JP3652940B2

JP3652940B2 - Floating poppet valve device

Info

Publication number: JP3652940B2
Application number: JP30806599A
Authority: JP
Inventors: 敏晴藤田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: JP2001123887A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロケットエンジンのスラスタ装置における推力制御等に使用されるフローティング式ポペット弁装置に関し、特にポペット弁と弁座とのシート部の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体推進薬を使用するロケットエンジンにおいては、燃焼室に通ずるノズルスロート部におけるスロート面積を変化させることにより、ノズルスロート部を通過する燃焼ガス流量を制御している。かかるノズルスロート部のスロート面積を制御する技術として、特公平６−５８０９０号の発明が提供されている。
この発明においては、燃焼室チャンバの後端にピントルを固着するノズルスカートを有して該ピントルとによりノズルスロート部を形成するノズルホルダーを前記燃焼室チャンバに軸方向移動可能に装着し、該ノズルホルダーを軸方向に移動させてノズルスロート面積を連続的に変化させるように構成している。
かかる発明の場合は、ノズルスカートを有するノズルホルダーを軸方向に移動するため、移動部分が大型になる。
【０００３】
そこで、上記のような問題点を有しないスロート面積を変化させる手段として、図５〜図６に示されるフローティング式ポペット弁装置が提案されている。図５〜図６は、かかるフローティング式ポペット弁装置の概略構成を示し、図５はポペット弁の閉弁時、図６は開弁時である。
【０００４】
図５〜図６において、１はハウジング、２は該ハウジング１に形成されたシリンダであり、該シリンダ２内にはフローティング式のポペット弁０３が往復摺動自在に嵌合されている。該ポペット弁０３はタングステン等の耐熱金属によって構成されている。
【０００５】
図５〜図６に示すフローティング式ポペット弁装置の作動時において、燃焼室（不図示）にて生成された燃焼ガスは供給口９から入口室５に導入される。
一方、ポペット弁０３の閉時には、図５に示すように、パイロット弁制御装置（不図示）によって、パイロット弁６が閉じられて圧力室８内の作動流体の圧力が高圧となり、該作動流体の圧力による下向きの力が入口室５内の燃焼ガス圧力による上向きの力よりも大きくなって、ポペット弁０３のシート部０３ａがハウジング１の弁座１ａに押しつけられ、燃焼ガスのノズル４への流出を遮断している。
【０００６】
図６に示すように、前記パイロット弁制御装置によってパイロット弁６が開弁されると、圧力室８内の作動流体が排出され、入口室５内における燃焼ガスによる上向きの力が前記作動流体による下向きの力よりも大きくなってポペット０３は上動し、前記シート部０３ａが弁座１ａから離れてポペット弁は開弁する。
該ポペット弁０３の開弁により、燃焼ガスが、図６の矢印に示すように、入口室５からノズル４へと流れて外部に噴出されることにより、推力を発生する。
【０００７】
一方、入口室５内の燃焼ガスの一部は、通孔０１１に入り、ポペットオリフィス０１０にて絞られて圧力室８側へ流入した後、パイロット弁６を経て外部に排出される。このポペットオリフィス０１０の絞り度つまり通路面積を変化させることにより、ポペット０３の開弁速度及び閉弁速度を調整する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図５〜図６に示される従来技術に係るフローティング式ポペット弁装置にあっては、次のような問題点を有している。
即ち該ポペット弁０３は、作動中全体が高温となるためＯリングの使用は不可能となりポペット弁０３の外周面とシリンダ２との摺動部の隙間を大きく形成せざるを得ず、該隙間を燃焼ガスが流れてポペット弁０３の熱スティックの発生をみることが多い。
【０００９】
また、前記通孔０１１がポペット弁０３の軸心０３ｃ上に無いため、該ポペット弁０３の下部０３ｂ周りの燃焼ガスの流れが軸心０３ｃに対称な流れとならず、該軸心０３ｃに直角方向の流体力Ｔがポペット０３に作用し、該ポペット弁０３には、この流体力Ｔによって拗れが発生し、これによりポペット弁０３のスティックが引き起こされる。さらに、前記ポペット弁０３を構成するタングステン材は比重が１９ｇ／ｃｍ^３程度と大きいため、ポペット弁０３の重量が大きく該ポペット弁０３の応答性が低くなる。
【００１０】
かかる問題点を解決するため、本件出願人は、特願平１１−８５７３６号の発明を提案した。
【００１１】
かかる発明を、比較例として図３〜図４に示す。
図３〜図４はロケットエンジン用フローティング式ポペット弁装置の概略構成を示し、図３はポペット弁の閉弁時、図４は開弁時を示している。
【００１２】
図３〜図４において、１はハウジング、２は該ハウジング１に形成されたシリンダであり、該シリンダ２内にはフローティング式のポペット弁３が往復摺動自在に嵌合されている。
８は該ポペット弁３の上面とシリンダ２とにより区画形成された圧力室で、該圧力室８にはパイロット弁６によって開閉される作動流体供給口７が開口している。該パイロット弁６は、アクチュエータ（不図示）によって開閉作動することにより、前記圧力室８の圧力を制御するようになっている。
【００１３】
５は、前記ハウジング１内に形成された燃焼ガスの入口室で、前記ポペット弁３の下部３ｂの外周が臨んでいる。９は該入口室５への燃焼ガスの供給口で、燃焼室（不図示）に接続されている。４は燃焼ガスを噴出させるためのノズルである。
前記ポペット弁３は、その下端部３ｂの先端に円錐状のシート部３ａが形成され、ハウジング１に設けられた弁座１ａと着脱することにより、前記入口室５とノズル４との間を開閉するようになっている。
