CN111927559B - 一种气体喷射膨胀作动系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气体喷射膨胀作动系统及控制方法，系统包括增压器、增压控制阀、第一储罐、第二储罐、第三储罐、反应器和导向筒，增压控制阀与增压器连接，第一储罐、第二储罐和第三储罐的增压口分别与增压控制阀连接，第一储罐、第二储罐和第三储罐的出液口以及导向筒分别与反应器连接，第一储罐与反应器之间设有第一压力阀，第二储罐与反应器之间设有第二压力阀，第三储罐与反应器之间设有第三压力阀，导向筒与反应器之间设有作动压力阀，导向筒连接反应器的侧壁与配重之间形成作动压力腔；第一储罐中设有作动介质，第二储罐中设有燃料A，第三储罐中设有燃料B，具有结构简单、控制方便、安全可靠的优点；控制方法具有流程简单、精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种作动装置，具体涉及一种基于气体喷射膨胀做功的作动系统，以及该作动系统的控制方法。
背景技术
利用气体喷射膨胀做功是一种常用的作动技术。以高压容器为储能装置，利用气体压力能释放直接作动的装置较为常见，如空气作动装置、氮气作动装置等。这种作动装置存在体积大、储存压力高的缺陷。随着液气相变概念的推广应用，近年来出现了一种新型的气体作动装置，通过选择合适的气体(如二氧化碳)作为作动介质，其在充装过程发生液化并以气液饱和态储存；工作时，作动介质吸收热量并发生相变，在其内能和压力能同步增大的过程中通过喷射膨胀即可做功。因作动介质做功需吸收能量，现有气体作动装置通常将加热器直接置于液态的作动介质中，作动时装置内部的压力急剧升高，需靠结构设计保证其强度。较高的强度要求不利于减重，增大了设计难度，且存在较大的高压风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种气体喷射膨胀作动系统及控制方法，作动系统具有结构简单、控制方便、安全可靠、实用性强的优点，与现有气体喷射作动装置相比，有效降低了高压风险和设计难度，提高了安全性；控制方法具有流程简单、精度高、安全性好的优点。
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供的一种气体喷射膨胀作动系统，包括增压器、增压控制阀、第一储罐、第二储罐、第三储罐、反应器和导向筒，所述增压控制阀与增压器连接，所述第一储罐、第二储罐和第三储罐的增压口分别通过管路与增压控制阀连接，第一储罐、第二储罐和第三储罐的出液口以及导向筒分别通过管路与反应器连接，第一储罐与反应器之间的管路上设有第一压力阀，第二储罐与反应器之间的管路上设有第二压力阀，第三储罐与反应器之间的管路上设有第三压力阀，导向筒与反应器之间的管路上设有作动压力阀，导向筒中设有配重，导向筒连接反应器的侧壁与配重之间形成作动压力腔；所述增压器和增压控制阀用于控制第一储罐、第二储罐和第三储罐的增压，第一储罐中设有作动介质，第二储罐中设有燃料A，第三储罐中设有燃料B。
进一步的，本发明一种气体喷射膨胀作动系统，其中，所述第二储罐与增压控制阀之间的管路上设有第一减压阀，所述第三储罐与增压控制阀之间的管路上设有第二减压阀。
进一步的，本发明一种气体喷射膨胀作动系统，其中，所述增压器和增压控制阀用于将增压介质通过各自对应的管路分别输送到第一储罐、第二储罐和第三储罐。
进一步的，本发明一种气体喷射膨胀作动系统，其中，所述第一储罐设有两个以上，所述作动介质为二氧化碳或氮。
进一步的，本发明一种气体喷射膨胀作动系统，其中，所述增压介质为压缩空气、压缩氮气或压缩氦气。
进一步的，本发明一种气体喷射膨胀作动系统，其中，所述燃料A为亚硝酸钠，所述燃料B为氯化铵。
进一步的，本发明一种气体喷射膨胀作动系统，其中，所述第一压力阀、第二压力阀和第三压力阀为调节阀、减压阀或稳压阀。
进一步的，本发明一种气体喷射膨胀作动系统，其中，所述作动压力阀为调节阀、减压阀或稳压阀。
进一步的，本发明一种气体喷射膨胀作动系统，其中，所述第一减压阀和第二减压阀为活塞式减压阀或先导式减压阀。
一种上述气体喷射膨胀作动系统的控制方法，包括以下步骤：
