RU2852119C1 - Клапан однократного действия - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано при создании клапанов однократного действия в системах хранения и подачи жидких рабочих тел, в том числе агрессивных. Клапан однократного действия содержит полый корпус основной с герметично установленными на торцах основанием и корпусом топливным, на открытом торце которого расположены две подвижные диафрагмы. Внутри корпуса основного и соосно ему находится цилиндрический шток, выполненный из материала с эффектом памяти формы, который через мембраны и поршень касается наконечника из материала с относительным удлинением не более 5% при действии усилия на изгиб, совместимого с рабочим телом. На наружной поверхности штока выполнен цилиндрический выступ, а между торцом штока и наружной диафрагмой установлена вставка теплоизолирующая. Техническим результатом изобретения является обеспечение герметичности при разделении полости системы хранения и магистрали подачи рабочего тела, в том числе при механических воздействиях, а также обеспечение надежности срабатывания, исключения недопустимого теплового воздействия на рабочее тело и обеспечения герметичности магистрали подачи рабочего тела. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано при создании пусковых клапанов однократного действия (КОД) в системах подачи жидкого рабочего тела (РТ), в том числе агрессивного, например, гидразина в двигательных установках (ДУ) космических аппаратов (КА), а также может быть применено в различных областях промышленности для работы с жидкостями и газами.

В системах хранения и подачи рабочего тела в двигательных установках КА в качестве элемента, который до начала функционирования ДУ герметично разделяет полость системы хранения жидкого рабочего тела и магистраль системы подачи рабочего тела, а после включения ДУ и на протяжении всего срока ее эксплуатации - свободно пропускает через себя РТ, используется клапан однократного действия. К клапанам однократного действия для КА предъявляются высокие требования по длительной герметичности трактов подачи РТ до и после срабатывания, а также по надежности срабатывания при жестких ограничениях по габаритно-массовым характеристикам, потреблению электроэнергии и по сохранению работоспособности после механических воздействий при выведении КА на орбиту.

В качестве клапанов однократного действия в системах хранения и подачи рабочего тела в двигательных установках часто применяют пироклапаны. Принцип действия пироклапанов основан на принудительном разрушении разрывного запорного органа с помощью пиропатрона и последующей разгерметизации внутренней полости клапана и, соответственно, открытии свободного прохода рабочего тела через клапан (патенты на изобретения № RU 2533592 С1 от 22.07.2013 г., МПК F02K 9/50, № RU 2092204 С1 от 20.05.1991 г., МПК А62С 37/40; № RU 2159889 С1 от 04.04.2000 г., МПК F16K 17/40).

Однако, известные пироклапаны имеют большие габариты и массу из-за применения пиропатрона, при срабатывании которого давление может достигать более сотни мегапаскалей. При наземной отработке двигательных установок работа с пироклапанами требует соблюдения повышенных мер по обеспечению техники безопасности, несоблюдение которых может привести к преждевременному подрыву пиропатронов в присутствии персонала. Также, при срабатывании пироклапанов возникают ударно-импульсные воздействия, которые могут вызывать при наземных испытаниях и проверках, а также при эксплуатации непреднамеренное повреждение связанных конструкций, оборудования, например, электроники в полезной нагрузке или приборных блоках.

Известен термозапорный клапан для автоматического перекрытия проходного сечения трубопроводов в результате повышения температуры (патент на изобретение № RU 2359162 С1 от 16.06.2008, МПК F16K 17/38), который содержит прямоточный корпус с выполненным в нем седлом. Соосно седлу установлен нагруженный пружиной запорный орган со штоком, который пропущен сквозь центральное отверстие закрепленной в корпусе перегородки с проходным каналом и снабжен стопором отрытого положения клапана. В перегородке концентрично центральному отверстию выполнена кольцевая расточка, а на штоке выполнена кольцевая проточка. Стопор размещен между боковыми стенками расточки и поверхностью проточки и выполнен в виде одного или нескольких витков проволоки из материала с эффектом памяти формы (ЭПФ). Согласно эффекту памяти формы, внутренний диаметр витков проволоки больше диаметра штока, а наружный диаметр - меньше диаметра расточки в перегородке.

Недостатками этого термозапорного клапана являются: в исходном положении - открытое состояние; применение только в наземных условиях - для срабатывания требуется повышение температуры рабочего тела или окружающей среды до критической температуры; сложность конструкции; неудовлетворительные габаритно-массовые характеристики для применения в космических условиях в составе ДУ КА; низкая герметичность запорного элемента после срабатывания.

