СИЛЬФОННЫЙ КОМПЕНСАТОР
EXPANSION JOINT

Изобретение относится к ракетостроению и может быть использовано для соединения фланцев входных магистралей жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с фланцами трубопроводов или баков ракет носителей (РН).
Известен трубопроводный компенсатор линейных перемещений (Патент США от 16.07.70 г. - аналог патента Швейцарии №528698 от 14.07.71 г.), в описании которого представлен трубопровод, устанавливаемый на входе в пароперегреватель. Он состоит из трубопроводов, сильфонов и среднего патрубка, один из трубопроводов имеет опоры, к которым прикреплено коромысло. Коромысло одной тягой соединено с другим трубопроводом, а другой тягой - с промежуточным патрубком. Механизм трубопроводного компенсатора в соединении трубопроводов позволяет равномерно нагружать оба сильфона при перемещении одного из трубопроводов.
Недостатком известного трубопроводного компенсатора является возможность поворота соединений коромысла только в одной плоскости, а также наличие двух коромысел в потоке рабочей среды, что загромождает тракт промежуточного патрубка и создает повышенное сопротивление потоку.
Известен шарнирный сильфонный компенсатор (Патент ФРГ №1218821 от 08.01.59 г.). Трубопровод сильфонного компенсатора содержит четыре сильфона, последовательно соединенные между собой через патрубки. Трубопровод соединяется с системой трубопроводов посредством двух фланцев. Фланцы соединены друг с другом через промежуточный третий фланец посредством тяг, которые в местах соединения с первыми двумя фланцами имеют шаровые опоры.
Трубопровод такой конструкции позволяет компенсировать осевые, угловые и поперечные перемещения ветвей контуров энергетической установки.
В описании приведены две конструкции гибкого трубопровода с тремя сильфонами, позволяющими компенсировать линейные перемещения, возникающие в системе трубопроводов, за счет поперечного параллельного смещения концов.
Конструкция обладает наилучшей надежностью, т.к. в ней сильфоны работают только на изгиб.
Известный шарнирный сильфонный компенсатор устраняет недостатки предыдущего аналога, обеспечивая компенсацию практически всех возможных перемещений соединяемых фланцев трубопроводов.
Кроме того, тяги в данном сильфонном компенсаторе вынесены из потока рабочей среды и в местах соединения с фланцами трубопроводов имеют шаровые опоры, что создает благоприятные условия для потока.
Однако данный сильфонный компенсатор содержит большое количество разгрузочных устройств сильфонов, что усложняет и утяжеляет его конструкцию. Кроме того, в известном техническом решении угловые сильфоны изначально находятся в напряженном состоянии, что снижает их надежность при работе изделия.
Известен разгруженный давлением шарнир для трубопроводных систем (Патент США №3198558 от 29.04.63 г.), в котором компенсатор соединяет расположенные под прямым углом трубопроводы и состоит из корпуса, соединенного с помощью универсального шарнира, металлических сильфонов и крышек с патрубком.
Компенсатор имеет дублирующее уплотнительное устройство, состоящее из двух фланцев, между которыми установлена уплотнительная прокладка. Положение прокладки устанавливается с помощью винтов. Прокладка одновременно выполняет роль виброгасителя. Применение сильфонов с равными эффективными диаметрами и образующих разгрузочную камеру, позволяет разгрузить трубопроводы от неуравновешенных сил. Разгружающий элемент включает в себя бесконечный трос.
В данном устройстве-аналоге корпус и входящие детали выполнены толстостенными и изготавливаются литьем, вследствие чего конструкция в целом массивна, что является большим ограничением для установки компенсатора на ракетах носителях и ЖРД.
Известен усиленный гибкий сильфонный узел (Патент США №2707117 от 03.02.48 г.) высокого давления и трубопровод, включающий указанный узел или несколько таких узлов. Конструкция компенсатора состоит из сильфона, герметично соединенного с фланцами. Фланцы шарнирно соединены тягами, длина которых регулируется гайкой с двухсторонней левой и правой резьбами. Тяги крепятся к опорным кольцам компенсатора с помощью болтов.
Сильфон усилен армированными кольцами. Между кольцами имеется зазор, в пределах которого осуществляется компенсация угловых, линейных и поперечных перемещений. Торцы колец имеют небольшую конусность. Отверстия в середине кольца имеют коническую форму, что обеспечивает качание тяг внутри отверстий в пределах его конусности.
