本发明涉及一种活塞作动式高压阀门。
背景技术
在阀门结构尺寸不大、工作压力不高的情况下，国内以往液体发动机低温阀门普遍采用波纹管作动结构隔离控制气和低温介质，并实现动密封功能。而在阀门结构尺寸偏大、工作压力偏高的工况下，波纹管设计、成型难度增大，成本极高，且波纹管组件的生产流程复杂、周期很长，继续选用波纹管作动型式难以适应氢氧发动机阀门研制需求，而选用结构更为简单的活塞作动形式。
为使阀门关闭可靠并保护结构件不受损伤，通常在介质压力降低到一定程度后给阀门下达关闭指令。要使阀门在主级额定最高压力下使其可靠并慢速缓冲式关闭，以保护结构件、非金属密封件并防止主级关闭时产生水击压力对阀门管路的冲击，以现有的阀门技术难以满足上述要求。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种超低温大流量带缓冲功能的活塞作动式高压阀门，可适应约23mpa较高压力、超低温介质(液氧或液氮90k/76k)、超大流量约390kg/s(液氧介质)，不大于1mpa的流阻损失，并具备在启闭过程防止关闭水击压力及保护非金属密封面的缓冲机构，可实现阀门作动机构与密封性、大流量下流阻损失的匹配优化，满足高工况和多次可重复使用的需要。
本发明所采用的技术方案是：一种超低温带缓冲功能活塞作动高压阀门，包括入口多层壳体组件和出口壳体组件；
出口壳体组件包括出口壳体、控制腔盖板、活塞杆、第二副弹簧；
出口壳体为一体结构，包括外壳、导向筒，外壳呈弯管状，导向筒一端从外壳一端端口伸出，另一端从外壳转弯处的筒壁伸出，导向筒从外壳筒壁伸出的一端直径大于从外壳端口伸出端的直径；泄漏口从导向筒侧壁引出至外壳外部，吹除口位于外壳筒壁上，与外壳另一端端口对应；
活塞杆安装在导向筒内，控制腔盖板安装在导向筒伸出外壳筒壁的一端，控制腔盖板中心处开有控制口，活塞杆靠近控制腔盖板的一端与导向筒内壁配合形成动密封结构，导向筒通过内壁的第一台阶结构控制活塞杆大端的行程；
第二副弹簧安装在活塞杆上，位于活塞杆外壁的台阶结构和导向筒内壁的第二台阶结构之间；出口壳体与入口多层壳体端口相连，导向筒插入主活门内。
所述出口壳体组件还包括第一密封圈、第二密封圈，活塞杆与导向筒内壁之间安装第一密封圈，活塞杆从导向筒伸出的一端与导向筒之间通过第二密封圈密封，形成动密封。
所述活塞杆外壁的台阶面内嵌入非金属密封环，导向筒通过第一台阶结构台阶面上的环形凸起结构与活塞杆的非金属密封环相配合，形成冗余密封结构。
所述导向筒从外壳筒壁伸出的一端直径的取值范围为90mm-100mm，从外壳端口伸出的一端直径的取值范围为50mm-60mm；导向筒一端从外壳端口伸出60mm-70mm，另一端从外壳转弯处的筒壁伸出60mm-80mm。
所述出口壳体与入口多层壳体相连的一端端口直径的取值范围为190mm-210mm，另一端端口的直径的取值范围为120mm-150mm。
所述入口多层壳体组件包括：入口多层壳体、主活门、主阀座、主弹簧、副活门、副弹簧和销钉；其中，
入口多层壳体包括：壳体外壁、导流锥、主活门导向壁、副导向壁和若干个筋板；其中，
所述壳体外壁通过若干个筋板与所述导流锥相连接；
所述导流锥位于所述壳体外壁内部；
若干个筋板沿所述壳体外壁的周向均匀分布；
所述主活门导向壁的一端与导流锥的内壁相连接；
所述副导向壁的一端与所述导流锥的内壁相连接，并且所述副导向壁位于所述主活门导向壁的内部；
所述主活门包括密封部、主导向部和副导向部；其中，所述密封部、所述主导向部和所述副导向部一体成型；
