СПОСОБ КРИОГЕННО-ПРОЧНОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ВОДОРОДНОГО БАКА В КРИОСТАТЕ Российский патент 2021 года по МПК G01M99/00 B64G99/00 

Изобретение относится к криогенно-топливным бакам ракетно-космической технике и, в первую очередь, к водородным бакам.

Известен способ криогенно-прочностных испытаний водородного бака с помощью жидкого водорода (см журнал «Космонавтика и ракетостроение», 2012, №2, стр. 62-69).

В данном способе прочностные испытания водородного бака проводят той же криогенной жидкостью, на которую бак спроектирован, что позволяет достоверно имитировать эксплуатационные температуры и высоту столба жидкого водорода на конструкцию бака. В тоже время этот способ имеет существенные недостатки:

потеря больших объемов жидкого водорода при разрушении бака, что требует создания сложных и дорогостоящих систем пожаровзрывобезопасности при возникновении в процессе испытаний внештатных ситуаций.

Наиболее близким к предложенному является способ криогенно-прочностных испытаний водородного бака в криостате, включающий первоночальное соединение объемов бака и криостата, замену воздуха на азот и захолаживание жидким азотом бака и внутреннего сосуда криостата от 300 K до 90-85 K, замену азота на водород и захолаживание жидким водородом бака и внутреннего сосуда криостата от 90-85 K до 20-22 K, заполнение жидким водородом бака, разъединение объемов бака и криостата, повышение давления в баке до расчетного значения, удаление жидкого водорода из бака, соединение объема бака с внутренним объемом криостата после проведения прочностных испытаний, отогрев бака и внутреннего сосуда криостата от 20-22 K до 70-80 K газообразным водородом и до 280-290 K газообразным азотом, замену азота на воздух (см патент RU 2730123).

Несмотря на то, что указанный способ обеспечивает безопасность и надежность при проведении испытаний, он отличается многообразием сложных технологических режимов и продолжительностью цикла испытаний.

Решаемая задача - упрощение технологии испытаний и сокращении времени полного цикла испытаний.

Поставленная цель достигается тем, что в способе криогенно-прочностных испытаний водородного бака в криостате, включающим первоначальное соединение объемов бака и криостата, после первоначального соединения объемов бака и криостата проводят замену воздуха на газообразный водород, захолаживание жидким водородом бака и внутреннего сосуда криостата от 300 K до 20-22 K, заполнение жидким водородом бака, проведение испытания на прочность путем разъединения объемов бака и криостата, повышение давления в баке до расчетного значения и выдерживание давления заданное время, при этом если испытания на прочность прошло без разрушения водородного бака, то удаляют жидкий водород из бака, соединяют объем бака с внутренним объемом криостата, выполняют отогрев бака и внутреннего сосуда криостата от 20-22 K до 280-290 K газообразным водородом, заменяют на газообразный водород на воздух, а после заполнения воздухом объемов бака и криостата бак демонтируют из криостата, если же в процессе повышения давления до расчетного значения в баке, заполненном жидким водородом, произойдет его разрушение, то удали от жидкий водород из бака и криостата, соединяют объем бака с внутренним объемом криостата, выполняют отогрев бака и внутреннего сосуда криостата от 20-22 K до 280-290 K газообразным водородом, заменяют газообразный водород на воздух, а после заполнения воздухом объемов бака и криостата бак демонтируют из криостата.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения следовательно, оно соответствует критерию «новизна».

