CN112984146B - 一种用于液体火箭发动机的球阀装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于液体火箭发动机的球阀装置，包含壳体、球体、驱动装置、阀座、膜盒组件和固定盖，壳体内设有供液体介质流通的通道，球体通过驱动装置带动旋转，以使球体上的通道体与通道彼此导通或关闭，从而实现液体介质的流通或截止；阀座、膜盒组件和固定盖位于壳体的介质入口端，阀座嵌套在膜盒组件内侧，用于通过接触所述球体实现对介质通道的密封；膜盒组件的外侧与壳体固定连接，膜盒组件具有气动控制腔和膜片结构，膜片结构连通气动控制腔；固定盖与膜盒组件之间设有弹性件，当液体介质流通前，向气动控制腔通气，使得膜片结构膨胀以克服弹性件的弹力，并带动阀座与球体分离。可以避免球阀内部的阀座密封面与球体表面摩擦，安全可靠。

Description

一种用于液体火箭发动机的球阀装置

技术领域

本发明涉及动力系统阀门技术领域，尤其涉及用于液体火箭发动机的球阀装置。

背景技术

随着航天产业的快速发展，火箭领域所涉及的各项技术也实现了突飞猛进。阀门是实现液体火箭发动机启动和关机的重要部件。低温液体火箭发动机的介质为超低温推进剂，介质温区通常在20K～120K左右，压力在10MPa以上。阀门操作气通常为压力20MPa左右的高压气。

球阀是液体火箭发动机推进剂供应系统的重要部件。球阀能够按照指令打开和关闭。在球阀打开和切断燃料的初始时刻，因其内的球体与阀座直接接触，球体在转动时会导致阀座密封面与球体表面摩擦，造成球体和阀座之间的磨损。长时间使用会降低阀座密副密封性能，大幅缩短球阀使用寿命，且密封性能的降低也会直接影响燃料供给，进一步影响发动机的安全；另外，由于阀座密封面与球体表面直接接触，驱动球阀转动的驱动机构需要输出更大的驱动力，导致设备结构更复杂。

亟需提供一种球阀装置，以在不影响密封效果的情况下，提高球阀的使用寿命，同时降低设备复杂程度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于液体火箭发动机的球阀装置，通过对球阀内部进行优化，避免球阀内部的阀座密封面与球体表面摩擦，在不影响密封效果的情况下，提高球阀的使用寿命，同时降低设备复杂程度，安全可靠，同时降低设备复杂程度，从而提高液体火箭发动机工作可靠性及效率。

本发明的提供一种用于液体火箭发动机的球阀装置，包含壳体、球体、驱动装置、阀座、膜盒组件和固定盖，其中，

所述壳体内设有供液体介质流通的通道，所述球体通过所述驱动装置带动旋转，以使所述球体上的通道体与所述通道彼此导通或关闭，从而实现液体介质的流通或截止；

所述阀座、所述膜盒组件和所述固定盖位于所述壳体的介质入口端，所述阀座嵌套在所述膜盒组件内侧，用于通过接触所述球体实现对介质通道的密封；所述膜盒组件的外侧与所述壳体固定连接，所述膜盒组件具有气动控制腔和膜片结构，所述膜片结构连通所述气动控制腔；

且所述固定盖与所述膜盒组件之间设有弹性件，所述弹性件对所述膜盒组件施加弹力使得所述阀座与所述球体彼此密封；

当液体介质流通前，向所述气动控制腔通气，使得所述膜盒组件内部的膜片结构膨胀以克服所述弹性件的弹力，并带动所述阀座与所述球体分离。

在同一实施例中，所述膜盒组件包含上盖板、中盖板、下盖板和所述膜片结构，所述膜片结构包含大膜片组和小膜片组，其中，

所述上盖板与所述中盖板相互连接形成第一空间，所述上盖板和所述中盖板靠近所述通道的轴线端分别与所述小膜片组和所述大膜片组连接，所述小膜片组和所述大膜片组另一端分别与所述下盖板上表面连接，所述小膜片组、所述大膜片组、所述下盖板形成第二空间，所述第一空间和所述第二空间构成一个密闭腔，且所述第一空间和所述第二空间彼此连通。

