Емкость для криогенных топлив

Изобретение относится к топливным системам транспортных, в частности, авиационно-космических средств, а именно к бортовым емкостям для хранения и подачи криогенного топлива, например водорода. Предлагаемая емкость содержит герметичный защитный кожух, внутренний сосуд с теплоизоляцией, трубопроводы заправки, дренажа - наддува и подачи топлива, а также заборное устройство. Внутренний сосуд крепится к защитному кожуху на двух опорах, содержащих тонкостенные тела вращения, например, конической формы с теплозащитными кольцевыми проставками и экранно-вакуумной теплоизоляцией. Одно из тонкостенных тел вращения соединено со втулкой, телескопически связанной с цилиндром, прикрепленным к внутреннему сосуду. Этим обеспечивается относительное перемещение внутреннего сосуда и защитного кожуха. В предпочтительном варианте заборное устройство содержит жестко соединенные друг с другом запорные клапаны, сообщающиеся трубопроводами забора топлива с полостями около соответствующих днищ внутреннего сосуда. Эти клапаны управляются электропневматической системой. Техническим результатом изобретения является обеспечение длительного бездренажного хранения криогенного топлива во время стоянки транспортного средства, а также непрерывного забора топлива при знакопеременных ускорениях во время движения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предложение относится к системе топливопитания транспортных средств, а именно к бортовым емкостям для хранения и подачи криогенного топлива, например водорода при использовании его в качестве энергоносителя в транспортных средствах.

Серьезным препятствием в разработке бортовых емкостей для жидкого водорода является низкая температура кипения (21 К), высокая текучесть, пожаро- и взрывоопасность. Известны бортовые емкости для жидкого водорода ракет-носителей Сатурн-5 США, "Энергия" Россия, "Ариан-5" Европа [1, 2, 3], в ракетных двигателях которых жидкий водород используется в качестве горючего компонента топлива. Эти емкости представляют собой цилиндрические сосуды с эллиптическими днищами. Они имели достаточно большие диаметры и длины и были изготовлены из металла с теплоизоляцией из прочного синтетического материала, нанесенного на наружную поверхность сосуда.

Недостатком указанных бортовых емкостей является то, что из-за больших теплопритоков в них не обеспечивается бездренажное хранение водорода. Заправка водорода в эти емкости производится до момента старта ракеты. В этот момент закрывается дренажный клапан и открывается клапан подачи водорода из бортовой емкости в ракетные двигатели, которые работают в процессе всего полета до отделения ступени. Забор водорода в таких емкостях производится только от нижнего днища, так как ускорение ракеты при выведении космического объекта всегда положительно. Поэтому емкости такого типа не могут использоваться, например, в самолетах или автомобилях, где возможны торможения или длительные стоянки, для которых требуется бездренажное хранение водорода.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является емкость для криогенного топлива по патенту США №6634519, которая содержит герметичный защитный кожух, внутренний сосуд с теплоизоляцией, трубопроводы заправки, дренажа-наддува и подачи топлива, а также заборное устройство. Внутренний сосуд имеет цилиндрическую форму с эллиптическими днищами. Стенки внутреннего сосуда не имеют жесткой связи со стенками защитного кожуха. Центровка стенок внутреннего сосуда и защитного кожуха осуществляется по слою теплоизоляции. Такая конструкция бортовой емкости имеет существенный недостаток, связанный с повышенными теплопритоками к стенкам внутреннего сосуда через многослойную теплоизоляцию, и, как следствие этого, время бездренажного хранения криогенного топлива в этой емкости мало.

Кроме этого, отсутствие жесткой связи между внутренним сосудом и внешним кожухом не дает возможности эксплуатировать эту емкость в транспортных средствах при больших знакопеременных ускорениях и виброперегрузках во время движения. Температурные деформации внутреннего сосуда будут приводить к отслаиванию теплоизоляции после немногочисленных заправок и опорожнений внутреннего сосуда.

