Результат интеллектуальной деятельности: РАЗЪЕМНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Изобретение предназначено для использования в области ракетно-космической техники, в частности в устройствах разделения криогенных заправочных магистралей, и может быть использовано в машиностроении. Задачей изобретения является создание конструкции разъемного соединения, исключающей воспламенение и взрыв горючих рабочих сред при контакте с окружающей атмосферой, а также исключающей образование конденсата и наледи на разъемном соединении вследствие воздействия криогенных температур рабочей среды и обеспечивающей высокую надежность разделения стационарного и отделяемого штуцеров.

Известно разъемное соединение, включающее в себя бортовой и съемный штуцера с торцевым уплотнительным элементом между ними, соединенные шариковым замком (патент RU №2167360 C1, кл.7 F16L 37/28).

Близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению, взятому за прототип, является разъемное соединение (патент RU №2197674 C2, кл.7 F16L 37/22), состоящее из стационарного и отделяемого штуцеров с двойным уплотнением между ними, поджатие которого осуществляется устройством для затяжки посредством тарельчатых пружин, а также цангового замка с наружным и внутренним буртами и запирающей втулкой, и на наружной поверхности бортового штуцера установлено опорное кольцо с конусной поверхностью, контактирующей с внутренним буртом цанги, а на внутренней поверхности запирающей втулки установлена гильза, контактирующая с наружным буртом цанги, при этом опорное кольцо выполнено из материала с твердостью, аналогичной твердости цанги, а гильза выполнена из материала с высокими антифрикционными свойствами.

Недостатками данных устройств являются отсутствие в них защиты от воспламенения и взрыва горючих рабочих сред при контакте с окружающей атмосферой, а также отсутствие защиты от образования конденсата и наледи на разъемном соединении вследствие воздействия криогенных температур рабочей среды.

Техническим результатом предлагаемой конструкции является наличие защиты, исключающей воспламенение и взрыв горючих рабочих сред при контакте с окружающей атмосферой, а также защиты против образования конденсата и наледи на разъемном соединении вследствие воздействия криогенных температур рабочей среды.

Сущность изобретения заключается в том, что в разъемном соединении, состоящем из стационарного и отделяемого штуцеров с двойным уплотнением между ними, поджатие которого осуществляется устройством для затяжки посредством тарельчатых пружин, оба уплотнения между стационарным и отделяемым штуцерами являются торцевыми, а стык между стационарным и отделяемым штуцерами затягивается с помощью съемных технологических винтов, при этом в отделяемой части между двумя торцевыми уплотнительными элементами выполнена камера дезактивации газа утечки с установленными в ней штуцерами входа и выхода, причем в штуцере входа установлена сменная дроссельная шайба. При этом штуцер входа дополнительно имеет боковое отверстие, выходящее в полость, ограниченную стационарным и отделяемым штуцерами с одной стороны и утеплителем с другой, а в утеплителе выполнены дренажные отверстия, прикрытые снаружи пластинчатыми пружинами изгиба.

На фиг.1 изображен общий вид разъемного соединения.

На фиг.2 изображен разрез А-А, на котором показан винт, предотвращающий расхождение деталей отделяемой части разъемного соединения после расстыковки стационарного и отделяемого штуцеров (утеплитель условно не показан).

На фиг.3 изображен вид Б, на котором показан штуцер входа с установленной в нем сменной дроссельной шайбой и боковым отверстием.

На фиг.4 показаны пределы воспламенения водорода в атмосфере воздуха, разбавленного CO₂ и N₂ (по Кауарду и Джонсу) при комнатной температуре и атмосферном давлении.

На фиг.5 показаны пределы воспламенения метана в атмосфере воздуха, разбавленного различными инертными газами (по Кауарду и Джонсу) (кривая H₂O: температура смеси подбиралась такой, чтобы давление паров воды было 1 атм).

На фиг.6 показаны пределы воспламенения пропана в атмосфере воздуха, разбавленного CO₂ и N₂ (по Кауарду и Джонсу) при комнатной температуре и атмосферном давлении.

На фиг.7 показана зависимость величины А_к от отношения р_вых/р_вх для докритического течения газа.

На фиг.8 представлена таблица, в которой указано максимальное безопасное процентное содержание кислорода в смеси горючего с воздухом, CO₂ или N₂ при комнатной температуре и давлении 1 атм.

