Фильтр для очистки криогенной жидкости

Изобретение относится к области фильтрования, а именно к фильтрам, работающим в условиях низких температур. Фильтр для очистки криогенной жидкости содержит цилиндрический корпус, внутри которого установлен фильтрующий элемент, выполненный в виде объемного конуса, вершина которого направлена навстречу потоку фильтруемой жидкости, а основание закреплено на корпусе. Фильтрующий элемент выполнен в виде нескольких коаксиально расположенных объемных конусных секций (не менее двух) и соединенных между собой электросваркой через опорные кольца. Объемные конусные секции выполнены из перфорированных конусных пилонов с углом конуса при вершине, равным α=16÷20°, стянутых по высоте кольцевыми обечайками, а вершины конусных секций закрыты коническими кольцами. На объемные конические секции установлены две сетки с разной проникающей способностью, которые с помощью точечной электросварки прикреплены к коническим пилонам, опорным кольцам, кольцевым обечайкам и к коническому кольцу. Первый слой сетки представляет собой прочную каркасную сетку с ячейкой 2×2 мм, изготовленную из нержавеющей проволоки 0,4-0,5 мм, а второй слой из фильтрующей сетки с ячейкой 75-80 мкм, изготовленной из нержавеющей проволоки диаметром 50-60 мкм. Указанные сетки прикреплены к объемным секциям с помощью точечной электросварки, которую выполняют через металлическую ленту толщиной 0,35 мм. Перфорации в конических пилонах выполнены в виде круглых отверстий и в форме трапеции. Конические пилоны внутри объемных секций образуют проточные полости, которые соединены между собой через перфорации. Технический результат: увеличение срока службы фильтра, повышение надежности. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области фильтрования, а именно к фильтрам, работающим в условиях низких температур и предназначенным для очистки криогенных компонентов топлив ЖРД от металлических частиц и сплава АМгб размером 80 мкм и более.

Предшествующий уровень техники

На этапе разработки в НПО Энергомаш мощных маршевых ЖРД, работающих по окислительной схеме, имели случаи возгорания проточной части окислительного тракта от попадания из бака в тракт частиц сплава АМгб размером более 80 мкм, являвшихся инициатором возгорания.

Для защиты окислительного тракта от попадания в него указанных частиц было предложено создать фильтр и установить его на входе бустерного насоса окислителя.

Для обеспечения требуемых антикавитационных запасов насосного агрегата потери давления на фильтре не должны были превышать 0,5 кгс/см². Как показывают расчетные данные, для выполнения этого условия потребуются большие площади фильтрующей сетки. Все этого привело к разработке фильтра новой конструкции.

Более того, возникли проблемы, связанные с выбором сетки с ячейкой, обеспечивающей требуемые прочностные характеристики, в том числе по стойкости и динамическим нагрузкам.

Проведенные патентные исследования не выявили конструкции фильтров, в которых были бы решены указанные проблемы.

Например, известен фильтр (см. патент Франции №1321462, кл. B01D, 1962 г.) для очистки криогенной жидкости, в котором фильтрующий элемент выполнен из пористого материала.

Недостатком этого технического решения является то, что оно обладает большим гидравлическим сопротивлением и малой пропускной способностью.

Известен также фильтр (см. авторское свидетельство СССР №617048, МКИ B01D, 27/10, 1977), содержащий в корпусе фильтрующий элемент и индикатор засорения фильтра, выполненный в виде датчика температуры.

Недостаток такого фильтра - бескаркасная конструкция, которая сломается от перепада давления на ней.

Известно устройство для фильтрации жидкости, включающее корпус, фильтрующий элемент, выполненный в виде металлического перфорированного конуса, при этом вершина конуса фильтрующего элемента направлена навстречу потоку жидкости (см. патент GB (Великобритания) №2131712).

Недостаток этого устройства заключается в том, что оно обладает сложной конструкцией и значительными линейными и радиальными размерами. Кроме того, в этом изобретении нет данных о размерах перфорации.

Известные фильтры, как показали патентные исследования, эксплуатируются либо при малых скоростных напорах жидкости, либо гидравлические сопротивления фильтров не являются лимитирующим фактором.

Задача данного изобретения состоит в том, чтобы создать фильтр простой конструкции, с меньшими габаритами, с требуемыми прочностными характеристиками и стойкий к динамическим нагрузкам и имеющий хорошую проницаемость.

Эта задача решена за счет того, что в фильтре для очистки криогенной жидкости, содержащем цилиндрический корпус, внутри которого установлен фильтрующий элемент, выполненный в виде объемного конуса, вершина которого направлена навстречу потоку фильтруемой жидкости, а основание закреплено на корпусе, кроме того, фильтрующий элемент выполнен в виде нескольких коаксиально расположенных объемных конусных секций (не менее двух) и соединенных между собой электросваркой через опорные кольца, при этом объемные конусные секции выполнены из перфорированных конусных пилонов с углом конуса при вершине равным α=16÷20°, стянутых по высоте кольцевыми обечайками, а вершины конусных секций закрыты коническими кольцами, кроме того, на объемные конические секции установлены две сетки с разной проникающей способностью, которые с помощью точечной электросварки прикреплены к коническим пилонам, опорным кольцам, кольцевым обечайкам и к коническому кольцу, причем первый слой сетки представляет собой прочную каркасную сетку с ячейкой 2×2 мм, изготовленную из нержавеющей проволоки 0,4-0,5 мм, а второй слой из фильтрующей сетки с ячейкой 75-80 мкм, изготовленной из нержавеющей проволоки диаметром 50-60 мкм.

