一种快响应高压大流量阀及液体火箭发动机控制阀的制作方法

1.本发明涉及液体火箭发动机领域，具体涉及一种快响应高压大流量阀及液体火箭发动机控制阀。


背景技术：

2.某新型大推力液体火箭发动机需要配套一种发动机控制阀，控制发动机推进剂的供给。根据动力系统提出的相关技术要求，发动机控制阀的流量需要达到4.5kg/s，工作压力10mpa，打开和关闭响应时间均要求不大于10ms，工作方式为通电打开，断电关闭。
3.国内没有可用的成熟产品，现有该推力量级发动机的控制阀响应速度慢，不能满足设计要求，而且差距很大。
4.国外文献有类似发动控制阀的相关信息报道，但没有披露任何发动机控制阀的具体结构及具体技术方案。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种快响应高压大流量阀及液体火箭发动机控制阀，解决现有技术中的控制阀打开和关闭响应速度慢的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：一种快响应高压大流量阀，包括副阀体和开设在副阀体内的副阀芯控制腔，所述的副阀体上还开设有控制气入口和控制气出口，控制气入口和控制气出口分别与副阀芯控制腔连通；
7.所述的快响应高压大流量阀还包括同轴安装在副阀芯控制腔内的电磁副阀和气动副阀，电磁副阀用于驱动气动副阀的开闭以控制控制气出口的开闭；
8.所述的电磁副阀包括安装在副阀芯控制腔一端的电磁副阀底封座和安装在电磁副阀底封座上的电磁副阀阀座；
9.所述的电磁副阀阀座内安装有电磁副阀阀芯，电磁副阀底封座、电磁副阀阀座和副阀体之间安装有电磁副阀线圈，电磁副阀线圈用于控制电磁副阀阀芯在电磁副阀阀座内移动；
10.所述的电磁副阀阀芯上贯通设置有电磁副阀排气通道，所述的电磁副阀排气通道连通电磁副阀阀芯两端；
11.所述的电磁副阀阀座背向电磁副阀底封座的一端还安装有电磁副阀进气端阀座；
12.所述的电磁副阀进气端阀座沿周向开设有控制气槽，电磁副阀进气端阀座背向第电磁副阀阀芯一端沿轴向开设有气动副阀阀芯控制腔，控制气槽的位置与控制气入口的位置对应；
13.电磁副阀阀芯能够分别与电磁副阀底封座或者电磁副阀进气端阀座形成密封副；
14.所述的电磁副阀进气端阀座上开设有电磁副阀进气道，电磁副阀进气道用于连通控制气入口和气动副阀使得控制气推动气动副阀运动以控制控制气出口开闭；
15.所述的气动副阀包括依次安装在副阀芯控制腔内的气动副阀进气端阀座和气动
副阀排气端阀座，还包括安装在气动副阀进气端阀座和气动副阀排气端阀座内的气动副阀阀芯；
16.所述的气动副阀阀芯一端伸入气动副阀阀芯控制腔；
17.气动副阀阀芯能够分别与气动副阀排气端阀座或者气动副阀进气端阀座形成密封副；
18.所述的气动副阀进气端阀座上开设有出气口，出气口的位置与控制气出口的位置相对应，气动副阀阀芯控制出气口的开闭以控制控制气出口开闭；
19.本发明还具有如下技术特征：
20.所述的电磁副阀进气端阀座包括同轴连接的第一电磁副阀进气端阀座和第二电磁副阀进气端阀座，第一电磁副阀进气端阀座和第二电磁副阀进气端阀座均为圆柱体形且第一电磁副阀进气端阀座的直径小于第二电磁副阀进气端阀座的直径；
21.所述的控制气槽开设在第二电磁副阀进气端阀座上，气动副阀阀芯控制腔沿轴向开设在第二电磁副阀进气端阀座一端。
22.所述的气动副阀进气端阀座包括气动副阀进气端阀座体和安装在气动副阀进气端阀座体内壁的限位环，所述的气动副阀进气端阀座体为空心圆柱体形，内部形成气动副阀阀芯容纳腔；
23.所述的出气口设置在气动副阀进气端阀座体上；
24.所述的气动副阀排气端阀座包括气动副阀排气端阀座体、沿轴向开设在气动副阀排气端阀座体上的气动副阀阀芯通道和开设在气动副阀阀芯通道周围的排气通道；
25.所述的气动副阀阀芯包括依次连接的第一阀芯、第一连接段、第二阀芯和第二连接段；
