帶壓差控制功能的高壓空氣供氣閥及空氣吹除方法
2023-07-25 00:42:06 1
帶壓差控制功能的高壓空氣供氣閥及空氣吹除方法
【專利摘要】本發明涉及一種帶壓差控制功能的高壓空氣供氣閥及空氣吹除方法，可維持吹除過程中壓載水艙與外界海水壓差穩定。由主閥、副閥、控制閥三部分組成。主閥是高壓空氣供氣的主通道，高壓空氣經過主閥進入壓載水艙，主閥閥芯開度通過閥芯上下腔的壓差自動調整，從而實現供氣流量的調節。副閥用於控制主閥的啟閉，副閥具備氣動和手動控制功能。控制閥用於感受壓載水艙內外壓差並控制主閥閥芯的開度，依據壓差的大小調整控制閥閥芯開度，使主閥閥芯上腔的壓縮空氣流動發生變化，進而引起主閥閥芯上腔壓力的變化，最終控制主閥閥芯的開度位置。該發明採用全機械結構，無電氣元件，可通過壓縮空氣遠程操作，無需其它動力源，可靠性高。
【專利說明】帶壓差控制功能的高壓空氣供氣閥及空氣吹除方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種全機械伺服控制的供氣流量調節閥及空氣吹除方法，可維持航行器應急上浮吹除過程中壓載水艙與外界海水壓差穩定。
【背景技術】
[0002]高壓空氣吹除是潛艇應急上浮的重要手段，是潛艇生命力的重要保障，當前的高壓空氣主閥只採取啟閉控制，不具備流量調節功能。
[0003]依據高壓空氣吹除系統設計要求，吹除管路出口處氣體應達到當地音速，以保證最大的吹除流量，當氣瓶壓力一定時，該最大流量值隨潛艇深度變化不大，僅與吹除管路的流通面積有關，流通面積越大流量越大。
[0004]當前普遍採用的主閥由於只具備啟閉功能，開啟狀態下流通面積一定，無法有效調節流量，實際使用中存在以下矛盾:
[0005]a大深度下，壓載水艙背壓大，相同的吹除流量下，排水速度較小，壓載水艙內外壓差小；
[0006]b小深度下，壓載水艙背壓小，相同的吹除流量下，液排水速度大，壓載水艙內外壓差大。
[0007]但是往往約是在大深度下，越希望獲得較大的排水速度，使潛艇儘快獲得足夠的上浮力，同時，在小深度下為確保壓載水艙的安全性，防止吹除過程中壓載水艙超壓，往往需要避免吹除流量過大。
[0008]針對上述矛盾，我們需要設計一型能夠適應不同深度環境，自動調整吹除供氣流量的主閥，以最大限度地發揮高壓空氣吹除系統的性能。
【發明內容】
[0009]本發明所要解決的技術問題是:針對現有主閥無法調節吹除供氣流量的不足，提供一種全機械式、可依據壓載水艙與外界海水壓差自動調整供氣流量的高壓空氣主閥及空氣吹除方法。
[0010]本發明解決上述技術問題所採取的技術方案為:
[0011]帶壓差控制功能的高壓空氣供氣閥，其特徵在於:由主閥、副閥、控制閥三部分組成；主閥是高壓空氣供氣的主通道，高壓空氣經過主閥進入壓載水艙，主閥活塞開度通過上腔和下腔的壓差自動調整，從而實現供氣流量的調節；副閥通過備氣動或手動控制方式對主閥進行啟閉控制；控制閥用於感受壓載水艙內外壓差並控制主閥活塞的開度，依據壓差的大小調整控制閥活塞開度，使主閥活塞上腔的壓縮空氣流動發生變化，進而引起主閥上腔壓力的變化，最終控制主閥閥芯的開度位置。
[0012]按上述技術方案，主閥、副閥、控制閥三部分共用一個閥體。