Известен пироклапан, находящийся в исходном состоянии в закрытом положении (патент на изобретение № RU 2681558 С1 от 12.03.2018 г., МПК F16K 17/40). Новизной изобретения является то, что по оси штуцеров входа и выхода герметично с корпусом установлена втулка с глухим дном по центру втулки, пропущенная через отверстие штока с поршнем. На торце поршня со стороны пиропатрона выполнен тонкостенный уплотнительный бурт. Технический результат заключается в обеспечении полной герметичности при длительном воздействии рабочего тела со стороны входа пироклапана.

Однако проблема обеспечения длительной герметичности тракта подачи после срабатывания пироклапана не решена. К недостаткам также следует отнести большие габаритно-массовые характеристики из-за применения пиропатрона.

Известен аварийный термоклапан одноразового действия, который в исходном состоянии, то есть в режиме хранения, находится в закрытом положении (патент на изобретение № RU 2469233 С1 от 09.11.2011 г., МПК F16K 17/40). Клапан содержит цилиндрообразный корпус, в котором коаксиально расположены первый и второй подпружиненные штоки, соединенные между собой фиксатором. На конце второго штока закреплена заслонка, герметично перекрывающая входное отверстие, а на стенке выходного отверстия цилиндрообразного корпуса расположена перфорированная гильза с плавким предохранителем. При повышении температуры приблизительно до 600°С в месте выходного отверстия плавкий предохранитель расплавляется и вытекает из отверстий перфорированной гильзы, при этом приходит в движение первый шток, а затем второй шток тянет за собой заслонку, отрывая ее от посадочного места входного отверстия и освобождая проход для текущего рабочего тела (среды).

Однако применение аварийного термоклапана проблематично в качестве клапана однократного действия в системе хранения и подачи рабочего тела ДУ КА, так как имеет достаточно сложную конструкцию и, как следствие, с одной стороны, повышенные массогабаритные характеристики, а с другой стороны, пониженную надежность срабатывания клапана. Высокая температура расплавления вставки требует повышенного расхода электроэнергии, а после ее расплавления есть вероятность попадания частиц плавкой вставки в магистраль подачи рабочего тела.

Известен клапан (патент на полезную модель № RU 11290 U1 от 20.10.1998 г., МПК F16K 15/02, F16K 17/38), содержащий корпус с размещенным внутри него запорным элементом, выполненным из материала с эффектом памяти формы в виде тонкостенной трубки с конической головкой, который предварительно подвергают пластической деформации - растягиванию. В корпусе запорный элемент закреплен посредством резьбы, а для прохода среды в основании конической головки под углом выполнены отверстия. В исходном состоянии клапан находится в открытом положении, при этом коническая головка запорного элемента размещена с зазором относительно корпуса. В случае же повышения температуры среды трубка разогревается и восстанавливает свою форму, предшествующую пластической деформации, то есть сжимается. При этом коническая головка постепенно перекрывает входное отверстие, препятствуя дальнейшему перетеканию среды.

Известный клапан не может быть применен в системе хранения и подачи рабочего тела, где требуется исходное закрытое состояние для герметичного разделения полости системы хранения рабочего тела и магистрали системы подачи до начала функционирования двигательной установки. Выполнение запорного элемента в виде тонкостенной трубки с отверстиями, расположенными в основании конической головки, уменьшает прочность запорного элемента из-за вероятности его деформации в процессе сборки клапана, и, как следствие, снижает надежность клапана.

Наиболее близким по своим конструктивным особенностям к заявленному клапану однократного действия является пусковой клапан, находящийся в исходном состоянии в закрытом положении (патент на изобретение № RU 2579299 С2 от 04.03.2014 г., МПК F16K 17/14), принятый за прототип, содержащий полый корпус с входным патрубком в форме стакана со срезаемым дном. Выходной патрубок установлен соосно входному. Силовой привод выполнен в виде поршня со штоком, взаимодействующим со срезаемым дном. Приемная камера для срезаемого дна смонтирована на корпусе. При этом между корпусом и приемной камерой установлена шторка в виде упругой лепестковой мембраны. В донной части приемной камеры закреплен демпфер из пластичного материала в форме выпуклой чашеобразной диафрагмы. При этом ход силового привода выполнен равным толщине стенки входного патрубка в зоне среза дна.