所述副活门嵌设于所述副导向部的内部，所述副弹簧套设于所述副活门的一端；
所述副导向部开设有限位孔，所述销钉穿设于所述副活门并卡在所述限位孔；
所述副导向部的一端嵌设于所述副导向壁；
所述主导向部嵌设于所述主活门导向壁；
所述主弹簧套设于所述主活门导向壁，所述主弹簧的一端与所述弹簧支撑座相贴合，所述主弹簧的另一端与所述密封部的侧壁相贴合；
所述主阀座与所述壳体外壁螺纹连接，所述主阀座与所述密封部相贴合。
所述壳体外壁的轴线、所述导流锥的轴线、所述主活门导向壁的轴线和所述副导向壁的轴线重合。
所述导流锥的外形轮廓为类抛物线。
所述导流锥的内壁设置有弹簧支撑座，所述主活门导向壁的一端与所述弹簧支撑座相连接。
所述导流锥的内壁设置有副活门座，所述导流锥的锥头开设有沿轴线的通孔。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用分体式组装结构，装配工艺性好，可维修可试验性均较好。适用于供应或切断液氧介质流入发动机燃烧室，并具有缓冲功能的一种活塞作动式超低温高压阀门结构。可应用于航天低温液体动力等高科技领域。
(2)本发明的整个阀门结构紧凑，设计精巧，核心零组件位于阀体中心位置，可以实现高压、超低温介质的轴流式流动，达到阀门作动机构与流阻之间的最优配置，核心操纵机构置于壳体内腔，极大地减轻了整个产品的尺寸重量，并能满足高工况和多次重复可靠使用的需要。
(3)本发明设置缓开、缓关机构，利用介质不可压特性，不增加单独零组件情况下实现主活门运动缓冲功能，阀门即使在额定工况下撤掉控制气关闭主活门，通过缓关机构作用，在主级额定最高压力下使其主活门可靠并慢速缓冲式关闭，以保护结构件、非金属密封件并防止主级关闭时产生水击压力对阀门管路的冲击，提高相关零组件的工作可靠性。
(4)本发明为活塞作动结构，与波纹管动密封相比，优点是结构简单不受行程限制，加工周期短，缺点是不能像波纹管动密封结构那样达到零泄漏量级，因此严格控制操纵气介质的泄漏率是非常关键的。出口壳体组件中，将导向筒伸出于外壳之外，避免与超低温介质直接接触，提高导向处的温度区间，为活塞动密封结构提供了良好的温度环境，防止温度过低控制气漏率过大造成动作可靠性降低。此外，活塞杆的非金属密封环与导向筒通过环形凸起结构形成的密封副相配合，形成冗余密封结构，可进一步控制控制气的泄漏量。即便微泄漏出去的部分操纵气也可通过出口壳体上的泄漏口l引出到外界环境中，确保阀门工作安全可靠。
(5)本发明的入口多层壳体、出口壳体为高温合金钢材料，层数较多、构造复杂、总体尺寸较大，采用了新型先进的3d打印工艺成型技术，实现大型复杂壳体制造工艺的创新应用，大大提升了生产效率。
附图说明
图1为本发明的高压阀门结构示意图。
图2为本发明的高压阀门工作过程示意图。
图3为本发明的出口壳体组件结构示意图。
图4为本发明的出口壳体结构示意图。
图5为本发明的副活门打开状态示意图。
图6为本发明的副活门关闭状态示意图。
图7为本发明的缓冲式主阀座结构示意图。
图8为本发明的入口多层壳体组件结构示意图。
图9为本发明的入口多层壳体剖视图。
图10为本发明的入口多层壳体轴侧图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种超低温带缓冲功能活塞作动高压阀门，包括入口多层壳体组件3和出口壳体组件6两大部分，二者之间通过螺纹和铝垫片保持连接和静密封。整阀采用分体式组装，两大组件常温装试装试合格后，通过焊接保证低温下静密封可靠性。
