СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ДЛЯ КРИОГЕННЫХ РЕЗЕРВУАРОВ, РАЗМЕЩЁННЫХ ВНУТРИ КОРПУСА ПОДВОДНОГО АППАРАТА
PROTECTION SYSTEM FOR CRYOGENIC TANKS INSIDE THE BODY OF THE UNDERWATER VEHICLE

Изобретение относится к криогенной технике и может найти широкое применение для защиты криогенных емкостей и сосудов, входящих в состав систем хранения жидкого кислорода и водорода, используемых для работы электрохимических генераторов и монтируемых внутри корпуса подводных аппаратов.
Известно предохранительное устройство для криогенных резервуаров, содержащее запорный клапан, нагруженный основной и дополнительной пружиной, входная полость которого соединена с газовой подушкой резервуара, и импульсный клапан с чувствительной мембраной, нагруженной пружиной, при этом импульсный клапан соединен с дренажным трубопроводом запорного клапана (см. патент SU1687984 AI).
И хотя в данном предохранительном устройстве повышена надежность герметичности запорного клапана при малых значениях давления в предохраняемых криогенных резервуарах, оно может применяться только для защиты наземных криогенных резервуаров, так как ее конструкция не рассчитана на условия попадания воды в дренажный трубопровод. Известна конструкция предохранительного устройства криогенных резервуаров, которая является наиболее близким аналогом, содержащая предохранительный и импульсный клапаны, установленные вне корпуса подводного аппарата, при этом предохранительный клапан выполнен в виде корпуса, размещенного в вакуумном кожухе, и в корпусе установлены седло, запорный клапан, шток запорного клапана с пружиной и силовой привод, связанный со штоком и выполненный в виде двух параллельных сильфонов, межсильфонная полость которых соединена трубопроводом с импульсным клапаном, выполненным в виде корпуса, в котором размещены седло и клапан для подачи: рабочей среды в межсильфонную полость и клапан сброса рабочей среды из той же полости в окружающую среду, а также приказное устройство, выполненное е. виде сильфона с пружиной и штока, взаимодействующего с клапанами, при этом работа клапанов происходит непосредственно от рабочей среды криогенного резервуара (см. Романенко Н.Т., Куликов Ю.Р. «Криогенная арматура» М. Машиностроение 1978 г. Рис. 29.)
Несмотря на то, что данная конструкция была задействована для аварийной защиты криогенных емкостей водорода и кислорода, которые были установлены снаружи корпуса на первой в мире опытной подводной лодке с энергетической установкой с электрохимическим генератором проекта 613Э «Катран», она имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются:
- необходимость полного всплытия подводного аппарата для осуществления сброса газа в атмосферу в случае достижения давления в криогенной емкости равного давлению срабатывания;
- возможность попадания и замерзания воды в дренажном трубопроводе, что может привести к критическому снижению проходного сечения трубопровода и создать аварийную ситуацию;
- сложность отстройки требуемой точности давления срабатывание и инерционность работы до и после срабатывания предохранительного клапана;
- сложность проведения ремонтных работ.
Цель изобретения - предложить надежную, безопасную в эксплуатации и удобную в ремонте систему для защиты криогенных емкостей и резервуаров, размещенных внутри подводного аппарата.
Поставленная цель достигается тем, что в системе защиты для криогенных резервуаров, размещенных внутри корпуса подводного аппарата, содержащей предохранительный и импульсный клапаны, установленные вне корпуса подводного аппарата, при этом предохранительный клапан выполнен в виде корпуса, размещенного в вакуумном кожухе, и в корпусе установлены седло, запорный клапан, шток запорного клапана с пружиной и силовой привод, связанный со штоком и выполненный в виде двух параллельных сильфонов, межсильфонная полость которых соединена трубопроводом с импульсным клапаном, выполненным в виде корпуса, в котором размещены седло и клапан для подачи рабочей среды в межсильфонную полость и клапан сброса рабочей среды из той же полости в окружающую среду, а также приказное устройство, выполненное в виде сильфона с пружиной и штока, взаимодействующего с клапанами, при этом работа клапанов происходит непосредственно от рабочей среды криогенного резервуара, предохранительный клапан выполнен из двух корпусов, при этом первый корпус через прокладку закреплен на внешней стороне корпуса подводного аппарата и в нем установлены силовой привод в виде пружины и двух параллельных сильфонов, при этом эффективная площадь внутреннего сильфона равна площади уплотнения запорного клапана, а межсильфонная полость для уменьшения объема заполнена наполнителем, а второй корпус смонтирован внутри корпуса подводного аппарата и в нем установлены седло и запорный клапан, соединенный гибким штоком с силовым приводом, при