26.所述的第一阀芯位于气动副阀阀芯控制腔中，第二阀芯位于气动副阀阀芯容纳腔中，第二连接段穿出气动副阀阀芯通道与安装在副阀芯控制腔另一端的复位装置连接，复位装置用于为气动副阀阀芯提供复位力。
27.所述的气动副阀阀芯控制腔包括连通的第一气动副阀阀芯控制腔和第二气动副阀阀芯控制腔，第一气动副阀阀芯控制腔为一端封闭的圆柱体形，第二气动副阀阀芯控制腔为圆台形，第二气动副阀阀芯控制腔直径较小的一端与第一气动副阀阀芯控制腔连通；
28.所述的电磁副阀进气道包括第一电磁副阀进气道、第二电磁副阀进气道和第三电磁副阀进气道；
29.所述的第一电磁副阀进气道连通控制气槽和第一电磁副阀进气端阀座背向第二电磁副阀进气端阀座一端的端面；
30.所述的第二电磁副阀进气道连通第一气动副阀阀芯控制腔和第一电磁副阀进气端阀座背向第二电磁副阀进气端阀座一端的端面；
31.所述的第三电磁副阀进气道连通控制气槽和第二气动副阀阀芯控制腔。
32.所述的电磁副阀底封座上开设有电磁副阀排气口，电磁副阀排气口连通副阀芯控制腔和外部环境；
33.所述的电磁副阀底封座朝向电磁副阀阀芯一侧开设有弹簧安装槽，弹簧安装槽内布置有电磁副阀弹簧，电磁副阀弹簧与电磁副阀阀芯连接。
34.所述的复位装置包括安装在副阀芯控制腔另一端的弹簧套和安装在弹簧套内的
气动副阀弹簧，所述的气动副阀弹簧通过弹簧座与第二连接段穿出气动副阀阀芯通道的一端连接；
35.所述的弹簧套为空心结构，一端开放另一端封闭，开放的一端与气动副阀排气端阀座连接，封闭的一端上开设有排气口；
36.所述的气动副阀弹簧通过调整垫片与弹簧套连接。
37.本发明还给出一种液体火箭发动机控制阀，包括主阀，还包括上述的快响应高压大流量阀；所述的快响应高压大流量阀与主阀连通；
38.所述的主阀包括主阀体，所述的主阀体内开设有主阀芯控制腔，所述的主阀芯控制腔安装有主阀座，主阀座内套接有主阀芯；
39.所述的主阀体底端还开设有主阀入口和主阀出口，主阀芯控制主阀出口的开闭，主阀体顶端开设有副阀气入口；
40.所述的控制气出口通过副阀气入口与主阀芯控制腔连通。
41.本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
42.(ⅰ)本发明的二级气动副阀采用全卸荷结构，阀芯基本不受介质压力的影响，可以最大限度提高气动副阀阀芯的打开和关闭响应速度；为满足二级气动副阀对于不同工作压力工况的适应性，复位弹簧的安装力可以通过选配不同厚度的调整垫片调整，使得二级气动副阀可满足在不同工作压力下的快响应匹配。为提高二级气动副阀的响应速度，在保证足够打开裕度的前提下，结构设计上尽量降低驱动二级气动副阀阀芯活塞的面积，减小活塞腔容积，提高高压气体进入活塞腔的速度，最终达到提高二级气动副阀响应速度的设计目标。
43.(ⅱ)本发明采用三级电动气阀结构方案，副阀为两级结构形式，包括一级电磁副阀和二级气动副阀。采用两级结构形式的副阀可以利用一级电磁副阀首先驱动二级气动副阀开关，再利用二级副阀驱动主阀阀芯的开关，从而提高整个副阀的进排气流通能力，以提高主阀的打开和关闭响应速度。
44.(ⅲ)本发明的方案合理，结构简单，容易实现。
附图说明
45.图1为本发明的快响应高压大流量阀总体结构示意图；
46.图2为本发明的电磁副阀进气端阀座结构示意图；
47.图3为本发明的液体火箭发动机控制阀结构示意图；
48.附图中各个标号含义：
49.1-主阀；2-快响应高压大流量阀；3-电磁副阀；4-气动副阀；5-控制气入口；6-控制气出口；7-内主弹簧；8-外主弹簧；9-橡胶o形圈；
50.1-1主阀体，1-2主阀芯控制腔，1-3主阀座，1-4主阀芯，1-5主阀入口，1-6主阀出口，1-7副阀气入口
51.2-1副阀体，2-2副阀芯控制腔；
52.3-1电磁副阀底封座，3-2电磁副阀阀座，3-3电磁副阀阀芯，3-4电磁副阀线圈，3-5电磁副阀排气通道，3-6电磁副阀进气端阀座，3-7控制气槽，3-8气动副阀阀芯控制腔，3-9电磁副阀进气道，3-10第一电磁副阀进气端阀座，3-11第二电磁副阀进气端阀座，3-12第一
