Результат интеллектуальной деятельности: Установка рекуперации и повторного использования контрольных газов при испытании изделий на герметичность

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к испытательной технике.

Развитие ракетно-космической техники сопровождается непрерывным повышением требований к герметичности систем и агрегатов. Поэтому при технологическом контроле герметичности используются самые высокочувствительные методы контроля: масс-спектрометрическими, плазменными и другими течеискателями. В качестве контрольной среды для испытаний герметичности применяются дефицитные и дорогостоящие газы: гелий, аргон, элегаз, ксенон и др.

В связи с тем, что объемы топливных емкостей жидкостных ракет достигают значения до ~400,0…500,0 м³ для испытаний расходуются большие количества контрольных газов - до ~2000,0…3000,0 нм³. На большинстве ракетно-космических предприятий использованные для испытаний контрольные газы в настоящее время удаляются из объемов изделий в окружающую атмосферу. Поэтому цена выполненных испытаний исключительно высока - до десятков млн. рублей.

Оптимальным решением проблемы представляется создание и применения технологического оборудования рекуперации использованного при испытании контрольного газа и повторного его использования.

Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности являются системы рекуперации гелия, разрабатываемые и выпускаемые компанией Pfeiffer Vacuum Austria Gmbfl (Австрия), представительство в РФ - ООО «BLM Synergie», 107076, Moscow, Electrozavodkaya str. 24, www.blms.ru.

Система включает 2 порта: линия выхлопа гелия, предназначенная для дренажа контрольного газа из объема изделия после окончания операции его испытания, и линия подачи давления сжатого контрольного газа в объемы изделия при повторных испытаниях. Система содержит в своем составе:

- гелиевый шар-баллон для сбора выхлопного контрольного газа при абсолютном давлении, равном атмосферному;

- вакуумный насос для откачки оставшегося в объеме изделия после выхлопа при атмосферном давлении контрольного газа и перекачки его в объем шара-баллона;

- баллон хранения сжатого контрольного газа;

- гелиевый компрессор для перекачки контрольного газа из объема шара-баллона и сжатия в баллоне хранения.

Следует отметить, что система рекуперации, функционирующая по такой схеме, мало приемлема для использования при испытании изделий большого объема (более 100 м³) при относительно высоких давлениях испытания (5,0…10,0 кгс/см²).

Например, если внутренний объем изделия составляет V_и=100,0 м³, а давление контрольного газа при испытании - Р_и=5,0 кгс/см², общий объем дренажируемого и перека-чиваемого в объем шара-баллона газа составляет (5+1)⋅100=600,0 нм³. Понятно, что даже при шестикратном повторении операции перевода контрольного газа из объема изделия и сжатия баллоне хранения, требуется шар-баллон вместительности не менее 100,0 м³.

Кроме того, недостатком является необходимость гелиевого компрессора, функционирующего при атмосферном давлении газа на входе. Большинство выпускаемых в нашей стране и за рубежом компрессоров функционируют при повышенном избыточном (не менее 0,5…3,0 кгс/см²) давлении газа на входе.

Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение - создание системы рекуперации гелия, в большей степени пригодных для применения в технологиях испытания на герметичность изделий с большими внутренними объемами и при относительно высоких давлениях контрольного газа при испытании.

Поставленная цель достигается тем, что согласно предлагаемому решению для рекуперации и повторного использования контрольных газов применяется установка, включающая линию дренажа газа из объема изделия по окончании испытания и линию подачи рекуперированного контрольного газа в объем изделия при повторном испытании, при этом линия дренажа состоит из двух параллельных линий: линии с установленными на ней последовательно компрессором и первой накопительной емкостью, причем, объем первой накопительной емкости сообщается через клапаны, газовый редуктор, фильтр и адсорбер с линией подачи сжатого газа в объем изделия, а также линии с установленными на ней последовательно вакуумным перекачивающим насосом и второй накопительной емкостью, соединенными клапанами, кроме того, внутри второй накопительной емкости смонтирован герметичный эластичный «мешок», к объему которого через клапаны подключены линия от выхлопного патрубка перекачивающего вакуумного насоса и линия, сообщающая герметичный эластичный «мешок» с входным патрубком компрессора первой линии, кроме того, объем первой накопительной емкости сообщен с линией входа газа в компрессор специальным трубопроводом с перепускным клапаном, а объем между оболочкой второй накопительной емкости и оболочкой герметичного эластичного «мешка» соединен через клапаны с линией подачи сжатого воздуха в этот объем, а на внутренних стенках второй накопительной емкости установлены чувствительные контактные датчики.