этом полость над запорным клапаном соединена криогенным трубопроводом с газовой подушкой криогенного резервуара и заполнена теплоизоляцией, а полость после запорного клапана соединена трубопроводом с обратным клапаном, дополнительно установленным на внешней стороне корпуса подводного агрегата, при этом корпус и трубопровод окружены кожухом для теплоносителя, а импульсный клапан также выполнен в виде двух корпусов, которые закреплены на внешней стороне корпуса подводного аппарата, при этом в первом установлены седло и клапан подачи рабочей среды, седло и клапан сброса рабочей среды, подключенные к межсильфонной полости силового привода, при этом в корпусе между клапанами установлен поршень, выполняющий роль клапана подачи и клапана сброса рабочей среды, а кроме того в корпусе со стороны седла и клапана подачи рабочей среды выполнен подпружиненный упор, взаимодействующий с поршнем, а со стороны седла и клапана сброса рабочей среды - приказное устройство, выполненное в виде цилиндрической камеры, сильфона и штока, взаимодействующих с поршнем, при этом полость между цилиндрической камерой и сильфоном через дюзу подключена к трубопроводу для отвода рабочей среды из полости после клапана сброса рабочей среды в емкость, установленную внутри корпуса подводного аппарата, при этом емкость снабжена уровнемером и сообщена с атмосферой корпуса подводного аппарата, а во втором корпусе установлено седло и клапан наполнения рабочей среды по трубопроводу в полость между цилиндрической камерой и сильфоном приказного устройства, при этом на клапане выполнены штоки симметрично относительно клапана, через которые на клапан передаются противонаправленные усилия, с одной стороны от пружины, установленной в корпусе, а с другой - от устройства управления, смонтированного на корпусу и выполненного в виде двух параллельных сильфонов, при этом эффективная площадь внутреннего сильфона равна посадочной площади клапана на седло, а к межсильфонной полости подключен трубопровод подачи рабочей среды, открытый конец которого отстает от корпуса подводного аппарата на 5-10 мм, а кроме того на корпусе смонтировано устройства блокировки открытия клапана, которое выполнено в виде камеры, сильфона и штока и снабжено электромагнитом, при этом полость между камерой и сильфоном соединена трубопроводом, проходящим в корпусе подводного аппарата, с водой, окружающей подводный аппарат, а для сохранения давления стабильным и равным давлению среды внутри корпуса подводного аппарата полость между приказным устройством и устройством блокировки и полость между силовым приводом и первым корпусом предохранительного клапана соединены трубопроводом с объемом внутреннего корпуса подводного аппарата, а кроме того оба корпуса импульсного клапана и первый корпус с силовым приводом предохранительного клапана, размещены в камере, которая через прокладку закреплена на корпусе подводного аппарата, соединена трубопроводом с газовой подушкой криогенного резервуара и на 90%-95 заполнена Жидкостью, через которую происходит работа клапанов от давления газовой подушки в криогенном резервуаре.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию новизна.
На чертеже показана принципиальная конструктивная схема защиты для криогенных резервуаров, размещенных внутри корпуса подводного аппарата.
Система защиты для криогенных резервуаров, размещенных внутри подводного аппарата, содержит предохранительный клапан, состоящих из двух корпусов 1 и 2, при этом корпус 1 через прокладку 3 закреплен на внешней стороне корпуса 4 подводного аппарата и в нем установлен силовой привод в виде пружины 5 и двух параллельных сильфонов 6 и 7, межсильфонная полость 8 которых заполнена наполнителем 9, при этом эффективная площадь внутреннего сильфона 6 равна площади проходного сечения запорного клапана 10, который вместе с седлом 11 установлены в корпусе 2, смонтированном внутри корпуса 4 подводного аппарата. Запорный клапан с помощью гибкого штока 12 соединен с силовым приводом. Полость 13 над запорным клапаном 10 криогенным трубопроводом 14 соединена с газовой подушкой криогенного резервуара 15 и заполнена теплоизоляцией 16, а полость 17 после запорного клапана 10 соединена трубопроводом 18 с обратным клапаном 19, дополнительно установленным снаружи корпуса 4 подводного аппарата, при этом корпус 2 и трубопровод 18 окружены кожухом 20, внутри которого циркулирует теплоноситель, а импульсивный клапан выполнен в виде двух корпусов 21 и 22, которые закреплены на внешней стороне корпуса 4 подводного аппарата. В корпусе 21 установлено седло 23 и клапан подачи рабочей среды по трубопроводу 24 в межсильфонную полость 8 силового привода предохранительного клапана и седло 25 и клапан сброса рабочей среды из той же полости 9 по трубопроводу 26, подключенному к трубопроводу 24. Роль клапанов выполняет поршень 