阀芯12位于主阀芯2下游的主阀座14内腔内，通过单向阀芯弹簧18压紧于主阀座14左测密封座上，单向阀芯12内通过螺纹连接拧入限流螺钉13，接管嘴16通过螺纹拧如主阀座14内，并压紧第二垫片17形成静密封，接管嘴16右侧内孔安装缓冲环19。
在气瓶充气系统中，电磁阀下方接管嘴连接高压气源，电磁阀左侧接管嘴16连接氦气气瓶。整个电磁阀主要分为两个功能模块：电磁控制的高压供气的单元和反向截止的单向阀单元。电磁控制的高压供气单元的功能组件主要有主阀芯2、先导阀芯5和电磁铁8，其中主阀芯2位于壳体1内，通过主弹簧4压紧在主阀座14上，先导阀芯5位于壳体1内，通过先导弹簧6压紧在先导阀座7上，氦气从下方进入阀门内腔，介质压力和弹簧力一同压紧主阀芯2、先导阀芯5实现电磁阀的密封，保持阀门关闭。在电磁铁通电22V至30V直流电压后，衔铁9向下吸合，推动顶杆10向下移动，进而向下推动先导阀芯5脱离先导阀座7，先导阀芯5下端密封面压紧壳体1并形成密封，主阀芯2右侧腔体内氦气通过先导阀芯5上端通道排出，主阀芯2在其左侧氦气压力的作用下向右移动，最终其左端压紧壳体形成密封，此时主阀芯2与主阀座14间通往下游气瓶的通道打开，氦气压力作用在单向阀芯12右侧，推动其向左移动，最终撞击限位与缓冲垫19氦气经过限流螺钉13开始给下游的气瓶充气。
在气瓶气体充至额定压力后，电磁阀断电，电磁铁8不再产生吸力，在氦气压力和先导弹簧6的共同作用下，先导阀芯5向上移动，同时推动顶杆10进而推动衔铁9向上移动，先导活门5上端面再次压紧在先导活门座7上，氦气再次充入主阀芯右侧腔体，主阀芯2在介质压力和主弹簧的共同作用下向左移动，关闭氦气向下游充气的通道。单向阀芯12在单向阀芯弹簧18和气瓶压力的作用下向右移动与主阀座14左端密封面形成密封，在入口气源移除，入口无压力时防止气瓶内氦气泄出。
由于工作介质压力较高(35MPa)，在阀芯动作滞止时，阀芯与限位结构间冲击较大，由于轻质化设计，材料均采用高强铝合金，冲击下易于变形导致阀芯卡死。在设计时采用内嵌式和外置式两种非金属缓冲结构。其中主阀芯2左右端热压非金属除具有密封作用，在主阀芯2打开、关闭时与壳体1和阀座14相撞滞止时，均起到缓冲作用，避免主阀芯2高压下被冲击墩粗，造成卡死；在单向阀芯12打开与左侧阀座14的限位位置配置了缓冲环19，单向阀芯12打开时与缓冲环19相撞，其冲击能量通过缓冲环19得到缓冲，避免单向阀芯墩粗卡死。
单向阀芯12内安装限流螺钉13，限流螺钉13的流通孔径采用系列化设计，限流螺钉结构为中心带孔的螺钉，其中心限流孔尺寸有从0.6mm至1.4mm多种规格，可根据不同气瓶充气速率需求，选取不同孔径螺钉进行限流。
单向阀芯12、主阀芯2的铝合金基材采用硬质阳极化表面处理,壳体1、主阀座14的铝合金基材采用瓷质阳极化处理，在单向阀芯12和阀座14、主阀芯2和壳体1的两个运动副间形成硬度差，避免磨损黏着导致的阀门卡死。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种火箭发动机高压氦气瓶充气电磁阀，其特征在于，包括：壳体、主阀芯、主弹簧、先导阀芯、先导弹簧、先导阀座、电磁铁、衔铁、顶杆、单向阀芯、阀座、单向阀芯弹簧、缓冲环；