Известный сильфонный узел имеет большое количество гофров в сильфоне, что требует применения массивных высокопрочных армированных колец и наружных пружин, что приводит к увеличению массы конструкции.
Кроме того, данное устройство не позволяет осуществить компенсацию отклонений в расположенных под прямым углом фланцах трубопроводов, а применение двух и более сильфонных узлов требует для своего размещения значительный пространственный промежуток.
Известен самоуравновешивающийся компенсатор линейных и угловых перемещений (авторское свидетельство №72.100, МПК F16L от 09.10.1972 г., Россия, прототип).
Компенсатор включает магистральный сильфон 1 (фиг. 1), патрубок 2 с приваренной втулкой 3, разгрузочный элемент 4, центрирующие опоры 5, сферический шарнир 6. Ответные части шарнира 6 соединены с силовым кольцом 7 магистрального сильфона 1 и со штоком 8 разгрузочного элемента.
Отличительной особенностью данного компенсатора является применение центрирующей опоры, которая стабилизирует работу магистрального сильфона.
Недостатками сильфонного компенсатора - прототипа являются:
- наличие одного сферического шарнира, а также двух центрирующих опор, которые фиксируют шток в осевом направлении и не позволяют ему менять свое угловое расположение, что ограничивает компенсирующие возможности устройства, а также не устраняет полностью изгибающего момента между стыками сильфонного компенсатора от действия усилий соединяемых им конструкций;
- отсутствие второго магистрального сильфона, расположенного под прямым углом к первому, не обеспечивает его координаты (габаритного размера) во взаимно перпендикулярном направлении;
- разгрузочный элемент, в том числе и сильфон, компенсатора по периферии не имеют защитного направляющего кожуха, что снижает надежность их работы при воздействии давлений рабочей среды;
- магистральный сильфон компенсатора не содержит устройств (стяжек, фланцев), позволяющих осуществить его фиксацию от растяжения-сжатия, что ухудшает условия монтажа компенсатора между жестко установленными фланцами соединяемых конструкций;
- отсутствие в сильфонном компенсаторе устройства, обеспечивающего фильтрацию рабочей среды, протекающей через него,  не обеспечивает чистоту последней;
- выполнение стыков сильфонного компенсатора с разделкой под сварку не позволяет демонтировать его с изделия после установки;
- наличие нерегулируемого сферического шарнира.
Осуществить установку двух таких шарниров по концам штока без регулируемых сферических опор или устройств, компенсирующих отклонение их взаимного расположения, не представляется возможным.
Задачи предлагаемого технического решения состоят в расширении возможностей сильфонного компенсатора при компенсации угловых и линейных перемещений фланцев бака топливного компонента ракеты носителя и жидкостного ракетного двигателя, в улучшении условий монтажа двигателя в изделие, в повышении надежности работы разгрузочного элемента, в обеспечении чистоты топливного компонента, протекающего через сильфонный компенсатор, в обеспечении монтажа его на двигателе в доводочном и летном исполнении, в повышении надежности работы сферических шарниров.
Поставленные задачи достигаются тем, что в предлагаемом сильфонном компенсаторе, содержащем магистральные сильфоны, патрубок с приваренной втулкой, разгрузочный элемент, центрирующие опоры, сферические шарниры, шток, согласно изобретению магистральные сильфоны расположены под прямым углом друг к другу, соединены между собой и разгрузочным элементом при помощи тройника, при этом на входе в горизонтальный магистральный сильфон установлен патрубок со втулкой, содержащей одну центрирующую опору со сферическим шарниром, а разгрузочный элемент снабжен второй центрирующей опорой со сферическим шарниром во втулке патрубка; вертикальный магистральный сильфон выполнен монтажным, т.е. с накидными фланцами и регулируемыми стяжками, фиксируемыми по длине при помощи гаек и контргаек; сильфон, подвижные и неподвижные кольца сильфона помещены в защитный направляющий цилиндрический кожух; горизонтальный магистральный сильфон снабжен накидными фланцами с установленными между ними регулируемыми технологическими стяжками, демонтируемыми после монтажа двигателя в изделие, а на входе в патрубок установлен полусферический фильтр, закрепленный при помощи втулки и сварки; фланец на выходе выполнен с возможностью разъемного, а затем неразъемного соединения с двигателем; сферические опоры выполнены из двух частей, одна из которых поджата к сферическому шарниру резьбовой втулкой, в торцах сферических шарниров выполнены радиальные пазы, в которые установлены шплинты, входящие в отверстия штока.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен сильфонный компенсатор-прототип, где:
1 - магистральный сильфон;
2 - патрубок;
3 - втулка;
4 - разгрузочный элемент;
5 - центрирующие опоры;
6 - сферический шарнир;
7 - силовое кольцо;
8 - шток.