27 с уплотнением 28 на торцах, установленный в корпусе 21 между седлами 23 и 25. Кроме того, в корпусе 21 установлен со стороны седла 23 подпружиненный упор 29, взаимодействующий с поршнем 27, и приказное устройство со стороны седла 25, выполненное в виде цилиндрической камеры 30, сильфона 31 и штока 32, взаимодействующих с поршнем 27, при этом полость 33 между цилиндрической камерой 30 и сильфоном 31 через дюзу 34 подключена к трубопроводу 35 отвода рабочей среды в емкость 36, установленной внутри корпуса 4 подводного аппарата, сообщающейся с атмосферой корпуса 4 подводного аппарата и снабженной уровнемером 37, а во втором корпусе 22 установлено седло 38 и клапан 39 наполнения рабочей среды по трубопроводу 40 в полость 41 между цилиндрической камерой 30 и сильфоном 31 приказного устройства. На клапане 39 выполнены симметрично расположенные штоки 42 и 43, через который на клапан 39 передаются противонаправленные усилия от пружины 44 и устройства управления, установленного на корпусе 22 и выполненного в виде двух параллельных сильфонов 45 и 46, при этом эффективная площадь внутреннего сильфона 45 равна посадочный площади клапана 39 на. седло 38, а межсильфонная полость 47 соединена трубопроводом 48 подачи рабочей среды в эту полость, а кроме того на корпусе 2 смонтировано устройство блокировки срабатывания клапана 39, которое выполнено в виде камеры 49, сильфона 50, штока 51 и снабжена электромагнитом 52, при этом полость 53 между камерой 49 и сильфоном 50 соединена трубопроводом 54, проходящим в корпусе 4 подводного аппарата, с водой, окружающей подводный аппарат. Для сохранения давления стабильным и равным давлению среды внутри подводного аппарата полость 55 между устройством управления и устройством блокирования, а также полость 56 между первым корпусом 1 и силовым приводом предохранительного клапана, трубопроводом 57 соединены с объемом внутри корпус 4 подводного аппарата, а кроме того оба корпуса 21 и 22 импульсного клапана и корпус 1 с силовым приводом предохранительного клапана размещены в камере 58, которая на 90-95% заполнена жидкостью, а ее газовая полость 60 соединена трубопроводом 61 с газовой подушкой криогенного резервуара 15. Контроль давления в газовой подушке криогенного резервуара 15 осуществляется с помощью датчика 62, а контроль давления воды в полости 53 устройства блокировки датчиком 63.
Система защиты для криогенных резервуаров, размещенных внутри корпуса подводных аппаратов работает следующим образом.
На фиг. 1 отражено состояние системы защиты, когда давление рабочей среды в газовой подушке криогенного резервуара 15, размещенного внутри корпусы 4 подводного аппарата ниже давления срабатывания системы защиты, а подводный аппарат находится на глубине, при которой давление воды на корпус 4 подводного аппарата выше давления срабатывания системы защиты.
В этом случае запорный клапан 10 предохранительного клапана прижат к седлу 11 за счет усилия, передаваемого через гибкий шток 12 от давления рабочей среды действующего на площадь между внешним сильфоном 7 и внутренним 6, эффективная площадь которого равна площади проходного сечения запорного клапана 10, что обеспечивает силовую разгрузку запорного клапана 10 от давления рабочей среды в полости 13, которая сообщена с газовой подушкой криогенного резервуара 15 с помощью криогенного трубопровода 14.
Давление жидкости в межсильфонной полости 8, заполненной на 70%-80% наполнителем 9 для уменьшения объема жидкости, создается за счет давления рабочей среды в газовой полости 60 камеры 58, которая на 90-95% заполнено жидкостью, например, дистиллированной водой, и сообщена с газовой подушкой криогенного резервуара 15 трубопроводом 61.
Давление от рабочей среды в газовой полости 60 через столб жидкости передается в межсильфонную полость 8 по трубопроводу 24 через седло 23 и открытый клапан подачи рабочей среды, которой теперь является жидкость при этом седло 25 сброса жидкости из той же межсильфонной полости 8 через трубопровод 26, соединенный с трубопроводом 24 перекрыта поршнем 27, который выполняет роль клапана подачи и сброса рабочей жидкости, установлен в корпусе 21 между седлами 23 и 25 и на торцах которого выполнено уплотнение 28. Герметичность между седлом 25 и уплотнением 28 в этот момент обеспечивается усилием от подпружиненного упора 29, действующего на поршень 27, а усилие, передаваемое через шток 32 от давление рабочей жидкости на сильфон 31 приказного устройства отсутствует, так как в этот момент клапан наполнения 39, установленный во втором в корпусе 22 импульсного клапана, закрыт, а полость 41 между цилиндрической камерой 30 и сильфоном 31 через дюзу 34 и трубопровод 35 соединена с емкостью 36 для сбора рабочей жидкости, снабженной уровнемером 37, при этом емкость 36 сообщена с атмосферой внутреннего корпуса 4 подводного аппарата.
