УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТИ УДАЛЕНИЯ ЧАСТИЦ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ИЗ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ РАКЕТНЫХ БЛОКОВ ПРИ ОЧИСТКЕ БАКОВ ПУТЕМ НАПОЛНЕНИЯ И СЛИВА РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к области моделирования закономерностей удаления частиц загрязнений из баков с ограниченным доступом во внутренние полости при очистке баков путем наполнения и слива рабочей жидкости, в частности, топливных баков ракетных блоков (ступеней ракет) при подготовке их к стендовым испытаниям, и может быть использована в авиационной и других областях техники, к изделиям которых предъявляются высокие требования по ограничению содержания механических загрязнений.
При изготовлении топливных баков для ракетных блоков в заводских условиях очистку баков от механических загрязнений осуществляют путем наполнения и слива рабочей жидкости, чистота которой должна соответствовать заданным требованиям. При этом подача жидкости должна обеспечивать при промывке трех-четырехкратную смену в очищаемой емкости. Для повышения эффективности очистки заполненного рабочей жидкостью бака в заводских условиях используются методы, способствующие эффективному отделению частиц загрязнений от поверхности бака, например, путем его поворотов, вращения, наклона, применения вибраций, барботирования жидкости газом, а также использования жидкостей с поверхностно-активными веществами (ПАВ). При этом загрязнения удаляются с жидкостью (см. П.Н. Белянин, В.М. Данилов. Промышленная чистота машин. М: Машиностроение, 1982, стр.123, 124).
Топливные баки после изготовления и очистки поступают на сборку ракетного блока.
После сборки ракетный блок (ступень ракеты) поступает с завода-изготовителя на испытательный стенд, где устанавливается вертикально и при подготовке его к проведению стендовых испытаний, в соответствии с требованиями заказчика, определяется степень загрязненности топливных баков путем заправки в них рабочей жидкости и последующего ее слива через контрольный фильтр, и, в случае необходимости - проводится очистка баков от механических загрязнений в условиях испытательного стенда.
В связи со стационарным жестким закреплением ракетного блока на стенде перечень средств и способов, интенсифицирующих процесс очистки топливных баков, например, таких как вибрация и вращение блока во время очистки, ограничен.
Применительно к условиям подготовки к испытаниям изделий РКТ, включающих баки, используется метод подачи в топливный бак ракетного блока, закрепленного вертикально на стенде, рабочей жидкости (заданного объема ракетного топлива) с последующим сливом и оценкой содержания загрязнений в слитой жидкости. Для интенсификации удаления частиц загрязнений применяют методы турбулизации залитой в бак жидкости, например, путем барботажа - подачи газа в жидкость. В связи с тем, что баки изделий, поступающих на испытания, имеют различную загрязненность (различное неизвестное содержание загрязнений), то, после наполнения и слива содержание загрязнений в баке хотя и снижается, тем не менее, остается неизвестным. Вследствие этого спрогнозировать необходимое количество наполнений и сливов и потребное количество рабочей жидкости невозможно, так как неизвестно количество оставшихся в баке загрязнений. Кроме того, неизвестно количество загрязнений, вносимых в бак при наполнении его рабочей жидкостью при очистке. Это приводит к повышению трудоемкости проведения очистки топливного бака и дополнительным материальным затратам, связанным с увеличением расхода дорогостоящей рабочей жидкости - ракетного топлива.
Необходимость повышения технологического уровня проведения стендовых испытаний ракетных блоков и совершенствования существующих методов подготовки испытаний, особенно в условиях ограничения финансирования, выдвигает задачу проведения исследований, результаты которых позволят разработать рекомендации и предложения по организации и проведению эффективной очистки топливных баков ракетных блоков в условиях испытательных комплексов при подготовке стендовых испытаний. Проведение исследований с использованием натурных объектов - топливных баков ракетных блоков, вследствие больших финансовых и трудовых затрат, не представляется возможным. Кроме того, следует учесть, что, как отмечено выше, неизвестным является важный параметр - начальная загрязненность бака. Это вносит существенные трудности в проведении исследований с использованием натурных объектов. Наиболее приемлемый путь - проведение исследований на модельных устройствах. Указанная трудность может устраняться путем использования метода ввода в модельную емкость известного количества искусственных загрязнений. Исследования на модельных устройствах проводятся с целью получения результатов, которые могут быть использованы для разработки рекомендаций по очистке топливных баков ракетных блоков.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в создании устройства для моделирования закономерности удаления частиц загрязнений из топливных баков при их очистке, например, при подготовке к проведению стендовых испытаний ракетных блоков.