На фиг. 2 представлен главный вид на жидкостный ракетный двигатель, на входе окислителя в который установлен сиьфонный компенсатор, где:
9 - жидкостный ракетный двигатель (ЖРД);
А - выносной элемент с агрегатами магистрали входа «О»;
На фиг. 3 приведена магистраль входа «О» ЖРД, где:
10 - сильфонный компенсатор;
11 - клапан пуска «О»;
12 - бустерный турбонасосный агрегат окислителя (БТНАО);
12а - турбонасосный агрегат (ТНА).
На фиг. 4 показан предлагаемый сильфонный компенсатор, где:
13 - горизонтальный магистральный сильфон;
14 - вертикальный магистральный сильфон;
15 - патрубок;
16 - втулка;
17 - разгрузочный элемент;
18, 19 - центрирующие опоры;
20, 21 - сферические шарниры;
22 - шток;
22а - дренажные отверстия;
23 - тройник;
24 - накидные фланцы;
25 - регулируемые стяжки;
26 - гайка;
27 - контргайка;
28 - сильфон разгрузочного элемента;
29, 30 - подвижные кольца;
31 - неподвижное кольцо;
31a - защитный направляющий цилиндрический кожух;
32 - накидные фланцы горизонтального магистрального сильфона;
33 - регулируемые технологические стяжки;
34 - накидной самоустанавливающийся фланец;
35 - полусферический фильтр;
36 - втулка;
37 - фланец на выходе из сильфонного компенсатора;
38 - резьбовое соединение;
39 - шплинт;
40, 41 - сферические части опор;
42 - резьбовая втулка;
43, 44 - торцы сферических шарниров;
45, 46 - радиальные пазы;
47, 48 - отверстия штока.
42 - резьбовая втулка;
43, 44 - торцы сферических шарниров;
45, 46 - радиальные пазы;
47, 48 - отверстия штока.
На фиг. 5 изображено соединение сильфонного компенсатора с фланцем бака изделия, где:
49 - фланец самоустанавливающийся;
49а - фланец блока изделия;
50 - шпилька;
51 - шайба;
52 - гайка;
53 - плоская металлическая прокладка.
На фиг. 6 приведен выносной элемент места закрепления полусферического фильтра на выходе из сильфонного компенсатора, где:
54 - втулка;
- сварной шов.
На фиг. 7 представлена конструкция стыковочного фланца сильфонного компенсатора на его выходе, где:
55 - разделка под сварку;
56 - упорный торец;
57 - бурт под накидной фланец.
На фиг. 8 изображено разъемное соединение сильфонного компенсатора с клапаном пуска «О», где:
58, 59 - накидные фланцы;
60 - стальное омедненное уплотнительное кольцо;
61 - шпилька;
62 - шайба;
63 - гайка.
На фиг. 9 изображено сварное соединение сильфонного компенсатора с клапаном пуска «О» двигателя летно-космического исполнения (ЛКИ).
На фиг. 10 приведен выносной элемент с увеличенным видом на сферический шарнир по фиг. 4, а также на сопрягаемые с ним детали.
Сильфонный компенсатор 10 (фиг. 3) устанавливается между жидкостным ракетным двигателем 9 (фиг. 2) и фланцем бака изделия 49а (фиг. 5) и содержит горизонтальный магистральный сильфон 13, вертикальный магистральный сильфон 14, патрубок 15 с приваренной втулкой 16, разгрузочный элемент 17, центрирующие опоры 18, 19, сферические шарниры 20, 21, шток 22.
Магистральные сильфоны 13 и 14 расположены под прямым углом друг к другу, соединены между собой и разгрузочным элементом 17 при помощи тройника 23 (фиг. 4).
Максимально возможное число степеней свободы перемещения стыковочного фланца патрубка 15 на входе в сильфонный компенсатор относительно фланца 37 на его выходе составляет 6 (шесть).
На входе в горизонтальный магистральный сильфон 13 установлен патрубок 15 с втулкой 16, содержащей центрирующую опору 18 со сферическим шарниром 20.
Разгрузочный элемент 17 снабжен второй центрирующей опорой 19 со сферическим шарниром 21.