Недостатками этого пускового клапана являются: требуется относительно высокое пусковое давление для срезания дна входного патрубка для срабатывания, например, того же пиропатрона; отсюда большие габаритно-массовые характеристики, в том числе из-за сложной конструкции приемной камеры для улавливания срезанного дна; низкая надежность по обеспечению герметичности тракта подачи рабочего тела после срабатывания из-за возможного попадания РТ в тракт подачи пускового давления в случае разрыва подвижной диафрагмы.

При создании изобретения решались задачи обеспечения высокой надежности клапана однократного действия с минимальными габаритно-массовыми характеристиками и минимальным энергопотреблением, с герметично разделенными в режиме ожидания полостями хранения жидкого рабочего тела и магистралями системы подачи, в том числе в условиях механических воздействий, и с последующим однократным срабатыванием при минимальном тепловом воздействии на РТ, а также обеспечения последующей гарантированной герметичности внутренних полостей КОД.

Поставленные задачи решены за счет того, что в клапане однократного действия, содержатся полый корпус основной с герметично установленными на торцах основанием и корпусом топливным для обеспечения подачи РТ, на открытом торце которого находятся подвижные наружная и внутренняя диафрагмы, а перпендикулярно оси корпуса топливного выполнены выходной штуцер и, соосно ему, через наконечник из материала с относительным удлинением 2-5% при действии усилия на изгиб, входной штуцер. При этом наконечник выполнен с глухим отверстием, а на его наружной цилиндрической поверхности, расположенной внутри корпуса топливного, над внутренним отверстием выполнена кольцевая проточка треугольной формы для утонения толщины стенки. Внутри корпуса основного размещен цилиндрический шток, выполненный из материала с ЭПФ, предварительно деформированный на сжатие на величину 2-5% от первоначальной длины в направлении продольной оси. На наружной поверхности штока расположен цилиндрический выступ, обеспечивающий скользящую посадку по внутренней поверхности корпуса основного, а также нагреватель в виде нагревного кабеля в металлической оболочке, входные концы которого герметично впаяны в основание клапана основного. Шток расположен без осевых зазоров между торцевой поверхностью основания с одной стороны и вставкой теплоизолирующей, обеспечивающей максимальное тепловое сопротивление, подвижными наружной и внутренней диафрагмами без осевого зазора между ними. Внутри корпуса топливного, между торцом внутренней диафрагмы и цилиндрической выходной частью наконечника расположен без осевых зазоров поршень со скользящей посадкой по внутренней поверхности корпуса топливного для обеспечения осевого перемещения, при этом, для обеспечения взаимного положения и контакта между поршнем и цилиндрической частью наконечника выполнена лыска, параллельная торцевой поверхности поршня. В исходном положении диафрагмы находятся в крайнем положении, обеспечивающем необходимое перемещение по оси штока и поршня при последующем срабатывании клапана.

Максимальное сжатие штока от первоначальной длины в направлении продольной оси при его изготовлении может проводиться в несколько этапов, включающих предварительные этапы сжатия и последующего восстановления, и заканчиваться окончательным сжатием. Предлагаемая конструкция клапана с предварительно сжатым штоком на суммарную величину 2-5%, установленным без промежуточных осевых зазоров, при обеспечении требуемого запаса прочности сечения проточки на наконечнике (утонении), в том числе, при действии давления рабочего тела во входном штуцере и механических воздействий при применении КОД, позволяет при срабатывании обеспечить достаточное удлинение штока и, соответственно, необходимое осевое усилие через подвижные наружную и внутреннюю диафрагмы и поршень для принудительного скола выходной части наконечника в месте проточки для свободного прохода рабочего тела.

Выполнение наконечника, впаянного в корпус топливный, с глухим отверстием гарантированно обеспечивает по металлу герметичное разделение полости системы хранения рабочего тела и выходной магистрали подачи РТ до начала функционирования двигательной установки. После срабатывания КОД герметичность тракта подачи РТ ДУ обеспечивается внутренней мембраной и дублирующей наружной мембраной, а также герметичностью внутренней полости, образованной корпусом основным, основанием с герметично впаянными в него выходными концами кабеля нагревного, корпусом топливным и входным и выходным штуцерами в случае аварийного нарушения герметичности мембран.

Применение для наконечника относительно хрупкого хромоникелевого сплава (например, сплава Х65НВФТ), совместимого с РТ, с относительным удлинением не более 5% при действии усилия на изгиб, обеспечивает гарантированный скол его выходной части от действия усилия, создаваемого штоком при восстановлении его длины. При этом, в торцевой приемной полости корпуса топливного обеспечен достаточный объем для расположения отколовшейся части наконечника после срабатывания КОД.

