СИСТЕМА УДЕРЖАНИЯ ТРУБОК
PIPE SUPPORTING SYSTEM

Изобретение относится к системе удержания по меньшей мере одной трубки, в частности трубки, подвергающейся действию сил, стремящихся сместить ее относительно конструкции, на которой ее крепят. Такие силы могут возникать, в частности, по причине ускорений этой конструкции и/или тепловых расширений или сжатий, которым подвергается (или подвергаются) трубка и/или конструкция, и турбулентности потока газа.
В данном документе изобретение будет описано для случая одной (единственной) трубки; однако понятно, что изобретение можно также применять для системы удержания, предназначенной для удержания нескольких отличных друг от друга трубок.
Важной областью применения изобретения является теплообменник для ракетного двигателя. Этот теплообменник в основном состоит из трубки, намотанной таким образом, что образует спиральные витки, и называемой змеевиком, закрепленным внутри цилиндрической трубы (круглого сечения), диаметр которой только слегка превышает диаметр витков змеевика.
Этот теплообменник, называемый подогревателем, служит для нагрева водорода, используемого в качестве топлива для ракетного двигателя, за счет отбора тепла из выхлопных газов ракетного двигателя. Так, жидкий водород нагнетается в змеевик при температуре около 40К и выходит из змеевика при температуре около 400К. Водород нагревается выхлопными газами, циркулирующими в цилиндрической трубе и имеющими температуру около 700К.
Понятно, что змеевик претерпевает значительные дифференциальные тепловые расширения по причине очень больших разностей действующих на него температур. Эти разности температур приводят к деформациям змеевика, учитывая, в частности, его небольшую толщину (всего 1 мм при диаметре намотки около 250 мм).
Система удержания змеевика должна ограничивать до приемлемых значений смещения змеевика, связанные с тепловыми расширениями или сжатиями.
С другой стороны, будучи установленным на борту ракеты, змеевик подвергается действию очень сильных вибраций и ускорений, а также завихрений газа. Поэтому его необходимо также удерживать в радиальном и осевом направлениях, чтобы он мог противостоять этим воздействиям.
Вместе с тем, механическое крепление змеевика, которое необходимо осуществлять по вышеуказанным причинам, следует обеспечивать, одновременно сохраняя максимально низкий уровень механических напряжений в змеевике. Действительно, такие напряжения могут привести к повреждениям в змеевике и, в частности, к разрушению сварных швов, выполненных на концах змеевика для его соединения с входной и выходной частями контура распределения водорода ракетного двигателя, и, следовательно, к утечкам водорода в двигателе. Естественно, такие утечки необходимо исключить.
В. связи с этим изобретение призвано предложить систему удержания по меньшей мере одной трубки, выполненную с возможностью удержания этой или этих трубок, несмотря на воздействия на нее или на них, которые могут быть связаны с тепловыми расширениями или сжатиями и/или с вибрациями или ускорениями, действующими на трубку или трубки и/или на конструкцию, на которой закреплена(ы) трубка или трубки, одновременно сохраняя минимальный уровень механических напряжений в трубке или трубках, и имеющую умеренную стоимость.
Эта задача решается за счет того, что система удержания включает в себя гребенку, содержащую планку и множество параллельных зубцов, перпендикулярных к планке, и устройство блокировки, выполненное таким образом, чтобы препятствовать отходу от планки трубки, проходящей между двумя из указанных зубцов.
Предполагается, что вышеуказанная трубка имеет цилиндрическую форму; таким образом, чтобы устройство блокировки могло препятствовать отходу трубки, проходящей между двумя зубцами, от планки, достаточно по меньшей мере частично перекрыть проход между двумя рассматриваемыми зубцами при помощи устройства блокировки (расположенного внутри и/или напротив указанного прохода), при этом указанное устройство блокировки удерживается на фиксированном расстоянии от планки. Гребенка может, в частности, иметь между двумя рассматриваемыми зубцами свободный проход, который включает в себя объем участка трубки с осью, в основном перпендикулярной к планке и к зубцам, и устройство блокировки содержит стенку или препятствие, расположенное таким образом, чтобы участок трубки обязательно встречал или наталкивался на эту стенку или это препятствие во время перемещения этого участка между рассматриваемыми зубцами гребенки в направлении удаления участка от гребенки, чтобы освободить его от гребенки.
