СИСТЕМА ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКСПЛУАТАЦИИ ПНЕВМОБЛОКА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
SYSTEM FOR HIGH-PRESSURE PNEUMATIC UNIT PREPARATION FOR OPERATION

Изобретение относится к наполнению сосудов высокого давления газами в сжатом состоянии с измерением степени утечки газа.
Известна система контроля герметичности, патент US №6119507, 19.09.2000, включающая испытательную камеру, сообщенную с блоком подачи гелия, в которую помещен контролируемый образец-накопитель, полость которого сообщена с масс-спектрометрическим гелиевым течеискателем. Известная система характеризуется наличием большого свободного объема в испытательной камере между ее стенками и контролируемым образцом для обеспечения испытаний образцов-накопителей сложной формы и большого объема. Большой объем свободного пространства в испытательной камере требует большого расхода гелия на контроль одного образца. Для повторного использования гелия блок питания содержит компрессор, сообщенный на входе в источником низкого давления и на выходе - с источником высокого давления гелия и регулятором давления, а также содержит агрегаты управления расходом гелия, что усложняет конструкцию системы контроля, увеличивает ее стоимость и время контроля одного образца-накопителя. Известно также устройство тестирования утечки, патент JP 2003-240668 A, 27.08.2003, содержащее топливный бак с заправочной горловиной, камеру из эластичного материала с окном для прохода топливного бака, устройство герметизации заправочной горловины и окна камеры, при этом полость топливного бака сообщена с устройством подачи рабочего газа, масс-спектрометрическим гелиевым течеискателем и вакуумным насосом, а полость камеры сообщена с дополнительным вакуумным насосом и устройством подачи гелия. Дополнительный вакуумный насос обеспечивает откачку воздуха из полости камеры, при этом ее эластичный материал позволяет обеспечить минимальный объем камеры снаружи топливного бака при подаче гелия и тем самым уменьшить расход гелия на контроль герметичности одного топливного бака. Недостатком известного устройства является большое время достижения минимальной контролируемой течеискателем концентрации гелия в полости топливного бака, связанное с большим объемом его полости. Кроме того, известное устройство не позволяет проводить контроль герметичности емкостей, например баллонов с внутренним давлением и магистралью подачи газа потребителю с устройством ее герметизации после их окончательной герметизации перед сдачей потребителю (заказчику), поскольку при контроле герметичности осуществляется отбор пробы из полости контролируемой емкости в течеискатель, а линия отбора пробы герметизируется после проверки герметичности, при этом течь через устройство ее герметизации не определена. Известна установка (система) для испытаний изделий на герметичность, Н.М. Беляев, Е.И. Уваров, Ю.М. Степанчук "Пневмогидравлические системы. Расчет и проектирование", Москва, издательство "Высшая школа", 1988, рис.8.18, стр.260, принятая за прототип, включающая чехол с полостью объема накопления (емкость накопления), расположенный над зоной течи из испытуемого изделия, баллон избыточного давлением с гелием, сообщенный с испытуемым изделием линией подачи гелия, содержащей редуктор (магистраль подачи гелия), вентиль (устройство задействования подачи гелия) и манометры (устройство измерения давления), сообщенные с линией подачи гелия перед редуктором и за редуктором, а также включающая масс-спектрометрический гелиевый течеискатель с выносным прибором течеискателя, сообщенный с чехлом линией отбора пробы через иглу Льюера, вакуумный насос и контрольную течь, которые сообщены с линией отбора пробы через соответствующие вентили. Контрольная течь используется для настройки масс-спектрометрического гелиевого течеискателя. В прототипе гелий накапливается под чехлом, что позволяет контролировать герметичность пневмоблоков, содержащих баллон высокого давления, сообщенный с зарядным краном и с магистралью подачи рабочего газа потребителю, снабженной устройством герметизации, в состоянии готовности к работе, когда баллон заряжен потребным давлением рабочего газа, зарядный кран баллона высокого давления закрыт и загерметизировано устройство герметизации линии подачи газа потребителю, а рабочим газом является гелий либо смесь гелия с другим газом (например, воздухом или азотом), что является окончательным этапом подготовки к эксплуатации пневмоблока высокого давления. Для этого накопительная емкость (чехол) может быть выполнена из тонкостенного эластичного материала с возможностью размещения пневмоблока и снабжена окном для его прохода и устройством герметизации окна, при этом для возможности облегания пневмоблока со сложной формой поверхности при уменьшении объема воздуха в накопительной емкости площадь свободной поверхности накопительной емкости после герметизации ее окна должна превышать площадь наружной поверхности пневмоблока, а система для контроля герметичности снабжена источником рабочего газа высокого давления с устройством его задействования и магистралью подачи рабочего газа, снабженной устройством измерения давления и выполненной с возможностью сообщения с зарядным краном пневмоблока.