Предлагаемая емкость отличается от прототипа тем, что внутренний сосуд крепится к защитному кожуху на двух опорах, содержащих тонкостенные тела вращения, например, конической формы с теплозащитными кольцевыми проставками и экранно-вакуумной теплоизоляцией, причем в одной из опор тонкостенное тело вращения, закрепленное на кожухе, соединено со втулкой, телескопически связанной с цилиндром, прикрепленным к внутреннему сосуду, что обеспечивает относительное перемещение внутреннего сосуда и защитного кожуха.

Предлагаемая емкость также отличается тем, что заборное устройство содержит жестко соединенные запорные клапаны, сообщающиеся с полостями около каждого днища внутреннего сосуда и управляемые электропневматической системой.

Задачей данного предложения является создание емкости для криогенного топлива с длительным периодом бездренажного хранения его на борту транспортного средства и с постоянным забором криогенного топлива из емкости независимо от его перетеканий вдоль внутреннего сосуда при знакопеременных ускорениях во время движения транспортного средства.

Технический результат, позволяющий существенно снизить теплопритоки к криогенному топливу и увеличить время бездренажного хранения, достигается тем, что емкость для криогенных топлив содержит герметичный защитный кожух, внутренний сосуд с теплоизоляцией, трубопроводы заправки, дренажа-наддува и подачи топлива, а также заборное устройство, при этом внутренний сосуд крепится к защитному кожуху на двух опорах, содержащих тонкостенные тела вращения, например, конической формы с теплозащитными кольцевыми проставками и экранно-вакуумной теплоизоляцией, причем в одной из опор тонкостенное тело вращения, закрепленное на кожухе, соединено со втулкой, телескопически связанной с цилиндром, прикрепленным к внутреннему сосуду, что обеспечивает относительное перемещение внутреннего сосуда и защитного кожуха. Технический результат также достигается тем, что заборное устройство содержит жестко соединенные запорные клапаны, сообщающиеся с полостями около каждого днища внутреннего сосуда и управляемые электропневматической системой.

На фиг.1 изображен продольный разрез бортовой емкости для хранения и подачи криогенного топлива. На фиг.2 показан продольный разрез двухпозиционного заборного устройства с элементами бортовой системы управления. На фиг.3 изображена левая неподвижная опора внутреннего сосуда. На фиг.4 изображена правая подвижная опора внутреннего сосуда.

Бортовая емкость состоит из защитного кожуха 1, внутреннего сосуда 2 с экранно-вакуумной теплоизоляцией 3, трубопровода 4 дренажа-наддува, трубопровода 5 подачи топлива от двухпозиционного заборного устройства 6, подвижной опоры 7 в виде цилиндра 8, телескопически входящего в цилиндрическую втулку 9, закрепленную на конце тонкостенного тела вращения 10, неподвижной опоры 11 с тонкостенным телом вращения 12. На защитном кожухе 1 установлен штуцер 13 трубопровода для подачи командного давления гелия в двухпозиционное заборное устройство 6, штуцер 14 трубопровода заправки криогенного топлива и пускоотсечной клапан 15. Во внутреннем сосуде установлен также уровнемер 16 для контроля уровня топлива во время заправки.

Двухпозиционное заборное устройство 6 (фиг.2) имеет два запорных клапана: клапан 17 для забора криогенного топлива от левого днища и клапан 18 для забора криогенного топлива от правого днища. Оба клапана жестко связаны между собой через цилиндрический хвостовик клапана 17 и центрируются в направляющих корпуса 19, который снабжен уплотнительными седлами, выполненными из поликарбоната. Клапан 17 размещен внутри кожуха 20 и герметично соединен с ним через сильфон 21, внутренняя полость которого связана со штуцером 13 подачи командного давления гелия. В исходном положении клапан 17 прижат к седлу корпуса 19 пружиной 22. Клапан 18 размещен в кожухе 23, снабженном заборной трубкой, опущенной вниз. При подаче давления наддува во внутренний сосуд 2 (фиг.1) через трубопровод 4 клапан 17 открывается, а клапан 18 закрывается. После этого перемена мест забора криотоплива осуществляется подачей или сбросом давления гелия в сильфонную полость от бортового электропневмоклапана 24 по сигналам бортового акселерометра 25. При этом один из запорных клапанов (17 или 18) открывается, а другой закрывается.

