带压差控制功能的高压空气供气阀及空气吹除方法
【专利摘要】本发明涉及一种带压差控制功能的高压空气供气阀及空气吹除方法，可维持吹除过程中压载水舱与外界海水压差稳定。由主阀、副阀、控制阀三部分组成。主阀是高压空气供气的主通道，高压空气经过主阀进入压载水舱，主阀阀芯开度通过阀芯上下腔的压差自动调整，从而实现供气流量的调节。副阀用于控制主阀的启闭，副阀具备气动和手动控制功能。控制阀用于感受压载水舱内外压差并控制主阀阀芯的开度，依据压差的大小调整控制阀阀芯开度，使主阀阀芯上腔的压缩空气流动发生变化，进而引起主阀阀芯上腔压力的变化，最终控制主阀阀芯的开度位置。该发明采用全机械结构，无电气元件，可通过压缩空气远程操作，无需其它动力源，可靠性高。
【专利说明】带压差控制功能的高压空气供气阀及空气吹除方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种全机械伺服控制的供气流量调节阀及空气吹除方法，可维持航行器应急上浮吹除过程中压载水舱与外界海水压差稳定。
【背景技术】
[0002]高压空气吹除是潜艇应急上浮的重要手段，是潜艇生命力的重要保障，当前的高压空气主阀只采取启闭控制，不具备流量调节功能。
[0003]依据高压空气吹除系统设计要求，吹除管路出口处气体应达到当地音速，以保证最大的吹除流量，当气瓶压力一定时，该最大流量值随潜艇深度变化不大，仅与吹除管路的流通面积有关，流通面积越大流量越大。
[0004]当前普遍采用的主阀由于只具备启闭功能，开启状态下流通面积一定，无法有效调节流量，实际使用中存在以下矛盾:
[0005]a大深度下，压载水舱背压大，相同的吹除流量下，排水速度较小，压载水舱内外压差小；
[0006]b小深度下，压载水舱背压小，相同的吹除流量下，液排水速度大，压载水舱内外压差大。
[0007]但是往往约是在大深度下，越希望获得较大的排水速度，使潜艇尽快获得足够的上浮力，同时，在小深度下为确保压载水舱的安全性，防止吹除过程中压载水舱超压，往往需要避免吹除流量过大。
[0008]针对上述矛盾，我们需要设计一型能够适应不同深度环境，自动调整吹除供气流量的主阀，以最大限度地发挥高压空气吹除系统的性能。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题是:针对现有主阀无法调节吹除供气流量的不足，提供一种全机械式、可依据压载水舱与外界海水压差自动调整供气流量的高压空气主阀及空气吹除方法。
[0010]本发明解决上述技术问题所采取的技术方案为:
[0011]带压差控制功能的高压空气供气阀，其特征在于:由主阀、副阀、控制阀三部分组成；主阀是高压空气供气的主通道，高压空气经过主阀进入压载水舱，主阀活塞开度通过上腔和下腔的压差自动调整，从而实现供气流量的调节；副阀通过备气动或手动控制方式对主阀进行启闭控制；控制阀用于感受压载水舱内外压差并控制主阀活塞的开度，依据压差的大小调整控制阀活塞开度，使主阀活塞上腔的压缩空气流动发生变化，进而引起主阀上腔压力的变化，最终控制主阀阀芯的开度位置。
[0012]按上述技术方案，主阀、副阀、控制阀三部分共用一个阀体。