Конструкция разъемного соединения состоит из стационарного штуцера 1, закрепленного с помощью сварки на криогенном трубопроводе верхнего блока ракетоносителя, и отделяемого штуцера 2, закрепленного также с помощью сварки на криогенном трубопроводе нижнего блока. На торце отделяемого штуцера 2 выполнено два седла 3 и 4, а на ответном торце стационарного штуцера 1 завальцовано два торцевых уплотнительных элемента 5 и 6, в которые упираются седла 3 и 4. Снаружи стационарного штуцера 1 выполнен фланец 7 со шпильками 8. Фланец 7 предназначен для жесткого крепления стационарного штуцера 1 к корпусу ракеты.

Снаружи отделяемого штуцера 2 установлена гильза 9, которая одним торцем упирается в торец стационарного штуцера 1, а к другому ее торцу присоединено устройство для затяжки 10, которое состоит из плиты 11, винтов 12 и тарельчатых шайб 13. Одной из тарельчатых шайб 13 устройство для затяжки 10 упирается в торец отделяемого штуцера 2. Стационарный штуцер 1 и отделяемый штуцер 2 соединены между собой съемными технологическими винтами 14 через фланец 7 стационарного штуцера 1 и гильзу 9.

На стационарный 1 и отделяемый 2 штуцера установлен утеплитель 15, 16 и 17. В отделяемой части разъемного соединения между двумя торцевыми уплотнительными элементами 5 и 6 выполнена камера дезактивации газа утечки разъемного соединения 18, к которой через утеплитель 16 подходят штуцер входа 19 с установленной в нем сменной дроссельной шайбой 20 и штуцер выхода 21. Штуцер входа 19 дополнительно имеет боковое отверстие 22, выходящее в полость, ограниченную стационарным 1 и отделяемым 2 штуцерами с одной стороны и утеплителем 15, 16 и 17 с другой. В утеплителе 15 выполнены дренажные отверстия 23, прикрытые снаружи пластинчатыми пружинами изгиба 24.

На гильзе 9 закреплен винт 25 с шайбами 26. Винт 25 предотвращает расхождение деталей отделяемой части разъемного соединения после расстыковки стационарного 1 и отделяемого 2 штуцеров.

Разъемное соединение работает следующим образом.

Стык стационарного 1 и отделяемого 2 штуцеров затягивается с помощью съемных технологических винтов 14 расчетным моментом, исходя из обеспечения герметичности при действии давления, изгибающего момента от трубопровода и процесса захолаживания от плюсовых до криогенных температур. Поджатие стыка проводят через упругий элемент - устройство для затяжки 10, обеспечивающее сохранение усилия поджатия при изменении температурного режима (компенсирует уменьшение размеров деталей разъемного соединения при снижении температуры) и пластической деформации уплотнительного элемента 6 от длительного хранения. Рабочая криогенная среда проходит от отделяемого штуцера 2 к стационарному 1 и далее в бак верхнего блока.

Рабочими средами разъемного соединения могут быть такие жидкости и газы, которые обладают способностью к воспламенению и взрывоопасными свойствами при контакте с окружающей атмосферой, в которой, как известно, 21% кислорода O₂ (Ю.В. Ходаков, Д.А. Эпштейн, П.А. Глориозов «Неорганическая химия» - учебник для 7-8 классов, «Просвещение», Москва, 1982 г., стр.44, 55) [1]. К таким рабочим средам относятся, например, водород H₂, метан CH₄, пропан C₃H₈ и некоторые другие. Место стыка стационарного 1 и отделяемого 2 штуцеров в разъемном соединении не может быть всегда абсолютно герметичным. Существующая негерметичность приводит к выходу некоторого количества рабочей среды за пределы рабочей полости разъемного соединения, где и происходит контакт с окружающей атмосферой. Образовавшаяся смесь в определенных пропорциях может воспламениться и даже взорваться. Для исключения подобных реакций в данном разъемном соединении предусмотрена так называемая камера дезактивации газа утечки 18, находящаяся между двумя торцевыми уплотнительными элементами 5 и 6, к которой подходят штуцера входа 19 и выхода 21. Через штуцер входа 19 за счет установленной сменной дроссельной шайбы 20 в камеру дезактивации газа утечки 18 дозированно подается инертный газ-разбавитель, например двуокись углерода CO₂, азот N₂ (сверх присутствующего в воздухе), гелий He или аргон Ar, который уменьшает концентрацию вредной рабочей среды до безопасной (Б. Льюис, Г. Эльбе, под редакцией К.И. Щелкина и А.А. Борисова «Горение, пламя и взрывы в газах», издательство «Мир», Москва, 1968 г., стр.571 -574) [2].