[0013]按上述技術方案，主閥包括主閥活塞、主閥活塞上的主閥彈簧；主閥活塞頂部與閥體內腔之間形成的上腔為主閥壓力腔；主閥活塞中部密封面與閥體形成的下腔與壓縮空氣出口連通；主閥高壓空氣進口通道與主閥壓力腔通過一個節流孔相連通，且當主閥活塞開啟時主閥高壓空氣進口通道與壓縮空氣出口連通，且主閥活塞中部密封面與閥體結合密封使得主閥關閉時，主閥壓力腔與下腔氣體壓力相同；主閥活塞上部面積大於下部面積；副閥方向設置與主閥平行，主要包括操縱活塞、以及操縱活塞下端的手輪；操縱活塞上端密封平臺上部與閥體形成的控制閥上腔與主閥壓力腔連通；操縱活塞上端密封平臺下方的活塞軸與閥體之間形成中間腔，中間腔與控制閥連通；中間腔下方，操縱活塞中部橫向設置與主閥壓縮空氣出口連通的連通孔，操縱活塞的下端密封平臺與閥體之間設置彈簧；下端密封平臺底面伸出的活塞軸穿過操縱氣源通道和閥體底板後與手輪連接。
[0014]按上述技術方案，控制閥方向設置與主閥平行；控制閥採用針閥結構，包括控制閥活塞、與控制閥活塞連接的閥杆以及與閥杆連接的閥芯；控制閥活塞上下兩端的腔分別為舷外海水壓力腔和與壓載水艙側壓力腔；閥芯頂部與閥體頂部間形成與副閥中間腔連通的氣體空間；控制閥活塞上端與閥體之間設置豎向壓縮彈簧。
[0015]採用上述高壓空氣供氣閥的空氣吹除方法，其特徵在於按如下步驟進行:
[0016]a初始狀態:
[0017]初始狀態下，主閥高壓空氣進口通道與高壓空氣吹除系統氣瓶處於連通狀態，副閥操縱活塞關閉、控制閥處於調定的設定開度；
[0018]由於沒有氣體流動，氣瓶至主閥高壓空氣進口通道的壓力和主閥壓力腔內壓力相等，在主閥彈簧作用下主閥活塞關閉，副閥活塞在壓力作用下處於壓緊狀態，控制閥依靠彈簧壓緊；
[0019]此時若主閥活塞中部密封面發生洩露，氣體會直接進入壓縮空氣出口，並經主閥壓縮空氣出口與副閥的連通孔排至艙內，不會使氣體進入壓載水艙；
[0020]b開始吹除
[0021]開始吹除時，通過氣動或手動操縱副閥氣缸以關閉橫向連通孔，並開啟操縱活塞；
[0022]操縱活塞開啟後，主閥壓力腔內的空氣經操縱活塞進入控制閥，並通過控制閥排至主壓載水艙內；由於主閥壓力腔與主閥高壓空氣進口通道連通的節流孔作用，使主閥壓力腔中的壓力降低，在主閥活塞的上下腔形成壓差，並克服主閥活塞頂部彈簧作用力使主閥開啟，吹除壓縮空氣由壓縮空氣出口進入壓載水艙；
[0023]吹除過程中，控制閥的主壓載水艙側壓力腔的壓力升高，當該壓力大於舷外海水壓力腔壓力時帶動控制閥閥杆向上運動，最終減少從壓縮空氣出口進入壓載水艙的壓縮空
氣量;
[0024]當主壓載水艙側壓力腔的壓力高於舷外海水壓力腔Ibar時，控制閥關閉；此時，主閥壓力腔中的氣體停止流動，壓力升高，直至與吹除壓縮空氣進口壓力相等，主閥活塞上下端壓力差消失，主閥活塞在彈簧作用下下移關閉，主閥中止吹除；
[0025]中止吹除後，若控制閥的主壓載水艙側壓力腔的壓力降低，控制閥會再次開啟，主閥壓力腔壓力降低，主閥活塞在壓差作用下再次開啟，重啟吹除過程；
[0026]c吹除結束
[0027]吹除結束後，通過氣動或手動使副閥氣缸復位，操縱活塞在氣流作用下開度減小，主閥壓力腔壓力逐漸甚高，並逐步將操縱活塞關閉，直至主閥壓力腔壓力與主閥高壓空氣進口通道壓力相等，主閥活塞在彈簧作用下關閉。
[0028]本發明的有益效果為:
[0029]1、該閥門採用純機械結構，結構緊湊，體積小；
[0030]2、該閥門無需外部動力源，結構簡單；
[0031]3、該閥門無電氣部件，可靠性高，抗幹擾能力強；
[0032]4、該閥門原理採用組合式結構，維修性好；
[0033]5、該閥門控制原理可用於其它需要空氣供氣壓力的場合。