Существенными признаками предлагаемой системы для контроля герметичности пневмоблока, совпадающими с признаками прототипа, являются следующие: система для контроля герметичности пневмоблока, включающая пневмоблок, содержащий баллон высокого давления, сообщенный с зарядным краном и с магистралью подачи рабочего газа потребителю, снабженной устройством герметизации, источник гелия избыточного давления с устройством его задействования и магистралью подачи гелия, снабженной устройством измерения давления и выполненной с возможностью сообщения с зарядным краном пневмоблока, источник рабочего газа высокого давления с устройством его задействования и магистралью подачи рабочего газа, снабженной устройством измерения давления и выполненной с возможностью сообщения с зарядным краном пневмоблока, накопительную емкость для течи из пневмоблока, выполненную из тонкостенного эластичного материала с возможностью размещения пневмоблока, снабженную окном для его прохода и устройством герметизации окна, масс-спектрометрический гелиевый течеискатель, снабженный линией отбора пробы со щупом с иглой Льюера для прохода в полость накопительной емкости и вакуумным насосом, сообщенным с линией отбора пробы через вентиль, причем площадь свободной поверхности накопительной емкости после герметизации ее окна превышает площадь наружной поверхности пневмоблока.
В известном устройстве минимальный объем воздуха в накопительной емкости, необходимый для уменьшения времени контроля герметичности, определяется степенью обжатия накопительной емкости при откачке воздуха вакуумным насосом для уменьшения ее объема, поэтому минимальный объем воздуха не может быть определен с большой точностью (малой погрешностью), что уменьшает точность контроля герметичности пневмоблока и надежность сохранения его работоспособности при длительной эксплуатации в течение назначенного срока службы и поэтому требует проведения контроля герметичности пневмоблока в процессе эксплуатации и дозаправку его баллона рабочим газом, при необходимости, что усложняет эксплуатацию объектов, использующих пневмоблок.
Техническим результатом, на решение которого направлено изобретение, является упрощение эксплуатации пневмоблока и увеличение надежности сохранения его работоспособности при длительной эксплуатации.
Для решения поставленной задачи система для контроля герметичности пневмоблока, включающая пневмоблок, содержащий баллон высокого давления, сообщенный с зарядным краном и с магистралью подачи рабочего газа потребителю, снабженной устройством герметизации, источник гелия избыточного давления с устройством его задействования и магистралью подачи гелия, снабженной устройством измерения давления и выполненной с возможностью сообщения с зарядным краном пневмоблока, источник рабочего газа высокого давления с устройством его задействования и магистралью подачи рабочего газа, снабженной устройством измерения давления и выполненной с возможностью сообщения с зарядным краном пневмоблока, накопительную емкость для течи из пневмоблока, выполненную из тонкостенного эластичного материала с возможностью размещения пневмоблока, снабженную окном для его прохода и устройством герметизации окна, масс-спектрометрический гелиевый течеискатель, снабженный линией отбора пробы со щупом с иглой Льюера для прохода в полость накопительной емкости и вакуумным насосом, сообщенным с линией отбора пробы через вентиль, причем площадь свободной поверхности накопительной емкости после герметизации ее окна превышает площадь наружной поверхности пневмоблока, содержит шприц тарированного объема с иглой для введения воздуха в полость накопительной емкости. Кроме того, для увеличения срока службы накопительной емкости путем исключения повреждения эластичного материала при загрузке массивных пневмоблоков накопительная емкость снабжена демпфирующей платформой для установки пневмоблока.
Отличительными признаками предлагаемой системы для контроля герметичности пневмоблока, является то, что система содержит шприц тарированного объема с иглой для введения воздуха в полость накопительной емкости; накопительная емкость снабжена демпфирующей платформой для установки пневмоблока.
Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными достигается следующий технический результат: упрощается эксплуатация пневмоблока, увеличивается надежность сохранения его работоспособности, повышается качество изготавливаемых пневмоблоков высокого давления.
Предложенное техническое решение может найти применение в различных отраслях народного хозяйства, производящих и эксплуатирующих изделия и объекты с заряженными баллонами высокого давления. Наиболее актуально применение технического решения при изготовлении пневмоблоков для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), хранящихся длительное время в состоянии постоянной готовности к применению, в его системах подачи топлива, запуска двигателя, охлаждения агрегатов, наддува избыточным давлением тонкостенных оболочек конструкции БПЛА для обеспечения их прочности в полете.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами, фиг.1, фиг.2.
На фиг.1 представлена часть системы для контроля герметичности пневмоблока при его зарядке рабочим газом.
На фиг.2 представлена часть системы для контроля герметичности пневмоблока во время контроля его герметичности.
Представленная на фиг.1 и фиг.2 система для контроля герметичности пневмоблока включает пневмоблок, содержащий баллон 1 высокого давления, сообщенный с зарядным краном 2 и с магистралью 3 подачи рабочего газа потребителю, снабженной устройством 4 герметизации, источник 5 гелия избыточного давления с устройством 6 его задействования и магистралью 7 подачи гелия, снабженной устройством 8 измерения давления и выполненной с возможностью сообщения с зарядным краном 2, источник 9 рабочего газа (азота) высокого давления с устройством 10 его задействования и магистралью 11 подачи рабочего газа, снабженной устройством 12 измерения давления и выполненной с возможностью сообщения с зарядным краном 2. Возможность сообщения с зарядным краном 2 обеспечивается для магистрали 11 разъемным резьбовым соединением, а для магистрали 7 - ее подключением к магистрали 11 через вентиль 13. Система также включает накопительную емкость 14 для течи из пневмоблока, выполненную из тонкостенного эластичного материала, с возможностью размещения пневмоблока, масс-спектрометрический гелиевый течеискатель 15, снабженный линией 16 отбора пробы со щупом 17 с иглой 18 Льюера для прохода в полость накопительной емкости 14 и вакуумным насосом 19, сообщенным линией 20 с линией 16 отбора пробы через вентиль 21. Накопительная емкость 14 снабжена окном 22 для прохода пневмоблока и устройством 23 герметизации окна 22, а также горловиной 24 с пробкой 25 для введения ее в полость иглы 18 Льюера. Площадь свободной поверхности накопительной емкости 14 после герметизации ее окна 22 устройством 23 превышает площадь наружной поверхности пневмоблока, при этом система содержит шприц 26 тарированного объема с иглой 27 для введения в полость накопительной емкости 14 воздуха. Накопительная емкость снабжена демпфирующей платформой 28 для установки пневмоблока.
2
ут
раб
-5
-4
3
Система для контроля герметичности пневмоблока работает следующим образом. Открывается зарядный кран 2, вентиль 13 и задействуется устройство 6, при этом гелий по магистралям 7 и 11 через зарядный кран 2 поступает в полость баллона 1, повышая в ней давление гелия, которое контролируется по устройству 8 измерения давления. После зарядки баллона 1 до определенного давления в соответствии с величиной контролируемой течи гелия отключается устройство 6 и задействуется устройство 10, при этом рабочий газ (например, воздух или азот - N) по магистрали 11 через открытый зарядный кран 2 поступает в полость баллона 1, повышая в ней давление смеси рабочего газа и гелия от величины давления зарядки гелием до величины давления зарядки баллона 1, необходимой для обеспечения работоспособности пневмоблока на объекте эксплуатации, которое контролируется по устройству 12, после чего устройство 10 отключается. В случае быстрой зарядки баллона 1 температура газа в нем и его конструкции при зарядке повышается и после остывания давление в баллоне 1 снижается, после чего аналогично производится дозарядка баллона 1 