【００１４】
前記ポペット弁３は熱伝導率の小さいセラミックス繊維等の耐熱複合材からなる。
１１は該ポペット弁３の内部に穿孔された通孔である。該通孔１１はポペット弁３の上面、つまり前記圧力室８に臨む面に開口され、この上面からポペット弁３の軸心３ｃに沿って下方に延び、該ポペット弁３の下部３ｂにおいて直角方向に分岐（１１ａ）し、前記入口室５に開口している。そして、該通孔１１の途中には、通路を絞ったポペットオリフィス１０が設けられている。前記ポペット弁３の外周摺動部には、耐熱耐油ゴム材からなるＯリング１２が嵌装され、該Ｏリング１２の上下に耐熱性及び摺動性の良好な金属からなるピストンリング１３、１３が嵌装されている。
【００１５】
かかるフローティング式ポペット弁装置の作動時において、燃焼室（不図示）にて生成された燃焼ガスは、供給口９から入口室５に導入される。
一方、ポペット弁３の閉時には、図３に示すように、パイロット弁制御装置（不図示）によって、パイロット弁６が閉じられて圧力室８内の作動流体の圧力が高圧となり、該作動流体の圧力による下向きの力が入口室５内の燃焼ガス圧力による上向きの力よりも大きくなって、ポペット弁３のシート部３ａがハウジング１の弁座１ａに押し付けられ、燃焼ガスのノズル４への流出を遮断している。
【００１６】
図４に示すように、前記パイロット弁制御装置によってパイロット弁６が開弁されると、圧力室８内の作動流体が排出され、入口室５内における燃焼ガスによる上向きの力が前記作動流体による下向きの力よりも大きくなって、ポペット弁３は上動し、前記シート部３ａが弁座１ａから離れて、ポペット弁は開弁する。該ポペット弁３の開弁により、燃焼ガスが、図４の矢印に示すように、入口室５からノズル４へと流れて外部に噴出されることにより、推力を発生する。
【００１７】
一方、入口室５内の燃焼ガスの一部は通孔１１に入り、ポペットオリフィス１０にて絞られて圧力室８側へ流入した後、パイロット弁６を経て外部に排出される。このポペットオリフィス１０の絞り度つまり通路面積を変化させることにより、ポペット弁３の開弁速度及び閉弁速度を調整する。
【００１８】
かかる比較例において、ポペット弁３は従来のタングステン材に比べて熱伝導率が充分に小さいセラミックス繊維の耐熱複合材で構成されているため、燃焼ガスに直接触れる下部３ｂが加熱されて高温となるが、シリンダ２との摺動部への熱伝導量が少なくなり、該摺動部の温度上昇が抑制される。
これにより、該摺動部に耐熱、耐油ゴムからなるＯリング１２を用いても、これが焼損を起こすことは無く、また当然ながら金属製のピストンリング１３、１３を使用しても充分に高い耐熱性を有する。
従って、ポペット弁３の外周摺動部のシール性が、金属面のシールの場合に比べて大幅に向上する。これにより、外周摺動部からの燃焼ガスの漏洩が回避され、該漏洩によるポペット弁の熱スティックの発生が回避される。
【００１９】
また、該ポペット弁３は、その軸心３ｃに対称にポペットオリフィス１０付きの通孔１１を設けているので、該ポペット弁３に作用する燃焼ガスによる流体力Ｔがバランスし、従来技術のようなアンバランス力の発生が回避され、該アンバランス力によるポペット弁３の拗れの発生及びこれにより引き起こされるポペット弁３の作動不良の発生が防止され、ポペット弁３は滑らかに作動可能となる。更に、該ポペット弁３は、従来技術のタングステン材（比重＝１９ｇ／ｃｍ^３程度）に比べて比重が小さいので、軽量となり、開閉時における応答性が良好となる。
【００２０】
しかしながら、図３〜図４に示される比較例においては、次のような解決すべき課題を有している。
即ち、かかる比較例においては、図４に示す開弁時において、作動流体が、弁座１ａとシート部３ａとの隙間で形成されるチョーク部１４ａにてチョーク（絞り込み）され、該作動流体の流れの流路面積が最小となる部分は、弁座１ａのシート部近傍にある。かかる形状は、前記チョーク部１４ａの下流の流速が超音速になり、該超音速状態での流れのとき、作動流体の圧力が上流の入口室５の圧力の約１／２となり、ポペット弁下部３ｂの先端に低圧領域を発生させ、該ポペット弁３が閉じる際に必要な差圧による閉止力を発生させるために必要な形状である。
【００２１】
しかしながら、かかる比較例にあっては、図４に示されるように、前記ポペット弁３が開いているとき、該ポペット弁３の先端３ｄが前記チョーク部１４ａの下流側にあるため、前記のように超音速状態まで加速された作動流体は、ポペット弁３の先端３ｄから衝撃波を発生させる。該衝撃波の発生があると、下流側のノズル４内における流れに乱れが生じ、推力が低下する。
【００２２】
従って、かかる比較例におけるポペット弁装置にあっては、ポペット弁３の先端部及び弁座１ａの形状が前記のように構成されているため、推力係数が小さくなり、同一分量の推薬を消費しても、これが推力として有効利用されないという問題点を抱えている。
尚、実開平１−１７９１００号にて、ポペット弁の先端シート部及び弁座のシート面を、端部が縮小した円錐形状に形成したポペット弁装置が提供されているが、かかる従来技術においては、弁座のチョーク部とポペット弁との関係は開示されていない。
【００２３】
本発明は、かかる従来技術あるいは比較例の課題に鑑み、ポペット弁先端近傍に低圧領域を確保しつつ、下流のノズル内に有害な衝撃波の発生を回避し、推力係数が大きく高効率のポペット弁装置を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、シリンダ内に往復摺動自在に嵌合されたポペット弁の上下面が臨む２つの室の圧力差により、該ポペット弁の先端シート部を弁座に着脱してガス通路を開閉するように構成されたフローティング式ポペット弁装置において、