在同一实施例中，所述上盖板靠近所述球体的一侧支撑台，所述支撑台用于所述阀座向所述固定盖一侧移动时起到导向作用，且所述阀座靠近所述固定盖端与所述下盖板连接，气体经过所述第一空间和所述第二空间后作用在所述下盖板上，使得所述下盖板带动所述阀座移动以减少所述阀座与所述球体分离。

在同一实施例中，所述上盖板远离所述通道的轴线的外侧设有用于与所述壳体连接的凸起部，所述凸起部朝向远离所述下盖板侧且为两端相通的圆筒结构。

在同一实施例中，所述上盖板和所述中盖板一体成型。

在同一实施例中，所述中盖板为环型回转体结构，其靠近内环边缘和外环边缘的分别具有向同方向凸出的凸起板，所述中盖板通过其凸起板的端部与所述上盖板的下表面连接，从而所述中盖板与所述上盖板的下表面构成所述第一空间。

在同一实施例中，所述中盖板远离所述通道轴线一侧分别设有进气管路和出气管路，且所述进气管路和所述出气管路以所述轴线对称设计。

在同一实施例中，所述大膜片组由多个带有大孔径的金属板构成，所述小膜片由多个带有小孔径的金属板构成，所述小膜片组内侧靠近所述阀座的外表面，外侧与所述大膜片组的内侧相对设置，所述大膜片组的外侧与所述固定盖的内表面抵接，大孔径的金属板和小孔径的金属板分别依次首尾连接，使得所述大膜片组、所述小膜片组形成内外侧为锯齿形状，保证所述膜盒组件沿轴线方向可以伸缩。

在同一实施例中，所述阀座靠近所述球体一侧的表面周向地设有凹槽，且所述凹槽内设有密封圈。

在同一实施例中，所述弹性件为弹簧，所述固定盖设有下凹部，所述下凹部用于固定所述弹簧。

本发明实施例提供的液体火箭发动机用的球阀由壳体、球体、驱动装置、阀座、膜盒组件和固定盖组成。通过在固定盖与所述膜盒组件之间设有弹性件，弹性件对膜盒组件施加弹力使得阀座与球体彼此密封，减少液体介质泄漏。当液体介质流通前，向气动控制腔通气，使得膜盒组件内部的膜片结构膨胀以克服弹性件的弹力，并带动阀座与球体分离，避免球阀内部的阀座密封面与球体表面摩擦，保证阀座和球体完好。另外，由于阀座密封面与球体表面摩擦减小，进而使得驱动装置的驱动力矩减少，扩大驱动装置的使用限制范围。整个阀门结构，通过对球阀内部进行优化，避免球阀内部的阀座密封面与球体表面摩擦，在不影响密封效果的情况下，提高球阀的使用寿命，同时降低设备复杂程度，安全可靠，同时降低设备复杂程度，从而提高液体火箭发动机工作可靠性及效率。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1为本发明实施例中无摩擦球阀局部结构示意图；