一、启动增压器，并打开增压控制阀，增压介质通过各自对应的管路分别进入第一储罐、第二储罐和第三储罐；
二、当第一储罐的压力升高到P1时，第一压力阀打开，作动介质通过第一压力阀进入反应器；
三、当第二储罐和第三储罐的压力升高到P2时，第二压力阀和第三压力阀打开，燃料A通过第二压力阀进入反应器，燃料B通过第三压力阀进入反应器(6)；
四、燃料A和燃料B在反应器中发生燃烧反应并释放热量，反应器中的作动介质吸收热量后发生相变并产生高压气体；
五、当反应器的压力升高到P3时，作动压力阀打开，高压气体通过作动压力阀进入作动压力腔并推动配重运动；
其中，P1为第一压力阀31的开启压力设定值，P2为第二压力阀41和第三压力阀51的开启压力设定值，P3为作动压力阀71的开启压力设定值。
本发明一种气体喷射膨胀作动系统与现有技术相比，具有以下优点：本发明通过设置增压器、增压控制阀、第一储罐、第二储罐、第三储罐、反应器和导向筒，让增压控制阀与增压器连接，使第一储罐、第二储罐和第三储罐的增压口分别通过管路与增压控制阀连接，使第一储罐、第二储罐和第三储罐的出液口以及导向筒分别通过管路与反应器连接，在第一储罐与反应器之间的管路上设置第一压力阀，在第二储罐与反应器之间的管路上设置第二压力阀，在第三储罐与反应器之间的管路上设置第三压力阀，在导向筒与反应器之间的管路上设置作动压力阀，将配重设置在导向筒中，使导向筒连接反应器的侧壁与配重之间形成作动压力腔；其中，增压器和增压控制阀用于控制第一储罐、第二储罐和第三储罐的增压，第一储罐中设有作动介质，第二储罐中设有燃料A，第三储罐中设有燃料B。由此就构成了一种结构简单、控制方便、安全可靠、实用性强的气体喷射膨胀作动系统。工作时，启动增压器并打开增压控制阀，通过各自对应的管路分别对第一储罐、第二储罐和第三储罐进行增压；当第一储罐的压力升高到对应的设定值时，使第一压力阀打开，作动介质会通过第一压力阀进入反应器；当第二储罐和第三储罐的压力升高到对应的设定值时，使第二压力阀和第三压力阀打开，燃料A会通过第二压力阀进入反应器，燃料B会通过第三压力阀进入反应器；燃料A和燃料B在反应器中发生燃烧反应并释放热量，反应器中的作动介质吸收热量后会发生相变并产生高压气体；当反应器的压力升高到对应的设定值时，使作动压力阀打开，高压气体就会通过作动压力阀进入作动压力腔并推动配重运动，从而实现作动的技术目的。本发明通过设置第一储罐、第二储罐、第三储罐、反应器和导向筒，实现了储能功能与吸热做功功能的物理分离，与现有气体喷射作动装置相比，有效降低了设计难度和高压风险，提高了安全性；同时，本发明通过设置增压器、增压控制阀、第一压力阀、第二压力阀、第三压力阀和作动压力阀，可对各储罐的增压速度、作动介质的喷射量、燃料A和燃料B的加注量以及各压力阀的打开时机进行精确控制，以保证燃烧反应、加热过程、导向筒运动空间、配重运动特性之间的相互匹配，提高了系统的可靠性。
下面结合附图所示具体实施方式对本发明一种气体喷射膨胀作动系统及控制方法作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明一种气体喷射膨胀作动系统的结构示意图。
具体实施方式
首先需要说明的，本发明中所述的上、下、左、右、前、后等方位词只是根据附图进行的描述，以便于理解，并非对本发明的技术方案及请求保护范围进行的限制。
如图1所示本发明一种气体喷射膨胀作动系统的具体实施方式，包括增压器1、增压控制阀2、第一储罐3、第二储罐4、第三储罐5、反应器6和导向筒7。使增压控制阀2与接增压器1连接，使第一储罐3、第二储罐4和第三储罐5的增压口分别通过管路与增压控制阀2连接，使第一储罐3、第二储罐4和第三储罐5的出液口以及导向筒7分别通过管路与反应器6连接。在第一储罐3与反应器6之间的管路上设置第一压力阀31，在第二储罐4与反应器6之间的管路上设置第二压力阀41，在第三储罐5与反应器6之间的管路上设置第三压力阀51，在导向筒7与反应器6之间的管路上设置作动压力阀71。将配重8设置在导向筒7中，并使导向筒7连接反应器6的侧壁与配重8之间形成作动压力腔72。其中，增压器1和增压控制阀2用于控制第一储罐3、第二储罐4和第三储罐5的增压，第一储罐3中储存有作动介质，第二储罐4中储存有燃料A，第三储罐5中储存有燃料B。