前記ポペット弁は、シールリングが嵌装された外周摺動部と該外周摺動部より小径にした弁体下部とその弁体下部先端にシート部とを有し、該先端シート部を端部が縮小した円錐形状に形成し、前記弁座は、そのシート面を前記先端シート部の形状に沿った円錐状面に形成するとともに、該円錐状面と下流のガス通路との間に形成されるチョーク部の通路面積を、前記ポペット弁の最大リフト時における前記先端シート部と前記シート面との間の通路面積よりも小さくなるように構成したことをことを特徴とするフローティング式ポペット弁装置を提案する。
【００２５】
請求項２記載の発明は、請求項１において、前記ポペット弁の先端シート部は、該ポペット弁が最大リフト位置までリフトしたときその先端位置が、前記弁座のシート面の下端に形成されるチョーク部よりも上方に位置するように構成されたことを特徴とする。
【００２６】
かかる発明によれば、パイロット弁が開弁されると、ポペット弁の上側にある圧力室内の作動流体が排出され、入口室内における燃焼ガスによる上向きの力が前記作動流体による下向きの力よりも大きくなって、ポペット弁は上動し、その先端シート部が弁座の円錐面から離れて、該ポペット弁は開弁する。
該ポペット弁の開弁により、燃焼ガスが、入口室から、ポペット弁先端シート部と弁座の円錐面との間及び前記チョーク部を通って下流のガス通路即ちノズルへと流れて外部に噴出され、これにより推力を発生する。
【００２７】
かかるポペット弁の開弁時において、弁座のシート面をポペット弁の先端シート部の形状に沿った円錐状面に形成しているため、この流路部の流路面積が一定に保たれるとともに、前記弁座の円錐状面と下流のガス通路の間に形成されるチョーク部の通路面積を、前記ポペット弁の最大リフト時における前記ポペット弁の先端シート部と前記弁座のシート面との間の通路面積よりも小さく形成しているため、作動流体の流れは、該チョーク部において前記流路部よりも僅かに絞られることにより音速即ちマッハ１となり、かつ前記シート部側流路部の流れは亜音速内で高速に保たれる。
【００２８】
かかる作用により、前記ポペット弁の先端部近傍における低圧領域は従来のものと同等の低圧が保持され、かつ、前記のように、シート部側流路部の流れは亜音速であるため、前記従来技術や比較例のように衝撃波が発生するのが阻止される。
さらに前記構成に加えて、請求項２のように、前記ポペット弁の先端シート部の、該ポペット弁がリフトしたときの先端位置を、前記チョーク部よりも上方に位置するように構成することにより、該ポペット弁の先端部によって、下流のガス通路で作動流体の流れの乱れが発生するのが阻止される。
【００２９】
従って、かかる発明によれば、ポペット弁先端部近傍に低圧領域を確保しつつ、下流のガス通路内において有害な衝撃波の発生が阻止され、推力係数が大きく高効率のポペット弁装置が得られる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３１】
図１〜図２は本発明の実施形態に係るロケットエンジン用フローティング式ポペット弁装置の概略構成を示し、図１はポペット弁の閉弁時、図２は開弁時を示す。
【００３２】
図１〜図２において、１はハウジング、２は該ハウジング１に形成されたシリンダであり、該シリンダ２内にはフローティング式のポペット弁３が往復摺動自在に嵌合されている。
８は該ポペット弁３の上面とシリンダ２とにより区画形成された圧力室で、該圧力室８にはパイロット弁６によって開閉される作動流体供給口７が開口している。該パイロット弁６は、アクチュエータ（不図示）によって開閉作動することにより、前記圧力室８の圧力を制御するようになっている。
【００３３】
５は、前記ハウジング１内に形成された燃焼ガスの入口室で、前記ポペット弁３の下部３ｂの外周が臨んでいる。９は該入口室５への燃焼ガスの供給口で、燃焼室（不図示）に接続されている。４は燃焼ガスを噴出させるためのノズルである。
前記ポペット弁３は、その下部３ｂの先端部に円錐状のシート部３ａが形成され、ハウジング１に設けられ後述するように構成された弁座１ａのシート面１ｂと着脱することにより、前記入口室５とノズル４との間を開閉するようになっている。
【００３４】
前記ポペット弁３は熱伝導率の小さいセラミックス繊維等の耐熱複合材からなる。
１１は該ポペット弁３の内部に穿孔された通孔である。該通孔１１はポペット弁３の上面、つまり前記圧力室８に臨む面に開口され、この上面からポペット弁３の軸心３ｃに沿って下方に延び、該ポペット弁３の下部３ｂにおいて直角方向に分岐（１１ａ）し、前記入口室５に開口している。そして、該通孔１１の途中には、通路を絞ったポペットオリフィス１０が設けられている。
【００３５】
前記ポペット弁３の外周摺動部には、耐熱耐油ゴム材からなるＯリング１２が、並びに該Ｏリング１２の上下に耐熱性及び摺動性の良好な金属からなるピストンリング１３、１３が嵌装されている。
【００３６】
以上の構成は、図３〜図４に示される比較例と同様である。
本発明においては、前記ポペット弁３と弁座１ａとのシート部分の構造を改良している。
【００３７】
即ち、図１〜図２において、前記ポペット弁３は、図３〜図４の比較例と同様に、
下部３ｂ先端のシート部３ａをその先端３ｄ側が縮小した円錐形状に形成している。
一方、前記弁座１ａは、そのシート面１ｂが、前記ポペット弁３の先端のシート部３ａの形状に沿った円錐状面に形成されている。そして、前記弁座１ａのシート面１ｂの出口側と下流のノズル４との間には通路面積が絞られたチョーク部１４ｂが形成されている。該チョーク部１４ｂは、その通路面積を、前記ポペット弁３の最大リフト時における前記シート部３ａと前記シート面１ｂとの間の通路面積よりも小さくなるように構成される。
【００３８】
また、前記ポペット弁３の先端シート部３ａは、該ポペット弁３がリフトしたときその先端３ｄの位置が、前記チョーク部１４ｂよりも上方に位置するように構成される
【００３９】