Это достигается тем, что полезная модель содержит модельную емкость цилиндрической формы, внутри которой размещена сменная вставка с заданной шероховатостью и устройство ввода газа в рабочую жидкость, причем емкость соединена с трубопроводом слива рабочей жидкости и с трубопроводами от источника подачи рабочей жидкости, источника подачи газа, а устройство ввода газа в рабочую жидкость соединено с трубопроводом от источника подачи газа.
Кроме того, трубопровод слива рабочей жидкости содержит контрольный фильтр, расходомер жидкости; трубопровод от источника подачи рабочей жидкости содержит устройство ввода искусственных загрязнений, а трубопровод от источника подачи газа, соединенный с устройством ввода газа в рабочую жидкость, содержит устройство измерения расхода.
Сущность полезной модели заключается в том, что она позволяет моделировать закономерность удаления частиц загрязнений из бака при очистке топливного бака путем наполнения бака рабочей жидкостью и последующего слива. По результатам очистки (удаления из бака частиц загрязнений), после сравнения эффективности очистки при различных условиях, можно определять оптимальные условия для очистки конкретного топливного бака.
На чертеже представлено устройство для моделирования закономерности удаления частиц загрязнений из емкости, моделирующей топливный бак ракетного блока, установленного неподвижно на испытательном стенде.
Устройство включает модельную емкость 1 цилиндрической формы, внутри которой размещают сменную вставку 2, моделирующую внутреннюю поверхность конкретного топливного бака с заданной шероховатостью, и устройство 3 ввода газа в жидкость для создания режима барботажа. К нижнему днищу емкости подсоединен трубопровод слива 4 рабочей жидкости, содержащий контрольный фильтр 5, расходомер 6. К трубопроводу слива 4 подсоединен трубопровод 7, соединенный с уровнемером 8.
К верхнему днищу модельной емкости подсоединены трубопровод 9 от источника подачи рабочей жидкости (воды), содержащий устройство 10 ввода искусственных загрязнений, трубопровод 11 от источника подачи газа (воздуха) к устройству 3 ввода газа в жидкость, содержащий устройство 12 измерения расхода, например, в виде мерной шайбы, трубопровод 13 от источника подачи газа в модельную емкость, трубопровод 14 к дренажному вентилю 18, трубопровод 15 к манометру 19, трубопровод 16 к предохранительному клапану 20.
Для управления режимами работы устройство включает элементы управления - вентили и контроля - манометры.
Устройство работает следующим образом.
0
1
Определение с использованием моделирования закономерности удаления частиц загрязнений из баков с ограниченным доступом во внутренние полости при очистке баков путем наполнения и слива рабочей жидкости, например, топливных баков ракетных блоков при подготовке блоков к стендовым испытаниям проводят в следующем порядке. Предварительно определяют шероховатость внутренней стенки натурного топливного бака ракетного блока и размещают в модельную емкость 1 сменную вставку 2 с измеренной площадью и с заданной шероховатостью. Выбирают тип (материал и размеры частиц) искусственных загрязнений и размещают в устройство ввода 10 заданную массу М частиц загрязнений. Открывают вентиль 17 трубопровода 9 подачи рабочей жидкости, вентиль 18 дренажного трубопровода 14 и вентиль 28 трубопровода 7 к уровнемеру 8. Рабочая жидкость поступает в модельную емкость 1. При этом в трубопровод вводят искусственные загрязнения с использованием устройства 10. После поступления в емкость 1 заданного объема жидкости V (контроль по уровнемеру 8) вентили 17, 28 закрывают и производят барботаж жидкости, заправленной в модельную емкость. Открывают вентиль 27, настраивают редуктор 26 трубопровода подачи газа 11 на заданное выходное давление при барботаже жидкости. Открывают вентиль 25 трубопровода подачи газа в устройство 3 ввода газа в жидкость, контроль - по манометрам 21, 22, 23. Газ проходит через мерное устройство 12, трубопровод подачи в устройство 3 и затем - в модельную емкость 1, где происходит перемешивание жидкости с введенными частицами искусственных загрязнений. Контроль - по манометрам 19, 21. Продолжительность подачи воздуха определяется задачами эксперимента. После окончания барботажа вентили 18, 25 закрывают.
