Пироклапан

Пироклапан

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности к сфере агрегатов и механизмов газовых и гидравлических систем.

Известен блок пироклапанов. Блок пироклапанов содержит корпус с впускными отверстиями. В полости корпуса размещен шток механизма переключения. Шток снабжен срезной мембраной, разделяющей полость корпуса на изолированные объемы. Механизм переключения установлен с возможностью сообщения объемов после срабатывания пиропривода, размещенного в корпусе. Во впускных отверстиях установлены нормально открытые обратные клапаны, снабженные фиксаторами открытого положения тарелей. Фиксаторы связаны со штоком и установлены с возможностью расфиксации тарелей после срабатывания пиропривода (патент РФ 2068143 на изобретение от 29.06.93, МПК 6 F 16 К 17/14, опубликован 20.10.96).

Указанное устройство имеет сложную и достаточно громоздкую конструкцию, содержащую большое количество подвижных взаимосвязанных элементов. Надежность таких устройств, как правило, мала, а быстродействие - низко.

Из известных технических решений наиболее близким является пироклапан отсечной (патент РФ на изобретение 2068142 от 29.06.93, МПК 6 F 16 К 17/14, опубликован 20.10.96). Пироклапан отсечной содержит корпус, пирокамеру и срезную мембрану. В цилиндрической расточке корпуса размещен поршень с конической пробкой, которая установлена с возможностью заклинивания в ответном коническом седле и разобщения впускного и выпускного отверстий корпуса. Одно из отверстий выполнено в боковой поверхности седла. В месте пересечения отверстия с поверхностью седла в последнем выполнена расточка, разделяющая седло на два участка. На конической пробке выполнена проточка с возможностью сообщения ее с отверстием в боковой поверхности седла при срабатывании пироклапана. Срезная мембрана закреплена на поршне или выполнена с ним за одно целое, неподвижно соединена с корпусом с обеспечением герметичного отделения пирокамеры от цилиндрической расточки корпуса.

Основным недостатком данного пироклапана отсечного является его ограниченная функциональность, обусловленная отсутствием в нем элементов распределения газового потока. Кроме того, надежность пироклапана, вследствие пониженной степени герметичности соединения "коническая пробка - коническое седло" (из-за выполнения отверстия в боковой поверхности седла), существенно снижена.

Решаемая техническая задача предлагаемого изобретения состоит в создании надежного в работе, быстродействующего, простого в изготовлении, имеющего малые габаритно-массовые характеристики и работающего при больших давлениях пироклапана, с расширенными, по сравнению с прототипом, функциональными возможностями.

Технический результат заключается в повышении эффективности перепускания газа, в увеличении надежности и расширении функциональности пироклапана, а также в повышении быстродействия при высоких давлениях.

Технический результат достигается тем, что в пироклапане, содержащем корпус с одним впускным и, по меньшей мере, одним выпускным отверстиями, с полостью с цилиндрической расточкой, в которой размещен поршень, срезаемую мембрану, выполненную за одно целое с поршнем, коническую пробку, установленную с возможностью заклинивания в ответном коническом седле, выполненном в полости корпуса, и разобщения впускного и выпускного отверстий, пирокамеру, между впускным и дополнительно введенным выпускным отверстием установлена перемычка, разделяющая полость корпуса на изолированные друг от друга объемы, выпускное отверстие имеет вход в цилиндрическую расточку, в которой размещен поршень, поршень снабжен штоком, на котором со стороны перемычки установлен пробойник, диаметр которого превышает диаметр штока, а коническая пробка размещена между штоком и поршнем и жестко связана со штоком, срезаемая мембрана образована путем выполнения канавок на цилиндрической и торцевой поверхностях поршня.

Поверхность конической пробки, контактирующая с поршнем, может быть выполнена сферической.

Угол конусности конического седла может быть как больше, так и меньше угла конусности конической пробки.

Прочностные характеристики материала конической пробки, штока и пробойника могут быть выше прочностных характеристик материала корпуса.

В полости корпуса со стороны торцевой канавки поршня может быть установлена втулка, ограничивающая прогиб срезаемой мембраны.

Пироклапан может быть снабжен ловителем перемычки.