рабочим газом до необходимого значения давления зарядки. Далее закрывается зарядный кран 2, от него отстыковывается магистраль 11 и пневмоблок через окно 22 размещается на демпфирующей платформе 28 в полости накопительной емкости 14, закрывается устройство 23, игла 18 щупа 17 вводится через пробку 25 горловины 24 в полость накопительной емкости 14, открывается вентиль 21 и включается вакуумный насос 19. Происходит откачка воздуха из накопительной емкости 14 с обжатием конструкции пневмоблока тонким эластичным материалом накопительной емкости 14. После полной откачки воздуха (полного обжатия конструкции пневмоблока) посредством шприца 26, после введения его иглы 27 через пробку 25, в полость накопительной емкости 14 вводится тарированный объем воздуха, необходимый для обеспечения измерения течи гелия из пневмоблока масс-спектрометрическим гелиевым течеискателем 15. Далее производится выдержка для накопления концентрации гелия в воздухе, находящемся в полости накопительной емкости 14, после чего масс-спектрометрический гелиевый течеискатель, настроенный по контрольной течи (на чертежах не показана) определяет величину течи из пневмоблока. Благодаря тому, что масс-спектрометрический гелиевый течеискатель, например, ПТИ-6, ПТИ-7, способен определить течи порядка 10÷10 дм·мм рт.ст./с появилась возможность гарантировать приемлемую величину утечек газа из баллона 1 пневмоблока (ΔР), на которую надо перезарядить баллон 1 над величиной необходимого для обеспечения работоспособности пневмоблока давления (Р)и определить давление зарядки баллона 1 рабочим газом, как
зар
раб
ут
Р=Р+ΔР
Не
зар
Не
Не
зар
Σ
ут
He
Σ
Не
зар
ут
Не
Hе
зар
Σ
ут
He
зар
зар
ут
2
2
Минимальное давление зарядки гелия в баллоне 1 определено как Р=0,001·Р, поскольку при меньшей величине Р объем воздуха в накопительной емкости 14 для обеспечения приемлемого времени контроля течи гелия течеискателем 15 значительно уменьшается, соответственно, увеличивается погрешность его определения и погрешность контроля течи, а для приемлемых величин объемов воздуха время определения течи недопустимо увеличивается. Максимальная величина давления зарядки гелия Р=1,0·Р соответствует случаю, когда рабочим газом пневмоблока является гелий. Средняя величина утечки смеси газа из баллона 1 за время эксплуатации Q=ΔР·V/τ, где V - объем баллона 1; τ - время назначенного срока. Величина утечки гелия (Q) составляет часть общей утечки (Q), пропорциональную отношению давления Р/Р, то есть контролируемая течеискателем течь, гарантирующая не превышение падения давления в баллоне 1 пневмоблока более чем на величину ΔР, составляет Q=Р/Р Q=ΔР·P·V/Р·τ). Таким образом, благодаря частичной или полной зарядке баллона 1 гелием и обеспечению возможности определения общей величины течи газа из баллона 1 и потерь давления в нем за полное время назначенного срока службы, путем контроля суммарной течи гелия (через зарядный кран 2, сварные швы пневмоблока, стенки баллона 1) масс-спектрометрическим гелиевым течеискателем 15, с использованием накопительной емкости 14, выполненной из тонкостенного эластичного материала, гарантируется обеспечение работоспособности пневмоблока на объекте в течение назначенного срока службы, без контроля давления в баллоне 1 и его дозарядок рабочим газом. Благодаря наличию демпфирующей платформы 28, а также горловины 24 с пробкой 25 тонкостенная эластичная ткань накопительной емкости 14 при загрузке пневмоблока через окно 22 и при контроле течи гелия с введением игл 18 и 27 не повреждается, что увеличивает срок службы емкости 14. Расчетом подтверждено, для баллона с объемом полости V=0,35 литра; Р=162,5 кГс/см при температуре t=20°; ΔР=16 кГс/см; τ=12 лет, определено:
- время контроля герметичности 9 минут;
Не
Не
2
3
-5
- для парциального давления гелия Р=1 кГс/см в баллоне 1 объем воздуха накопительной емкости 14 составляет 50 см, контролируемая течеискателем 15 течь гелия - Q=7·10 мкм рт.ст.·л/с;
Не
He
2
3
-4
- для парциального давления гелия Р=10 кГс/см в баллоне 1 объем воздуха накопительной емкости 14 составляет 500 см, контролируемая течеискателем 15 течь гелия - Q=7·10 мкм рт.ст.·л/с.