かかる構成からなるフローティング式ポペット弁装置の作動時において、燃焼室（不図示）にて生成された燃焼ガスは、供給口９から入口室５に導入される。一方、ポペット弁３の閉時には、図１に示すように、パイロット弁制御装置（不図示）によって、パイロット弁６が閉じられて圧力室８内の作動流体の圧力が高圧となり、該作動流体の圧力による下向きの力が入口室５内の燃焼ガス圧力による上向きの力よりも大きくなって、ポペット弁３のシート部３ａがハウジング１の弁座１ａのシート面１ｂに押し付けられ、燃焼ガスのノズル４への流出を遮断している。
【００４０】
図２に示すように、前記パイロット弁６が開弁されると、圧力室８内の作動流体が排出され、入口室５内における燃焼ガスによる上向きの力が前記作動流体による下向きの力よりも大きくなって、ポペット弁３は上動し、前記シート部３ａが弁座１ａのシート面１ｂから離れて、ポペット弁３は開弁する。
該ポペット弁３の開弁により、燃焼ガスが、図２の矢印に示すように、入口室５から、ポペット弁先端のシート部３ａと弁座のシート面１ｂとの間の流路及び前記チョーク部１４ｂを通って下流のガス通路即ちノズル４へと流れて外部に噴出され、これにより推力を発生する。
【００４１】
一方、入口室５内の燃焼ガスの一部は通孔１１に入り、ポペットオリフィス１０にて絞られて圧力室８側へ流入した後、パイロット弁６を経て外部に排出される。このポペットオリフィス１０の絞り度つまり通路面積を変化させることにより、ポペット弁３の開弁速度及び閉弁速度を調整する。
【００４２】
かかる実施形態において、ポペット弁３の開弁時において、弁座１ａのシート面１ｂをポペット弁３のシート部３ａの形状に沿った円錐状面に形成しているため、前記ポペット弁３のシート部３ａと弁座１ａのシート面１ｂとの間の流路部の流路面積が一定に保たれるとともに、前記弁座１ａの円錐状のシート面１ｂと下流のノズル４との間に形成されるチョーク部１４ｂの通路面積を、前記ポペット弁３の最大リフト時における該ポペット弁３のシート部３ａと前記弁座１ａのシート面１ｂとの間の通路面積よりも小さく形成しているため、作動流体の流れは、該チョーク部１４ｂにおいて前記流路部よりも僅かに絞られることにより音速即ちマッハ１となり、かつ前記シート部側流路部の流れは亜音速内で高速に保たれる。
【００４３】
かかる作用により、前記ポペット弁３の先端部近傍における低圧領域は従来のものと同等の低圧が保持され、かつ、前記のように、シート部側流路部の流れは亜音速であるため、前記従来技術や比較例のように衝撃波が発生するのが阻止される。
【００４４】
さらに、前記ポペット弁３の先端シート部３ａの、該ポペット弁３がリフトしたときの先端３ｄの位置を、前記チョーク部１４ｂよりも上方に位置するように構成されているので、該ポペット弁３の先端部３ｄによって、下流のガス通路つまりノズル４で作動流体の流れの乱れが発生するのが阻止される。
【００４５】
【発明の効果】
以上記載のごとく、本発明によれば、弁座のシート面をポペット弁の先端シート部の形状に沿った円錐状面に形成し、チョーク部の通路面積を、前記ポペット弁の最大リフト時における前記ポペット弁の先端シート部と前記弁座のシート面との間の通路面積よりも小さく形成しているため、ポペット弁の先端部近傍における低圧領域は従来のものと同等の低圧が保持され、かつ、シート部側流路部の流れは亜音速となるため、ガス通路内において衝撃波が発生するのを阻止できる。
【００４６】
従って、本発明によれば、ポペット弁先端部近傍に低圧領域を確保しつつ、下流のガス通路内において有害な衝撃波の発生が阻止され、推力係数が大きく高効率のポペット弁装置が得られる。
【００４７】
さらに前記構成に加えて、請求項２のように、前記ポペット弁の先端シート部の、該ポペット弁がリフトしたときの先端位置を、前記チョーク部よりも上方に位置するように構成することにより、該ポペット弁の先端部によって、下流のガス通路で作動流体の流れの乱れが発生するのが阻止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るロケットエンジン用フローティング式ポペット弁装置の構成を示す断面図で、ポペット閉弁時を示す図である。
【図２】前記実施形態におけるポペット開弁時を示す図である。
【図３】比較例を示す図１対応図である。
【図４】前記比較例における図２対応図である。
【図５】従来技術に係るフローティング式ポペット弁装置の弁閉時を示す図１対応図である。
【図６】従来技術における弁開時を示す図２対応図である。
【符号の説明】
１ハウジング
１ａ弁座
１ｂシート面
２シリンダ
３ポペット弁
３ａシート部
３ｂ下部
３ｄ先端
４ノズル
５入口室
６パイロット弁
７作動流体供給口
８圧力室
９供給口
１０ポペットオリフィス
１１通孔
１２Ｏリング
１３ピストンリング
１４ｂチョーク部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a floating poppet valve device used for thrust control or the like in a thruster device of a rocket engine, and more particularly to improvement of a seat portion between a poppet valve and a valve seat.
[0002]
[Prior art]
In a rocket engine using a solid propellant, the flow rate of the combustion gas passing through the nozzle throat is controlled by changing the throat area in the nozzle throat that communicates with the combustion chamber. As a technique for controlling the throat area of the nozzle throat portion, Japanese Patent Publication No. 6-58090 is provided.