通过以上结构设置就构成了一种结构简单、控制方便、安全可靠、实用性强的气体喷射膨胀作动系统。工作时，启动增压器1并打开增压控制阀2，通过各自对应的管路分别对第一储罐3、第二储罐4和第三储罐5进行增压。当第一储罐3的压力升高到对应的设定值时，使第一压力阀31打开，作动介质会通过第一压力阀31进入反应器6。当第二储罐4和第三储罐5的压力升高到对应的设定值时，使第二压力阀41和第三压力阀51打开，燃料A会通过第二压力阀41进入反应器6，燃料B会通过第三压力阀51进入反应器6。燃料A和燃料B在反应器6中发生燃烧反应并释放热量，反应器6中的作动介质吸收热量后会发生相变并产生高压气体。当反应器6的压力升高到对应的设定值时，使作动压力阀71打开，高压气体就会通过作动压力阀71进入作动压力腔72并推动配重8运动，从而实现作动的技术目的。本发明通过设置第一储罐3、第二储罐4、第三储罐5、反应器6和导向筒7，实现了储能功能与吸热做功功能的物理分离，与现有气体喷射作动装置相比，有效降低了设计难度和高压风险，提高了安全性。同时，本发明通过设置增压器1、增压控制阀2、第一压力阀31、第二压力阀41、第三压力阀51和作动压力阀71，可对各储罐的增压速度、作动介质的喷射量、燃料A和燃料B的加注量以及各压力阀的打开时机进行精确控制，以保证燃烧反应、加热过程、导向筒运动空间、配重运动特性之间的相互匹配，提高了系统的可靠性。
作为优化方案，本具体实施方式在第二储罐4与增压控制阀2之间的管路上设置了第一减压阀42，在第三储罐5与增压控制阀2之间的管路上设置了第二减压阀52。通过第一减压阀42和第二减压阀52可将增压器1的压力减至合适的值，以便对第二储罐4和第三储罐5进行合理增压，一方面通过将第二储罐4和第三储罐5的增压与第一储罐3的增压区分开，提高了控制的便利性，另一方面降低了对第二储罐4和第三储罐5的耐压要求，提高了安全性。为保证系统的稳定性，使作动介质的喷射量与燃料A和燃料B的加注量相匹配，本发明通常将第一储罐3设置两个以上。
需要说明的是，本发明通常使增压器1采用气体增压器，利用增压器1和增压控制阀2将增压介质通过各自对应的管路分别输送到第一储罐3、第二储罐4和第三储罐5，即可实现增压目的。增压介质可采用压缩空气、压缩氮气或压缩氦气等。但增压器1不限于采用气体增压器，还可以采用其他类型的增压装置，只要能实现第一储罐3、第二储罐4和第三储罐5增压即可。在实际应用中，作为喷射膨胀做功的作动介质可采用二氧化碳或氮等，以便在充装过程中实现液化，并以气液饱和态储存，从而减小储存体积。作为发生燃烧反应的燃料，燃料A可采用亚硝酸钠，燃料B可采用氯化铵，但燃料A和燃料B不限于这两种物质组合，还可以采用其他物质组合，只要能实现燃烧反应并释放热量即可。第一压力阀31、第二压力阀41、第三压力阀51和作动压力阀71可选用调节阀、减压阀或稳压阀等多种类型；第一减压阀42和第二减压阀52可选用活塞式减压阀或先导式减压阀。另外，为便于检测压力、流量、温度等参数，还可在需要的位置设置对应的检测元件，以提高控制的精确度。
基于同一构思，本发明还提供了一种上述气体喷射膨胀作动系统的控制方法，具体包括以下步骤：
一、启动增压器1，并打开增压控制阀2，增压介质通过各自对应的管路分别进入第一储罐3、第二储罐4和第三储罐5。
二、当第一储罐3的压力升高到P1时，使第一压力阀31打开，作动介质通过第一压力阀31进入反应器6。
三、当第二储罐4和第三储罐5的压力升高到P2时，使第二压力阀41和第三压力阀51打开，燃料A通过第二压力阀41进入反应器6，燃料B通过第三压力阀51进入反应器6。
四、燃料A和燃料B在反应器6中发生燃烧反应并释放热量，反应器6中的作动介质吸收热量后发生相变并产生高压气体。
五、当反应器6的压力升高到P3时，作动压力阀71打开，高压气体通过作动压力阀71进入作动压力腔72并推动配重8运动。
上述P1为第一压力阀31的开启压力设定值，P2为第二压力阀41和第三压力阀51的开启压力设定值，P3为作动压力阀71的开启压力设定值。