Подбор сменной дроссельной шайбы 20 осуществляется следующим образом.

По фиг.4-6 или другим рисункам из [2], на которых изображены пределы распространения пламени в воздухе, разбавленном различными инертными газами, в зависимости от рабочей среды газа-разбавителя и расхода рабочей среды определяется расход инертного газа G. Далее в соответствии с формулой для расчета расхода газа (М.В. Добровольский «Жидкостные ракетные двигатели», издательство «Машиностроение», Москва, 1968 г., стр.353-356) [3]:

где µ - коэффициент расхода, d_cp≈d_кл, d_кл - диаметр отверстия клапана, h - подъем клапана, Р_вх - давление на входе в редуктор (в нашем случае Р_вх - давление перед дроссельной шайбой), R - газовая постоянная, Т_вх - температура перед редуктором (в нашем случае Т_вх - температура газа-разбавителя перед дроссельной шайбой), А_k - величина, значение которой определяется зависимостью р_вых/р_вх для докритического течения газа (см. фиг.7), и величина, постоянная для закритического течения газа:

- для докритического течения газа,

где g - ускорение свободного падения, Р_вых - давление на выходе из редуктора (в нашем случае Р_вых - давление за дроссельной шайбой), k - показаталь адиабаты,

- для закритического течения газа.

В соответствии с [3] площадь дросселирующего сечения равна:

f_дрос=π·d_cp·h,

т.о. формула для расчета расхода газа будет выглядеть:

откуда

В нашем случае f_дpoc - площадь проходного сечения дроссельной шайбы 20, которая равна: , где d_y - диаметр отверстия дроссельной шайбы 20.

При подстановке f_дpoc в формулу выше получаем:

откуда

По d_y подбирается сменная дроссельная шайба 20.

На фиг.4, 5 и 6 показаны пределы воспламенения наиболее характерных горючих газов в атмосфере воздуха, разбавленного инертными газами. Смеси воспламеняются внутри области, имеющей вид полуострова, очерченного предельной кривой. Положение мыса полуострова соответствует проценту разбавителя, выше которого воспламенение невозможно, а также процентному содержанию кислорода, ниже которого смесь становится негорючей. Например, в случае метана в атмосфере воздуха, разбавленного CO₂ (см. фиг.5), пламя не может распространяться, если содержание CO₂ в воздухе превышает 25% или если содержание O₂ в смеси CO₂ - воздух ниже 15,8%. В таблице на фиг.8 указано максимальное содержание кислорода, которое будет безопасным в любой неизвестной смеси горючего с воздухом, CO₂ или N₂ при комнатной температуре и давлении около атмосферного.

После камеры дезактивации газа утечки 18 образовавшаяся безопасная смесь выводится через штуцер выхода 21 из разъемного соединения.

Во внутренней полости разъемного соединения, ограниченной стационарным 1 и отделяемым 2 штуцерами с одной стороны и утеплителем 15, 16 и 17 с другой, вследствие воздействия на разъемное соединение криогенных температур и имеющейся влажности в воздухе могут образовываться конденсат и наледь, которые могут ухудшить работоспособность разъемного соединения. Для решения этой проблемы в штуцере входа 19 предусмотрено боковое отверстие 22, через которое инертный газ-разбавитель подается в эту полость. Увеличение объема теплого газа-разбавителя в этой полости и, следовательно, уменьшение объема влажного холодного воздуха приводит к невозможности образования конденсата и наледи. Образовавшаяся смесь выводится наружу из разъемного соединения через дренажные отверстия 23, выполненные в утеплителе 15. Отверстия 23 прикрыты снаружи пластинчатыми пружинами изгиба 24, что позволяет не допустить попадания внутрь полости воздуха снаружи.

Разделение стационарного 1 и отделяемого 2 штуцеров осуществляется вручную после снятия съемных технологических винтов 14. За счет небольшого хода раскрытия стыка обеспечивается высокая надежность разделения стационарного 1 и отделяемого 2 штуцеров.

Таким образом, предложенная конструкция разъемного соединения обеспечивает защиту от воспламенения и взрыва горючих рабочих сред при контакте с окружающей атмосферой, защиту против образования конденсата и наледи на разъемном соединении вследствие воздействия криогенных температур рабочей среды и высокую надежность разделения стационарного 1 и отделяемого 2 штуцеров.