2
2
При достижении давления в газовой подушки криогенного резервуара 15, равного давлению срабатывания системы защиты, такое же давление будет и в газовой полости 60 емкости 58, которое через столб рабочей жидкости по трубопроводу 48, отстоящего от 5 мм до 10 мм от наружного корпуса 4 подводного аппарата, передается в межсильфонную полость 47, заключенную между наружным сильфоном 46 и внутренним сильфоном 45, эффективная площадь которого равна площади проходного сечения клапана 39 наполнения рабочей среды. Под давлением жидкости в межсильфонной полости 47 возникает усилие, передающееся через шток 43 и действующее на отрыв клапан 39 от седла 38. В то же время на клапан 39 в противоположном направлении действует усилие от пружины 44, передающееся через шток 42 на клапан 39 и усилие со стороны сильфона 50, передаваемое через шток 51 на шток 43 клапана 39. Усилие на сильфон 50, размещенный в камере 49, создается от давления воды в полости 53, которая поступает в эту полость через трубопровод 54, выведенный за корпус 4 подводного аппарата. Вполне понятно, что это усилие является функцией от глубины погружения подводного аппарата, и только при всплытии подводного аппарата на глубину, при которой давление от столба воды будет меньше, чем давление срабатывания в газовой подушке криогенного резервуара 15, а следовательно и давления в газовой полости 60 камеры 58, и когда усилие, действующее на шток 43 со стороны межсильфонной полости 47, будет больше суммарного усилия от пружины 44, действующей на шток 42 и усилия со стороны сильфона 50, передаваемого через шток 51 и шток 43 на клапан 39, то только тогда клапан 39 откроется и в полости 41 приказного устройства возникнет тоже давление, что и в газовой подушке 60 камеры 58, так как полость 41, заключенная между сифоном 31 и цилиндрической камерой 30 трубопроводом 40 соединена с корпусом 22, а клапан 39 открыт. Под действием давления жидкости на сильфон 31, возникает усилие, которое, через шток 32 передается на поршень 27 и которое больше, чем усилия от подпружиненного упора 29. В результате поршень 27 перемещается вниз, садится на седло 23 и открывает проход для сброса жидкости из межсильфонной полости 8 через трубопроводы 24,26 и 35 в емкость 36. Это приведет к падению давления в межсильфонной полости 8 и открытию запорного клапана 10 под действием усилия от пружины 5, которое передается через сильфоны 6 и 7 на шток 12, связанный с клапаном 10. Сброс жидкости из межсильфонной полости 8 в емкость 36 вместо рабочей среды криогенного резервуара 15, как это было выполнено во всех известных конструкциях предохранительных устройств, приведенных в описаниях заявки, исключает образование во внутреннем корпусе 4 подводного аппарата взрывоопасной смеси O и H, необходимых для работы электрохимических генераторов, а следовательно существенно повышает безопасность эксплуатации подводного аппарата. После открытия запорного клапана 10, установленного в корпусе 2 из газовой подушки криогенного резервуара 15 холодный газ по криогенному трубопроводу 14 поступает в полость 13, заполненную теплоизоляцией 16, и через проходное сечение в седле 11 из полости 13 в трубопровод 18 и далее через обратный 19 сбрасывается в воду окружающую подводный аппарат, при этом через кожух 20, окружающий корпус 2 и трубопровод 18 прокачивается горячий теплоноситель, например, вода с температурой 40°-60°С, подаваемая из системы электрохимического генератора.
При снижении давления в газовой подушке криогенного резервуара 15 до рабочего значения произойдет закрытие запорного клапана 10, которое пройдет по следующему технологическому алгоритму. Снижение давления в газовой подушке криогенного резервуара 15 приведет к идентичному снижению давления в газовой полости 60 камеры 58, а, следовательно, и давления рабочей жидкости в межсильфонной полости 47, и как следствие падению усилия, передаваемого через шток 43 на клапана 39, который теперь под действием усилия от пружины 44, воздействующий через шток 42, садится на седло 38.