[0034]採用了本發明後，在大深度下能夠獲得較大的排水速度，使潛艇儘快獲得足夠的上浮力，而在小深度下又能夠避免吹除流量過大，能夠適應不同深度環境，自動調整吹除供氣流量的主閥，以最大限度地發揮高壓空氣吹除系統的性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1為本發明的工作流程圖。
[0036]圖2為本發明的結構示意圖。
[0037]1-節流孔、2-主閥活塞、3-主閥壓力腔、4-操縱活塞、5-副閥氣缸或操縱氣缸、6-控制閥、7-金屬波紋片、8-舷外海水壓力腔、9-主壓載水艙側壓力腔。
【具體實施方式】
[0038]該發明的主要技術指標如下:
[0039]圖1為本發明帶壓差控制功能的高壓空氣供氣閥的工作流程圖，帶壓差控制功能的高壓空氣供氣閥由主閥、副閥、控制閥三部分組成。主閥是高壓空氣供氣主通道、副閥用於主閥啟閉操作，控制閥通過感受壓載水艙與舷外海水壓差並控制主閥供氣量。
[0040]圖2為本發明帶壓差控制功能的高壓空氣供氣閥結構原理圖，由主閥、副閥、控制閥三部分組成；主閥包括主閥活塞2、主閥活塞3上的主閥彈簧、以及閥體三部分，其中閥體為主閥、副閥、控制閥共用；主閥活塞2頂部與閥體內腔之間形成的上腔為主閥壓力腔3 ;主閥活塞2中部密封面與閥體形成的下腔與壓縮空氣出口連通；主閥高壓空氣進口通道(下文也稱為吹除壓縮空氣進口或者高壓空氣入口)與主閥壓力腔3通過一個節流小孔I相連通，且當主閥活塞2開啟時主閥高壓空氣進口通道與壓縮空氣出口連通，且主閥活塞2中部密封面與閥體結合密封使得主閥關閉時，主閥壓力腔3與下腔氣體壓力相同；主閥活塞2上部面積大於下部面積，從而使主閥活塞2承受向下的壓力，在該壓力和主閥活塞2上部彈簧共同作用下使主閥活塞2關閉並密封。
[0041]按上述技術方案，副閥方向設置與主閥平行，主要包括操縱活塞4、以及操縱活塞4下端的手輪；操縱活塞4上端密封平臺上部與閥體形成的控制閥上腔與主閥壓力腔3連通；操縱活塞4上端密封平臺下方的活塞軸與閥體之間形成中間腔，中間腔與控制閥6連通；中間腔下方，操縱活塞4中部橫向設置與主閥壓縮空氣出口連通的連通孔，操縱活塞4的下端密封平臺與閥體之間設置彈簧；下端密封平臺底面伸出的活塞軸穿過操縱氣源通道和閥體底板後與手輪連接。可通過手輪、氣動活塞驅動。當操縱活塞4開啟時，主閥壓力腔3的壓縮空氣經過副閥、控制閥排出，此時主閥壓力腔3的氣體壓力下降，在主閥下腔壓力的作用下，主閥活塞2上移開啟主閥。當副閥關閉時，主閥壓力腔3壓縮空氣不流動，主閥壓力腔3壓力升高，使主閥關閉。
[0042]按上述技術方案，所述的控制閥6結構為:控制閥採用針閥結構，包括控制閥活塞、與控制閥活塞連接的閥杆以及與閥杆連接的閥芯。控制閥活塞上下兩端的腔分別為舷外海水壓力腔和與壓載水艙側壓力腔，可感受壓載水艙與外界海水的壓差；閥芯頂部與閥體頂部間形成與副閥中間腔連通的氣體空間；控制閥活塞上端與閥體之間設置豎向壓縮彈簧。當存在壓差時，控制閥活塞發生運動，通過閥杆帶動閥芯運動，控制氣體空間的開度發生變化，使主閥壓力腔3氣體流量發生變化，引起上腔壓力的變化，進而造成主閥開度變化。
[0043]依據改圖本發明的工作原理如下:
[0044]a初始狀態
[0045]初始狀態下，主閥進口與高壓空氣吹除系統氣瓶側處於連通狀態，操縱活塞4關閉、控制閥6處於調定的開度。
[0046]由於沒有氣體流動，氣瓶至閥進口的壓力和壓力腔3內壓力相等，在彈簧作用下主閥活塞2關閉，副閥活塞4在壓力作用下處於壓緊狀態，控制閥6依靠彈簧壓緊。