图2为本发明实施例中弹性阀座剖切局部示意图；

图3为本发明实施例中弹性阀座剖切局部的结构简图；

图4为本发明实施例中调节孔板的结构示意图；

图5为本发明实施例中加厚板的结构示意图。

附图标记说明：

1壳体2球体

3驱动装置4阀座

5膜片结构6固定盖

7弹性件8上盖板

9中盖板10下盖板

11大膜片组12小膜片组

13支撑台14凸起部

15进气管路16出气管路

17凹槽18密封圈

19调节孔板20转轴

21驱动器22第一轴承

23外端盖24第一密封垫片

25第二密封垫片26延伸体

27加厚板

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

本发明的一个方面提供了一种用于液体火箭发动机的球阀装置。如图1、图2、图3和图4所示，包含壳体1、球体2、驱动装置3、阀座4、膜盒组件和固定盖6。其中，壳体1内设有供液体介质流通的通道，球体2通过驱动装置3带动旋转，以使球体2上的通道体与通道彼此导通或关闭，从而实现液体介质的流通或截止。阀座4、膜盒组件和固定盖6位于壳体1的介质入口端，阀座4嵌套在膜盒组件内侧，用于通过接触球体2实现对介质通道的密封。膜盒组件的外侧与壳体1固定连接，膜盒组件具有气动控制腔和膜片结构5，膜片结构5连通气动控制腔。固定盖6与膜盒组件之间设有弹性件7，弹性件7对膜盒组件施加弹力使得阀座4与球体2彼此密封；当液体介质流通前，向气动控制腔通气，使得膜盒组件内部的膜片结构5膨胀以克服弹性件7的弹力，并带动阀座4与球体2分离。

具体的说，液体火箭发动机用的球阀由壳体1、球体2、驱动装置3、阀座4、膜盒组件和固定盖6组成。通过在固定盖6与膜盒组件之间设有弹性件7，弹性件7对膜盒组件施加弹力使得阀座4与球体2彼此密封，减少液体介质泄漏。当液体介质流通前，向气动控制腔通气，使得膜盒组件内部的膜片结构5膨胀以克服弹性件7的弹力，并带动阀座4与球体2分离，避免球阀内部的阀座密封面与球体表面摩擦，保证阀座和球体完好。整个阀门结构，通过对球阀内部进行优化，在球阀转动过程中，避免球阀内部的阀座密封面与球体表面摩擦，在不影响密封效果的情况下，提高球阀的使用寿命，同时降低球阀驱动装置的性能要求，提高液体火箭发动机工作可靠性及效率。

图1、图2和图3所示，膜盒组件包含上盖板8、中盖板9、下盖板10和膜片结构5，膜片结构5包含大膜片组11和小膜片组12。例如，三个盖板均为中空的回转体结构。其中，上盖板8与中盖板9相互连接形成第一空间。上盖板8和中盖板9靠近通道的轴线端分别与小膜片组12和大膜片组11的一端连接，小膜片组12和大膜片组11的另一端分别与下盖板10上表面连接。小膜片组12、大膜片组11、下盖板10形成第二空间，第一空间和第二空间构成一个封闭腔，且第一空间和所述第二空间可以通过通孔导通。为了方便调节高压气体，避免因高压气体对小膜片组12和大膜片组11冲击而使小膜片组12和大膜片组11发生形变，例如，通孔两端可以设计成进口端的直径小于出口端的直径。

在本实施例中，第一空间用于缓冲气流，避免气流因压力过大而对膜片造成损坏，可以提高膜片组的使用寿命。另外，第二空间可以调节气流的方向，使得气流有效作用在下盖板10上，方便下盖板10的移动，进而便于控制阀座的移动。需要说明的是，在阀座4移动方便例如，上盖板8靠近球体2的一侧设有支撑台13，支撑台13用于阀座4向固定盖6一侧移动时起到导向作用(使得底座沿着支撑台与轴向方向相互平行的表面移动)。为了方便阀座4移动，例如，将阀座4靠近固定盖6端与下盖板10连接，使得两者成为一体。当气体经过第一空间和第二空间后作用在下盖板10上，使得下盖板10带动阀座4移动，以减少阀座4与球体2直接接触，降低球阀在转动过程中的磨损。值得一提的是，为了保证阀座4与下盖板10连接紧密，固定牢固，例如，两者可以采用焊接的连接方式。

在本实施方式中，为了使上盖板8与壳体1紧密连接，避免上盖板8在壳体1内部出现晃动，例如，在上盖板8远离球体2的一侧设有用于与壳体1连接的凸起部14。具体地，凸起部14为两端相通的圆筒结构。为了保证凸起部14与壳体1连接紧密，固定牢固，例如，凸起部14的外表面与壳体1的内壁相互紧贴，两者可以通过螺栓固定连接(螺栓一端穿管壳体1与凸起部14连接，壳体1和凸起部14内设有配合螺栓的孔道，为了方便螺栓进入壳体1和凸起部14，例如，螺栓进入壳体的部分为圆柱体结构，进入凸起部14的部位由圆柱体和锥体构成)。