In this invention, a nozzle holder having a nozzle skirt for fixing a pintle at the rear end of the combustion chamber chamber and forming a nozzle throat portion with the pintle is attached to the combustion chamber chamber so as to be movable in the axial direction. The nozzle throat area is continuously changed by moving the holder in the axial direction.
In the case of this invention, since the nozzle holder having the nozzle skirt is moved in the axial direction, the moving part becomes large.
[0003]
Accordingly, a floating poppet valve device shown in FIGS. 5 to 6 has been proposed as means for changing the throat area that does not have the above problems. 5 to 6 show a schematic configuration of such a floating poppet valve device, FIG. 5 is when the poppet valve is closed, and FIG. 6 is when the valve is opened.
[0004]
5 to 6, reference numeral 1 denotes a housing, and 2 denotes a cylinder formed in the housing 1, and a floating poppet valve 03 is fitted in the cylinder 2 so as to be slidable back and forth. The poppet valve 03 is made of a heat-resistant metal such as tungsten.
[0005]
When the floating poppet valve device shown in FIGS. 5 to 6 is operated, the combustion gas generated in the combustion chamber (not shown) is introduced from the supply port 9 into the inlet chamber 5.
On the other hand, when the poppet valve 03 is closed, as shown in FIG. 5, the pilot valve control device (not shown) closes the pilot valve 6 and the pressure of the working fluid in the pressure chamber 8 becomes high. The downward force due to the pressure becomes larger than the upward force due to the combustion gas pressure in the inlet chamber 5, the seat portion 03 a of the poppet valve 03 is pressed against the valve seat 1 a of the housing 1, and the combustion gas flows out to the nozzle 4. Is shut off.
[0006]
As shown in FIG. 6, when the pilot valve 6 is opened by the pilot valve control device, the working fluid in the pressure chamber 8 is discharged, and the upward force due to the combustion gas in the inlet chamber 5 is caused by the working fluid. The poppet 03 moves upward as the force becomes downward, and the seat portion 03a moves away from the valve seat 1a to open the poppet valve.
As the poppet valve 03 opens, the combustion gas flows from the inlet chamber 5 to the nozzle 4 and is ejected to the outside as shown by the arrow in FIG.
[0007]
On the other hand, a part of the combustion gas in the inlet chamber 5 enters the through hole 011, is throttled by the poppet orifice 010, flows into the pressure chamber 8 side, and then is discharged to the outside through the pilot valve 6. The valve opening speed and the valve closing speed of the poppet 03 are adjusted by changing the throttle degree of the poppet orifice 010, that is, the passage area.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The floating poppet valve device according to the prior art shown in FIGS. 5 to 6 has the following problems.
That is, since the entire poppet valve 03 becomes hot during operation, the O-ring cannot be used, and a gap between the outer peripheral surface of the poppet valve 03 and the cylinder 2 has to be formed large. In many cases, the combustion gas flows and the generation of the heat stick of the poppet valve 03 is observed.
[0009]
Further, since the through-hole 011 is not on the axis 03c of the poppet valve 03, the flow of the combustion gas around the lower part 03b of the poppet valve 03 does not flow symmetrically with the axis 03c, but is perpendicular to the axis 03c. A fluid force T in the direction acts on the poppet 03, and the poppet valve 03 is drowned by the fluid force T, thereby causing the poppet valve 03 to stick. Further, since the tungsten material constituting the poppet valve 03 has a large specific gravity of about 19 g / cm ³ , the weight of the poppet valve 03 is large and the response of the poppet valve 03 is lowered.
[0010]
In order to solve this problem, the present applicant has proposed the invention of Japanese Patent Application No. 11-85736.
[0011]
Such an invention is shown in FIGS. 3 to 4 as comparative examples.
3 to 4 show the schematic configuration of a floating poppet valve device for a rocket engine, FIG. 3 shows the poppet valve closed, and FIG. 4 shows the valve open.
[0012]
3 to 4, reference numeral 1 denotes a housing, 2 denotes a cylinder formed in the housing 1, and a floating poppet valve 3 is fitted in the cylinder 2 so as to be slidable back and forth.
Reference numeral 8 denotes a pressure chamber defined by the upper surface of the poppet valve 3 and the cylinder 2, and a working fluid supply port 7 opened and closed by the pilot valve 6 is opened in the pressure chamber 8. The pilot valve 6 is configured to open and close by an actuator (not shown), thereby controlling the pressure in the pressure chamber 8.
[0013]
Reference numeral 5 denotes a combustion gas inlet chamber formed in the housing 1, and the outer periphery of the lower part 3 b of the poppet valve 3 faces. A combustion gas supply port 9 is connected to the combustion chamber (not shown). Reference numeral 4 denotes a nozzle for ejecting combustion gas.
The poppet valve 3 is formed with a conical seat portion 3a at the tip of its lower end portion 3b, and is opened and closed between the inlet chamber 5 and the nozzle 4 by being attached to and detached from the valve seat 1a provided in the housing 1. It is supposed to be.
[0014]
The poppet valve 3 is made of a heat-resistant composite material such as ceramic fiber having a low thermal conductivity.
Reference numeral 11 denotes a through hole drilled in the poppet valve 3. The through hole 11 is opened on the upper surface of the poppet valve 3, that is, the surface facing the pressure chamber 8, extends downward from the upper surface along the axis 3 c of the poppet valve 3, and is perpendicular to the lower portion 3 b of the poppet valve 3. (11a) and opens into the inlet chamber 5. A poppet orifice 10 with a narrow passage is provided in the middle of the through hole 11. An O-ring 12 made of heat-resistant and oil-resistant rubber material is fitted on the outer peripheral sliding portion of the poppet valve 3, and piston rings 13 and 13 made of metal having good heat resistance and slidability above and below the O-ring 12. Is fitted.
[0015]
During the operation of the floating poppet valve device, combustion gas generated in a combustion chamber (not shown) is introduced into the inlet chamber 5 from the supply port 9.