На прилагаемом чертеже дана пневмогидравлическая схема стендовой криогенной системы, работающей по данному способу. В состав стендовой криогенной системы входит криостат 1 с экрановакуумной изоляцией и съемной крышкой 2, водородная емкость 3 объемом (20-25 м³) и рабочим давлением 1,0 МПа, снабженная регулятором давления 4, испарителем наддува 5, клапаном 6 выдали жидкого водорода и клапаном 7 газосброса в свечу чертеже не показана), технологический щит 8, укомплектованный газификатором 9 жидкого водорода, подогревателем 10 газообразного водорода, вакуумным насосом 11, водородным насосом 12, запорно-регулирующими клапанами 13-27, предохранительными клапанами 28, 29 и внутри щитовой трубопроводной обвязкой. В криостате 1 монтируется водородный бак 30, в котором установлены: трубопровод 31 подачи и слива жидкого водорода, соединенный через съемный участок 32 и трубопровод 33 с клапанами 20 и 21 технологического щита 8, а также трубопровод 34 газосброса, соединенный через съемный участок 35 и трубопровод 36 с клапанами 19 и 23 технологического щита 8. В самом криостате 1 установлен трубопровод 37 подачи и слива жидкого водорода, соединенный трубопроводом 38 с клапанами 17 и 18, и трубопровод 39 газосброса, соединенный трубопроводом 40 с клапанами 23, 24, 25 и 27 технологического щита 8. В состав стендовой криогенной системы входит также система контроля технологических параметров (на чертеже не показана), откуда оператору поступает информация от датчиков давления 41-44, датчиков уровня 45-47 и датчиков температуры 48-50. Заполнение водородной емкости 3 и водородного бака 30 осуществляется из хранилища жидкого водорода по трубопроводу 51, который соединен с клапанами 13 и 14 технологического щита 8. Функциональное назначение перечисленных выше позиций запорно-регулирующих клапанов и датчиков контроля технологических параметров раскрывается в описании работы стендовой криогенной системы.

Способ криогенно-прочностных испытаний в криостате водородного бака осуществляется следующим образом.

До начала испытаний стендовая криогенная система должна быть приведена в следующее исходное положение:

- водородный бак 30 установлен в криостат 1 и подключен через съемные участки 32 и 35 соответственно к трубопроводам 33 и 36;

- в технологическом щите 8 открыты клапаны 23 и 25, остальные клапаны - закрыты;

- водородная емкость 3 заполнена жидким водородом и в ней с помощью регулятора давления 4 за счет подачи газообразного водорода от испарителя наддува 5 поддерживается давление 1,0 МПа, при этом уровень в водородной емкости 3 контролируется датчиком 45, а давление - датчиком 41. Заполнение емкости 3 жидким водородом производится из хранилища по трубопроводу 51 через открытые клапаны 13, 15, 6 и открытом клапане 7 газосброса в свечу. После заполнения водородной емкости 3 клапаны 13, 15, 6 закрываются;

- приведена в готовность система контроля и управления. Перед началом замены воздушной среды на водород проверяют и фиксируют открытое положение клапана 23, соединяющего объем водородного бака 30 и внутренний объем криостата 1 через трубопроводы 36 и 40. Замену воздушной среды на водород производят вакуумированием общего объема с последующим заполнением газообразным водородом. Для проведения операции вакуумирования закрывают клапан 25, открывают клапан 24 и включают вакуумный насос 11. При достижении значения вакуума порядка 1×10^-1 - 5×10^-2 мм рт.ст., контролируемого датчиком 43, закрывают клапан 24, отключают вакуумный насос 11 и заполняют общий объем газообразным водородом, для чего открывают клапаны 18, 20, 6 и плавным открытием клапана 22 через газификатор 9 заполняют общий объем до давления (0,12-0,15) МПа, контролируемого по датчикам 42 и 44. После заполнения общего объема газообразным водородом закрывают клапаны 22, 18, 20, открывают клапан 25 и приступают к следующему этапу - захолаживания водородного бака 30 и внутреннего сосуда криостата 1 от 300 K до 22-20 K жидким водородом, который подают из водородной емкости 3 с помощью запорно-регулирующих клапанов 17 и 21 по трубопроводам 38 и 33, а отвод образующихся паров организуют по трубопроводам 34, 35, 36 и клапан 23 из водородного бака 30, и по трубопроводам 39 и 40 из криостата 1. Далее общий поток проходит через клапан 25 и обратный клапан 26 и отводится в свечу (на чертеже не показана). В процессе захолаживания осуществляют контроль температуры паров водорода по датчикам 48 и 49. При достижении температуры отходящих потоков порядка 20-22 K процесс захолаживания считается законченным. Закрывают клапаны 6 и 17, полностью открывают клапан 21 и приступают к наполнению водородного бака 30 жидким водородом из хранилища с помощью насоса 12. Для этого закрывают клапан 14, открывают клапаны 13 и 16, включают насос 12 и перекачивают жидкий водород из хранилища по трубопроводу 51 в водородный бак 30, контролируя уровень жидкого водорода с помощью датчика 46. Как только уровень жидкого водорода в баке 30 достигнет 95-98%, отключают насос 12, закрывают клапаны 16, 21, открывают клапан 6 в водородной емкости 3 и приступают к проведению основное этапа испытаний бака 30 на прочность.