气动副阀阀芯控制腔，3-13第二气动副阀阀芯控制腔，3-14第一电磁副阀进气道，3-15第二电磁副阀进气道，3-16第三电磁副阀进气道，3-17电磁副阀排气口，3-18弹簧安装槽，3-19电磁副阀弹簧；
53.4-1气动副阀进气端阀座，4-2气动副阀排气端阀座，4-3气动副阀阀芯，4-4出气口，4-5气动副阀进气端阀座体，4-6限位环，4-7气动副阀阀芯容纳腔，4-8气动副阀排气端阀座体，4-9气动副阀阀芯通道，4-10排气通道，4-11第一阀芯，4-12第一连接段，4-13第二阀芯，4-14第二连接段，4-15复位装置，4-16弹簧套，4-17气动副阀弹簧，4-18弹簧座，4-19排气口，4-20调整垫片。
54.以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
55.以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
56.本发明所用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“内”、“外”是指相应部件轮廓的内和外，不能将上述术语理解为对本发明的限制。
57.在本发明中，在未作相反说明的情况下，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
58.本发明中的所有部件，如无特殊说明，全部采用现有技术中已知的部件。
59.实施例1：
60.遵从上述技术方案，如图1-图2所示，一种快响应高压大流量阀2，包括副阀体2-1和开设在副阀体2-1内的副阀芯控制腔2-2，所述的副阀体2-1上还开设有控制气入口5和控制气出口6，控制气入口5和控制气出口6分别与副阀芯控制腔2-2连通，
61.所述的快响应高压大流量阀2还包括同轴安装在副阀芯控制腔2-2内的电磁副阀3和气动副阀4，所述的电磁副阀3用于驱动气动副阀4的开闭以控制控制气出口6的开闭；
62.所述的电磁副阀3包括安装在副阀芯控制腔2-2一端的电磁副阀底封座3-1和安装在电磁副阀底封座3-1上的电磁副阀阀座3-2；
63.所述的电磁副阀阀座3-2内安装有电磁副阀阀芯3-3，电磁副阀底封座3-1、电磁副阀阀座3-2和副阀体2-1之间安装有电磁副阀线圈3-4，电磁副阀线圈3-4用于控制电磁副阀阀芯3-3在电磁副阀阀座3-2内移动；
64.所述的电磁副阀阀芯3-3上贯通设置有电磁副阀排气通道3-5，所述的电磁副阀排气通道3-5连通电磁副阀阀芯3-3两端；
65.电磁副阀线圈3-4的作用是通电后和电磁副阀阀芯3-3形成磁路，并产生电磁吸力。
66.所述的电磁副阀阀座3-2背向电磁副阀底封座3-1的一端还安装有电磁副阀进气
2另一端的复位装置4-15连接，复位装置4-15用于为气动副阀阀芯4-3提供复位力。
83.作为本实施例的一种优选：
84.所述的气动副阀阀芯控制腔3-8包括连通的第一气动副阀阀芯控制腔3-12和第二气动副阀阀芯控制腔3-13，第一气动副阀阀芯控制腔3-12为一端封闭的圆柱体形，第二气动副阀阀芯控制腔3-13为圆台形，第二气动副阀阀芯控制腔3-13直径较小的一端与第一气动副阀阀芯控制腔3-12连通；
85.作为本实施例的一种优选：
86.所述的电磁副阀进气道3-9包括第一电磁副阀进气道3-14、第二电磁副阀进气道3-15和第三电磁副阀进气道3-16；
87.所述的第一电磁副阀进气道3-14连通控制气槽3-7和第一电磁副阀进气端阀座3-10背向第二电磁副阀进气端阀座3-11一端的端面；
88.所述的第二电磁副阀进气道3-15连通第一气动副阀阀芯控制腔3-12和第一电磁副阀进气端阀座3-10背向第二电磁副阀进气端阀座3-11一端的端面；
89.所述的第三电磁副阀进气道3-16连通控制气槽3-7和第二气动副阀阀芯控制腔3-13。
