СПОСОБ ОСВОБОЖДЕНИЯ ЕМКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК F02K9/42 F02K11/00 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к способам слива компонентов топлива (КТ) из баков жидкостных ракетных установок при низких отрицательных температурах окружающей среды.

Известны способы слива компонентов топлива из баков жидкостных ракетных установок обычным способом: через систему трубопроводов, заправочно-сливные клапаны в стационарные или передвижные средства вытеснением или самотеком /1/.

Наиболее близким техническим решением является способ освобождения емкости от несливаемых остатков высококипящего компонента топлива с малым температурным диапазоном фазового превращения, включающий слив основной массы КТ из всего объема емкости, заключающийся в сливе остатков КТ через вентили слива остатков, расположенных ниже заправочно-сливных клапанов, в нижних точках гидравлической системы ракеты-носителя /2/.

Недостатком известного способа слива компонента топлива из бака является то, что не обеспечивается гарантированное и эффективное опорожнение тупиковых участков емкости, при этом при эксплуатации ракеты-носителя в условиях колебаний окружающей температуры с амплитудой от точки замерзания компонента топлива до точки плавления его может произойти деформация или разрушение элементов конструкции в месте скопления КТ.

Задачей настоящего изобретения является гарантированное и эффективное освобождение части объема от местного скопления остатка КТ после слива основной массы и стекания пристеночного слоя его в нижнюю тупиковую часть гидравлической системы. Эта цель достигается тем, что способ осуществляют в условиях окружающей среды с температурой ниже точки замерзания КТ, и после слива основной массы КТ создают избыточное давление в емкости посторонним газом, например воздухом, подводят тепло к тупиковым участкам со скоплениями несливаемых остатков КТ и выдерживают эту операцию до полного их испарения, затем сбрасывают избыточное давление из емкости через зону с повышенной концентрацией паров КТ.

При этом создается неравновесное трехфазное состояние компонента топлива, термодинамический процесс: испарение жидкой фазы КТ в обогреваемом тупиковом участке, конденсация и затвердевание его в холодной части бака (без тупиковых участков). Для ускорения создания равновесного состояния паров КТ после полного испарения его производится сброс избыточного давления через зону повышенной концентрации паров КТ.

Рассмотрим возможный вариант термодинамического внутрибакового процесса после слива компонента топлива из бака жидкостной ракетной установки.

На фиг. 1 показано наравновесное трехфазное состояние компонента топлива в баке ракеты-носителя, на фиг. 2 показано равновесие двухфазного состояния компонента топлива в баке ракеты-носителя, на фиг. 3 показано состояние компонента топлива в баке при транспортировке ракеты-носителя, на фиг. 4 показано состояние компонента топлива в баке при хранении ракеты-носителя в отапливаемом помещении.

На чертежах представлены основные функциональные элементы.

Бак топливный 1, трубопровод 2 системы питания двигателя, клапан заправочно-сливной 3, клапан пусковой мембранный 4, клапан дренажно-предохранительный 5, трубопровод дренажный 6, трубопровод наземного наддува 7, трубопровод заправочно-сливной 8, вентиль 9 слива остатков, клапан обратный 10, а также расположение различных фаз компонента топлива: А - газообразная фаза, Б жидкая фаза, В твердая фаза;
параметры термодинамического процесса:
Q₁ подвод тепла,
Q₂ отвод тепла,
t₁ температура подводимого теплоносителя (воздуха),
температура кипения (нагрева ) КТ
температура насыщенного пара КТ,
t₂ температура окружающей среды, равновесного состояния пара КТ,
упругость пара КТ при ,
упругость пара КТ при ,
P_s равновесная упругость пара КТ при t₂.

Одно из реальных условий при опорожнении бака ракеты это температура окружающей среды t₂ ниже температуры замерзания КТ. Например, для амила t₂ <- 11,3^oC. Это необходимое условие для рассматриваемого термодинамического внутрибакового процесса.

Ракета-носитель заправлена и находится в вертикальном положении на стартовой позиции. При необходимости сначала производится слив основной массы компонента топлива из бака 1 обычным способом через клапан заправочно-сливной (ЗСК) 3, трубопровод заправочно-сливной 8 при наддуве бака газом через клапан обратный 10 и трубопровод 7 или самотеком при открытом клапане дренажно-предохранительном 5.