Тонкостенные тела вращения 10, 12 снабжены теплоизоляционными кольцевыми проставками 26, 27, 28, 29, 30 и экранно-вакуумной теплоизоляцией (фиг.3 и фиг.4).

Процесс эксплуатации емкости на борту транспортного средства состоит из четырех операций:

- Технологической подготовки емкости к заправочным операциям.

- Заправки криогенного топлива.

- Хранения криогенного топлива во внутреннем сосуде.

- Выдачи криогенного топлива потребителю.

В процессе заправки криогенного топлива трубопровод заправщика подсоединяется к штуцеру 14 трубопровода заправки и криогенное топливо подается в нижнюю часть внутреннего сосуда 2. При этом одновременно открывается бортовой клапан дренажа (не показан) на трубопроводе 4. Заполнение внутреннего сосуда контролируется по уровнемеру 16 и по сигналам термоэлектрических датчиков (не показаны), установленных на поверхности стенки внутреннего сосуда 2.

По окончании заправки бортовые клапаны заправки и дренажа закрываются, и криогенное топливо находится внутри емкости до момента использования его в двигателе.

При включении двигателя открывается пускоотсечной клапан 15 и клапан наддува емкости (не показан). При этом в сосуде устанавливается заданное давление, и криогенное топливо через клапан 15 подается потребителю.

В процессе заправки емкости криогенным топливом температура стенок изменяется как минимум на 250°, что приводит к термическому сужению в продольном и диаметральном направлениях. В продольном направлении изменение длины сосуда компенсируется перемещением цилиндра 8 во втулке 9. В диаметральном направлении размер внутреннего сосуда изменяется свободно, так как экранно-вакуумная теплоизоляция эластичная, а с кожухом в этом направлении внутренний сосуд не соприкасается.

Экранно-вакуумная теплоизоляция стенки и днищ внутреннего сосуда, глубокий вакуум внутри защитного кожуха и теплоразделительные устройства в опорах до минимума снижают теплопритоки к стенкам внутреннего сосуда, что обеспечивает длительное бездренажное хранение криогенного топлива, например, во время стоянки транспортного средства или при движении с выключенным двигателем.

Двухпозиционное заборное устройство 6, управляемое электропневматической системой с клапаном 24, который связан с акселерометром осевых ускорений 25, обеспечивает подачу криогенного топлива к двигателю при знакопеременных ускорениях, вызывающих перетекание топлива внутри сосуда.

Несколько экземпляров данной конструкции были изготовлены и показали хорошие результаты при испытаниях.

Источники информации

1. J.A.Sehlke "ZRE Rokitdyne J-2", Astronauties, 1962, vol.7, №2, p.41, 98.

2. A.B.Beiley, R.G.Gruddace, W.A.Ricketson "The application of liquid hydrogen for rokot therd stage of satellite". Journal of the British Interplanetary Society, 1961, vol.18, №5-6, h.203-224.

3. Ariane 5, Cryospase, проспект фирмы Аэроспасьяль (Aerospatiale), Франция. 2001.

1. Емкость для криогенных топлив, содержащая герметичный защитный кожух, внутренний сосуд с теплоизоляцией, трубопроводы заправки, дренажа-наддува и подачи топлива, а также заборное устройство, отличающаяся тем, что внутренний сосуд крепится к защитному кожуху на двух опорах, содержащих тонкостенные тела вращения, например, конической формы, снабженные теплозащитными кольцевыми проставками и экранно-вакуумной теплоизоляцией, причём в одной из опор указанное тонкостенное тело вращения, закрепленное на кожухе, соединено со втулкой, телескопически связанной с цилиндром, прикрепленным к внутреннему сосуду, обеспечивая относительное перемещение внутреннего сосуда и защитного кожуха.

2. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что заборное устройство содержит жестко соединенные друг с другом запорные клапаны, сообщающиеся с соответствующими им полостями около днищ внутреннего сосуда и управляемые электропневматической системой.