СИСТЕМА НАДДУВА ТОПЛИВНОГО БАКА Российский патент 2023 года по МПК B64D37/16 

Изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности, к системам и устройствам предпускового наддува топливных баков.

Предпусковой наддув топливных баков необходим для создания в газовом свободном объеме бака давления, обеспечивающего вместе с гидростатическим давлением столба жидкости в баке давление на входе в ракетный двигатель, необходимое для его безаварийного, безкавитационного пуска (см. книгу «Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями». Под редакцией академика В.Н. Челомея, М., «Машиностроение», 1978. 240 с.).

Для наддува топливных баков перед пуском и в полете обычно применяют газобаллонные или газогенераторные системы, использующие жидкие или твердые компоненты топлива.

Известна система наддува топливного бака, содержащая источник газа наддува, выполненный с возможностью соединения трубопроводом с наддуваемой газовой полостью топливного бака (см. рис. 2.8 на стр. 28 кн. «Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями». Под редакцией академика В.Н. Челомея, М., «Машиностроение», 1978. 240 с.), принятая за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности сброса газов предпускового наддува из бака при отмене пуска и повторного предпускового наддува бака в случаях, когда в окружающее замкнутое пространство бака, например, в шахту ракетной пусковой установки, нельзя сбрасывать газы предпускового наддува бака по условиям пожаро- и взрывобезопасности, т.к. газы в газовой полости топливного бака после наддува представляют собой смесь газов наддува, например, воздуха или азота, и паров компонентов топлива. Как известно, при контакте паров разноименных компонентов ракетного топлива начинается реакция горения, в результате чего может быть пожар или взрыв. Известная система наддува бака в таких случаях не обеспечивает безопасность и возможность повторного наддува баков при отмене пуска после предпускового наддува бака.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанного недостатка прототипа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение безопасного сброса газов предпускового наддува из бака и возможности повторного наддува баков при отмене пуска после предпускового наддува.

Указанная задача решается и технический результат достигается тем, что система наддува топливного бака содержит трубопровод сброса газа наддува, выполненный с возможностью соединения с наддуваемой газовой полостью бака и соединения с дополнительным газовым баллоном, установленным вне наддуваемого бака, через двухпозиционный двухлинейный электромагнитный газовый распределитель, вход которого соединен с трубопроводом сброса газа наддува, а выход соединен со входом газогидравлической компрессорной установки, содержащей газогидравлический цилиндр с двумя герметичными отсеками с установленными в них двумя поршнями, соединенными одним штоком, проходящим через перегородку между отсеками, причем беспоршневые полости отсеков цилиндра выполнены гидравлическими, а штоковые полости отсеков цилиндра выполнены газовыми и с возможностью соединения с газовой полостью наддуваемого бака и дополнительным газовым баллоном через двухпозиционные трехлинейные гидроуправляемые газовые распределители, установленные на входе и выходе газогидравлической компрессорной установки соответственно, обратный клапан, установленный в линии, соединяющей выход газогидравлической компрессорной установки с дополнительным газовым баллоном, открывающийся в сторону баллона, на правом и левом торцах цилиндра установлены электрические концевые выключатели, взаимодействующие с поршнями при их подходе к левому и правому упорам соответственно, электрогидравлический насос с баком рабочей жидкости и трехпозиционным четырехлинейным электромагнитным гидрораспределителем, входной штуцер которого соединен с линией нагнетания насоса, сливной штуцер соединен с баком рабочей жидкости, а два рабочих выхода соединены с гидравлическими беспоршневыми полостями отсеков цилиндра, с левыми и правыми полостями управления трехлинейных гидроуправляемых газовых распределителей соответственно.

Источник газов наддува может быть выполнен в виде газового баллона высокого давления, газогенератора на твердом или жидком топливе и др.

При выполнении источника газов наддува в виде газового баллона высокого давления газы наддува из бака с помощью газогидравлической установки могут быть помещены обратно в тот же баллон.