如图9所示，入口多层壳体13包括：壳体外壁131、导流锥132、主活门导向壁133、副导向壁134和若干个筋板1311。其中，壳体外壁131通过若干个筋板1311与导流锥132相连接。具体实施时，壳体外壁131、若干个筋板1311和导流锥132为一体成型的。导流锥132位于壳体外壁131内部。具体实施时，导流锥132位于壳体外壁131内部，壳体外壁131的轴线和导流锥132的轴线相重合，导流锥132与壳体外壁131之间存在空间以供液体介质流通。若干个筋板1311沿壳体外壁131的周向分布。具体实施时，若干个筋板1311沿壳体外壁131的周向均匀分布。
主活门导向壁133的一端与导流锥132的内壁相连接。具体实施时，主活门导向壁133的右端与导流锥132的内壁相连接，为一体成型的。
副导向壁134的一端与导流锥132的内壁相连接，并且副导向壁134位于主活门导向壁133的内部。具体实施时，副导向壁134的右端与导流锥132的内壁相连接，也为一体成型的，并且副导向壁134位于主活门导向壁133的内部。导流锥132的轴线、主活门导向壁133的轴线和副导向壁134的轴线重合。
本实施例通过若干个筋板达到使导流锥与壳体外壁连接并使多层壳体一体化的效果，提高结构紧凑性，减少零组件数量，提高整阀设计可靠性。
上述实施例中，导流锥132的外形轮廓为类抛物线。本实施例通过导流锥达到稳定流场、使低温介质轴流式流动，降低流阻损失的效果。
上述实施例中，壳体外壁131、导流锥132、主活门导向壁133、副导向壁134和若干个筋板1311的材料均为高温合金钢，从而达到提高壳体承压能力，减小壁厚效果，提高成型工艺性并减小壳体重量。
上述实施例中，如图9所示，导流锥132的内壁设置有弹簧支撑座1310，主活门导向壁133的一端与弹簧支撑座1310相连接。具体实施时，导流锥132的内壁设置的弹簧支撑座1310为圆环平面，用于与后面阐述的主弹簧1相压紧。主活门导向壁133的右端与弹簧支撑座1310相连接。
上述实施例中，如图9所示，导流锥132的内壁设置有副活门座137，导流锥132的锥头开设有沿轴线的通孔21。具体实施时，导流锥132的内壁设置的副活门座137为斜面，可以用于与后面阐述的副活门7相压紧，从导流锥132的锥头开设的通孔21低温介质可以流入到副导向壁134的内部。
上述实施例中，主活门导向壁133为圆筒形状，其内径为60mm-75mm。副导向壁134为圆筒形状，其内径为25mm-30mm。
上述实施例中，壳体外壁131的一端口的直径为120mm-150mm，壳体外壁131的另一端口的直径为200mm-250mm。具体实施时，壳体外壁131的右端口的直径为120mm-150mm，壳体外壁131的左端口的直径为200mm-250mm。壳体外壁131的形状为半个腰鼓形状，从而使得壳体外壁能够与导流椎很好的配合，减小阻力。
上述实施例中，如图9所示，导流锥132的身部沿其周向设置有若干个第一压力平衡孔22。设置有若干个第一压力平衡孔22使的后面阐述的主活门开启后，低温介质顺利进入导流锥132内腔，使主活门内外压力平衡(防止形成大的压差影响主活门分离)，并可达到充分置换和预冷之目的。
主活门导向壁133沿其周向设置有若干个第二压力平衡孔32。设置有若干个第二压力平衡孔32使低温液体介质顺利进入并充填满主活门导向壁133的内部缓开区域，并且，主活门运动一定行程后可遮住第二压力平衡孔32，使缓开区域的液体介质不能尽快流出达到液体阻尼效果。