Предпочтительно, благодаря изобретению, когда одну или несколько трубок располагаю параллельно, чтобы они могли пройти между зубцами гребенки, устройство блокировки удерживает эту трубку или эти трубки в положении и, следовательно, позволяет системе удержания надежно удерживать эту трубку или эти трубки.
Удержание трубки или нескольких трубок устройством блокировки предпочтительно является относительно слабым, чтобы избегать воздействия на трубку(и) ненужными напряжениями. В частности, система удержания может допускать смещение трубок в осевом направлении свободных проходов между зубцами гребенки, то есть в осевом направлении трубки или трубок.
Как правило, трубка имеет форму змеевика, который необходимо закрепить в трубе. В этом случае относительно неплотное удержание различных витков змеевика в трубе устройством блокировки допускает расширение витков змеевика и, следовательно, возможный поворот одного или нескольких витков по отношению к трубе.
Система удержания предпочтительно может иметь следующие признаки, рассматриваемые отдельно или в комбинации:
- устройство блокировки может опираться по меньшей мере на два зубца планки и, в частности, на два зубца, находящиеся на концах планки.
- устройство блокировки может опираться по меньшей мере на один промежуточный зубец, находящийся на расстоянии от концов планки.
- устройство блокировки может в основном состоять из штифта. В данном случае штифт обозначает деталь удлиненной формы, в частности, стержень. Стержень может быть полым и/или разрезанным.
- по меньшей мере один зубец гребенки может иметь отверстие, и штифт может быть выполнен с возможностью прохождения через это отверстие.
- этот штифт может содержать корпус общей цилиндрической формы, разрезанный вдоль оси корпуса. Действительно, эта форма обеспечивает упругую радиальную деформацию штифта.
- устройство блокировки может иметь по меньшей мере один опорный вырез для трубки, в частности, по существу цилиндрической или тороидальной формы.
- опорный вырез для трубки может обеспечивать ее опору по длине вдоль оси трубки (или предусмотренного для трубки прохода), по меньшей мере равной максимальному диаметру прохода трубки.
- по меньшей мере один проход гребенки между двумя смежными зубцами может иметь наклон относительно оси планки.
- по меньшей мере один проход гребенки между двумя смежными зубцами может иметь цилиндрическую или тороидальную форму.
- система может дополнительно содержать два кронштейна, расположенные на концах гребенки. Эти кронштейны выполнены с возможностью удержания гребенки таким образом, чтобы она могла поворачиваться вокруг оси планки.
- эти кронштейны могут удерживать или способствовать удержанию устройства блокировки. Следовательно, устройство блокировки может опираться по меньшей мере на один кронштейн и, в случае необходимости, на оба кронштейна.
Каждый из кронштейнов может быть выполнен с возможностью крепления на стенке, например, на стенке трубы, на которой необходимо закрепить трубку(и).
Изобретение позволяет также получить узел, содержащий множество систем удержания, закрепленных на внутренней стенке цилиндрической трубы и расположенных осесимметрично вокруг оси указанной трубы. Такой узел выполнен с возможностью удержания трубки, намотанной в виде спирали в трубе и называемой змеевиком. Предпочтительно системы удержания расположены в осевом направлении (вдоль оси трубы) в положениях через равномерные промежутки, чтобы поддерживать витки змеевика и допускать лишь минимальную его деформацию.
Изобретение относится также к теплообменнику, содержащему по меньшей мере одну описанную выше систему удержания и/или вышеупомянутый узел.
Наконец, изобретение в целом относится к ракетному двигателю или к промышленной производственной установке, содержащим по меньшей мере одну описанную выше систему удержания и/или вышеупомянутый узел и/или вышеупомянутый теплообменник.