[0047]此時若主閥活塞密封面發生洩露，氣體會進入主閥出口管路，並經主閥出口與副閥的連通孔排至艙內，不會使氣體進入主壓載水艙。
[0048]b開始吹除
[0049]開始吹除時，可通過氣動或手動操縱副閥氣缸5，使其關閉橫向連通孔，並開啟操縱活塞5 ；
[0050]操縱活塞4開啟後，主閥壓力腔3內的空氣經操縱活塞4，進入控制閥，並通過控制閥6排至艙內。由於主閥壓力腔3與吹除壓縮空氣進口(高壓空氣入口)連通孔的節流孔I作用，使主閥壓力腔3中的壓力降低，在主閥活塞2的上下形成壓差，並克服主閥活塞2頂部彈簧作用力，使主閥開啟，吹除壓縮空氣由壓縮空氣出口進入壓載水艙。
[0051]吹除過程中，控制閥的主壓載水艙側壓力腔9的壓力將升高，當其壓力大於外部環境海水壓力也即大於舷外海水壓力腔8處壓力，並通過金屬波紋管或波紋片7帶動控制閥閥杆向上運動，最終減少從壓縮空氣出口進入壓載水艙的壓縮空氣量。
[0052]當主壓載水艙側壓力腔9的壓力高於外部環境海水壓力Ibar時，控制閥6關閉。此時，主閥壓力腔3中的氣體停止流動，壓力升高，直至與吹除壓縮空氣進口壓力相等，主閥活塞2上下端壓力差消失，主閥活塞2在彈簧作用下下移關閉，主閥中止吹除。
[0053]中止吹除後，若控制閥6的主壓載水艙側壓力腔9的壓力降低，控制閥6會再次開啟，主閥壓力腔3壓力降低，主閥活塞2在壓差作用下再次開啟，重啟吹除過程。
[0054]c吹除結束
[0055]吹除結束後，可通過氣動或手動使副閥氣缸5復位，操縱活塞4在氣流作用下開度減小，主閥壓力腔3壓力逐漸甚高，並逐步將操縱活塞4關閉，直至主閥壓力腔3壓力與主閥進口壓力相等，主閥活塞2在彈簧作用下關閉。
[0056]採用了本發明後，在大深度下能夠獲得較大的排水速度，使潛艇儘快獲得足夠的上浮力，而在小深度下又能夠避免吹除流量過大，能夠適應不同深度環境，自動調整吹除供氣流量的主閥，以最大限度地發揮高壓空氣吹除系統的性能。
[0057]本發明帶壓差控制功能的高壓空氣供氣閥具有以下技術特點:[0058]工作介質:高壓空氣；最大工作壓力:40MPa ;工作壓力範圍:10MPa_40Mpa ；
[0059]通徑:DN4(MM;吹除過程中應急吹除應能維持壓載水艙與外界環境的壓差為
0.07MPa，誤差為±0.04MPa ;吹除過程中可隨時關閉主閥,終止吹除；主閥吹除可通過壓縮空氣進行遠程操縱無需其他輔助動力源，並能夠在閥本體上直接操縱。
[0060]以上所述為本發明的較佳實施例而已，但本發明不應該局限於該實施例和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保護的範圍。
【權利要求】
1.帶壓差控制功能的高壓空氣供氣閥，其特徵在於:由主閥、副閥、控制閥三部分組成；主閥是高壓空氣供氣的主通道，高壓空氣經過主閥進入壓載水艙，主閥活塞開度通過上腔和下腔的壓差自動調整，從而實現供氣流量的調節；副閥通過備氣動或手動控制方式對主閥進行啟閉控制；控制閥用於感受壓載水艙內外壓差並控制主閥活塞的開度，依據壓差的大小調整控制閥活塞開度，使主閥活塞上腔的壓縮空氣流動發生變化，進而引起主閥上腔壓力的變化，最終控制主閥閥芯的開度位置。
2.根據權利要求1所述的帶壓差控制功能的高壓空氣供氣閥，其特徵在於:主閥、副閥、控制閥三部分共用一個閥體。