Газы наддува, перемещенные с помощью газогидравлической установки в дополнительный газовый баллон, могут быть использованы для повторного наддува бака путем использования вместо двухпозиционного двухлинейного электромагнитного газового распределителя трехпозиционного трехлинейного электромагнитного газового распределителя, вход которого соединен с трубопроводом сброса газов наддува из бака, один из двух выходов соединен с дополнительным газовым баллоном, а второй - со входом газогидравлической компрессорной установки.

Для исключения перетекания управляющей жидкости из гидравлических полостей цилиндра в его газовые полости при длительном хранении, поршни цилиндра выполнены в виде гибкой герметичной мембраны.

Предлагаемая система наддува бака обеспечивает перемещение газов наддува из газовой полости бака в дополнительный газовый баллон, установленный вне бака, с помощью газогидравлической компрессорной установки, приводимой в действие давлением потока жидкости от электронасоса. Система обеспечивает забор газов из бака и нагнетание их в дополнительный баллон под высоким давлением. Например, газ наддува, находящийся в свободном газовом объеме бака объемом 500 л под давлением 0,6 МПа, с помощью предлагаемой системы может перемещаться в баллон объемом 20 л под давлением 15 МПа и использоваться для повторного наддува бака. При этом обеспечивается безопасность всего комплекса устройств и систем, т.к. при перемещении газов наддува из бака в дополнительный баллон в окружающее пространство газы наддува бака практически не попадают благодаря герметичности системы.

Техническая сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, фиг. 1, 2, 3, 4, на которых приведены варианты выполнения его принципиальной пневмогидравлической схемы.

Система наддува топливного бака содержит (фиг. 1) источник газов наддува 3, соединенный трубопроводом 4 с наддуваемой газовой полостью 2 бака 1, редуктор давления 5, отсечной клапан наддува 6, сигнализатор 7 давления наддува бака, трубопровод 8 сброса газов наддува из бака, дополнительный газовый баллон 9, двухпозиционный электромагнитный газовый распределитель 10, вход 11 которого соединен с трубопроводом 8 сброса газов наддува, а выход 12 соединен со входом 14 газогидравлической компрессорной установки 15, содержащей газогидравлический цилиндр 16 с двумя герметичными отсеками 17, 19, с установленными в них двумя поршнями 20, 22, соединенными одним штоком 23, проходящим через перегородку 25 между отсеками, причем беспоршневые полости 45, 46 отсеков 17,19 выполнены гидравлическими, а штоковые полости 32, 27 выполнены газовыми и с возможностью соединения с газовой полостью 2 наддуваемого бака 1 и дополнительным газовым баллоном 9 через двухпозиционные трехлинейные гидроуправляемые газовые распределители 28, 29, установленные, соответственно, на входе 14 и выходе 30 газогидравлической компрессорной установки 15, обратный клапан 31, установленный в линии, соединяющей выход 30 газогидравлической компрессорной установки 15 с дополнительным газовым баллоном 9, открывающийся в сторону баллона 9, на правом 34 и левом 35 торцах цилиндра 16 установлены электрические концевые выключатели 36 и 37, срабатывающие при контакте с поршнями 22 и 20 при их подходе к упорам, электрогидравлический насос 38 с баком 39 рабочей жидкости и трехпозиционным четырехлинейным электромагнитным гидрораспределителем 40, входной штуцер 41 которого соединен с линией нагнетания насоса 38, сливной штуцер 42 соединен с баком 39 рабочей жидкости, а рабочие выходы 43, 44 соединены с гидравлическими беспоршневыми полостями 45, 46 отсеков 17, 19 цилиндра 16, а также с левыми 47, 48 и правыми 49, 50 полостями управления трехлинейных гидроуправляемых газовых распределителей 28, 29.