90.电磁副阀线圈3-4通电，电磁副阀阀芯3-3在电磁副阀线圈3-4的电磁吸力的作用下运动，运动后打开第一电磁副阀进气道3-14，并关闭电磁副阀排气口3-17。第一电磁副阀进气道3-14被打开后，高压气体从控制气入口5进入副阀芯控制腔2-2，然后经第一电磁副阀进气道3-14和第二电磁副阀进气道3-15进入第一气动副阀阀芯控制腔3-12，推动气动副阀阀芯4-3运动，控制气出口6开启，高压气体经过第三电磁副阀进气道3-16及气动副阀进气端阀座4-1从控制气出口6进入主阀1；
91.电磁副阀线圈3-4断电后，电磁吸力消失，电磁副阀阀芯3-3关闭第一电磁副阀进气道3-14，并打开电磁副阀的排气口3-17。电磁副阀的排气口3-17被打开后，气动副阀阀芯控制腔3-8内的高压气体会经过第二电磁副阀进气道3-15及电磁副阀阀芯3-3上的电磁副阀排气通道3-5，从电磁副阀的排气口3-17泄出；
92.作为本实施例的一种优选：
93.所述的电磁副阀底封座3-1上开设有电磁副阀排气口3-17，电磁副阀排气口3-17连通副阀芯控制腔2-2和外部环境；
94.所述的电磁副阀底封座3-1朝向电磁副阀阀芯3-3一侧开设有弹簧安装槽3-18，弹簧安装槽3-18内布置有电磁副阀弹簧3-19，电磁副阀弹簧3-19与电磁副阀阀芯3-3连接。
95.电磁副阀阀芯3-3在电磁吸力的作用下克服电磁副阀弹簧3-19的弹簧力运动，电磁副阀阀芯3-3运动后打开第一电磁副阀进气道3-14，并关闭电磁副阀排气口3-17。第一电磁副阀进气道3-14被打开后，高压气体经过第二电磁副阀进气道3-15进入第一气动副阀阀芯控制腔3-12；
96.作为本实施例的一种优选：
97.所述的复位装置4-15包括安装在副阀芯控制腔2-2另一端的弹簧套4-16和安装在弹簧套4-16内的气动副阀弹簧4-17，所述的气动副阀弹簧4-17通过弹簧座4-18与第二连接段4-14穿出气动副阀阀芯通道4-9的一端连接；
98.所述的弹簧套4-16为空心结构，一端开放另一端封闭，开放的一端与气动副阀排
气端阀座4-2连接，封闭的一端上开设有排气口4-19；
99.所述的气动副阀弹簧4-17通过调整垫片4-20与弹簧套4-16连接。
100.需要本装置打开工作时，气动副阀阀芯4-3与气动副阀排气端阀座4-2形成密封副，需要本装置关闭时，气动副阀阀芯4-3与气动副阀进气端阀座4-1形成密封副，此时，气动副阀弹簧4-17为气动副阀阀芯4-3提供密封力。气动副阀弹簧4-17与气动副阀阀芯4-3之间安装了弹簧座4-18，弹簧力通过弹簧座4-18传递到气动副阀阀芯4-3上，弹簧座4-18与气动副阀阀芯4-3的接触面为球头球窝结构，保证气动副阀阀芯4-3运动时不偏斜。气动副阀弹簧4-17的安装力可以通过选配不同厚度的调整垫片4-20调整，使得气动副阀4可满足在不同工作压力下的快响应匹配。
101.电磁副阀进气端阀座3-6、气动副阀进气端阀座4-1、气动副阀阀芯4-3、气动副阀排气端阀座4-2依次串联安装在副阀芯控制腔2-2中，并通过弹簧套4-16压紧，弹簧套4-1与副阀芯控制腔2-2之间通过螺纹连接，调整垫片4-20和气动副阀弹簧4-17安装在弹簧套4-1中。橡胶o形圈9保证了气动副阀阀芯4-3和电磁副阀进气端阀座4-1之间的密封，三处橡胶o形圈9分别保证了电磁副阀进气端阀座3-6、气动副阀进气端阀座4-1、气动副阀排气端阀座4-2与副阀芯控制腔2-2之间的密封性。
102.实施例2：
103.如图3所示，一种液体火箭发动机控制阀，包括主阀1，还包括实施例1所述的快响应高压大流量阀2；图3中，快响应高压大流量阀2安装到主阀1上时，快响应高压大流量阀2和主阀1的轴线平行，主阀1上的副阀气入口1-7与快响应高压大流量阀2上的控制气出口6连通；
104.所述的快响应高压大流量阀2与主阀1连通；
105.包括主阀1和与主阀1连通的副阀2，所述的主阀1包括主阀体1-1，所述的主阀体1-1内开设有主阀芯控制腔1-2，所述的主阀芯控制腔1-2内安装有主阀座1-3，主阀座1-3内套接有主阀芯1-4；