То, что между впускным и дополнительно введенным выпускным отверстием установлена перемычка, разделяющая полость корпуса на изолированные друг от друга объемы, а поршень снабжен штоком, на котором со стороны перемычки установлен пробойник, позволяет (при срабатывании пироклапана) в течение короткого промежутка времени (несколько миллисекунд) перепустить газ под высоким давлением от впускного к дополнительному выпускному отверстию. Налицо - расширение функциональности устройства и увеличение его быстродействия.

То, что выпускное отверстие входит в цилиндрическую расточку, в которой размещен поршень, а коническая пробка размещена между штоком и поршнем и жестко связана со штоком позволяет при срабатывании устройства надежно, без утечек, отсоединить впускное отверстие от выпускного, обеспечивая высокую надежность работы пироклапана.

Рассмотренные выше отличительные признаки в совокупности с признаками, описывающими характер выполнения пробойника, штока и срезаемой мембраны, обеспечивают высокую эффективность и надежность перепускания газа высокого давления. В самом деле, установка на штоке пробойника, диаметр которого превышает диаметр штока, обеспечит в перемычке необходимое для эффективного пропускания газа проходное сечение, а характер разрушения мембраны поршня, обусловленный выполнением ее с помощью канавок, дает возможность придать поршню максимально возможный импульс с обеспечением, во-первых, высокой скорости перепускания газа и, во-вторых, надежной герметизации соединения "коническая пробка - коническое седло".

Выполнение поверхности конической пробки, контактирующей с поршнем, сферической позволит установить пробку соосно коническому седлу, что при срабатывании пироклапана обеспечит надежную герметизацию соединения "коническая пробка - коническое седло", а также эффективное разрушение перемычки в корпусе.

Выполнение угла конусности конического седла больше или меньше угла конусности конической пробки позволит обеспечить надежную герметичность соединения "коническая пробка - коническое седло" после срабатывания устройства.

То, что прочностные характеристики материала конической пробки, штока и пробойника выше прочностных характеристик материала корпуса позволит при минимальных габаритно-массовых характеристиках пробки, штока и пробойника выполнить в перемычке отверстие и надежно заклинить коническую пробку в ответном коническом седле, тем самым повысив степень герметичности этого соединения.

При высоких давлениях газа в цилиндрической расточке на поршень будет действовать сила, способная деформировать и даже разрушить срезаемую мембрану. Втулка, установленная со стороны торцевой канавки поршня, ограничит прогиб и разрушение мембраны, а значит расширит функциональные возможности пироклапана, повысит эффективность его работы.

Снабжение пироклапана ловителем перемычки предотвратит попадание перемычки в газовые магистрали с возможным перекрытием их пропускных сечений. Таким образом, ловитель обеспечит стабильно высокий расход газа, надежность устройства при этом повысится.

На фиг.1 представлена схема пироклапана, где:

1 - корпус;

2 - впускное отверстие;

3 - выпускное отверстие;

4 - цилиндрическая расточка;

5 - поршень;

6 - срезаемая мембрана;

7 - коническая пробка;

8 - коническое седло;

9 - пирокамера;

10 - перемычка;

11 - дополнительно введенное выпускное отверстие;

12 - шток;

13 - пробойник;

14 - канавка на цилиндрической поверхности поршня;

15 - канавка на торцевой поверхности поршня.

Пироклапан может иметь следующие параметры конструктивных элементов, обеспечивающие высокоскоростную работу пироклапана при высоких давлениях. Установленный в цилиндрической расточке 4 поршень 5 и корпус 1 могут быть выполнены из стали 12Х18Н10Т. Шток 12, пробойник 13 и размещенная между штоком 12 и поршнем 5 коническая пробка 7 могут быть выполнены из более прочной стали 14Х17Н2. Толщина срезаемой мембраны 6, образованной канавками 14 и 15, может составлять, например, 0,25 мм, а толщина перемычки 10 - 1 мм. При этом рекомендуемый диаметр поршня 5 равняется 17...25 мм, а диаметр перемычки 10 - 3...6 мм. Угол конусности конической пробки 7 может быть около 12°, а конического седла 8 около 11°.

Устройство работает следующим образом.