3.根據權利要求1或2所述的帶壓差控制功能的高壓空氣供氣閥，其特徵在於:主閥包括主閥活塞、主閥活塞上的主閥彈簧；主閥活塞頂部與閥體內腔之間形成的上腔為主閥壓力腔；主閥活塞中部密封面與閥體形成的下腔與壓縮空氣出口連通；主閥高壓空氣進口通道與主閥壓力腔通過一個節流孔相連通，且當主閥活塞開啟時主閥高壓空氣進口通道與壓縮空氣出口連通，且主閥活塞中部密封面與閥體結合密封使得主閥關閉時，主閥壓力腔與下腔氣體壓力相同；主閥活塞上部面積大於下部面積。
4.根據權利要求3所述的帶壓差控制功能的高壓空氣供氣閥，其特徵在於:副閥方向設置與主閥平行，主要包括操縱活塞、以及操縱活塞下端的手輪；操縱活塞上端密封平臺上部與閥體形成的控制閥上腔與主閥壓力腔連通；操縱活塞上端密封平臺下方的活塞軸與閥體之間形成中間腔，中間腔與控制閥連通；中間腔下方，操縱活塞中部橫向設置與主閥壓縮空氣出口連通的連通孔，操縱活塞的下端密封平臺與閥體之間設置彈簧；下端密封平臺底面伸出的活塞軸穿過操縱氣源通道和閥體底板後與手輪連接；控制閥方向設置與主閥平行；控制閥採用針閥結構，包括控制閥活塞、與控制閥活塞連接的閥杆以及與閥杆連接的閥芯；控制閥活塞上下兩端的腔分別為舷外海水壓力腔和與壓載水艙側壓力腔；閥芯頂部與閥體頂部間形成與副閥中間腔連通的氣體空間；控制閥活塞上端與閥體之間設置豎向壓縮彈黃。
5.採用上述權利要求4所述高壓空氣供氣閥的空氣吹除方法，其特徵在於按如下步驟進行: a初始狀態: 初始狀態下，主閥高壓空氣進口通道與高壓空氣吹除系統氣瓶處於連通狀態，副閥操縱活塞關閉、控制閥處於調定的設定開度； 由於沒有氣體流動，氣瓶至主閥高壓空氣進口通道的壓力和主閥壓力腔內壓力相等，在主閥彈簧作用下主閥活塞關閉，副閥活塞在壓力作用下處於壓緊狀態，控制閥依靠彈簧壓緊； 此時若主閥活塞中部密封面發生洩露，氣體會直接進入壓縮空氣出口，並經主閥壓縮空氣出口與副閥的連通孔排至艙內，不會使氣體進入壓載水艙； b開始吹除 開始吹除時，通過氣動或手動操縱副閥氣缸 以關閉橫向連通孔，並開啟操縱活塞； 操縱活塞開啟後，主閥壓力腔內的空氣經操縱活塞進入控制閥，並通過控制閥排至主壓載水艙內；由於主閥壓力腔與主閥高壓空氣進口通道連通的節流孔作用，使主閥壓力腔中的壓力降低，在主閥活塞的上下腔形成壓差，並克服主閥活塞頂部彈簧作用力使主閥開啟，吹除壓縮空氣由壓縮空氣出口進入壓載水艙； 吹除過程中，控制閥的主壓載水艙側壓力腔的壓力升高，當該壓力大於舷外海水壓力腔壓力時帶動控制閥閥杆向上運動，最終減少從壓縮空氣出口進入壓載水艙的壓縮空氣量; 當主壓載水艙側壓力腔的壓力高於舷外海水壓力腔Ibar時，控制閥關閉；此時，主閥壓力腔中的氣體停止流動，壓力升高，直至與吹除壓縮空氣進口壓力相等，主閥活塞上下端壓力差消失，主閥活塞在彈簧作用下下移關閉，主閥中止吹除； 中止吹除後，若控制閥的主壓載水艙側壓力腔的壓力降低，控制閥會再次開啟，主閥壓力腔壓力降低，主閥活塞在壓差作用下再次開啟，重啟吹除過程；c吹除結束 吹除結束後，通過氣動或手動使副閥氣缸復位，操縱活塞在氣流作用下開度減小，主閥壓力腔壓力逐漸甚高，並逐步將操縱活塞關閉，直至主閥壓力腔壓力與主閥高壓空氣進口通道壓力相等，主閥活 塞在彈簧作用下關閉。
【文檔編號】F16K31/122GK103791144SQ201410039569
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月27日 優先權日:2014年1月27日
【發明者】周志傑, 張超, 張軍軍, 吳聲敏, 鄭國群 申請人:中國艦船研究設計中心