Возможные остатки КТ ниже ЗСК 3 сливают через вентиль слива остатков 9. В процессе слива трубопровода системы питания 2, ЗСК 3, трубопровод заправочно-сливной 8, вентиль слива остатков 9 обогреваются подводом тепла Q₁ в отсек ракеты-носителя. После окончания слива компонента топлива со стенок бака сольется часть пристеночного слоя его на клапан пусковой мембранный 4. Для ликвидации скопления КТ в тупиковом участке производится его выпаривание непрерывным внешним подводом тепла Q₁ с температурой теплоносителя t₁. Чем выше будет температура t₁, тем быстрее будет происходить испарение местного скопления жидкой фазы КТ. Для амила, например, температура кипения t=+21,4^oC при одной атмосфере. При избыточном давлении в баке температура кипения амила будет выше +21,4^oC.

В баке 1 и трубопроводе 2 в месте подвода тепла Q₁ будет образовываться пар с параметрами , который вследствие конвективного и диффузионного тепломассопереноса в верхней части бака будет перенасыщенным для более низкой динамически установившейся температуры из-за отвода тепла Q₂ наружу. Вследствие этого часть перенасыщенного пара компонента топлива осядет на стенках бака 1 в виде твердой фазы, стремясь к равновесному насыщенному состоянию в этой области фиг. 1. Этот внутрибаковый процесс "перетекания" местного скопления КТ у клапана пускового мембранного 4 практически будет продолжаться, пока не испарится вся его жидкая фаза и часть ее не осядет на внутренней холодной части бака 1. Другая часть испарившейся жидкой фазы некоторое время будет находиться в виде паров высокой концентрации в трубопроводе 2 вследствие неравномерности смеси газов. Не дожидаясь равновесности состояния газа в системе и равномерности концентрации смеси газов, с целью сокращения времени процесса производится частичный сброс избыточного давления из бака через ЗСК 3 и освобождают от высокой концентрации паров КТ трубопровод 2.

После этого можно прекратить подвод тепла Q₁, так как исчезла опасность процесса замерзания оттаивания КТ для элементов конструкции с пониженными прочностными характеристиками.

При этом внутри системы создается относительно равновесное состояние газа при более низкой внутренней температуре, равной наружной t₂ фиг. 2.

Внутри бака 1 образуется неравномерный пристеночный слой твердой фазы компонента топлива.

Отличительным признаком изобретения от известного способа слива, обычно слива, является гарантированное и эффективное освобождение тупиковых участков гидравлической системы от небольшого скопления жидкой фазы компонента топлива внешним тепловым воздействием: подводом тепла в одной зоне и отводом тепла в другой зоне. Создается термодинамический процесс в замкнутой системе с постоянным объемом.

Такой способ локального опорожнения практически полностью освобождает определенную часть конструкции гидравлической системы от жидкой фазы и значительно упрощает конструкцию и эксплуатацию ракеты-носителя в целом. В этом случае при эксплуатации ракеты-носителя не требуется постоянного обогрева гидравлической системы при транспортировке, когда температура окружающей среды ниже точки замерзания КТ, и дополнительной системы обогрева. В период хранения ракеты-носителя в горизонтальном положении возможно оттаивание твердой фазы КТ. На гладкой поверхности этот процесс не представляет опасности для конструкции бака 1. Внутрибаковое состояние остатка КТ при транспортировке, когда температура окружающей среды t₂ ниже точки замерзания его, показано на фиг. 3. В баке 1 будет присутствовать твердая фаза (В) и газообразная фаза (А) компонента топлива. Внутрибаковое состояние остатка КТ при хранении, когда температура окружающей среды t₂ выше точки замерзания его, показано на фиг. 4.

В баке 1 будет присутствовать жидкая фаза (Б) и газообразная фаза (А) компонента топлива.

Использование: в области машиностроения, преимущественно в способах слива компонентов топлива из баков жидкостных ракетных установок. Сущность изобретения: масса жидкой фазы /А/ местного скопления компонентов топлива в нижней точке гидравлической системы после стекания пристеночного слоя из бака путем подвода тепла Q₁ и отвода тепла Q₂, создав неравновесие состояние системы - термодинамический процесс перемещается в газообразной форме /Б/ из области температуры кипения в область температуры затвердения и оседает на стенках бака в форме твердой фазы /В/. 4 ил.

Способ освобождения емкости от несливаемых остатков высококипящего компонента топлива с малым температурным диапазоном базового превращения, включающий слив основной массы компонентного топлива из всего объема емкости, отличающийся тем, что способ осуществляют в условиях окружающей среды с температурой ниже точки замерзания компонента топлива, а после слива основной массы компонентов топлива создают избыточное давление в емкости посторонним газом, например воздухом, подводят тепло к тупиковым участкам со скоплениями несливаемых остатков компонентов топлива и выдерживают до полного их испарения, затем сбрасывают избыточное давление из емкости через зону с повышенной концентрацией паров компонента топлива.