需要注意的是，在本实施方式中，沿阀座4周向的外表面与上盖板8配合的表面采用圆弧面设计，可避弹性阀座伸缩运动时阀座4与膜盒组件上盖板8卡滞，提高了液体火箭发动机超低温环境下球阀动作的可靠性。

此外，上盖板8和中盖板9可以通过焊接固定在一起，而在实际应用时，为了使得上盖板8和中盖板9连接更加紧密，固定更加牢固，且避免两者出现位移移动，例如，将上盖板8和中盖板9采用一体成型设计，在此不对具体实施工艺进行说明。

具体地，为了方便上盖板8和中盖板9的使用和安装，例如，此外，中盖板9可以为环型回转体结构，其靠近内环边缘和外环边缘的分别具有向同方向凸出的凸起板，中盖板9通过其凸起板的端部与上盖板8的下表面连接，从而中盖板9与上盖板8的下表面构成上述第一空间。

在本实施方式中，图1、图2、图3、图4和图5所示，由于小膜片组12一端直接与上盖板的连接，为了减少高压气体对小膜片组12冲击，例如，可以将大膜片组11和小膜片组12远离下盖板10的一端端面设计成在同一水平端面。例如，可以在上盖板8靠近中盖板的一侧增设延伸体，使延伸体一端与上盖板8连接，另一端与小膜片组12连接。例如，延伸体26为中空的圆柱体结构，且沿通道轴线方向的长度与其靠近内环边缘的凸起板长度相等(即使得大膜片组11和小膜片组12远离下盖板10的一端端面设计成在同一水平端面)。

例外，为了进一步减少高压气体对延伸体26外表面冲击，例如，在延伸体外表面焊接一块带有弯弧的加厚板27，加厚板的一侧与延伸体紧贴，且采用焊接连接。通过增加加厚板27，可以避免高压气体直接与延伸体26接触而造成对延伸体表面冲击，进而避免延伸部因发生形变而使底座出现位置偏移，从而影响底座的正常使用。进一步的，为了进一步调节高压气体，例如在加厚板远离延伸体一侧表面设有多个均匀的凹部，高压气体与凹部接触后反弹，增加了防弹的气体与后续进入的气体接触面积，中和高压气体的冲击力，进而有效缓解高压气体对下盖板10表面的冲击，有效保护下盖板10，避免下盖板10发生形变，确保阀体的正常工作。

图1、图2、图3和图4所示，需要指出的是，为了方便向膜片组件进气和排气，例如，中盖板9远离壳体1中心一侧(例如，U型板远离壳体中心的外侧板)分别设有进气管路15和出气管路16。进一步说明的是，为了方便控制气的流量，适应不同的控制气压力，增强了阀门的适应性，例如，可以在进气管路15和出气管路16上设置调节孔板19(调节孔板可以是圆板带有孔道的结构)，进气管路和出气管路上设置调节孔板上的孔道数量可以不同。例如，位于进气管路端调节孔板上的孔道数量大于出气管路端调节孔板上的孔道数量，可以方便控制气体流量，进而控制膜盒组件的膨胀速度。

另外，在实际应用过程中，为了方便控制气体的时序及流量，保证控制腔内部稳定，例如，还可以将位于进气管路15和出气管路16上设置调节孔板上的孔道直径设计成不相同。例如，进气管路15的孔道直径为A,出气管路16的孔道直径为B，经过大量的仿真实验得出，当2B≤A≤6B时，气体进入控制腔内部时，便于控制气体流量，保证控制腔内部稳定，缩短阀座4与球体分离时间，提高阀的工作效率。

在本实施方式中，为了保证控制腔内压力稳定，缩短气体的进入和排出时间，例如，可以将进气管路15和出气管路16相对于介质通道的轴线对称设计(进气管路15和出气管路16中心线的连线与轴线垂直)。