106.所述的主阀体1-1底端还开设有主阀入口1-5和主阀出口1-6，主阀芯1-4控制主阀出口1-6的开闭，主阀体1-1顶端开设有副阀气入口1-7；
107.所述的副阀2包括副阀体2-1和开设在副阀体2-1内的副阀芯控制腔2-2，所述的副阀芯控制腔2-2内安装有电磁副阀3和气动副阀4；
108.所述的副阀体2-1上还开设有控制气入口5和控制气出口6，控制气入口5和控制气出口6分别与副阀芯控制腔2-2连通，所述的控制气出口6通过副阀气入口1-7与主阀芯控制腔1-2连通；
109.所述的电磁副阀3用于驱动气动副阀4的开闭以控制主阀1的开闭。
110.主阀1采用正向卸荷式结构，卸荷面积略大于阀口密封面积，以提高主阀芯1-4的关闭响应速度，同时保证了主阀芯在关闭状态的介质作用力有利于主阀芯1-4关闭，在压力波动下保证主阀芯的密封可靠性；主阀芯1-4的复位采用内主弹簧7和外主弹簧8双弹簧结构，在有限的空间内增加主阀芯1-4的复位力，提高关闭响应速度。
111.主阀芯1-4和主阀座1-3形成密封副，确保控制阀关闭时的推进剂的密封性，内主弹簧7和外主弹簧8安装于主阀芯1-4及主阀座1-3之间，为主阀芯1-4提供关闭力；
112.橡胶o形圈9保证了主阀座1-3与主阀体1之间的密封、主阀芯1-4与主阀座1-3之间
的密封、主阀芯1-4与主阀体1-1之间的密封。
113.快响应高压大流量阀2安装在主阀体1-1上，并通过橡胶o形圈9保证密封。
114.本发明的具体工作过程：
115.电磁副阀3通电，控制阀处于打开状态：
116.当发动机需要控制阀打开工作时，控制系统给电磁副阀线圈3-4通电(24～31)vdc，电磁副阀线圈3-4通电后和电磁副阀阀芯3-3形成磁路，并产生电磁吸力，电磁副阀阀芯3-3在电磁吸力的作用下克服电磁副阀弹簧3-19的弹簧力运动，电磁副阀阀芯3-3运动后打开第一电磁副阀进气道3-14，并关闭电磁副阀的排气口3-17。第一电磁副阀进气道3-14被打开后，高压气体经过第二电磁副阀进气道3-15进入气动副阀阀芯控制腔3-8；气动副阀阀芯4-3在高压气体的推动下离开气动副阀进气端阀座4-1，同时关闭气动副阀排气端阀座4-2。此时，气动副阀4的进气通道打开，排气通道关闭，高压气体经过第三电磁副阀进气道3-16及气动副阀进气端阀座4-1从控制气出口6进入主阀芯控制腔1-2，并驱动主阀芯1-4克服内主弹簧7和外主弹簧8的作用力打开，并维持在打开状态。控制阀主阀芯1-4打开后，主阀入口1-5和主阀出口1-6连通，推进剂从主阀出口1-6进入发动机。
117.电磁副阀3断电，控制阀处于关闭状态：
118.当发动机需要控制阀关闭，切断推进剂供应时，控制系统给电磁副阀线圈3-4断电，电磁吸力消失，电磁副阀阀芯3-3在电磁副阀弹簧3-19的弹簧力作用下运动，电磁副阀阀芯3-3关闭第一电磁副阀进气道3-14，并打开电磁副阀的排气口3-17。电磁副阀的排气口3-17被打开后，气动副阀阀芯控制腔3-8内的高压气体会经过第二电磁副阀进气道3-15及电磁副阀阀芯3-3上的电磁副阀排气通道3-5，从电磁副阀的排气口3-17泄出；然后，气动副阀阀芯4-3在气动副阀弹簧4-17的弹簧力作用下，脱离气动副阀排气端阀座4-2，并关闭气动副阀进气端阀座4-1，从而切断了高压气体进入主阀芯控制腔1-2，主阀芯控制腔1-2内原有的高压气体通过副阀的控制气出口6，经过气动副阀排气端阀座4-2上的排气通道4-10，最终由弹簧套4-16的排气口4-19泄出。主阀芯控制腔1-2内的压力泄出后，主阀芯1-4在内主弹簧7、外主弹簧8及推进剂介质作用力的共同作用下关闭，切断推进剂的供应，并与主阀座1-3形成密封副，保证推进剂密封在主阀座1-3的上游。
119.以上所述的，仅是本发明的较优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，不经创造性劳动想到的变化或替换，都涵盖在本发明的保护范围之内。