Предложенная схема рекуперации контрольного газа предполагает перевод его основной части из объема изделия в первую емкость накопления с помощью компрессора (до уровня минимального остаточного давления на входе компрессора), а остаточное количество переводится в объем герметичного эластичного «мешка» выхлопом и после достижения в объеме изделия атмосферного давления - с помощью вакуумного насоса, и затем после сжатия с помощью компрессора газ переводится в первую емкость накопления. Расчет показывает, что при полезном объеме «мешка» 25 м³, возможен полный перевод контрольного газа в количестве 600 нм³ из объема изделия при 4-х…5-ти кратном повторении операции перевода.

Такая схема рекуперации применяется в том случае, когда значение максимально возможного избыточного давления газа на выходе перекачивающего вакуумного (Р_вых.в)_max меньше значения минимально допустимого избыточного давления газа на входном патрубке компрессора (Р_вх.к)_min:

Если же, например, (Р_вых.в)_max≥(Р_вх.к)_min применяется схема рекуперации без использования второй накопительной емкости с эластичным «мешком».

Отличительными признаками предлагаемого технического решения являются:

- наличие в системе двух линий дренажа контрольного газа из объема изделия после испытания: первой - через перекачивающий компрессор и второй - через перекачивающий вакуумный насос с накопительными емкостями на каждой из линий, что обеспечивает возможность полного удаления из объема изделия контрольного газа по окончании его испытания;

- наличие в объеме второй накопительной емкости герметичного эластичного «мешка», к объему которого через клапан подключены линия перекачки контрольного газа из объема изделия вакуумным насосом и линия подачи накопленного контрольного на вход компрессора первой линии дренажа, что обеспечивает возможность перекачки контрольного газа из объема изделия от момента, когда прекращается возможность использования для этой цели компрессора, функционирующего при условии повышенного давления на входе, до полной откачки объема изделия;

- наличие линии, сообщающей объем первой накопительной емкости с магистралью на входе в перекачивающий компрессор, что позволяет поддерживать на входном патрубке компрессора необходимый для его нормального функционирования уровень давления газа;

- наличие линии подачи сжатого воздуха в объем между оболочкой второй накопительной камеры и оболочкой герметичного эластичного «мешка, что позволяет повышать давление газа в объеме «мешка» до уровня 0,3…3,0 кгс/см² и поддерживать на этом уровне при перекачке газа компрессором в первую накопительную, обеспечивая необходимые условия функционирования компрессора;

- наличие на внутренних стенках второй накопительной емкости чувствительных контактных датчиков, что обеспечивает защиту эластичного «мешка» от излишней деформации при наполнении перекачанным контрольным газом.

Благодаря указанным отличиям достигается повышенная эффективность рекуперации контрольного газа из объемов изделий более 50,0…100,0 м³ при использовании компрессоров, функционирующих при повышенном давлении газа на входе. Использование вакуумной перекачки контрольного газа из объемов изделий обеспечивает его минимальные потери при рекуперации.

Предлагаемые технические решения могут быть практически реализованы в технологиях контроля герметичности изделий ракетно-космической техники, в авиационной и судостроительной и ядерно-энергетической промышленности. Заявляемое решение промышленно применимо, т.к. предлагаемые технические средства могут быть изготовлены промышленным способом, решение осуществимо и воспроизводимо, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности - «промышленная применимость».

Сравнение заявляемого технического решения с уровнем техники по научно-технической литературе и патентным источникам показывает, что совокупность существенных признаков заявляемого решения не известна. Следовательно, оно соответствует условию патентоспособности - «новизна». Анализ известных технических решений в данной области техники показывает, что предлагаемое устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический эффект, следовательно, предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где показана схема установки рекуперации контрольного газа.