Проводят слив рабочей жидкости из модельной емкости. Настраивают редуктор 26 на заданное выходное давление при сливе жидкости из емкости, определяемое задачами на эксперимент. Открывают вентиль 24 трубопровода подачи воздуха 13. Контроль - по манометрам 19, 22. Открывают вентили 29,30 трубопровода слива. Рабочая жидкость поступает по трубопроводу через контрольный фильтр 5, расходомер 6, контроль - по манометрам 19, 22, 31. 32 и по показаниям расходомера 6.
1
После слива закрывают вентили 24, 29, 30 и открывают вентиль 18, контроль - по манометру 19. Снимают контрольный фильтр 5, производят его демонтаж и, после соответствующей обработки, определяют массу загрязнений ΔM, удаленных из бака и осажденных на фильтрующем элементе контрольного фильтра 5.
Для повышения достоверности и точности определения аналогично проводят второй цикл очистки путем наполнения и слива, отличающийся от первого тем, что искусственные загрязнения при наполнении модельной емкости в жидкость не вводят. При этом продолжительность и режимы барботажа и слива рабочей жидкости аналогичны режимам при первом цикле очистки
2
2
По результатам второго цикла определяют объем жидкости V, заправленной, а затем слитой из модельной емкости, массу частиц загрязнений ΔM, удаленных из емкости и осажденных на фильтрующем элементе контрольного фильтра.
Определяют связь массы загрязнений ΔM, удаленных из емкости при сливе, и объема V слитой жидкости, например, в виде выражения
При этом, для первого цикла очистки «наполнение-слив», в виде
для второго цикла - в виде
Для последующих циклов - в виде
0
1
2
1
2
0
где M - масса частиц искусственных загрязнений, введенных в рабочую жидкость (в модельную емкость) при первом наполнении, ΔM - масса частиц искусственных загрязнений, удаленных из емкости и осажденных на фильтрующем элементе контрольного фильтра при первом сливе рабочей жидкости из модельной емкости. ΔM - масса частиц искусственных загрязнений удаленных из емкости и осажденных на фильтрующем элементе контрольного фильтра при втором сливе рабочей жидкости из модельной емкости, V - объем рабочей жидкости, слитой из модельной емкости при первом сливе (при проведении первого цикла очистки емкости). V - объем рабочей жидкости, слитой из модельной емкости при втором сливе (при проведении второго цикла очистки емкости), A - коэффициент, определяемый по результатам измерений с использованием выражений (1,2).
0
0
n
n
Выражение (3), включающее значение начальной массы загрязнений M в модельной емкости и значение коэффициента A, характеризует закономерность удаления загрязнений из модельной емкости при очистке емкости методом «наполнение-слив» при выбранных условиях и служит основой для оценки объема жидкости V, необходимого для использования с целью удаления из бака массы загрязнений ΔM (до допустимого их содержания).
После проведения аналогичных экспериментов с изменением шероховатости сменной вставки, расходов рабочей жидкости при сливе, характеристик барботажа (продолжительности подачи и расхода воздуха при барботаже), начальной массы вводимых в емкость искусственных загрязнений и их характеристик (плотности материала и размеров частиц) получают информацию о закономерностях удаления частиц загрязнений при очистке емкости циклами «наполнение-слив» при различных условиях.
Использование полезной модели позволяет моделировать процессы очистки - удаления частиц загрязнений из топливных баков, устанавливать закономерность удаления частиц загрязнений из баков, что дает возможность определять количество циклов «наполнение-слив», необходимое для достижения заданной чистоты бака (допустимого содержания частиц загрязнений), выбирать наиболее экономически обоснованный режим очистки, в частности, в условиях испытательных комплексов при подготовке и проведении стендовых испытаний ракетных блоков, что позволит, в свою очередь, снизить финансовые и трудовые затраты на отработку сложных дорогостоящих изделий.