主阀芯位于壳体内，通过主弹簧压紧在主阀座上，先导阀芯位于壳体内，通过先导弹簧压紧在先导阀座上，氦气从下方进入阀门内腔，介质压力和主弹簧一同压紧主阀芯、先导阀芯实现电磁阀的密封，保持阀门关闭；电磁铁通电后，衔铁向下吸合，推动顶杆向下移动，进而向下推动先导阀芯脱离先导阀座，先导阀芯下端密封面压紧壳体并形成密封，主阀芯右侧腔体内氦气通过先导阀芯上端通道排出，主阀芯在其左侧氦气压力的作用下向右移动，至其右端密封面压紧壳体，主阀芯与阀座间通往下游气瓶的通道打开，氦气压力作用在单向阀芯右侧，推动其向左移动，最终限位于缓冲环，氦气经过限流螺钉开始给下游的气瓶充气；
在气瓶气体充至额定压力后，电磁铁断电后不再产生吸力，在氦气压力和先导弹簧的共同作用下，先导阀芯向上移动，推动顶杆推动衔铁向上移动，先导活门上端面再次压紧在先导活门座上，氦气再次充入主阀芯右侧腔体，主阀芯在介质压力和主弹簧的共同作用下向左移动，关闭氦气向下游充气的通道；单向阀芯在单向阀芯弹簧和气瓶压力的作用下向右移动与阀座左端密封面形成密封，在入口气源移除，入口无压力时防止气瓶内氦气泄出。
2.一种火箭发动机高压氦气瓶充气电磁阀，其特征在于，包括：壳体、主阀芯、主弹簧、先导阀芯、先导弹簧、先导阀座、电磁铁、衔铁、顶杆、单向阀芯、阀座、单向阀芯弹簧、缓冲环；
主阀芯位于壳体内，通过主弹簧压紧在主阀座右侧密封座上，主阀芯外径安装有O形圈，形成与壳体间的径向密封；先导阀芯位于壳体内，通过先导弹簧向上压在先导阀座上，电磁铁通过螺母连接到壳体上，同时将先导阀座夹紧在电磁铁和壳体间，衔铁位于电磁铁内部，其下端面与顶杆上端接触，顶杆下端与先导阀芯上端面接触。主阀座通过螺纹拧入壳体内，并压紧第一垫片形成静密封，单向阀芯位于主阀芯下游的主阀座内腔内，通过单向阀芯弹簧压紧于主阀座左测密封座上，单向阀芯内通过螺纹连接拧入限流螺钉，接管嘴通过螺纹拧如主阀座内，并压紧第二垫片形成静密封，接管嘴右侧内孔安装缓冲环。
3.根据权利要求1所述的电磁阀，其特征在于，还包括限流螺钉，限流螺钉安装在单向阀芯内，限流螺钉结构为中心带孔的螺钉。
4.根据权利要求1所述的电磁阀，其特征在于，单向阀芯、主阀芯的铝合金基材采用硬质阳极化表面处理。
5.根据权利要求1所述的电磁阀，其特征在于，壳体、主阀座的铝合金基材采用瓷质阳极化处理。
6.根据权利要求1所述的电磁阀，其特征在于，在单向阀芯和阀座、主阀芯和壳体的两个运动副间形成硬度差，避免磨损黏着导致的阀门卡死。
7.根据权利要求1所述的电磁阀，其特征在于，还包括安装在阀座上的接管嘴，与单向阀芯的左侧连通。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电磁阀，其特征在于，主阀芯左右端均热压非金属。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的电磁阀，其特征在于，在单向阀芯打开与左侧阀座的限位位置配置了缓冲环，单向阀芯打开时与缓冲环相撞，其冲击能量通过缓冲环得到缓冲，避免单向阀芯墩粗卡死。
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