Установка включает линию дренажа использованного контрольного газа из объема изделия для рекуперации 1 и линию подачи рекуперированного контрольного газа для повторного технологического применения 2.

Линия дренажа 1 состоит из двух параллельных линий: линии 3 с установленными на ней компрессором 4 и первой накопительной емкостью 5, сообщающихся через клапаны 6 и 7, и линии 8 с установленными на ней перекачивающим вакуумным насосом 9 и второй накопительной емкостью 10, сообщающихся через клапаны 11 и 12. Контроль давления контрольного газа в первой накопительной емкости 5 выполняется манометром 13, контроль давления контрольного газа во второй накопительной емкости 10 выполняется манометром 14.. Внутри второй накопительной емкости 10 смонтирован герметичный эластичный «мешок» 15, к объему которого подключена линия дренажа газа 8. К объему между оболочкой накопительной емкости 10 и оболочкой герметичного эластичного «мешка» 15 подключена линия подачи давления сжатого воздуха через клапаны 16 и 17, газовый редуктор 18 и последующего дренажа воздуха через клапан 20. Давление за газовым редуктором 18 контролируется манометром 19. Линия подачи рекуперированного контрольного газа для повторного технологического применения 2 через клапаны 21, 22, 23 и газовый редуктор 24 включает адсорбционную ловушку паров влаги и масла 25 из подаваемого воздуха и фильтр для удаления механических загрязнений 26. Контроль давления на входе и выходе газового редуктора 24 осуществляется с помощью манометров 27 и 28. Линии контроля 29 подаваемого газа через клапан 30 на содержание паров влаги и масла, а также контроля газа на содержание механических загрязнений через клапан 31 предназначены для проверки степени чистоты газа на соответствие установленным требованиям перед повторным технологическим применением.

На внутренних стенках второй накопительной емкости 10 на поверхностях установлены чувствительные контактные датчики 32, срабатывание каждого из которых при контакте с внешней оболочкой раздувающегося при наполнении перекачиваемым контрольным газом герметичного эластичного «мешка» 15 сигнализирует о необходимости прекращения процесса перепуска газа из объема изделия в «мешок» или прекращения его перекачки вакуумным насосом 9.

Контроль давления на входном патрубке компрессора 4 выполняется манометром 37.

Объем первой накопительной емкости соединен с впускным патрубком компрессора 4 линией 38 с установленным на ней перепускным клапаном 36.

Рекуперация контрольного газа для повторного технологического применения с помощью предлагаемого технического устройства реализуется двумя возможными способами.

Первый способ реализации процесса рекуперации применяется в том случае, когда согласуются давления на выходе вакуумного перекачивающего насоса 9 - Р_вых.в и на входном патрубке компрессора 4 - Р_вх.к, т.е. когда значение максимально допустимого избыточного давления откачиваемого газа на выходе перекачивающего вакуумного насоса не меньше значения минимально допустимого избыточного давления газа на входном патрубке компрессора (Р_вых.в)_max≥(Р_вх.к)_min.

Первоначально выполняется операция перекачки газа из объема изделия по линиям 1 и 3 с помощью компрессора 4.

После окончания испытаний изделия на герметичность, при котором его внутренние объемы нагружались давлением контрольного газа (3,0…15,0 кгс/см²), сброс давления из объема изделия первоначально выполняется по линиям 1 и 3 через работающий компрессор 4 и клапаны 35, 6 и 7 до остаточного избыточного давления в объемах изделия, соответствующего возможности нормального его функционирования (давление избыточное ~(P_вх.к)_min=0,5…1,0 кгс/см²). Для этого включается компрессор 4, открываются клапаны 35, 3 и 7 и производится перекачка газа из объема изделия в накопительную емкость 5. Перекачка прекращается при понижении давления на входе в компрессор до уровня максимально допустимого значения давления газа на выходе перекачивающего вакуумного насоса (Р_вых.в)_max. При использовании вакуумных насосов винтового или когтевого типа (P_вых.в)_max=0,5…0,7 кгс/см². Включается вакуумный перекачивающий насос 9, открываются клапаны 11 12 и 33, включается компрессор 4, открываются клапаны 3 и 4, и производится откачка газа из объема изделия до минимального остаточного давления. При перекачке необходимое давление на входе в компрессор 4 поддерживается на уровне 0,5…0,7 кгс/см² дросселированием газа из емкости 5 открытием перепускного клапана 36. При этом возможно удаление газа из объемов изделия до остаточного давления 10^-1…5⋅10^-2 мм рт.ст.