此外，为了避免外界环境中潮湿空气在超低温环境下倒吸结冰，在出气管路16的出口嘴上安装有排气单向阀。通过设置单向阀，只允许气动腔内的气体由膜盒组件内腔向外部排出，而外部空气向膜盒组件内腔流动的通道被切断，可避免外界环境中潮湿空气在超低温环境下倒吸结冰，进而防止膜盒组件伸缩时冰块挤破膜盒组件膜片，提高产品可靠性。

在本实施方式中，小膜片组12和大膜片组11分别由多个均匀设计的圆形带孔的金属板构成，小膜片组12内侧靠近阀座4的外表面，外侧与大膜片组11的内侧相对设置，大膜片组11的外侧与固定盖6的内表面抵接。需要说明的是，在本实施方式中，相互靠近的金属板依次首尾连接，内外侧为锯齿形状，使膜片组沿轴线方向可以伸缩，进而使下盖板随着金属板的伸缩而移动，从而完成阀座的移动。而在实际应用时，小膜片组12和大膜片组11的组成可以由波纹管进行代替，在此不对工艺进行说明。另外，金属板通过冲压将金属板制成圆形膜片，且大膜片组由多个大直径的圆形膜片构成，小膜片由多个小直径的圆形膜片构成。

为了提高密封，减少阀座4和球体2在接触时造成损坏，例如，在阀座4和球体2连接处增加密封圈18。为了避免密封圈发生移动，例如，所述阀座靠近所述球体一侧的表面沿周向设有凹槽17，且凹槽17内设有密封圈18，凹槽17可以限定密封圈18移动，进而提高密封效果。

另外，为了保证弹性件7的弹力稳定地施加到下盖板10上，减少弹力的偏移及损失，例如，在固定盖6朝向上盖板侧设有下凹部。固定盖6的下凹部用于固定弹性件7。固定盖6的下凹部起到导向及限位作用。弹性件7一端设置在下凹部，另一端连接下盖板10，且在气动控制腔未通气时，弹性件7对下盖板10施加弹性力，下盖板10将受到的弹性力传递给阀座4，使阀座4与球体2的端面紧密密封。本申请实施例的固定盖设有下凹部，使得弹性件7可以沿下凹部内壁移动，减少沿轴线方向上的弹力损耗及可能的径向偏移。例如，弹性件7可以为弹簧。

特别需要说明的是，固定盖6用于配合壳体将膜片组件固定在壳体1内，为了使得两者连接更加紧密，例如，固定盖6与壳体1之间可以采用螺栓固定。固定盖6与壳体1之间设有第一密封垫24,增加密封效果，起到防止液体介质外漏的作用。

驱动装置3包含转轴20和驱动器21，通过驱动器21带动转轴20转动，且转轴20的一端与球体2连接用于带动球体2转动，实现对介质通道的开闭。

如图1所示，为了方便安装，便于球体转动，可以在壳体1上设有对称开口(对称开口中心线相互重合，且与轴线相互垂直)和外端盖23，且在开口端的壳体上分别安装第一轴承22和第二轴承，使位于球体远离驱动装置一侧的凸柱(凸柱为圆柱体结构，且与球体表面连接部为弧面)贯穿第一轴承22，驱动装置3上的转轴20贯穿第二轴承(球体表面设有凹部，转轴20一端嵌入凹部内，以便驱动器21带动转轴20转动时，使得球体转动。凹部可以是长方形，三角形等，且转轴20嵌入凹部端与凹部相互匹配设置)，凸柱与第一轴承22、转轴与第二轴承的配合，一方面起到支撑球体2的作用，另一方面便于球体可以随轴承自由转动。外端盖23用于密封凸柱一侧的开口上，且与壳体通过螺栓固定，为了保证壳体内部密封，减少液体介质泄漏，在开口上设置外端盖23与壳体1之间设置第二密封垫片25。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于液体火箭发动机的球阀装置，其特征在于,包含壳体、球体、驱动装置、阀座、膜盒组件和固定盖，其中，