Источник газа 3 может быть выполнен в виде газогенератора или в виде газового баллона высокого давления. В последнем случае газы наддува могут перемещаться обратно в источник газов наддува путем соединения выхода 30 газогидравлической компрессорной установки 15 (фиг. 2) с источником газа наддува - газовым баллоном высокого давления 3.

Газы наддува, перемещенные с помощью газогидравлической установки 15 в дополнительный газовый баллон 9, могут быть использованы для повторного наддува бака 1 путем использования вместо двухпозиционного двухлинейного электромагнитного газового распределителя 10 (фиг. 1) трехпозиционного трехлинейного электромагнитного газового распределителя 51 (фиг. 3), вход 52 которого соединен с трубопроводом 8 сброса газа наддува, один из двух выходов 53 соединен с дополнительным газовым баллоном 9, а второй выход 54 соединен со входом 14 газогидравлической компрессорной установки 15.

Для исключения перетекания управляющей жидкости из гидравлических бесштоковых полостей 45, 46 цилиндра 16 в его газовые штоковые полости 32, 27 при длительном хранении, поршни 20, 22 (фиг. 1) цилиндра могут быть выполнены в виде гибкой герметичной мембраны 18, 21 (фиг. 4). Система наддува топливного бака работает следующим образом.

Предпусковой наддув бака 1 осуществляется путем подачи газа из источника газа 3 в газовую полость 2 (фиг. 1). Для этого подается команда на открытие клапана 6. Редуктор давления 5 снижает давление до требуемого значения. Наддув бака прекращается по срабатыванию сигнализатора давления 7, настроенного на требуемое давление наддува бака.

При отмене пуска после предпускового наддува бака необходимо сбросить давление из газовой полости 2 бака. Предлагаемая система наддува позволяет решать эту задачу в условиях, когда газы наддува нельзя сбрасывать в окружающее замкнутое пространство из-за опасности возникновения пожара или взрыва, путем перемещения газов из газовой полости бака в дополнительный газовый баллон небольшого объема, установленный вне бака, например, в свободном объеме пусковой установки.

Для начала перемещения газов из газовой полости 2 бака 1 в дополнительный баллон 9 подают команду на электромагнит 55 газового распределителя 10, в результате газы из газовой полости 2 бака 1 поступают в газовую штоковую полость 27 отсека 19 цилиндра 16. Включают электронасос 38 и подают команду на электромагнит 56 гидрораспределителя 40. Жидкость от насоса 38 поступает в бесштоковую полость 45 отсека 17 цилиндра 16 и в левые управляющие полости 47, 48 газовых распределителей 29 и 28. Гидравлические бесштоковые полости 45, 46 цилиндра и трубопроводы, соединяющие их с выходом насоса 38, предварительно заполнены рабочей жидкостью. Под действием силы давления жидкости поршень 20 и соединенный с ним штоком 23 поршень 22 перемещаются вправо. При этом штоковая газовая полость 27 отсека 19 наполняется газами из газовой полости 2 бака 1, газ из газовой полости 32 отсека 17 через распределитель 29, обратный клапан 31 поршнем 20 цилиндра вытесняется в дополнительный баллон 9, жидкость из гидравлической бесштоковой полости 46 отсека 19 вытесняется в бак 39 рабочей жидкости через гидрораспределитель 40. При подходе поршня 22 к правому упору срабатывает электрический концевой выключатель 36, в результате чего посредством специального автоматического блока управления, находящегося вне данной системы наддува бака, электромагнит 56 гидрораспределителя 40 обесточивается, а на электромагнит 57 подается электрическая команда. Золотник гидрораспределителя 40 перемещается в крайнее левое положение, штуцер 41 соединится с выходом 44, выход 43 соединится со сливом 42, жидкость от насоса 38 подается в гидравлическую бесштоковую полость 46 правого отсека 19 цилиндра 16 и в правые управляющие полости 49, 50 газовых распределителей 29, 28, золотники которых перемещаются в крайнее левое положение. В результате поршни 22, 20 перемещаются влево, жидкость из полости 45 левого отсека 17 цилиндра 16 через гидрораспределитель 40 поступает в бак 39, газы из газовой полости 2 бака 1 поступают в газовую полость 32 отсека 17, газы из полости 27 вытесняются поршнем 22 в баллон 9. При подходе поршня 20 к левому упору цилиндра 16 сработает концевой выключатель 37, электромагнит 57 гидрораспределителя 40 обесточивается, на электромагнит 56 подается напряжение, золотник гидрорапсределителя 40 перемещается в правое крайнее положение, штуцер 41 соединится с выходом 43, выход 44 соединится со сливным штуцером 42. Жидкость от насоса 38 подается в бесштоковую полость 45 отсека 17 цилиндра 16, в левые управляющие полости 47, 48 распределителей 29, 28, поршни 20, 22 перемещаются вправо, жидкость из полости 46 сливается в бак 39, в полость 27 газового отсека поступает газ из газовой полости 2 бака 1, из полости 32 газ вытесняется в баллон 9. Далее процессы переключения золотников гидрораспределителя 40 и газовых распределителей 28, 29, наполнения - опорожнения газовых и гидравлических полостей отсеков 17, 19 цилиндра 16 повторяются. Работа компрессорной установки автоматически заканчивается при уменьшении давления в газовой полости бака до (0,02-0,03) МПа (изб).