On the other hand, when the poppet valve 3 is closed, as shown in FIG. 3, the pilot valve 6 is closed by the pilot valve control device (not shown), and the pressure of the working fluid in the pressure chamber 8 becomes high. The downward force due to the pressure is greater than the upward force due to the combustion gas pressure in the inlet chamber 5, the seat portion 3 a of the poppet valve 3 is pressed against the valve seat 1 a of the housing 1, and the combustion gas flows out to the nozzle 4. Is shut off.
[0016]
As shown in FIG. 4, when the pilot valve 6 is opened by the pilot valve control device, the working fluid in the pressure chamber 8 is discharged, and the upward force due to the combustion gas in the inlet chamber 5 is caused by the working fluid. When the force is greater than the downward force, the poppet valve 3 moves upward, the seat portion 3a moves away from the valve seat 1a, and the poppet valve opens. As the poppet valve 3 opens, the combustion gas flows from the inlet chamber 5 to the nozzle 4 and is ejected to the outside as shown by the arrows in FIG.
[0017]
On the other hand, a part of the combustion gas in the inlet chamber 5 enters the through hole 11, is throttled by the poppet orifice 10, flows into the pressure chamber 8 side, and then is discharged to the outside through the pilot valve 6. The valve opening speed and the valve closing speed of the poppet valve 3 are adjusted by changing the throttle degree of the poppet orifice 10, that is, the passage area.
[0018]
In this comparative example, the poppet valve 3 is made of a heat-resistant composite material of ceramic fibers having a sufficiently low thermal conductivity as compared with a conventional tungsten material, and therefore the lower part 3b that directly contacts the combustion gas is heated to a high temperature. However, the amount of heat conduction to the sliding portion with the cylinder 2 is reduced, and the temperature rise of the sliding portion is suppressed.
Accordingly, even if an O-ring 12 made of heat-resistant and oil-resistant rubber is used for the sliding portion, this does not cause burning, and naturally, even if metal piston rings 13 and 13 are used, the heat resistance is sufficiently high. Have sex.
Therefore, the sealing performance of the outer peripheral sliding portion of the poppet valve 3 is greatly improved as compared with the case of sealing a metal surface. Thereby, the leakage of the combustion gas from the outer peripheral sliding portion is avoided, and the generation of the heat stick of the poppet valve due to the leakage is avoided.
[0019]
Further, since the poppet valve 3 is provided with the through hole 11 with the poppet orifice 10 symmetrically on the axis 3c, the fluid force T due to the combustion gas acting on the poppet valve 3 is balanced, as in the prior art. Generation of an unbalanced force is avoided, the occurrence of sag of the poppet valve 3 due to the unbalanced force and the occurrence of malfunction of the poppet valve 3 caused thereby, and the poppet valve 3 can be operated smoothly. . Further, the poppet valve 3 has a specific gravity smaller than that of a conventional tungsten material (specific gravity = about 19 g / cm ³ ), so that the poppet valve 3 is light in weight and has good responsiveness during opening and closing.
[0020]
However, the comparative examples shown in FIGS. 3 to 4 have the following problems to be solved.
That is, in such a comparative example, when the valve shown in FIG. 4 is opened, the working fluid is choked (squeezed) by the choke portion 14a formed by the gap between the valve seat 1a and the seat portion 3a. The portion where the flow passage area is minimum is in the vicinity of the seat portion of the valve seat 1a. In this shape, the flow velocity downstream of the choke portion 14a becomes supersonic, and when the flow is in the supersonic state, the pressure of the working fluid becomes about ½ of the pressure in the upstream inlet chamber 5, and the lower part of the poppet valve This is a shape necessary for generating a low pressure region at the tip of 3b and generating a closing force due to a differential pressure required when the poppet valve 3 is closed.
[0021]
However, in this comparative example, as shown in FIG. 4, when the poppet valve 3 is open, the tip 3d of the poppet valve 3 is on the downstream side of the choke portion 14a. The working fluid accelerated to the supersonic state generates a shock wave from the tip 3 d of the poppet valve 3. When the shock wave is generated, the flow in the downstream nozzle 4 is disturbed, and the thrust is reduced.
[0022]
Therefore, in the poppet valve device in the comparative example, the shape of the tip portion of the poppet valve 3 and the valve seat 1a is configured as described above, so that the thrust coefficient becomes small and the same amount of propellant is consumed. Even so, there is a problem that this is not used effectively as thrust.
In Japanese Utility Model Laid-Open No. 1-179100, there is provided a poppet valve device in which the tip seat portion of the poppet valve and the seat surface of the valve seat are formed in a conical shape with a reduced end portion. The relationship between the choke portion of the valve seat and the poppet valve is not disclosed.
[0023]
In view of the problems of the related art or the comparative example, the present invention avoids the generation of harmful shock waves in the downstream nozzle while ensuring a low pressure region near the tip of the poppet valve, and has a large thrust coefficient and a high efficiency poppet valve. An object is to provide an apparatus.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, the present invention provides a front end of the poppet valve according to claim 1 by a pressure difference between two chambers facing the upper and lower surfaces of the poppet valve fitted in a cylinder so as to be slidable in a reciprocating manner. In the floating poppet valve device configured to open and close the gas passage by attaching and detaching the seat part to the valve seat ,
The poppet valve, the valve body lower portion sealing ring has a smaller diameter than the outer peripheral sliding portion is fitted with the outer peripheral sliding section and its valve body lower tip and a seat portion, an end portion of the tip seat The valve seat has a seat surface formed in a conical surface along the shape of the tip seat portion, and is formed between the conical surface and the downstream gas passage. The floating poppet valve device is characterized in that the passage area of the choke portion is configured to be smaller than the passage area between the tip seat portion and the seat surface when the poppet valve is at the maximum lift. Propose.