如图10所示，本实施例提供了入口多层壳体13的外形为半腰鼓状结构，横截面为多层圆环形；从外到内依次为壳体外壁131、导流锥132、主活门导向壁133、副导向壁134，一共四层结构。内部的三层结构作为一整体与壳体外壁131通过4块筋板1311连接，并一体成型。主要核心零部件置于壳体内部，可减小轴向尺寸和零组件数量。主活门导向壁133和副导向壁134之间为缓冲区136。
壳体外壁131承担壳体的承受高压功能，保住壳体不被高压介质破坏。此外，壳体外壁的宽口端(图9中左端)为内、外双螺纹结构，一是承担连接作用，二是为主阀座提供支撑。该设计的优点在于减少法兰结构减轻壳体重量，还可以更方便对主阀座进行返修，可维修性好，可靠性高。
壳体外壁131与导流锥132之间为介质的主要通道为流线型设计，入口设导流锥，流道各段环面积基本相同并大于入口通径，可稳定流场作用以降低流阻损失。
本实施例的入口多层壳体13的材料为高强度高温合金钢，采用整体精铸成型或粉末冶金、3d打印等新型先进工艺成型制造，实现多层复杂壳体高强度、轻量化、精密、可靠性设计。
本发明通过设置缓开装置在不增加单独零组件实现液体阻尼效果，保护各结构件不受冲击。其中，缓开装置包括主活门4、副活门7、副弹簧9和销钉8，主活门4配合主活门导向壁133运动，副活门7配合副导向壁134运动。
如图8所示，入口多层壳体组件3包括入口多层壳体13、主活门4、主阀座5、主弹簧1、副活门7、副弹簧9和销钉8。其中，入口多层壳体13的具体实施过程参见上述说明即可，本实施例在此不再赘述。
主活门4包括密封部410、主导向部420和副导向部430；其中，密封部410、主导向部420和副导向部430一体成型；副活门7嵌设于副导向部430的内部，副弹簧9套设于副活门7的一端；副导向部430开设有限位孔440，销钉8穿设于副活门7并卡在限位孔440；副导向部430的一端嵌设于副导向壁134；主导向部420嵌设于主活门导向壁133；主弹簧1套设于主活门导向壁133，主弹簧1的一端与弹簧支撑座1310相贴合，主弹簧1的另一端与密封部410的侧壁相贴合；主阀座5与壳体外壁131螺纹连接，主阀座5与密封部410相贴合。
如图3所示，出口壳体组件6包括出口壳体15、控制腔盖板14、活塞杆10、第二副弹簧11、第一密封圈12、第二密封圈2；如图4所示，出口壳体15为一体结构，包括外壳151、导向筒152，外壳151呈l形弯管状，导向筒152一端从外壳151一端端口伸出，另一端从外壳151转弯处的筒壁伸出，导向筒152从外壳151筒壁伸出端直径大于从外壳151端口伸出端的直径；泄漏口从导向筒152侧壁引出至外壳151外部，吹除口位于外壳151筒壁上，与外壳151另一端端口对应；活塞杆10安装在导向筒152内，控制腔盖板14安装在导向筒152伸出外壳151筒壁的一端，控制腔盖板14中心处开有控制口，活塞杆10靠近控制腔盖板14的一端与导向筒152内壁配合形成动密封结构，活塞杆10与导向筒152内壁之间安装第一密封圈12，导向筒152通过内壁的第一台阶结构1521控制活塞杆10大端的行程；第二副弹簧11安装在活塞杆10上，位于活塞杆10外壁的台阶结构和导向筒152内壁的第二台阶结构1522之间；第一台阶结构1521靠近导向筒152大端，第二台阶结构1522靠近导向筒152小端；活塞杆10从导向筒152伸出的一端与导向筒152之间通过第二密封圈2密封，形成动密封；出口壳体15与入口壳体13端口相连，导向筒152插入主活门4的主导向部420内。活塞杆10外壁的台阶面内嵌入非金属密封环，导向筒152通过环形凸起结构与活塞杆10的非金属密封环相配合，形成冗余密封结构。