Второй способ реализации процесса рекуперации применяется в том случае, когда значение максимально допустимого избыточного давления откачиваемого газа на выходе перекачивающего вакуумного насоса меньше значения минимально допустимого избыточного давления газа на входном патрубке компрессора т.е. когда .

Первоначально выполняется операция перекачки газа из объема изделия по линиям 1 и 3 с помощью компрессора 4.

Перед началом работы открывается клапан 16 и газовый редуктор 18 настраивается на давление, обеспечивающее возможность нормального функционирования компрессора 4 на его входной магистрали (давление избыточное ~1,0…3,0 кгс/см²). Контроль давления - по манометру 34.

После окончания испытаний изделия на герметичность, при котором его внутренние объемы нагружались давлением контрольного газа, сброс давления из объема изделия первоначально выполняется по линии 3 через работающий компрессор 4 и клапаны 6 и 7 до остаточного избыточного давления в объемах изделия, соответствующего возможности нормального его функционирования (давление избыточное ~1,0…3,0 кгс/см²). После закрытия клапанов 6 и 7 и останова компрессора 4 перевод газа из объема изделия первоначально производится при использовании перепада давления 1,0…3,0 кгс/см²: при этом открываются клапаны 35, 6, 33 и 39, и объем герметичного эластичного «мешка» 15 увеличивается до момента соприкосновения внешней его поверхности с каким-либо из контактных датчиков 32, по сигналу датчика 32 клапаны 6, 35, 33 и 39 закрываются, открываются клапаны 16, 17, ив объем между внутренней поверхностью второй накопительной емкости 10 и наружной поверхностью герметичного эластичного «мешка» 15 подается давление воздуха до достижения настроечного давления газового редуктора 18 (давление избыточное ~1,0…3,0 кгс/см²), после чего включается компрессор 4, открывается клапаны 39, 33, 7, и производится перекачка контрольного газа из объема герметичного эластичного «мешка» 15 в объем первой накопительной емкости 5. Клапаны 39, 33 и 7 закрываются по истечении времени, требуемого для перекачки всего объема газа, первоначально заполняющего герметичный эластичный «мешок» 15, и компрессор 4 выключается. Дренажный клапан 20 открывается и давление в объеме между внутренней поверхностью второй накопительной емкости 10 и наружной поверхностью герметичного эластичного «мешка» 15 понижается до атмосферного значения, дренажный клапан 20 закрывается. Операция заполнения «мешка» 15 и перекачки его в объем первой накопительной емкости 5 повторяется, пока давление в объеме изделия не понизится до атмосферного значения. Дальнейшая перекачка контрольного газа из объема изделия выполняется с помощью вакуумного перекачивающего насоса 9, после включения которого открываются клапаны 35, 11, 12 и 39, и происходит наполнение объема герметичного эластичного «мешка» 15 до момента соприкосновения внешней его поверхности с каким-либо из контактных датчиков 32, после чего закрываются клапаны 11 и 12 и выключается вакуумный перекачивающий насос 9. Операция перекачки газа насосом 9 продолжается до полного удаления контрольного газа из объема изделия.

Перед повторным использованием накопленный в емкости 5 газ пропускается через адсорбер 25, очищаясь от паров влаги и органических загрязнений, а также через фильтр 26 для удаления механических загрязнений. Газовым редуктором 24 устанавливается требуемое давление газа, а контроль чистоты производится на содержание влаги, органических и механических загрязнений осуществляется через клапаны 30 и 31.