Другими отличиями являются:

- указанные сетки прикреплены к объемным секциям с помощью точечной электросварки, которую выполняют через металлическую ленту толщиной 0,35 мм;

- перфорации в конических пилонах выполнены в виде круглых отверстий и в форме трапеции;

- между пилонами объемных секций выполнены проточные полости, которые соединены между собой через перфорации в виде цилиндрических отверстий и окон трапецеидальной формы;

- указанные сетки прикреплены к объемным секциям следующим образом: сначала к указанным секциям прикрепляется прочная каркасная сетка, а на нее устанавливается фильтрующая сетка.

Технический результат - обеспечение высоких прочностных характеристик фильтра при малых его габаритах с высокой проникающей способностью, малых перепадах давления жидкости на нем и повышенной надежностью в работе.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема фильтра; на фиг. 2 - конструкция фильтра в аксонометрии; на фиг. 3 - фрагмент А на фиг. 1; на фиг. 4 - фрагмент Б на фиг. 1.

Описание изобретения

Фильтр содержит корпус 1 (фиг. 1, фиг. 2), внутри которого закреплен фильтрующий элемент 2, выполненный в виде двух коаксиально расположенных объемных конусных секций 3 и 4. Указанные объемные секции соединены между собой через опорные кольца 5, 6 и 7. При этом опорное кольцо 5 является фланцем крепления к бустерному насосному агрегату (не показано). Соосно с секцией 4 размещен дефлектор 8. Каждая объемная секция состоит из нескольких перфорированных конических пилонов 9 с углом при вершине конуса α=16÷20°. Между собой пилоны 9 образуют проточные полости 10, которые соединены между собой через цилиндрические отверстия Н и окна 12 трапецеидальной формы, выполненные в пилонах. Объемные секции 3 и 4 стянуты по высоте несколькими кольцевыми обечайками 13 (фиг. 3, фрагмент А на фиг. 1), а их вершины закрыты коническими кольцами 14. На объемные конусные секции 3 и 4 установлены два слоя сеток 15 и 16, которые через металлическую ленту 17 прикреплены точечной электросваркой к продольным торцам 18 конических пилонов 9 (фиг. 4, фрагмент Б на фиг. 1), опорным кольцам 5, 6 и 7 и кольцевым обечайкам 13. Сетка 15 представляет собой прочную каркасную сетку с ячейкой 2×2 мм, изготовленную из нержавеющей проволоки диаметром 0,4÷0,5 мм. Сетка 16 - это фильтрующая сетка с ячейкой 75÷80 мкм, изготовленная из нержавеющей проволоки диаметром 50÷60 мкм.

Крепление сеток 15 и 16 к объемным секциям можно осуществлять другим способом. Например, вначале к указанным секциям крепится каркасная сетка 15, а на нее устанавливается фильтрующая сетка 16.

Следует заметить, что при сборке объемных конических секций 3 и 4 осуществляют соединение оснований каждой последующей конической оболочки с вершиной предыдущей конической оболочки.

Выбранный размер ячейки каркасной сетки 2×2 мм с диаметром проволоки 0,4 мм, а также размер ячейки 75÷80 мкм фильтрующей сетки с диаметром проволоки 50÷60 мкм позволил достичь требуемых потерь давления, высоких прочностных характеристик, в том числе по стойкости и динамическим нагрузкам, и получить фильтр с живым сечением сетки 69,6%.

Выполнение фильтра в виде двух объемных конусных секций позволило создать прочную конструкцию малого объема меньшей массы, надежно работающую в ЖРД.

Фильтр работает следующим образом.

При запуске двигателя поток жидкого кислорода с выхода бака поступает на сетчатую поверхность (сетки 15 и 16) объемных секций 3 и 4, фильтруется и поступает в проточные полости 10 фильтра, а из них направляется во входную магистраль бустерного насоса окислителя. При этом каркасы из пилонов и каркасной сетки 15 воспринимают динамический напор потока жидкости, а через сетку 16 осуществляется фильтрация жидкости.

Промышленное применение

Применение фильтра такой конструкции позволяет увеличить его срок службы, исключить возгорание в магистрали кислородного тракта ЖРД.

1. Фильтр для очистки криогенной жидкости, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого установлен фильтрующий элемент, выполненный в виде объемного конуса, вершина которого направлена навстречу потоку фильтруемой жидкости, а основание закреплено на корпусе, отличающийся тем, что фильтрующий элемент выполнен в виде нескольких коаксиально расположенных объемных конусных секций, не менее двух, и соединенных между собой электросваркой через опорные кольца, при этом объемные конусные секции выполнены из перфорированных конусных пилонов, стянутых по высоте кольцевыми обечайками, а вершины конусных секций закрыты коническими кольцами, кроме того, на объемные конические секции установлены две сетки с разной проникающей способностью, которые с помощью точечной электросварки прикреплены к коническим пилонам, опорным кольцам, кольцевым обечайкам и к коническому кольцу, причем первый слой сетки представляет собой прочную каркасную сетку с ячейкой 2×2 мм, изготовленную из нержавеющей проволоки 0,4-0,5 мм, а второй слой - из фильтрующей сетки с ячейкой 75-80 мкм, изготовленной из нержавеющей проволоки диаметром 50-60 мкм.

2. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что указанные сетки прикреплены к объемным секциям с помощью точечной электросварки, которую выполняют через металлическую ленту толщиной 0,35 мм.

3. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что перфорации в конических пилонах выполнены в виде круглых отверстий и в форме трапеции.

4. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что конические пилоны внутри объемных секций образуют проточные полости, которые соединены между собой через перфорации.

5. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что указанные сетки прикреплены к объемным секциям следующим образом: сначала к указанным секциям прикрепляется опорная сетка, а на нее устанавливается фильтрующая сетка.

6. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что объемные конусные секции выполнены из перфорированных конусных пилонов с углом конуса при вершине, равным α=16÷20°.