[0013]按上述技术方案，主阀包括主阀活塞、主阀活塞上的主阀弹簧；主阀活塞顶部与阀体内腔之间形成的上腔为主阀压力腔；主阀活塞中部密封面与阀体形成的下腔与压缩空气出口连通；主阀高压空气进口通道与主阀压力腔通过一个节流孔相连通，且当主阀活塞开启时主阀高压空气进口通道与压缩空气出口连通，且主阀活塞中部密封面与阀体结合密封使得主阀关闭时，主阀压力腔与下腔气体压力相同；主阀活塞上部面积大于下部面积；副阀方向设置与主阀平行，主要包括操纵活塞、以及操纵活塞下端的手轮；操纵活塞上端密封平台上部与阀体形成的控制阀上腔与主阀压力腔连通；操纵活塞上端密封平台下方的活塞轴与阀体之间形成中间腔，中间腔与控制阀连通；中间腔下方，操纵活塞中部横向设置与主阀压缩空气出口连通的连通孔，操纵活塞的下端密封平台与阀体之间设置弹簧；下端密封平台底面伸出的活塞轴穿过操纵气源通道和阀体底板后与手轮连接。
[0014]按上述技术方案，控制阀方向设置与主阀平行；控制阀采用针阀结构，包括控制阀活塞、与控制阀活塞连接的阀杆以及与阀杆连接的阀芯；控制阀活塞上下两端的腔分别为舷外海水压力腔和与压载水舱侧压力腔；阀芯顶部与阀体顶部间形成与副阀中间腔连通的气体空间；控制阀活塞上端与阀体之间设置竖向压缩弹簧。
[0015]采用上述高压空气供气阀的空气吹除方法，其特征在于按如下步骤进行:
[0016]a初始状态:
[0017]初始状态下，主阀高压空气进口通道与高压空气吹除系统气瓶处于连通状态，副阀操纵活塞关闭、控制阀处于调定的设定开度；
[0018]由于没有气体流动，气瓶至主阀高压空气进口通道的压力和主阀压力腔内压力相等，在主阀弹簧作用下主阀活塞关闭，副阀活塞在压力作用下处于压紧状态，控制阀依靠弹簧压紧；
[0019]此时若主阀活塞中部密封面发生泄露，气体会直接进入压缩空气出口，并经主阀压缩空气出口与副阀的连通孔排至舱内，不会使气体进入压载水舱；
[0020]b开始吹除
[0021]开始吹除时，通过气动或手动操纵副阀气缸以关闭横向连通孔，并开启操纵活塞；
[0022]操纵活塞开启后，主阀压力腔内的空气经操纵活塞进入控制阀，并通过控制阀排至主压载水舱内；由于主阀压力腔与主阀高压空气进口通道连通的节流孔作用，使主阀压力腔中的压力降低，在主阀活塞的上下腔形成压差，并克服主阀活塞顶部弹簧作用力使主阀开启，吹除压缩空气由压缩空气出口进入压载水舱；
[0023]吹除过程中，控制阀的主压载水舱侧压力腔的压力升高，当该压力大于舷外海水压力腔压力时带动控制阀阀杆向上运动，最终减少从压缩空气出口进入压载水舱的压缩空
气量;
[0024]当主压载水舱侧压力腔的压力高于舷外海水压力腔Ibar时，控制阀关闭；此时，主阀压力腔中的气体停止流动，压力升高，直至与吹除压缩空气进口压力相等，主阀活塞上下端压力差消失，主阀活塞在弹簧作用下下移关闭，主阀中止吹除；
[0025]中止吹除后，若控制阀的主压载水舱侧压力腔的压力降低，控制阀会再次开启，主阀压力腔压力降低，主阀活塞在压差作用下再次开启，重启吹除过程；
[0026]c吹除结束
[0027]吹除结束后，通过气动或手动使副阀气缸复位，操纵活塞在气流作用下开度减小，主阀压力腔压力逐渐甚高，并逐步将操纵活塞关闭，直至主阀压力腔压力与主阀高压空气进口通道压力相等，主阀活塞在弹簧作用下关闭。
[0028]本发明的有益效果为:
[0029]1、该阀门采用纯机械结构，结构紧凑，体积小；
[0030]2、该阀门无需外部动力源，结构简单；
[0031]3、该阀门无电气部件，可靠性高，抗干扰能力强；
[0032]4、该阀门原理采用组合式结构，维修性好；
[0033]5、该阀门控制原理可用于其它需要空气供气压力的场合。