Установка нагревателя (одного или нескольких, включая резервные) непосредственно на наружную поверхность штока обеспечивает быстрый разогрев штока до температуры срабатывания минимально необходимой мощностью и при минимальном тепловом потоке от нагревателя на корпус топливный с рабочим телом, которое может иметь ограничения по допускаемой температуре его применения. Для этого на наружной поверхности штока расположен цилиндрический выступ, обеспечивающий скользящую посадку по внутренней поверхности корпуса основного с максимальным тепловым сопротивлением, также на торце штока перед наружной диафрагмой установлена вставка теплоизолирующая с меньшей контактной площадью по сравнению с площадью торца штока и выполненная из материала с повышенным тепловым сопротивлением, например, титанового сплава ВТ14.

Объем приемной полости в корпусе топливном составляет не менее объема откалывающейся части наконечника, а введение на входном торце выходного штуцера двух взаимно перпендикулярных сквозных пазов с образованием четырех стоек с суммарной площадью боковых проходных пазов не меньше, чем площадь внутреннего отверстия выходного штуцера, обеспечивает свободный проход рабочего тела после срабатывания клапана и исключает перекрытие внутреннего отверстия выходного штуцера отколовшейся частью наконечника.

Необходимая длина предварительно деформированного штока из материала с ЭПФ превышает минимально необходимый ход поршня не менее чем на 25%, что обеспечивает гарантированное скалывание выходной части наконечника при восстановлении формы штока. При этом, максимально допускаемый ход диафрагм при их перекладывании из исходного положения превышает максимально возможное удлинение штока при восстановлении формы не менее чем на 10%, что обеспечивает штатные условия функционирования мембран.

Соосное расположение основных силовых элементов клапана однократного действия в корпусе основном и корпусе топливном позволяет выполнить конструкцию с минимально возможными габаритно-массовыми характеристики. Также это достигается за счет выполнения таких основных силовых элементов клапана, как корпус основной, корпус топливный, диафрагмы, входной и выходной штуцеры, а также наконечник из относительно прочных нержавеющих сталей и сплавов, совместимых с РТ.

Высокая надежность по герметичности магистрали подачи РТ после срабатывания КОД, даже в случае разгерметизации подвижных мембран или их соединения с корпусом топливным, обеспечена герметичным исполнением полости, образованной корпусами основным и топливным, а также основанием с герметично впаянными в него выходными концами кабеля нагревного.

Изобретение иллюстрируется чертежами: на Фиг. 1 показан продольный разрез клапана однократного действия в исходном закрытом состоянии; на Фиг. 2 - вид взаимного положения штока, вставки теплоизолирующей, мембран и поршня; на Фиг. 3 - сечение взаимного положения наконечника и поршня в корпусе топливном; на Фиг. 4 - вид выходного штуцера.

Клапан однократного действия (Фиг. 1) содержит цилиндрической формы полый корпус основной 1, на торцах которого с одной стороны герметично приварены основание 2, а с другой стороны - корпус топливный 3, перпендикулярно оси которого и соосно между собой в него герметично впаяны выходной штуцер 4 и входной штуцер 5 через впаянный в корпус топливный 3 наконечник 6, выполненный из материала с относительным удлинением не более 5% при действии усилия на изгиб и с внутренним глухим отверстием, а на его наружной цилиндрической поверхности, расположенной внутри корпуса топливного и над внутренним отверстием наконечника выполнена кольцевая проточка треугольной формы 7 для утонения толщины стенки. Внутри корпуса основного 1 размещен цилиндрический шток 8, выполненный из материала с эффектом памяти формы, предварительно деформированный на сжатие на величину 2-5% от первоначальной длины в направлении продольной оси. На наружной поверхности штока расположен цилиндрический выступ 9, обеспечивающих минимально необходимый зазор и минимальную площадь контакта с внутренней поверхностью корпуса основного 1 при его осевом перемещении, а также нагреватель 10, входные концы кабеля нагревного герметично впаяны в основание 2. Шток 8 расположен без осевых зазоров и дополнительных усилий между торцевой поверхностью центрирующего глухого отверстия 11 и, через вставку теплоизолирующую 12, подвижными наружной 13 и внутренней 14 диафрагмами без осевых зазоров между ними (Фиг. 2). Диафрагмы герметично приварены к торцу открытой части корпуса топливного 3, внутри которого, между внутренней диафрагмой и наконечником, расположен без осевых зазоров поршень 15 со скользящей посадкой по внутренней поверхности корпуса топливного 3 для обеспечения осевого перемещения. На цилиндрической поверхности наконечника 6 (Фиг. 3), расположенного внутри корпуса топливного, выполнена параллельно торцу выходной части поршня лыска 16 для прилегания торца выходной части поршня 17 без зазора. На входном торце выходного штуцера 4 (Фиг. 4) выполнены два взаимно перпендикулярных сквозных паза 18 (Фиг. 1) с образованием внутри корпуса топливного четырех стоек 19 с суммарной площадью боковых проходных пазов не меньше, чем площадь внутреннего отверстия выходного штуцера - для обеспечения свободного прохода рабочего тела после срабатывания клапана и исключения перекрытия внутреннего отверстия выходного штуцера отколовшейся частью наконечника 20, которая далее находится в приемной полости 21 корпуса топливного 3.