Для проведения этого этапа закрытием клапана 23 отсоединяют водородный бак 30 от внутреннего объема криостата 1, открывают клапан 19 и плавным открытием клапана 22 подают жидкий водород из емкости 3 в газификатор 9. В результате газообразный водород будет поступать через клапан 19, трубопроводы 36, 35, 34 в газовую подушку водородного бака 30, повышая в нем давление, контролируемое датчиком 42. При достижении давления в баке 30 равному расчетному значению закрывают клапаны 22 и 19 и выдерживают давление заданное время. Если испытание на прочность прошло без разрушения водородного бака 30, то переходят к следующему этапу - перекачиванию жидкого водорода из бака 30 в хранилище с помощью насоса 12. Для этого закрывают клапаны 6, 16, 13, открывают клапаны 14, 15, 21 и запускают в работу насос 12. В результате жидкий водород из бака 30 по трубопроводам 31, 32, 33 через открытые клапаны 21, 15 и 14 будет перекачиваться в хранилище. В процессе перекаливания открывают клапан 19 и клапаном 22 поддерживают давление в водородном баке 30 за счет наддува газообразного водорода, образующегося в газификаторе 9, обеспечивающее безкавитационный режим работы насоса 12. Контроль давления выполняют по датчику 42, а контроль уровня - по датчику 46. При достижении в водородном баке 30 минимального уровня жидкого водорода прекращают работу насоса 12, закрывают клапан 15, открывают клапан 23 и вновь соединяют объем бака 30 с внутренним объемом криостата 1, после чего начинают процесс отогрева бака 30 и криостата газообразным водородом до 280-290 K. Операцию отогрева проводят следующим образом. Открывают клапан 6 и подают жидкий водород из емкости 3 в газификатор 9 через регулирующий клапан 22, после которого поток газообразного водорода с температурой 275-285 K с помощью регулирующих клапанов 18 и 20 распределяется таким образом, чтобы температура на выходе из бака 30, контролируемая датчиком 48, и температура на выходе из криостата 1, контролируемая датчиком 49, были примерно равными. При достижении указанных темпеpaтур порядка 220-230 K для ускорения процесса отогрева включают подогреватель 10 и повышают температуру газообразного водорода до 350-370 K. При достижении температур газообразного водорода, выходящего после бака 30 и криостата 1 порядка 280-290 K, процесс отогрева считается законченный отключают подогреватель 10, закрывают клапаны 6, 22, 18, 20 и далее приступают к замене водорода в общем объеме на воздух.

Перед началом замены водорода на воздух проверяют и фиксируют открытое положение клапана 23, соединяющего объем водородного бака 30 и внутренний объем криостата 1 через трубопроводы 36 и 40. Замену водорода на воздух производят вакуумированием общего объема с последующим заполнением воздухом. Для проведения операции вакуумирования закрывают клапан 25, открывают клапан 24 и включают вакуумный насос 11. При достижении значения вакуума порядка 1×10^-1 - 5×10^-2 мм рт.ст., контролируемого датчиком 43, закрывают клапан 24, отключают вакуумный насос 11 и заполняют общий объем воздухом, для чего открывают клапан 27. После заполнения воздухом объемов бака 30 и криостата 1 бак 30 демонтируют из криостата 1. Перед демонтажем бака 30 снимают крышку 2 криостата 1, отсоединяют съемные участки 32 и 35, вынимают из бака 30 трубопровод 31 заполнения и слива жидкого водорода и трубопровод газосброса 34, после чего бак 30 поднимают из криостата 1 и передают на следующую операцию согласно технологическому маршруту.