[0034]采用了本发明后，在大深度下能够获得较大的排水速度，使潜艇尽快获得足够的上浮力，而在小深度下又能够避免吹除流量过大，能够适应不同深度环境，自动调整吹除供气流量的主阀，以最大限度地发挥高压空气吹除系统的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1为本发明的工作流程图。
[0036]图2为本发明的结构示意图。
[0037]1-节流孔、2-主阀活塞、3-主阀压力腔、4-操纵活塞、5-副阀气缸或操纵气缸、6-控制阀、7-金属波纹片、8-舷外海水压力腔、9-主压载水舱侧压力腔。
【具体实施方式】
[0038]该发明的主要技术指标如下:
[0039]图1为本发明带压差控制功能的高压空气供气阀的工作流程图，带压差控制功能的高压空气供气阀由主阀、副阀、控制阀三部分组成。主阀是高压空气供气主通道、副阀用于主阀启闭操作，控制阀通过感受压载水舱与舷外海水压差并控制主阀供气量。
[0040]图2为本发明带压差控制功能的高压空气供气阀结构原理图，由主阀、副阀、控制阀三部分组成；主阀包括主阀活塞2、主阀活塞3上的主阀弹簧、以及阀体三部分，其中阀体为主阀、副阀、控制阀共用；主阀活塞2顶部与阀体内腔之间形成的上腔为主阀压力腔3 ;主阀活塞2中部密封面与阀体形成的下腔与压缩空气出口连通；主阀高压空气进口通道(下文也称为吹除压缩空气进口或者高压空气入口)与主阀压力腔3通过一个节流小孔I相连通，且当主阀活塞2开启时主阀高压空气进口通道与压缩空气出口连通，且主阀活塞2中部密封面与阀体结合密封使得主阀关闭时，主阀压力腔3与下腔气体压力相同；主阀活塞2上部面积大于下部面积，从而使主阀活塞2承受向下的压力，在该压力和主阀活塞2上部弹簧共同作用下使主阀活塞2关闭并密封。
[0041]按上述技术方案，副阀方向设置与主阀平行，主要包括操纵活塞4、以及操纵活塞4下端的手轮；操纵活塞4上端密封平台上部与阀体形成的控制阀上腔与主阀压力腔3连通；操纵活塞4上端密封平台下方的活塞轴与阀体之间形成中间腔，中间腔与控制阀6连通；中间腔下方，操纵活塞4中部横向设置与主阀压缩空气出口连通的连通孔，操纵活塞4的下端密封平台与阀体之间设置弹簧；下端密封平台底面伸出的活塞轴穿过操纵气源通道和阀体底板后与手轮连接。可通过手轮、气动活塞驱动。当操纵活塞4开启时，主阀压力腔3的压缩空气经过副阀、控制阀排出，此时主阀压力腔3的气体压力下降，在主阀下腔压力的作用下，主阀活塞2上移开启主阀。当副阀关闭时，主阀压力腔3压缩空气不流动，主阀压力腔3压力升高，使主阀关闭。
[0042]按上述技术方案，所述的控制阀6结构为:控制阀采用针阀结构，包括控制阀活塞、与控制阀活塞连接的阀杆以及与阀杆连接的阀芯。控制阀活塞上下两端的腔分别为舷外海水压力腔和与压载水舱侧压力腔，可感受压载水舱与外界海水的压差；阀芯顶部与阀体顶部间形成与副阀中间腔连通的气体空间；控制阀活塞上端与阀体之间设置竖向压缩弹簧。当存在压差时，控制阀活塞发生运动，通过阀杆带动阀芯运动，控制气体空间的开度发生变化，使主阀压力腔3气体流量发生变化，引起上腔压力的变化，进而造成主阀开度变化。
[0043]依据改图本发明的工作原理如下:
[0044]a初始状态
[0045]初始状态下，主阀进口与高压空气吹除系统气瓶侧处于连通状态，操纵活塞4关闭、控制阀6处于调定的开度。
[0046]由于没有气体流动，气瓶至阀进口的压力和压力腔3内压力相等，在弹簧作用下主阀活塞2关闭，副阀活塞4在压力作用下处于压紧状态，控制阀6依靠弹簧压紧。