Клапан однократного действия работает следующим образом.

До начала работы ДУ КА клапан однократного действия находится в режиме хранения, рассчитанном на требуемое время. В исходном состоянии шток 8 расположен без осевых зазоров между торцевыми поверхностями центрирующего глухого отверстия 11 в основания 2 с одной стороны и, с другой стороны, через вставку теплоизолирующую 12, диафрагмы наружной 13 и внутренней 14, а также поршнем 15 и лыской 16 на цилиндрической поверхности наконечнике 6. При подготовке двигательной установки к запуску на нагреватель 10 клапана подается напряжение питания, при этом температура штока начинает увеличиваться и при достижении температуры обратного мартенситного превращения (более 100°С) предварительно деформированный шток начинает удлиняться в направлении продольной оси на 2-5%, создавая усилие через вставку теплоизолирующую 12, диафрагмы наружную 13 и внутреннюю 14, а также через поршень 15 на поверхность лыски наконечника 6, принудительно скалывая его выходную часть 20 в месте, выполненной на его наружной поверхности, проточки 7 в приемную полость 21 корпуса топливного 3. При этом рабочее тело свободно проходит через образовавшееся отверстие в наконечнике 6 и далее поступает в отверстие выходного штуцера клапана, обеспечивая постоянный проход рабочего тела из системы хранения в магистраль подачи в течение всего срока эксплуатации двигательной установки. После отключения нагревателя и остывания шток остается в удлиненном состоянии, а отколовшаяся часть наконечника находится в приемном объеме 21 корпуса топливного 3.

Испытания опытных образцов предлагаемого клапана однократного действия при рабочем давлении жидкости на входе до 2,5 МПа показали его работоспособность, высокую надежность и гарантированное срабатывание.

Claims (3)

1. Клапан однократного действия, содержащий полый корпус основной с герметично установленными на торцах основанием и корпусом топливным, на открытом торце которого находятся подвижные наружная и внутренняя диафрагмы, перпендикулярно оси корпуса топливного выполнен выходной штуцер, а соосно ему, через наконечник - входной штуцер, при этом наконечник выполнен с глухим отверстием, а на его наружной цилиндрической поверхности, расположенной внутри корпуса топливного, над внутренним отверстием выполнена кольцевая проточка треугольной формы для утонения толщины стенки, при этом внутри корпуса основного соосно расположен цилиндрический шток, выполненный из материала с эффектом памяти формы, предварительно деформированный на сжатие на величину 2-5% от первоначальной длины в направлении продольной оси и расположенный без осевых зазоров между основанием и наружной диафрагмой, а между внутренней диафрагмой и наконечником расположен без осевых зазоров поршень, отличающийся тем, что наконечник выполнен из хрупкого, коррозионностойкого хромоникелевого сплава, совместимого с рабочим телом и с относительным удлинением не более 5%, на цилиндрической поверхности штока расположен нагреватель и выполнен цилиндрический выступ, а между торцом штока и наружной диафрагмой установлена без осевых зазоров вставка теплоизолирующая.

2. Клапан однократного действия по п. 1, отличающийся тем, что объем приемной полости в корпусе топливном составляет не менее объема откалывающейся части наконечника, а на входном торце выходного штуцера внутри корпуса топливного выполнены два взаимно перпендикулярных сквозных паза с образованием четырех стоек с суммарной площадью проходных боковых пазов не меньше, чем площадь внутреннего отверстия выходного штуцера.

3. Клапан однократного действия по п. 1, отличающийся тем, что величина предварительного сжатия деформированного штока от первоначальной длины превышает минимально необходимый ход поршня для скалывания наконечника не менее чем на 25%, а максимально допускаемый ход диафрагм при их перекладывании из исходного положения превышает максимально возможное удлинение штока при восстановлении формы не менее чем на 10%.