Сферические шарниры 20, 21 соединены между собой посредством штока 22.
Вертикальный магистральный сильфон 14 (фиг. 4) выполнен с накидными фланцами 24, соединенными регулируемыми стяжками 25, длина которых и координата Х выполняется при помощи заворачивания или отворачивания гаек 26 и фиксируется установкой контргаек 27.
Сильфон разгрузочного элемента 28, подвижные кольца 29, 30 и неподвижное кольцо 31 разгрузочного элемента 17 помещены в защитный направляющий цилиндрический кожух 31а.
Горизонтальный магистральный сильфон 13 снабжен накидными фланцами 32 с установленными между ними регулируемыми технологическими стяжками 33.
Сильфонный компенсатор разработан для следующих рабочих условий:
2
- максимальное рабочее давление в магистрали с учетом гидроудара составляет 16 кг/см;
- температура транспортируемого кислорода находится в диапазоне от 90 К до 325 К;
- максимальная компенсация линейных перемещений между фланцем бака изделия и клапаном пуска «О» двигателя вдоль оси Х должна быть не менее 4 мм;
- компенсация монтажных неточностей между двигателем и изделием вдоль оси Х - не более 7,5 мм, вдоль оси Y - не более 3,5 мм.
При изготовлении патрубка 15, тройника 23, защитного кожуха 31а использован листовой материал толщиной 2 мм из стали 12Х18Н10Т.
Технологические стяжки 33 необходимы для транспортировки сильфонного компенсатора 10, а также для установки его координаты Y и, при необходимости, поднастройки при монтаже в изделие. После монтажа сильфонного компенсатора между ЖРД 9 и фланцем бака изделия 49а технологические стяжки 33 и накидные фланцы 32 демонтируются с изделия.
Горизонтальный и вертикальный магистральные сильфоны 13, 14, а также сильфон 28 разгрузочного элемента 17 представляют собой многослойные гофрированные оболочки вращения, состоящие из четырех слоев толщиной 0,3 мм каждый, изготовленные из стали 12Х18Н10Т.
На входе в патрубок 15 установлен накидной самоустанавливающийся фланец 34, при помощи которого (фиг.5) производится соединение сильфонного компенсатора 10 с фланцем бака изделия 49а через плоскую металлическую прокладку 53.
На выходе из вертикального магистрального сильфона 14 (фиг. 6) установлен полусферический фильтр 35, закрепленный при помощи втулки 36 и сварного шва .
На выходе из сильфонного компенсатора фланец 37 (фиг. 7) конструктивно выполнен с возможностью разъемного (фиг. 8), а затем неразъемного (фиг. 9) соединения с клапаном пуска «О» 11 (фиг. 3). Для разъемного соединения применяемого на двигателе стендового исполнения, на фланце 37 выполнен бурт под накидной фланец 57, а для неразъемного сварного соединения, применяемого для поставочного исполнения (ЛКИ), выполнена разделка под сварку 55 и упорный торец 56.
Разъемное соединение сильфонного компенсатора с клапаном пуска «О» (фиг. 8) осуществлено при помощи стяжных накидных фланцев 58, 59, крепежных деталей 61, 62, 63 с установкой стального омедненного уплотнительного кольца 60 в пространстве по типу «замка». Такое соединение применено на двигателе исполнения для КТИ (контрольно-технического испытания) на стенде.
Неразъемное соединение сильфонного компенсатора с клапаном пуска «О» (фиг. 9) при помощи сварного шва  произведено без стального омедненного уплотнительного кольца 60. Данное соединение применено на двигателе исполнения для ЛКИ (летно-космические испытания).
Сферические шарниры 20, 21 соединены со штоком 22 при помощи резьбовых соединений 38 и закреплены посредством шплинтов 39 (фиг. 4, выносной элемент Д, фиг. 10). Опоры для сферических шарниров 20, 21 выполнены из двух сферических частей 40 и 41, одна из которых (поз. 40) поджата к сферическому шарниру резьбовой втулкой 42.
В торцах сферических шарниров 43 и 44 выполнены радиальные пазы 45 и 46 соответственно, в которые установлены шплинты 39, входящие в отверстия 47, 48 штока 22.
Сильфонный компенсатор 10 работает следующим образом.
На собранном сильфонном компенсаторе (фиг. 4) производят установку его координат: при помощи регулируемых стяжек 25 путем сжатия или растяжения вертикального магистрального сильфона 14 выдерживают координату Х с заданным допуском, а путем сжатия или растяжения горизонтального магистрального сильфона 13 обеспечивают координату Y согласно сборочному чертежу.