Закрытие клапан 39 приведет к тому, что через некоторое время давление в полости 41 приказного устройства упадет до давления, равному давлению газовой среды во внутреннем корпусе 4 подводного аппарата, так как жидкость через дюзу 34 сбросится по трубопроводу 35 в емкость 36 из полости 41.
Падение давление в полости 41 приведет к перемещению поршня 27 под действием силы от подпружиненного штока 29 вверх и посадки его на седло 25 с одной стороны, а с другой стороны открытию проходного сечения в седле 23, что сразу вызовет повышение давления в межсильфонной полости 8 силового привода от давления газа в полости 60 в камере 58, передаваемого через столб жидкости и открытое проходное сечение седла 23 по трубопроводу 24. Усилие, развиваемое в межсильфонной полости 8 от давления жидкости будет достаточным для того, чтобы не только преодолеть усилие пружины 5, но гарантировать герметичность уплотнения клапана 10 на седле 11 даже в том случае, если клапан 10 и седло 11 успели охладиться. до температуры криогенной жидкости в процессе аварийного сброса паров из газовой подушки криогенно 15. Вслед за запорным клапаном 10 закроется и обратный клапан 19, а холодный газ, оставшийся в трубопроводе 18, будет периодически сбрасываться через обратный клапан 19 по мере отогрева корпуса 2 с седлом 11, запорным клапаном 10, трубопроводом 18 и обратным клапаном 19 за счет теплоносителя, прокачиваемого через кожух 20. Такое решение позволяет в короткое время отогреть указанные элементы до комнатных температур, что обеспечит еще большую герметичность уплотнения запорного клапана 10 и обратного клапана 19 и позволит начать подводному аппарату новое погружение с глубины, при которой прошел процесс аварийного срабатывания системы защиты.
С целью повышения надежности системы защиты криогенного резервуара 15 при повышении давления в нем до давления, равного давлению срабатывания, работа системы защиты дублируется с помощью электромагнита 52, который включается по команде из системы управления подводного аппарата (на черт. не показана), если в нее поступают два сигнала: один от датчика контроля давления 62 в газовой подушке; криогенного резерва 15 о том, что давление ровно давлению срабатывания, а второй - от датчика 63, показания которого подтверждают, что подводный аппарат находится на глубине, когда давление от водяного столба на корпус 4 подводного аппарата меньше, чем давление срабатывания. При сложении этих сигналов на электромагнит 52, смонтированный на камере 49 устройства блокировки срабатывания клапана 39, подается электропитание. В результате от электромагнита возникает: усилие равное силе от давления жидкости в межсильфонной полости 47, которая в этот момент также направлена в сторону открытия клапана 39. Таким образом, усилие на открытие клапана 39 от гидравлического давления, в этом случае дублируется усилием от электромагнита 52, что в итоге повышает безопасность и надежность работы системы защиты и как следствие эксплуатацию подводного аппарата.
Для удобства проведения ремонтных работ камера 58 закреплена через прокладку 59 к корпусу 4 подводного аппарата, а корпус 1, предохранительного клапана так же через прокладку 3 закреплен на корпусе 4 подводного аппарата. С той же целью повышения надежности эксплуатации за счет поддерживания давления стабильным и равным давлению газовой среды внутри корпуса 4 подводного аппарата полость 55 между механизмом управления и устройством блокировки и полость 56 между силовым приводом и корпусом 1 предохранительного клапана, трубопроводом 57 подсоединены к внутреннему объему корпуса 4 подводного аппарата.
Количество жидкости в камере 58, контролируется уровнемером 37, установленным в камере 36 и при достижении определенного уровня в камере жидкости, поступающей из межсильфонной полости 8 и полости 41 при срабатывании системы защиты, от уровнемера выдается сигнал, по которому производится пополнение необходимого количества жидкости в камеру 58, из системы подводного аппарата (на черт, не показана).
Таким образом, предложенные технические решения: размещение запорного и импульсных клапанов вне корпуса подводного аппарата в отдельной герметичной камере, на 90%-95% заполненной жидкостью и пневматически связанной с газовой подушкой защищаемой криогенной емкостью, расположенной внутри корпуса подводного аппарата, исполнение импульсного клапана в виде двух устройств, одно из которых выполняет функцию приказного механизма, а второе - функцию управления работой первого, а также дублирование работы системы защиты с помощью электромагнитного привода позволяют создать надежную, безопасную в эксплуатации и удобную в ремонте систему для защиты криогенных емкостей и резервуаров, размещенных внутри подводного аппарата.
Сравнение существенных признаков предлагаемого и уже известных решении дает основание считать, что предлагаемое техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «Промышленная ПРИМЕНЯЕМОСТЬ».