Вторым объектом изобретения является способ монтажа теплообменника, в основном состоящего из змеевика, содержащего множество витков и расположенного внутри трубы. Согласно изобретению, теплообменник устанавливают при помощи следующих операций:
a) готовят:
трубу, змеевик и штифт;
гребенку, содержащую планку и множество параллельных зубцов, перпендикулярных к планке; и
два кронштейна, выполненные с возможностью установки на концах гребенки и удержания гребенки таким образом, чтобы она могла поворачиваться вокруг оси планки;
b) на внутренней стенке трубы располагают и крепят первый из двух кронштейнов;
c) гребенку располагают в трубе, удерживая ее таким образом, чтобы она прилегала к указанной стенке;
d) змеевик устанавливают на место (то есть внутри трубы и, как правило, коаксиально относительно трубы);
e) после этапов b) и с) гребенку поворачивают таким образом, чтобы зубцы были ориентированы радиально в трубе и блокировали в осевом направлении витки змеевика (по меньшей мере один виток, в случае необходимости, все витки);
g) на внутренней стенке трубы располагают и крепят второй из двух кронштейнов;
h) на гребенке и/или на кронштейнах крепят штифт таким образом, чтобы получить устройство (30) блокировки, не дающее всем виткам или части витков, проходящих между указанным зубцами, отходить от планки.
В рамках данного способа этапы с) и d) можно осуществлять в любом порядке (этап с) перед этапом d) или этап d) перед этапом с)).
Действительно, поскольку гребенку располагают в прилегающем к стенке положении (то есть ось зубцов локально является по существу параллельной стенке), гребенку и змеевик можно располагать или перемещать в трубе независимо друг от друга.
В варианте осуществления на этапе а) штифт выбирают таким образом, чтобы он мог проходить по меньшей мере через одно отверстие зубца гребенки.
В этом случае способ может, в частности, содержать этап f), который предшествует этапу g) и во время которого штифт устанавливают, пропуская его через указанное по меньшей мере одно отверстие зубца гребенки.
В варианте осуществления этапы g) и h) осуществляют одновременно или по существу одновременно, располагая второй кронштейн на внутренней стенке трубы и закрепляя штифт по меньшей мере на этом кронштейне таким образом, чтобы заблокировать штифт и получить таким образом устройство блокировки.
В альтернативном варианте осуществления способ осуществляют, используя упругий (по меньшей мере в продольном направлении) штифт.
При этом этап h) осуществляют после этапа g) следующим образом:
штифт сжимают в его продольном направлении;
его устанавливают на место или в положение между кронштейнами; затем
его перестают сжимать или отпускают таким образом, чтобы он оказался заблокированным между кронштейнами.
На этапе g) после закрепления второго кронштейна или после отпускания штифта в вышеупомянутом случае, как правило, все степени свободы штифта оказываются заблокированными, кроме вращения штифта вокруг его продольной оси, которое может оставаться возможным.
После этой блокировки штифта те из витков, которые расположены между зубцами гребенки, оказываются заблокированными штифтом и не могут отходить от планки гребенки. Как было указано выше, эти витки все же, как правило, сохраняют возможность перемещаться относительно стенки трубы (и гребенки) в их окружном направлении.
Изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания вариантов осуществления, представленных в качестве неограничивающих примеров. Описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 схематично показан подогреватель для ракетного двигателя, содержащий три системы удержания в соответствии с изобретением, вид в перспективе;
на фиг. 2 схематично показана одна из систем удержания, изображенных на фиг. 1, вид в перспективе;
на фиг. 3 схематично показан подогреватель, изображенный на фиг. 1, напротив системы удержания, частичный вид в разрезе.
на фиг. 4 представлен этап монтажа подогревателя, схематично изображенного на фиг. 1, вид в перспективе.
Как показано на фиг. 1, подогреватель 100 содержит змеевик 50, цилиндрическую трубу 60 и три идентичные системы 101, 102, 103 удержания, служащие для крепления змеевика 50 в трубе 60.
Змеевик содержит четыре по существу идентичных витка 51, 52, 53 и 54 (фиг. 3), попарно смещенных относительно друг друга на постоянный шаг Р вдоль оси А трубы 60. Концы змеевика проходят через стенку трубы 60 и закреплены при помощи штуцеров 55А, 55В на входной и выходной частях (не показаны) контура распределения водорода.