Собранный сильфонный компенсатор 10 устанавливают на ЖРД 9 (фиг. 2) во входной магистрали «О» (фиг. 3) и закрепляют на клапане пуска «О» 11.
На двигателе исполнения КТИ крепление производится согласно фиг. 8, а на двигателе исполнения ЛКИ - согласно фиг. 9. Вход в патрубок 15 устанавливается и проверяется в стапеле (не показан). При необходимости выполняются дополнительные регулировки координат Х и Y, но уже в составе двигателя с обеспечением координат входа «О» в двигатель с точностью ±0,5 мм.
2
После монтажа на изделии или стенде согласно фиг. 5 перед огневым испытанием проводится демонтаж ДСЕ поз. 32, 33 и заливка кислородом магистрали входа «О» до мембраны клапана пуска «О» без избыточного давления. На изделии бак «О» наддувается гелием с избыточным давлением ~3-4 кг/см и, после вскрытия мембраны клапана пуска «О», на запуске двигателя кислород через сильфонный компенсатор 10 поступает в двигатель. Низкая температура кислорода ~94 К, меняющийся объем кислорода в баке вследствие расходования этого компонента, влияние перегрузки и других факторов вызывают перемещения фланца 49а, а также скрепленных с ним ДСЕ поз. 49 и 15 вдоль оси изделия в то время, как выход из сильфонного компенсатора практически неподвижно закреплен на двигателе.
В результате происходит изгибание горизонтального магистрального сильфона 13 и изменение углового расположения штока 22 вследствие проворота сферических шарниров 20, 21, закрепленных по его концам в сферических частях 40 41 центрирующих опор 18, 19. Шток 22, соединяющий патрубок 15 с разгрузочным элементом 17, обеспечивает целостность магистральных сильфонов и всего сильфонного компенсатора от раздавливания внутренним давлением топливного компонента.
Вследствие изгибания горизонтального магистрального сильфона 13 нагрузка от жидкостного ракетного двигателя 9 на фланец бака изделия 49а практически не передается и разрушения элементов двигателя и изделия не происходит. Этому способствует и возникающая при работе сильфонного компенсатора деформация растяжения-сжатия сильфона 28 разгрузочного элемента 17.
Помимо основного назначения сильфонного компенсатора по компенсации перемещений взаимного расположения фланца бака изделия 49а и ЖРД 9 на него возложена функция по фильтрации протекающего кислорода от загрязнений частицами металлической стружки и другого сора, которые при попадании в зазоры между вращающимися деталями (шнеком, крыльчаткой) БТНАО и турбонасосного агрегата, могут вызвать затирание, разогрев металла и возгорание. Полусферический фильтр 35 пропускает частицы диаметром не более 0,2 мм и тем самым позволяет избежать указанной аварийной ситуации.
Нагревание кислорода в полости «П» между втулкой 42 и сферическим шарниром 20 от трения его со сферическими частями опор 40, 41 или под воздействием окружающей среды предотвращается поступлением холодного кислорода в нее через дренажные отверстия 22а в сферическом шарнире 20.
Основными положительными эффектами предлагаемого сильфонного компенсатора являются следующие:
- повышение надежности устройств соединения бака окислителя изделия с жидкостным ракетным двигателем за счет компенсации угловых и линейных перемещений фланцев бака изделия и ЖРД, а также исключения передачи изгибающего момента от ЖРД на бак изделия;
- обеспечение координат по входу «О» в двигатель с высокой точностью и улучшение условий монтажа ЖРД в изделие без дополнительных регулировок;
- повышение надежности разгрузочного элемента путем помещения сильфона и входящих в него деталей в защитный направляющий кожух;
- фильтрация компонента топлива с высокой степенью его очистки от частиц загрязнений;
- повышение надежности работы сферических шарниров и центрирующих опор путем выполнения взаимодействующих с ними сферических опор из двух частей и поджатием одной из них резьбовой втулкой, компенсации при этом технологических отклонений при изготовлении деталей;
- исключение отворачивания сферических шарниров от штока за счет установки шплинтов в их радиальных шлицах, выполненных на торцах шарниров и отверстиях по концам штока.
Сильфонный компенсатор позволил, несмотря на смещение входа «О» во вновь разработанном двигателе с оси изделия, унифицировать днище бака модернизируемой ракеты с расположением фланца бака по ее оси.