[0025]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the tip seat portion of the poppet valve is formed at the lower end of the seat surface of the valve seat when the poppet valve is lifted to the maximum lift position. It is configured to be positioned above the choke portion.
[0026]
According to this invention, when the pilot valve is opened, the working fluid in the pressure chamber above the poppet valve is discharged, and the upward force due to the combustion gas in the inlet chamber is larger than the downward force due to the working fluid. As a result, the poppet valve moves upward, the tip seat portion thereof moves away from the conical surface of the valve seat, and the poppet valve opens.
By opening the poppet valve, the combustion gas flows from the inlet chamber between the poppet valve tip seat and the conical surface of the valve seat and through the choke to the downstream gas passage or nozzle to be ejected to the outside. Thus, thrust is generated.
[0027]
When the poppet valve is opened, the seat surface of the valve seat is formed in a conical surface along the shape of the tip seat portion of the poppet valve, so that the flow passage area of the flow passage portion is kept constant. In addition, the passage area of the choke portion formed between the conical surface of the valve seat and the downstream gas passage is defined as a tip seat portion of the poppet valve and a seat surface of the valve seat when the poppet valve is fully lifted. The flow of the working fluid becomes a sound velocity, that is, Mach 1 when the choke portion is slightly narrower than the flow passage portion, and the seat portion-side flow passage portion. The flow is maintained at high speed within the subsonic speed.
[0028]
With this action, the low pressure region in the vicinity of the tip of the poppet valve is maintained at a low pressure equivalent to that of the conventional one, and the flow of the flow passage on the seat side is subsonic as described above. Shock waves are prevented from being generated as in the technology and comparative examples.
Further, in addition to the above configuration, as in claim 2, by configuring the tip sheet portion of the poppet valve so that the tip position when the poppet valve is lifted is located above the choke portion. The tip of the poppet valve prevents the turbulence of the working fluid from occurring in the downstream gas passage.
[0029]
Therefore, according to this invention, while ensuring a low pressure region near the tip of the poppet valve, generation of harmful shock waves in the downstream gas passage is prevented, and a highly efficient poppet valve device having a large thrust coefficient can be obtained.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, etc. of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, but are merely illustrative examples. Only.
[0031]
1 to 2 show a schematic configuration of a floating poppet valve device for a rocket engine according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a state when the poppet valve is closed and FIG. 2 shows a state when the poppet valve is opened.
[0032]
1 and 2, reference numeral 1 denotes a housing, 2 denotes a cylinder formed in the housing 1, and a floating poppet valve 3 is fitted in the cylinder 2 so as to be slidable in a reciprocating manner.
Reference numeral 8 denotes a pressure chamber defined by the upper surface of the poppet valve 3 and the cylinder 2, and a working fluid supply port 7 opened and closed by the pilot valve 6 is opened in the pressure chamber 8. The pilot valve 6 is configured to open and close by an actuator (not shown), thereby controlling the pressure in the pressure chamber 8.
[0033]
Reference numeral 5 denotes a combustion gas inlet chamber formed in the housing 1, and the outer periphery of the lower part 3 b of the poppet valve 3 faces. A combustion gas supply port 9 is connected to the combustion chamber (not shown). Reference numeral 4 denotes a nozzle for ejecting combustion gas.
The poppet valve 3 is formed with a conical seat portion 3a at the tip of the lower portion 3b, and is attached to the housing 1 so as to be attached to and detached from the seat surface 1b of the valve seat 1a configured as described later. The chamber 5 and the nozzle 4 are opened and closed.
[0034]
The poppet valve 3 is made of a heat-resistant composite material such as ceramic fiber having a low thermal conductivity.
Reference numeral 11 denotes a through hole drilled in the poppet valve 3. The through hole 11 is opened on the upper surface of the poppet valve 3, that is, the surface facing the pressure chamber 8, extends downward from the upper surface along the axis 3 c of the poppet valve 3, and is perpendicular to the lower portion 3 b of the poppet valve 3. (11a) and opens into the inlet chamber 5. In the middle of the through hole 11, a poppet orifice 10 with a narrowed passage is provided.
[0035]
An O-ring 12 made of heat-resistant and oil-resistant rubber material and piston rings 13 and 13 made of metal having good heat resistance and slidability are fitted on the O-ring 12 on the outer periphery sliding portion of the poppet valve 3. It is disguised.
[0036]
The above structure is the same as that of the comparative example shown by FIGS.
In the present invention, the structure of the seat portion of the poppet valve 3 and the valve seat 1a is improved.
[0037]
That is, in FIGS. 1-2, the poppet valve 3 is similar to the comparative example of FIGS.
The sheet portion 3a at the tip of the lower portion 3b is formed in a conical shape in which the tip 3d side is reduced.
On the other hand, the seat surface 1b of the valve seat 1a is formed in a conical surface along the shape of the seat portion 3a at the tip of the poppet valve 3. A choke portion 14b having a narrow passage area is formed between the outlet side of the seat surface 1b of the valve seat 1a and the downstream nozzle 4. The choke portion 14b is configured such that its passage area is smaller than the passage area between the seat portion 3a and the seat surface 1b when the poppet valve 3 is fully lifted.
[0038]
Further, the tip sheet portion 3a of the poppet valve 3 is configured such that when the poppet valve 3 is lifted, the tip 3d is positioned above the choke portion 14b.
During operation of the floating poppet valve device having such a configuration, combustion gas generated in a combustion chamber (not shown) is introduced from the supply port 9 into the inlet chamber 5. On the other hand, when the poppet valve 3 is closed, as shown in FIG. 1, the pilot valve control device (not shown) closes the pilot valve 6 and the pressure of the working fluid in the pressure chamber 8 becomes high. The downward force due to the pressure is greater than the upward force due to the combustion gas pressure in the inlet chamber 5, the seat portion 3 a of the poppet valve 3 is pressed against the seat surface 1 b of the valve seat 1 a of the housing 1, and the combustion gas nozzle The outflow to 4 is blocked.