Подогреватель 100 входит в состав конструкции ракетного двигателя 1000, из которой показан только подогреватель.
Альтернативно можно считать, что позицией 1000 обозначена промышленная установка, в состав которой может входить подогреватель 100.
Водород нагнетают в змеевик при температуре около 40К через штуцер 55А, и он выходит из штуцера 55В змеевика при температуре около 400К.
Системы 101, 102 и 103 удержания являются идентичными, поэтому далее со ссылками на фиг. 2 будет описана только система 101.
Система 101 содержит гребенку 20 и устройство 30 блокировки, в основном состоящее из штифта 32.
Гребенка 20 содержит планку 22 и пять параллельных зубцов 24А, 24В, 24С, 24D и 24Е, перпендикулярных к планке. Зубцы 24А-24Е совокупно обозначены позицией 24.
Между зубцами выполнены проходы 26А, 26В, 26С, 26D и 26Е, обозначенные общей позицией 26.
Когда змеевик 50 находится в положении удержания системой 101 удержания, различные витки 51-54 проходят соответственно через различные проходы 26A-26D, при этом каждый виток проходит между двумя смежными зубцами.
Штифт 32 не позволяет каждому из витков 51-54 отходить от планки 22 и смещаться радиально внутрь, то есть приближаться к оси А. Кроме того, каждый из витков удерживается в осевом направлении стенками прохода, через который он проходит, которые являются поверхностями различных зубцов 26А-26Е.
Проходы 26 имеют цилиндрическую форму, то есть форму участка цилиндра (в случае необходимости, эта форма может быть тороидальной) и, в частности, форму цилиндра, радиус которого равен радиусу R поперечного сечения витков или слегка его превышает (фиг. 3). Следовательно, каждый виток может равномерно и не точечно опираться на дно прохода 26, в котором его размещают. Проход 26 обеспечивает осевое удержание витка и, кроме того, ограничивает радиальные движения витка в направлении, в котором он стремится удалиться или приблизиться к оси А.
Кроме того, оси цилиндрических поверхностей различных проходов 26 не являются перпендикулярными к оси А. Действительно, эти оси (называемые «осями проходов») слегка наклонены по отношению к оси планки 22, при этом угол наклона (угол α) равен углу, который образуют витки змеевика относительно оси А трубы 60. Таким образом, когда гребенки 20 установлены в трубе 60, оси их планок 22 являются параллельными оси А, и оси проходов 26 являются локально параллельными осям витков змеевика в местах, где эти витки находятся в положении опоры в различных проходах 26.
Зубцы гребенки 20 обеспечивают удержание и крепление устройства 30 блокировки (штифта 32) относительно гребенки 20.
Для этого зубцы, находящиеся на концах планки 22, иди концевые зубцы (24А и 24Е), а также срединный зубец 24С выполнены более длинными, чем промежуточные зубцы 24В и 24D. Действительно, зубцы 24А, 24С, 24Е удлинены и содержат, каждый, уплощенный конец, в котором выполнено сквозное отверстие (одно отверстие для каждого из этих зубцов), при этом выполненные таким образом три отверстия расположены на одной линии вдоль оси, параллельной оси планки 22 гребенки 20.
Диаметр этих отверстий выбирают таким образом, чтобы обеспечивать прохождение и свободное вращение штифта 32 в этих отверстиях. Проходя через три выполненные таким образом отверстия, штифт 32 опирается на три зубца 24А, 24С и 24Е, что позволяет заблокировать его перемещения в плоскости, перпендикулярной к оси планки 22, а также позволяет ему выполнять свою функцию блокировки любого движения витков, стремящегося отодвинуть их от планки 22.
Штифт 32 имеет общую форму прямого стержня. Однако по сути дела штифт является полым и образован корпусом общей трубчатой формы. Этот корпус выполнен разрезанным вдоль оси корпуса по всей длине штифта, поэтому, когда на штифт не действует напряжение, края разреза слегка отходят друг от друга. Эта форма позволяет штифту упруго (но не пластично) сжиматься, когда витки опираются на штифт, что будет уточнено ниже.