Для используемых на практике объемов газовой полости бака перемещение газа из бака в дополнительный баллон обеспечивается за 120-300 рабочих циклов опорожнения-вытеснения полостей отсеков цилиндра газогидравлической компрессорной установки. Как уже указывалось в качестве примера, газ наддува, находящийся в свободном газовом объеме бака объемом 500 л под давлением 0,6 МПа, с помощью предлагаемой системы перемещается в баллон объемом 20 л под давлением 15МПа.

При выполнении источника газов наддува в виде баллона газа высокого давления газы наддува из газовой полости бака с помощью предлагаемой системы наддува могут быть перемещены обратно в этот же баллон, т.к. гидравлический насос может создавать давление жидкости и, соответственно, перемещаемого газа, до 20-30 МПа. При этом выход 30 газогидравлической компрессорной установки 15 должен быть соединен с источником газов наддува 3 - газовым баллоном высокого давления (фиг. 2).

Для использования для повторного наддува бака газов, перемещенных в дополнительный бак 9, вместо двухпозиционного двухлинейного газового распределителя 10 (фиг. 1) необходимо использовать трехпозиционный трехлинейный газовый распределитель 51 (фиг. 3), вход 52 которого соединен с трубопроводом 8 сброса газов из газовой полости 2 бака 1, один из двух выходов 53 соединен с дополнительным газовым баллоном 9, второй выход 54 соединен со входом 14 компрессорной установки 15. В исходном состоянии линии распределителя 51 отсечены. В начале работы по перемещению газов из бака 1 в баллон 9 подается напряжение на электромагнит 58, газовая полость 2 бака соединится с баллоном 9. При этом часть газов из бака перетечет в баллон 9. Течение прекратится после выравнивания в них давления. Далее напряжение с электромагнита 58 снимается, подается на электромагнит 59, газ из газовой полости 2 бака поступает в компрессорную установку 15. Далее газ из бака перемещается в баллон компрессорной установкой.

Для исключения перетекания управляющей жидкости из гидравлических бесштоковых полостей 45, 46 цилиндра 16 в его газовые штоковые полости 32, 27 при длительном хранении, поршни 20, 22 (фиг. 1) цилиндра могут быть выполнены в виде гибкой герметичной мембраны 18, 21 (фиг. 4).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение безопасного сброса газов предпускового наддува из бака и возможности повторного наддува баков при отмене пуска.

Литература

1. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями. Под редакцией академика В.Н. Челомея, М., «Машиностроение», 1978. 240 с.