[0040]
As shown in FIG. 2, when the pilot valve 6 is opened, the working fluid in the pressure chamber 8 is discharged, and the upward force due to the combustion gas in the inlet chamber 5 is more than the downward force due to the working fluid. As the size increases, the poppet valve 3 moves upward, the seat portion 3a moves away from the seat surface 1b of the valve seat 1a, and the poppet valve 3 opens.
When the poppet valve 3 is opened, the combustion gas flows from the inlet chamber 5 between the seat portion 3a at the tip of the poppet valve and the seat surface 1b of the valve seat and the choke as shown by the arrow in FIG. It flows through the portion 14b to the downstream gas passage, that is, the nozzle 4 and is ejected to the outside, thereby generating thrust.
[0041]
On the other hand, a part of the combustion gas in the inlet chamber 5 enters the through hole 11, is throttled by the poppet orifice 10, flows into the pressure chamber 8 side, and then is discharged to the outside through the pilot valve 6. The valve opening speed and the valve closing speed of the poppet valve 3 are adjusted by changing the throttle degree of the poppet orifice 10, that is, the passage area.
[0042]
In this embodiment, when the poppet valve 3 is opened, the seat surface 1b of the valve seat 1a is formed in a conical surface along the shape of the seat portion 3a of the poppet valve 3, so that the seat of the poppet valve 3 is formed. The flow passage area between the portion 3a and the seat surface 1b of the valve seat 1a is kept constant, and is formed between the conical seat surface 1b of the valve seat 1a and the downstream nozzle 4. Since the passage area of the choke portion 14b is smaller than the passage area between the seat portion 3a of the poppet valve 3 and the seat surface 1b of the valve seat 1a when the poppet valve 3 is fully lifted. The flow of the working fluid becomes a sonic speed, that is, Mach 1, by being slightly narrowed in the choke portion 14b than the flow passage portion, and the flow in the seat portion side flow passage portion is kept at a high speed within the subsonic velocity. .
[0043]
With this action, the low pressure region in the vicinity of the tip of the poppet valve 3 is maintained at a low pressure equivalent to that of the conventional one, and, as described above, the flow in the seat portion side flow passage portion is subsonic, Generation of shock waves is prevented as in the prior art and comparative examples.
[0044]
Furthermore, since the position of the tip 3d of the tip sheet portion 3a of the poppet valve 3 when the poppet valve 3 is lifted is positioned above the choke portion 14b, the poppet valve 3 The front end portion 3d prevents the flow of the working fluid from being disturbed in the downstream gas passage, that is, the nozzle 4.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the seat surface of the valve seat is formed in a conical surface along the shape of the tip seat portion of the poppet valve, and the passage area of the choke portion is set at the maximum lift of the poppet valve. Since it is formed smaller than the passage area between the front seat portion of the poppet valve and the seat surface of the valve seat, the low pressure region in the vicinity of the tip portion of the poppet valve is maintained at a low pressure equivalent to the conventional one, In addition, since the flow in the flow passage on the seat side is subsonic, it is possible to prevent a shock wave from being generated in the gas passage.
[0046]
Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain a poppet valve device having a high thrust coefficient and a high efficiency while preventing generation of harmful shock waves in the downstream gas passage while securing a low pressure region near the tip of the poppet valve.
[0047]
Further, in addition to the above configuration, as in claim 2, by configuring the tip sheet portion of the poppet valve so that the tip position when the poppet valve is lifted is located above the choke portion. The tip of the poppet valve prevents the turbulence of the working fluid from occurring in the downstream gas passage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a floating poppet valve device for a rocket engine according to an embodiment of the present invention, and is a view showing when the poppet is closed.
FIG. 2 is a diagram illustrating a poppet opening time in the embodiment.
FIG. 3 is a diagram corresponding to FIG. 1 and showing a comparative example.
FIG. 4 is a diagram corresponding to FIG. 2 in the comparative example.
FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 1 showing when the floating poppet valve device according to the prior art is closed.
FIG. 6 is a view corresponding to FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Housing 1a Valve seat 1b Seat surface 2 Cylinder 3 Poppet valve 3a Seat part 3b Lower part 3d Tip 4 Nozzle 5 Inlet chamber 6 Pilot valve 7 Working fluid supply port 8 Pressure chamber 9 Supply port 10 Poppet orifice 11 Through-hole 12 O-ring 13 Piston Ring 14b Choke part

Claims

The poppet valve, which is fitted in the cylinder so as to be slidable in a reciprocating manner, is configured to open and close the gas passage by attaching and detaching the tip sheet portion of the poppet valve to the valve seat by the pressure difference between the two chambers facing the upper and lower surfaces. In floating poppet valve device,
The poppet valve, the valve body lower portion sealing ring has a smaller diameter than the outer peripheral sliding portion is fitted with the outer peripheral sliding section and its valve body lower tip and a seat portion, an end portion of the tip seat The valve seat has a seat surface formed in a conical surface along the shape of the tip seat portion, and is formed between the conical surface and the downstream gas passage. The floating poppet valve device is configured such that a passage area of the choke portion is smaller than a passage area between the front seat portion and the seat surface when the poppet valve is fully lifted.

The tip seat portion of the poppet valve is configured such that when the poppet valve is lifted to the maximum lift position, the tip position is located above the choke portion formed at the lower end of the seat surface of the valve seat. The floating poppet valve device according to claim 1.

A first passage is provided in the lower part of the valve body symmetrically with respect to the axis of the valve body, and a second passage that penetrates the valve body portion on the axis and communicates with the two chambers through the first passage. The floating poppet valve device according to claim 1 or 2, wherein the floating poppet valve device has a passage and an orifice is provided in the second passage.