本发明提供的气体喷射膨胀作动系统的控制方法，具有流程简单、精度高、安全性好的优点。
以上实施例仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明请求保护范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域技术人员依据本发明的技术方案做出的各种变形，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种气体喷射膨胀作动系统，其特征在于，包括增压器(1)、增压控制阀(2)、第一储罐(3)、第二储罐(4)、第三储罐(5)、反应器(6)和导向筒(7)，所述增压控制阀(2)与增压器(1)连接，所述第一储罐(3)、第二储罐(4)和第三储罐(5)的增压口分别通过管路与增压控制阀(2)连接，第一储罐(3)、第二储罐(4)和第三储罐(5)的出液口以及导向筒(7)分别通过管路与反应器(6)连接，第一储罐(3)与反应器(6)之间的管路上设有第一压力阀(31)，第二储罐(4)与反应器(6)之间的管路上设有第二压力阀(41)，第三储罐(5)与反应器(6)之间的管路上设有第三压力阀(51)，导向筒(7)与反应器(6)之间的管路上设有作动压力阀(71)，导向筒(7)中设有配重(8)，导向筒(7)连接反应器(6)的侧壁与配重(8)之间形成作动压力腔(72)；所述增压器(1)和增压控制阀(2)用于控制第一储罐(3)、第二储罐(4)和第三储罐(5)的增压，第一储罐(3)中设有作动介质，第二储罐(4)中设有燃料A，第三储罐(5)中设有燃料B。
2.根据权利要求1所述的气体喷射膨胀作动系统，其特征在于，所述第二储罐(4)与增压控制阀(2)之间的管路上设有第一减压阀(42)，所述第三储罐(5)与增压控制阀(2)之间的管路上设有第二减压阀(52)。
3.根据权利要求2所述的气体喷射膨胀作动系统，其特征在于，所述增压器(1)和增压控制阀(2)用于将增压介质通过各自对应的管路分别输送到第一储罐(3)、第二储罐(4)和第三储罐(5)。
4.根据权利要求3所述的气体喷射膨胀作动系统，其特征在于，所述第一储罐(3)设有两个以上，所述作动介质为二氧化碳或氮。
5.根据权利要求3所述的气体喷射膨胀作动系统，其特征在于，所述增压介质为压缩空气、压缩氮气或压缩氦气。
6.根据权利要求3所述的气体喷射膨胀作动系统，其特征在于，所述燃料A为亚硝酸钠，所述燃料B为氯化铵。
7.根据权利要求3所述的气体喷射膨胀作动系统，其特征在于，所述第一压力阀(31)、第二压力阀(41)和第三压力阀(51)为调节阀、减压阀或稳压阀。
8.根据权利要求3所述的气体喷射膨胀作动系统，其特征在于，所述作动压力阀(71)为调节阀、减压阀或稳压阀。
9.根据权利要求3所述的气体喷射膨胀作动系统，其特征在于，所述第一减压阀(42)和第二减压阀(52)为活塞式减压阀或先导式减压阀。
10.一种权利要求3所述气体喷射膨胀作动系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、启动增压器(1)，并打开增压控制阀(2)，增压介质通过各自对应的管路分别进入第一储罐(3)、第二储罐(4)和第三储罐(5)；
二、当第一储罐(3)的压力升高到P1时，第一压力阀(31)打开，作动介质通过第一压力阀(31)进入反应器(6)；
三、当第二储罐(4)和第三储罐(5)的压力升高到P2时，第二压力阀(41)和第三压力阀(51)打开，燃料A通过第二压力阀(41)进入反应器(6)，燃料B通过第三压力阀(51)进入反应器(6)；
四、燃料A和燃料B在反应器(6)中发生燃烧反应并释放热量，反应器(6)中的作动介质吸收热量后发生相变并产生高压气体；
五、当反应器(6)的压力升高到P3时，作动压力阀(71)打开，高压气体通过作动压力阀(71)进入作动压力腔(72)并推动配重(8)运动；
其中，P1为第一压力阀31的开启压力设定值，P2为第二压力阀41和第三压力阀51的开启压力设定值，P3为作动压力阀71的开启压力设定值。
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