Изобретение относится к ракетно-космической технике. Система наддува топливного бака содержит источник газов наддува (3), редуктор давления (5), отсечной клапан наддува (6), сигнализатор (7) давления наддува бака, трубопровод (8) сброса газов наддува из бака, дополнительный газовый баллон (9), двухпозиционный электромагнитный газовый распределитель (10). Обратный клапан (31) установлен в линии, соединяющей выход (30) газогидравлической компрессорной установки (15) с дополнительным газовым баллоном (9). На правом 34 и левом 35 торцах цилиндра (16) установлены электрические концевые выключатели (36, 37). Электрогидравлический насос (38) с баком (39) рабочей жидкости и трехпозиционным четырехлинейным электромагнитным гидрораспределителем (40) содержит входной штуцер (41), соединенный с линией нагнетания насоса (38). Сливной штуцер (42) соединен с баком (39) рабочей жидкости, а рабочие выходы (43, 44) соединены с гидравлическими беспоршневыми полостями (45, 46) отсеков (17, 19) цилиндра (16), а также с левыми (47, 48) и правыми (49, 50) полостями управления трехлинейных гидроуправляемых газовых распределителей (28, 29). Достигается безопасность сброса газов предпускового наддува из бака и возможность повторного наддува баков при отмене пуска. 4 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система наддува топливного бака, содержащая источник газа наддува, выполненный с возможностью соединения трубопроводом с наддуваемой газовой полостью топливного бака, отличающаяся тем, что содержит трубопровод сброса газа наддува, выполненный с возможностью соединения с наддуваемой газовой полостью бака и соединения с дополнительным газовым баллоном, установленным вне наддуваемого бака, через двухпозиционный двухлинейный электромагнитный газовый распределитель, вход которого соединен с трубопроводом сброса газа наддува, а выход соединен со входом газогидравлической компрессорной установки, содержащей газогидравлический цилиндр с двумя герметичными отсеками с установленными в них двумя поршнями, соединенными одним штоком, проходящим через перегородку между отсеками, причем беспоршневые полости отсеков цилиндра выполнены гидравлическими, а штоковые полости отсеков цилиндра выполнены газовыми и с возможностью соединения с газовой полостью наддуваемого бака и дополнительным газовым баллоном через двухпозиционные трехлинейные гидроуправляемые газовые распределители, установленные на входе и выходе газогидравлической компрессорной установки соответственно, обратный клапан, установленный в линии, соединяющей выход газогидравлической компрессорной установки с дополнительным газовым баллоном, открывающийся в сторону баллона, на правом и левом торцах цилиндра установлены электрические концевые выключатели, взаимодействующие с поршнями при их подходе к левому и правому упорам соответственно, электрогидравлический насос, соединенный с баком рабочей жидкости и трехпозиционным четырехлинейным электромагнитным гидрораспределителем, входной штуцер которого соединен с линией нагнетания насоса, сливной штуцер соединен с баком рабочей жидкости, а два рабочих выхода соединены с гидравлическими беспоршневыми полостями отсеков цилиндра, с левыми и правыми полостями управления трехлинейных гидроуправляемых газовых распределителей соответственно.

2. Система наддува топливного бака по п. 1, отличающаяся тем, что источник газа наддува выполнен в виде газогенератора.

3. Система наддува топливного бака по п. 1, отличающаяся тем, что трубопровод сброса газа наддува соединен с источником газа наддува бака, выполненным в виде газового баллона высокого давления.

4. Система наддува топливного бака по любому из пп. 1, 2, отличающаяся тем, что содержит дополнительный газовый баллон, выполненный с возможностью соединения с наддуваемой газовой полостью бака через трехпозиционный трехлинейный электромагнитный газовый распределитель, вход которого соединен с трубопроводом сброса газа наддува, один из двух выходов соединен с дополнительным газовым баллоном, а второй выход соединен со входом газогидравлической компрессорной установки.

5. Система наддува топливного бака по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что поршни газогидравлического цилиндра выполнены в виде гибкой герметичной мембраны.