导向筒152从外壳151筒壁伸出端直径的取值范围为90mm-100mm，从外壳151端口伸出端的直径的取值范围为50mm-60mm。
出口壳体15一端口(出口b)的直径的取值范围为120mm-150mm，与入口多层壳体13连接的端口直径的取值范围为190mm-210mm；导向筒152一端从外壳151端口伸出60mm-70mm，另一端从外壳151转弯处的筒壁伸出60mm-80mm。
入口多层壳体13设导流锥，介质通道及主活门4型面均为流线型设计，可稳定流场防止介质流向产生突变，介质通道各段环形面积不小于入口通径面积且基本相当，上述设计均可大幅降低流阻损失。
阀门装配状态为主活门4常闭，在主弹簧1预紧力作用下将主活门4压在主阀座5上。
工作原理：
如图2所示，发动机预冷时，控制腔内不通控制气，低压液氧介质从入口a进入入口多层壳体腔，预冷时在介质力和主弹簧1装配力共同作用下将主活门4压在主阀座5上保证主活门4的密封。此时，副活门7处于开位(如图5所示)，预冷时确保低温介质进入用于主活门4缓开作用的容腔(主活门4与入口多层壳体13间的容腔)并使阀体得到充分预冷。
预冷结束后，发动机发出指令需要阀门开启时，从控制口k通入作动腔高压控制气，推动活塞杆10并克服主弹簧1、第二副弹簧11压缩力和介质压差力向顶开主活门4方向运动。为避免主活门4开启到位时结构件承受产生过大冲击应力，造成各结构件损伤，阀门设置了缓开结构设计：副活门7通过销钉8与主活门4联接，并有一定轴向活动空间，通过副弹簧9预紧力抵住副活门7至右侧位置，并可与主活门4一同运动，副活门7行程小于主活门4行程，当副活门7最先到达入口多层壳体13的小阀座15后将右端小孔密封(如图6所示)，此时主活门4还有一小段行程继续向右推进。由于主活门4与入口多层壳体13第3层之间形成的容腔(如图2中c区所示)内的液氧介质只能通过二者间环形间隙挤出，环隙面积较小，借助于液体不可压特性，使其充当了一定的阻尼效果，增加了主活门4剩余行程的开启时长，达到了缓开效果，保护了各结构件不受较大冲击力，提高阀门使用可靠性。
发动机进入额定工况后，阀门进入高压、大流量工作状态，此时控制气保持，主活门4维持全开状态。
当发动机发出关闭指令时，此时阀门尚处于高压状态，通过撤掉控制气，主活门4在主弹簧1和介质共同作用下关闭。为避免阀门高压关闭时产生过大水击压力峰对阀门零组件及系统管路造成大的冲击，在阀门结构上设计了缓关功能：开始关闭过程中，主活门4与出口壳体组件6伸出部分间隙较大，将近关闭到底时，此间隙变小，其内部容腔(如图2中d区所示)的低温液氧介质不可压只能通过此环形缝隙挤出，从而实现主活门4的缓关功能。该活门缓关结构设计完全通过借助自身液体介质不可压特性实现，无需增加多余阻尼件，未增加系统阻力，也可提高阀门可靠性。
主活门4关闭时由于此时工况仍较高，活门非金属密封会超出材料的许用比压，采用了缓冲式的主阀座5设计保护主活门非金属在此工况下不被压坏：设计双道金属阀座，外侧的金属阀座面51比内侧金属阀座面52稍低(高度差δ通过计算非金属受到许用比压时的变形量确定)，当主活门非金属密封比压达到接近许用比压时，外侧金属阀座面51与主活门4金属碰上，对主活门非金属起到缓冲保护作用。原理图见图7所示。
阀门作动腔部分设置了泄漏口，可将作动活塞部分泄漏出的控制气和顶杆动密封处泄漏的低温介质一并泄出至外界。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。