Кроме того, штифт имеет четыре выреза 32А, 32В, 32С и 32D для опоры витков (см. фиг. 3). Эти вырезы по существу имеют форму участков цилиндров; когда один из витков опирается на штифт, они обеспечивают протяженную и не точечную поверхность опоры для витка, вследствие чего уровень напряжений в витке остается умеренным и что позволяет избежать появления точечного пика напряжений.
Поверхность опоры расположена вдоль оси трубки по длине вдоль оси трубки, по меньшей мере равной диаметру трубки.
Вырезы попарно отстоят друг от друга на шаг Р и выполнены на одной стороне штифта 32.
Кроме того, система 101 удержания дополнительно содержит два кронштейна 40А и 40В, расположенные на концах гребенки 20. Эти кронштейны предназначены для предупреждения любого поступательного движения и любого вращения гребенки 20, если не считать ее вращения вокруг оси планки 22, которое остается возможным, в частности, для обеспечения монтажа системы, что будет описано ниже.
Таким образом, кронштейны 40А и 40В служат для удержания штифта 32 в осевом направлении подогревателя 100. Для этого кронштейны 40А и 40В выполнены со стенкой, перпендикулярной к оси штифта 32, которая блокирует его поступательное движение и заставляет его оставаться в осевом направлении (относительно оси А планки) в положении, в котором вырезы находятся в осевом направлении на том же уровне, что и витки 51-54 и различные проходы 26.
Для монтажа подогревателя 100 осуществляют следующие операции:
a) готовят цилиндрическую трубу 60, змеевик 50 и комплектующие, необходимые для реализации трех систем удержания, а именно: три гребенки 20, три штифта 32 и три пары кронштейнов 40А, 40В.
b) на внутренней стенке трубы 60 располагают и крепят три кронштейна 40А (каждый кронштейн 40А является нижним кронштейном для системы удержания, частью которой он является).
d) устанавливают на место змеевик 50.
c) располагают гребенки 20, удерживая их таким образом, чтобы они прилегали к стенке;
e) гребенки 20 поворачивают таким образом, чтобы их зубцы были ориентированы радиально в трубе 60 и блокировали в осевом направлении витки 51-54 змеевика 50.
f) устанавливают штифты 32, которые сжимаются, но не подвергаются пластической деформации, пропуская их через отверстия зубцов 24А, 24С и 24Е (наблюдая, чтобы не повредить змеевик 50).
g) располагают кронштейны 40В (каждый кронштейн 40В является вторым кронштейном или верхним кронштейном для системы удержания, частью которой он является) и крепят их на стенке трубы 60 таким образом, чтобы завершить блокировку штифтов 32 и, следовательно, витков змеевика 50.
В частности, осуществляют следующие операции монтажа:
b) на стенке трубы 60 располагают и крепят три кронштейна 40А;
d) устанавливают на место змеевик 50;
c) затем располагают гребенки 20, удерживая их таким образом, чтобы они прилегали к стенке;
e) гребенки 20 поворачивают таким образом, чтобы их зубцы были ориентированы радиально в трубе 60 и блокировали в осевом направлении витки 51-54 змеевика 50;
f) устанавливают упругие штифты 32, которые сжимают без пластической деформации, пропуская их через отверстия зубцов 24А, 24С и 24Е (следя при этом, чтобы не повредить змеевик 50);
g) располагают кронштейны 40В и крепят их на стенке трубы 60, что позволяет завершить блокировку штифтов 32 и, следовательно, витков змеевика 50.
Следует отметить, что во время этапа с) гребенки 20 устанавливают на кронштейнах 40А таким образом, чтобы оси планок 22 были направлены вдоль оси А и чтобы расположить зубцы гребенки в не радиальном направлении в трубе 60, что соответствует «прилегающему» положению гребенки 20. В этом прилегающем положении гребенки 20, предпочтительно зубцы гребенки ориентированы в окружном или по крайней мере по существу в окружном направлении. В этом положении гребенки 20 являются достаточно тонкими и поэтому могут пройти вокруг витков 51-54 между трубой и змеевиком. После установки гребенок 20 на кронштейнах 40А, то есть в осевом направлении (относительно оси А) в необходимое положение, на этапе е) их поворачивают вокруг оси планок 22, что приводит гребенки в положение, показанное на фиг. 1, с зубцами, ориентированными радиально в трубе 60.