所述壳体内设有供液体介质流通的通道，所述球体通过所述驱动装置带动旋转，以使所述球体上的通道体与所述通道彼此导通或关闭，从而实现液体介质的流通或截止；

所述阀座、所述膜盒组件和所述固定盖位于所述壳体的介质入口端，所述阀座嵌套在所述膜盒组件内侧，用于通过接触所述球体实现对介质通道的密封；所述膜盒组件的外侧与所述壳体固定连接，所述膜盒组件具有气动控制腔和膜片结构，所述膜片结构连通所述气动控制腔；

所述固定盖与所述膜盒组件之间设有弹性件，所述弹性件对所述膜盒组件施加弹力使得所述阀座与所述球体彼此密封；

当液体介质流通前，向所述气动控制腔通气，使得所述膜盒组件内部的膜片结构膨胀以克服所述弹性件的弹力，并带动所述阀座与所述球体分离；

所述膜盒组件包含上盖板、中盖板、下盖板和所述膜片结构，所述膜片结构包含大膜片组和小膜片组，其中，

所述上盖板与所述中盖板相互连接形成第一空间，所述上盖板靠近所述通道的轴线端与所述小膜片组连接，所述中盖板靠近所述通道的轴线端与所述大膜片组连接，所述小膜片组和所述大膜片组另一端分别与所述下盖板上表面连接，所述小膜片组、所述大膜片组、所述下盖板形成第二空间，所述第一空间和所述第二空间构成彼此连通的所述气动控制腔。

2.根据权利要求1所述的用于液体火箭发动机的球阀装置，其特征在于,所述上盖板靠近所述球体的一侧设有支撑台，所述支撑台用于所述阀座向所述固定盖一侧移动时起到导向作用，且所述阀座靠近所述固定盖端与所述下盖板连接，气体经过所述第一空间和所述第二空间后作用在所述下盖板上，使得所述下盖板带动所述阀座移动以使所述阀座与所述球体分离。

3.根据权利要求1所述的用于液体火箭发动机的球阀装置，其特征在于,所述上盖板远离所述通道的轴线的外侧设有用于与所述壳体连接的凸起部，所述凸起部朝向远离所述下盖板侧且为两端相通的圆筒结构。

4.根据权利要求1所述的用于液体火箭发动机的球阀装置，其特征在于,所述上盖板和所述中盖板一体成型。

5.根据权利要求4所述的用于液体火箭发动机的球阀装置，其特征在于,

所述中盖板为环型回转体结构，其靠近内环边缘和外环边缘的分别具有向同方向凸出的凸起板，所述中盖板通过其凸起板的端部与所述上盖板的下表面连接，从而所述中盖板与所述上盖板的下表面构成所述第一空间。

6.根据权利要求1所述的用于液体火箭发动机的球阀装置，其特征在于,所述中盖板远离所述通道的轴线一侧分别设有进气管路和出气管路，且所述进气管路和所述出气管路以所述轴线对称设计。

7.根据权利要求1所述的用于液体火箭发动机的球阀装置，其特征在于,所述大膜片组由多个带有大孔径的金属板构成，所述小膜片由多个带有小孔径的金属板构成，所述小膜片组内侧靠近所述阀座的外表面，外侧与所述大膜片组的内侧相对设置，所述大膜片组的外侧与所述固定盖的内表面抵接，大孔径的金属板依次首尾连接，小孔径的金属板依次首尾连接，使得所述大膜片组、所述小膜片组形成内外侧为锯齿形状，保证所述膜盒组件沿轴线方向可以伸缩。

8.根据权利要求1所述的用于液体火箭发动机的球阀装置，其特征在于,所述阀座靠近所述球体一侧的表面周向地设有凹槽，且所述凹槽内设有密封圈。

9.根据权利要求1所述的用于液体火箭发动机的球阀装置，其特征在于,所述弹性件为弹簧，所述固定盖设有下凹部，所述下凹部用于固定所述弹簧。

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