[0047]此时若主阀活塞密封面发生泄露，气体会进入主阀出口管路，并经主阀出口与副阀的连通孔排至舱内，不会使气体进入主压载水舱。
[0048]b开始吹除
[0049]开始吹除时，可通过气动或手动操纵副阀气缸5，使其关闭横向连通孔，并开启操纵活塞5 ；
[0050]操纵活塞4开启后，主阀压力腔3内的空气经操纵活塞4，进入控制阀，并通过控制阀6排至舱内。由于主阀压力腔3与吹除压缩空气进口(高压空气入口)连通孔的节流孔I作用，使主阀压力腔3中的压力降低，在主阀活塞2的上下形成压差，并克服主阀活塞2顶部弹簧作用力，使主阀开启，吹除压缩空气由压缩空气出口进入压载水舱。
[0051]吹除过程中，控制阀的主压载水舱侧压力腔9的压力将升高，当其压力大于外部环境海水压力也即大于舷外海水压力腔8处压力，并通过金属波纹管或波纹片7带动控制阀阀杆向上运动，最终减少从压缩空气出口进入压载水舱的压缩空气量。
[0052]当主压载水舱侧压力腔9的压力高于外部环境海水压力Ibar时，控制阀6关闭。此时，主阀压力腔3中的气体停止流动，压力升高，直至与吹除压缩空气进口压力相等，主阀活塞2上下端压力差消失，主阀活塞2在弹簧作用下下移关闭，主阀中止吹除。
[0053]中止吹除后，若控制阀6的主压载水舱侧压力腔9的压力降低，控制阀6会再次开启，主阀压力腔3压力降低，主阀活塞2在压差作用下再次开启，重启吹除过程。
[0054]c吹除结束
[0055]吹除结束后，可通过气动或手动使副阀气缸5复位，操纵活塞4在气流作用下开度减小，主阀压力腔3压力逐渐甚高，并逐步将操纵活塞4关闭，直至主阀压力腔3压力与主阀进口压力相等，主阀活塞2在弹簧作用下关闭。
[0056]采用了本发明后，在大深度下能够获得较大的排水速度，使潜艇尽快获得足够的上浮力，而在小深度下又能够避免吹除流量过大，能够适应不同深度环境，自动调整吹除供气流量的主阀，以最大限度地发挥高压空气吹除系统的性能。
[0057]本发明带压差控制功能的高压空气供气阀具有以下技术特点:[0058]工作介质:高压空气；最大工作压力:40MPa ;工作压力范围:10MPa_40Mpa ；
[0059]通径:DN4(MM;吹除过程中应急吹除应能维持压载水舱与外界环境的压差为
0.07MPa，误差为±0.04MPa ;吹除过程中可随时关闭主阀,终止吹除；主阀吹除可通过压缩空气进行远程操纵无需其他辅助动力源，并能够在阀本体上直接操纵。
[0060]以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
【权利要求】
1.带压差控制功能的高压空气供气阀，其特征在于:由主阀、副阀、控制阀三部分组成；主阀是高压空气供气的主通道，高压空气经过主阀进入压载水舱，主阀活塞开度通过上腔和下腔的压差自动调整，从而实现供气流量的调节；副阀通过备气动或手动控制方式对主阀进行启闭控制；控制阀用于感受压载水舱内外压差并控制主阀活塞的开度，依据压差的大小调整控制阀活塞开度，使主阀活塞上腔的压缩空气流动发生变化，进而引起主阀上腔压力的变化，最终控制主阀阀芯的开度位置。
2.根据权利要求1所述的带压差控制功能的高压空气供气阀，其特征在于:主阀、副阀、控制阀三部分共用一个阀体。