После завершения операций a)-g) змеевик 50 подсоединяют к контуру распределения водорода через стенку трубы 60 при помощи штуцеров 55А и 55В (фиг. 1).
Кроме того, следует также отметить, что все три системы 101, 102 и 103 удержания расположены в осевом направлении в трубе 60 не на одном уровне. Действительно, они попарно смещены в осевом направлении таким образом, что положение системы удержания соответствует в осевом направлении положению витков, которые она должны удерживать. Таким образом, в случае трех систем удержания, отстоящих друг от друга в угловом направлении на 120°, следует попарно смещать системы на шаг, равный одной трети шага Р витков змеевика 50. Это расположение представлено на фиг. 3, на которой показана окружность С с осью А, проходящая через вершину системы 101. С учетом наклона витков змеевика система 102 смещена в осевом направлении на расстояние D1, равное Р/3, а система 103 - на расстояние D2, равное 2Р/3.
Во время работы ракетного двигателя 1000 в подогревателе происходит следующее:
Водород, нагнетаемый в змеевик 50 через штуцер 55А, имеет температуру около 40К. Этот водород нагревается, проходя по змеевику, и стремится охладить стенку змеевика.
Вследствие этого виток 51 слегка сжимается (хотя и незначительно), а виток 52 стремится сжаться достаточно выраженно. Вследствие этого сжатия виток 52 давит на штифт 32 в вырезе 32В. Поскольку штифт 32 разрезан, он локально упруго деформируется, обеспечивая небольшое радиальное смещение витка 52 в сторону оси А.
Витки 53 и 54, наоборот, имеют тенденцию к расширению и к увеличению диаметра (измеренного относительно оси А), так как температура водорода, содержащегося в этих витках, значительно выше, чем температура водорода, содержащегося в витках 51 и 52.
Штифт 32 и гребенка 20 расположены таким образом, чтобы во время работы двигателя 1000 предпочтительно все витки нажимали на штифт 32, вызывая его более или менее значительные радиальные деформации (фиг. 3).
Эти радиальные деформации являются упругими деформациями. Благодаря этому, при любых изменениях температуры в подогревателе 100 штифты поддерживают упругую опору на витки змеевика 50, что позволяет избегать появления зазоров, которые могут стать причиной вибраций.
Как показано на фиг. 3, в момент начала работы подогревателя 100 витки претерпевают небольшие радиальные деформации, которые сдерживаются системами 101, 102 и 103 удержания. Эти радиальные деформации могут сопровождаться незначительными перемещениями витков в окружном направлении трубы 60. Поскольку гребенки 32 могут свободно поворачиваться вокруг оси планок 22 и поскольку штифты 20 тоже могут свободно вращаться вокруг своей собственной оси, эти перемещения в окружном направлении витков 51-54 могут в определенной степени сопровождаться поворотом соответствующих гребенок 20 и/или штифтов 32, что тоже способствует ограничению уровня напряжений в витках.
Кроме того, легкий наклон проходов 26 (угол α), их цилиндрическая форма, повторяющая форму витков 51, и вырезы, выполненные в штифтах, обеспечивают равномерную и не точечную опору витков 51-54 на системы 101-103 удержания.
Эти различные признаки позволяют системам 101, 102, 103 удержания удерживать змеевик 50 в положении, ограничивая при этом в нем уровень механических напряжений минимальным значением.
Представленный вариант выполнения включает в себя три системы удержания и четыре витка. Разумеется, изобретение можно применять при любом количестве систем удержания и витков змеевика. Системы удержания работают также для прямолинейных или других труб.
Кроме того, заявленную систему удержания можно применять в космической промышленности. Она может также представлять интерес во всех отраслях промышленности, в которых используют теплообменники со змеевиком, подвергающимся сильным тепловым воздействиям.