В том случае, если в процессе повышения давления до расчетного значения в баке 30, заполненном жидким водородом, произойдет его разрушение, то в зависимости от места разрушения часть жидкого водорода заполнит часть внутреннего объема криостата 1, а следовательно жидкий водород, поданный из хранилища для заполнения объема бака 30, сохраняется и возвращается в хранилище насосом 12 с небольшой до 1,5% потерей жидкого водорода, при этом откачку жидкого водорода начинают из того объема, в котором находится большее количеств жидкого водорода, которое определяют по показаниям датчиков 46 и 47. Так, если в баке 30 осталось большее количество жидкого водорода, то операцию удаление из бака 30 жидкого водорода проводят аналогично операции удаления жидкого водорода из бака 30, прошедшего гидравлические испытания без разрушения, и при достижении минимального уровня жидкого водорода в баке 30 начинают производить откачку жидкого водорода из криостата 1, для чего в начале открывают клапан 17, а затем закрывают клапан 21. При достижении минимального уровня жидкого водорода в криостате 1 отключают насос 12, закрывают клапаны 15 и 14, после чего операции по отогреву бака 30 и криостата 1 от 20 K до 280-290 K и демонтажу бака 30 из криостата 1 проводят идентично операциям для бака 30, прошедшего криогенно-прочностное испытание без разрушения. На случай ошибочных действий оператора или возникновения внештатных ситуаций для защиты бака 30 и криостата 1 установлены предохранительные клапаны 29 и 28. И хотя, при данном способе прочностных испытаний расход водород на захолаживание бака от 300 K до 20 K и обратный отогрев его до 280-290 K увеличивается на 30-35%, однако, учитывая не большую массу (менее 2000 кг) водородного бака 30, этот недостаток компенсируется снижением капитальных затрат, а самое главное существенно (оценочно на 40-45%) сокращается время и упрощается весь технологический цикл испытаний, при этом исключается возможность загрязнения водорода азотом.

Сравнение существенных признаков предлагаемого и уже известных решении дает основание считать, что предлагаемое техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».

Изобретение относится к способам криогенно-прочностных испытаний и может быть использовано для испытания водородных баков в криостате. Сущность: соединяют объемы бака (30) и криостата (1). Заменяют воздух на газообразный водород. Захолаживают жидким водородом бак и внутренний сосуд криостата от 300 K до 20-22 K. Заполняют жидким водородом бак. Проводят испытания на прочность путем разъединения объемов бака и криостата, повышения давления в баке до расчетного значения и выдерживания его заданное время. При этом если испытание на прочность прошло без разрушения водородного бака, то удаляют жидкий водород из бака. Затем соединяют объём бака с внутренним объёмом криостата. Выполняют отогрев бака и внутреннего сосуда криостата от 20-22 K до 280-290 K газообразным водородом. Заменяют газообразный водород на воздух. После заполнения воздухом объёмов бака и криостата бак демонтируют из криостата. Если же в процессе повышения давления до расчетного значения в баке, заполненном жидким водородом, произойдет его разрушение, то удаляют жидкий водород из бака и криостата. Затем соединяют объём бака с внутренним объёмом криостата. Выполняют отогрев бака и внутреннего сосуда криостата от 20-22 K до 280-290 K газообразным водородом. Заменяют газообразный водород на воздух. После заполнения воздухом объемов бака и криостата бак демонтируют из криостата. Технический результат: упрощение технологии испытаний, сокращение времени полного цикла испытаний. 1 ил.

Способ криогенно-прочностных испытаний водородного бака в криостате, включающий первоначальное соединение объемов бака и криостата, отличающийся тем, что после первоначального соединения объемов бака и криостата проводят замену воздуха на газообразный водород, захолаживание жидким водородом бака и внутреннего сосуда криостата от 300 K до 20-22 K, заполнение жидким водородом бака, проведение испытания на прочность путем разъединения объемов бака и криостата, повышения давления в баке до расчетного значения и выдерживания давления заданное время, при этом если испытание на прочность прошло без разрушения водородного бака, то удаляют жидкий водород из бака, соединяют объем бака с внутренним объемом криостата, выполняют отогрев бака и внутреннего сосуда криостата от 20-22 K до 280-290 K газообразным водородом, заменяют газообразный водород на воздух, а после заполнения воздухом объемов бака и криостата бак демонтируют из криостата, если же в процессе повышения давления до расчетного значения в баке, заполненном жидким водородом, произойдет его разрушение, то удаляют жидкий водород из бака и криостата, соединяют объем бака с внутренним объемом криостата, выполняют отогрев бака и внутреннего сосуда криостата от 20-22 K до 280-290 K газообразным водородом, заменяют газообразный водород на воздух, а после заполнения воздухом объемов бака и криостата бак демонтируют из криостата.