3.根据权利要求1或2所述的带压差控制功能的高压空气供气阀，其特征在于:主阀包括主阀活塞、主阀活塞上的主阀弹簧；主阀活塞顶部与阀体内腔之间形成的上腔为主阀压力腔；主阀活塞中部密封面与阀体形成的下腔与压缩空气出口连通；主阀高压空气进口通道与主阀压力腔通过一个节流孔相连通，且当主阀活塞开启时主阀高压空气进口通道与压缩空气出口连通，且主阀活塞中部密封面与阀体结合密封使得主阀关闭时，主阀压力腔与下腔气体压力相同；主阀活塞上部面积大于下部面积。
4.根据权利要求3所述的带压差控制功能的高压空气供气阀，其特征在于:副阀方向设置与主阀平行，主要包括操纵活塞、以及操纵活塞下端的手轮；操纵活塞上端密封平台上部与阀体形成的控制阀上腔与主阀压力腔连通；操纵活塞上端密封平台下方的活塞轴与阀体之间形成中间腔，中间腔与控制阀连通；中间腔下方，操纵活塞中部横向设置与主阀压缩空气出口连通的连通孔，操纵活塞的下端密封平台与阀体之间设置弹簧；下端密封平台底面伸出的活塞轴穿过操纵气源通道和阀体底板后与手轮连接；控制阀方向设置与主阀平行；控制阀采用针阀结构，包括控制阀活塞、与控制阀活塞连接的阀杆以及与阀杆连接的阀芯；控制阀活塞上下两端的腔分别为舷外海水压力腔和与压载水舱侧压力腔；阀芯顶部与阀体顶部间形成与副阀中间腔连通的气体空间；控制阀活塞上端与阀体之间设置竖向压缩弹黃。
5.采用上述权利要求4所述高压空气供气阀的空气吹除方法，其特征在于按如下步骤进行: a初始状态: 初始状态下，主阀高压空气进口通道与高压空气吹除系统气瓶处于连通状态，副阀操纵活塞关闭、控制阀处于调定的设定开度； 由于没有气体流动，气瓶至主阀高压空气进口通道的压力和主阀压力腔内压力相等，在主阀弹簧作用下主阀活塞关闭，副阀活塞在压力作用下处于压紧状态，控制阀依靠弹簧压紧； 此时若主阀活塞中部密封面发生泄露，气体会直接进入压缩空气出口，并经主阀压缩空气出口与副阀的连通孔排至舱内，不会使气体进入压载水舱； b开始吹除 开始吹除时，通过气动或手动操纵副阀气缸 以关闭横向连通孔，并开启操纵活塞； 操纵活塞开启后，主阀压力腔内的空气经操纵活塞进入控制阀，并通过控制阀排至主压载水舱内；由于主阀压力腔与主阀高压空气进口通道连通的节流孔作用，使主阀压力腔中的压力降低，在主阀活塞的上下腔形成压差，并克服主阀活塞顶部弹簧作用力使主阀开启，吹除压缩空气由压缩空气出口进入压载水舱； 吹除过程中，控制阀的主压载水舱侧压力腔的压力升高，当该压力大于舷外海水压力腔压力时带动控制阀阀杆向上运动，最终减少从压缩空气出口进入压载水舱的压缩空气量; 当主压载水舱侧压力腔的压力高于舷外海水压力腔Ibar时，控制阀关闭；此时，主阀压力腔中的气体停止流动，压力升高，直至与吹除压缩空气进口压力相等，主阀活塞上下端压力差消失，主阀活塞在弹簧作用下下移关闭，主阀中止吹除； 中止吹除后，若控制阀的主压载水舱侧压力腔的压力降低，控制阀会再次开启，主阀压力腔压力降低，主阀活塞在压差作用下再次开启，重启吹除过程；c吹除结束 吹除结束后，通过气动或手动使副阀气缸复位，操纵活塞在气流作用下开度减小，主阀压力腔压力逐渐甚高，并逐步将操纵活塞关闭，直至主阀压力腔压力与主阀高压空气进口通道压力相等，主阀活 塞在弹簧作用下关闭。
【文档编号】F16K31/122GK103791144SQ201410039569
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2014年1月27日
【发明者】周志杰, 张超, 张军军, 吴声敏, 郑国群 申请人:中国舰船研究设计中心