Перед срабатыванием устройства газовый поток проходит только от впускного отверстия 2 к выпускному отверстию 3. При высоких давлениях газа в цилиндрической расточке 4 на поршень 5 будет действовать сила, способная деформировать и даже разрушить срезаемую мембрану 6. Втулка (не показана), установленная со стороны канавки 15 поршня 5, ограничит прогиб и разрушение срезаемой мембраны 6. После подрыва пиросредства (не показано) продукты сгорания поступают в пирокамеру 9 и воздействуют на поршень 5. При этом срезается мембрана 6, поршень 5 начинает движение. Следует отметить, что за счет наличия канавок 14 и 15 мембрана 6 срезается по диаметру, меньшему, чем диаметр поршня 5. Такое разрушение исключит касание неровных поверхностей зоны срезания мембраны 6 поверхности расточки 4, а значит позволит избежать уменьшения скорости поршня 5 с возможным заклиниванием в расточке 4.

Поршень 5 приводит в движение коническую пробку 7 и шток 12 с пробойником 13. Пробойник 13 разрушает перемычку 10 (в ней образуется отверстие), коническая пробка 7 заклинивается в ответном коническом седле 8, отсоединяя выпускное отверстие 3 от впускного отверстия 2. Разрушение перемычки 10 и заклинивание конической пробки 7 будет более эффективным, если прочностные характеристики материала конической пробки 7, штока 12 и пробойника 13 будут выше прочностных характеристик материала корпуса 1. В связи с тем что диаметр пробойника 13 превышает диаметр штока 12, в перемычке 10 образуется отверстие большего диаметра, чем диаметр штока 12. За счет этого между штоком 12 и отверстием в перемычке 10 образуется зазор, по которому поток газа направляется от впускного отверстия 2 к дополнительно введенному выпускному отверстию 11. Разрушенная часть перемычки 10 задерживается в ловителе (не показан). Тем самым предотвращается попадание перемычки в газовые магистрали с возможным перекрытием их пропускных сечений.

Движение конической пробки 7 и штока 12 без каких-либо перекосов, которые могут привести к появлению изгибных напряжений с возможной потерей работоспособности устройства, можно обеспечить выполнением поверхности конической пробки 7, контактирующей с поршнем, сферической.

Таким образом, при работе устройства достигается заявленный выше технический результат, а именно: повышается эффективность перепускания газа, увеличивается надежность пироклапана, расширяются его функциональные возможности, а также повышается быстродействие при высоких давлениях.

Работоспособность заявляемого пироклапана подтверждена на макетных образцах, в результате испытаний которых было определено, что время срабатывания составляет несколько миллисекунд, давление перепускаемого газа достигает несколько сотен мегапаскаль. Утечек газа через соединение "коническая пробка - коническое седло" не было обнаружено ни с помощью галоидного течеискателя, ни пузырьковым методом.

1. Пироклапан, содержащий корпус с одним впускным и, по меньшей мере, одним выпускным отверстиями, с полостью с цилиндрической расточкой, в которой размещен поршень, срезаемую мембрану, выполненную за одно целое с поршнем, коническую пробку, установленную с возможностью заклинивания в ответном коническом седле, выполненном в полости корпуса и разобщения впускного и выпускного отверстий, пирокамеру, отличающийся тем, что между впускным и дополнительно введенным выпускным отверстием установлена перемычка, разделяющая полость корпуса на изолированные друг от друга объемы, выпускное отверстие имеет вход в цилиндрическую расточку, в которой размещен поршень, поршень снабжен штоком, на котором со стороны перемычки установлен пробойник, диаметр которого превышает диаметр штока, а коническая пробка размещена между штоком и поршнем и жестко связана со штоком, срезаемая мембрана образована путем выполнения канавок на цилиндрической и торцевой поверхностях поршня.

2. Пироклапан по п.1, отличающийся тем, что поверхность конической пробки, контактирующая с поршнем, выполнена сферической.

3. Пироклапан по п.1, отличающийся тем, что угол конусности конического седла больше угла конусности конической пробки.

4. Пироклапан по п.1, отличающийся тем, что угол конусности конического седла меньше угла конусности конической пробки.

5. Пироклапан по п.1, отличающийся тем, что прочностные характеристики материала конической пробки, штока и пробойника выше прочностных характеристик материала корпуса.

6. Пироклапан по п.1, отличающийся тем, что в полости корпуса со стороны торцевой канавки поршня установлена втулка, ограничивающая прогиб срезаемой мембраны.

7. Пироклапан по п.1, отличающийся тем, что снабжен ловителем перемычки.