УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЛИВА ЖИДКОСТИ
DEVICE TO DRAIN FLUID

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в конструкции устройств для слива топлива из баков, имеющих кольцевые днища, например из баков тороидальной формы.
Известны устройства для слива жидкости из баков тороидальной формы, включающие желоб, приваренный к баку и сообщаемый с полостью бака через калиброванные отверстия, выполненные в днище бака, с целью обеспечения равномерного опускания уровня топлива в баке вплоть до прорыва газа в желоб, например устройство, использованное в баке разгонного блока по патенту России №2156723 с приоритетом от 03 ноября 1999 г.
Недостатком подобных устройств является большой незабираемый остаток топлива для случаев, когда перед остановом двигателя вектор его тяги отклонен от продольной оси бака, при этом зеркало топлива также отклоняется от горизонтальной плоскости, перпендикулярной оси бака.
Известно также устройство для слива жидкости из бака с кольцевым днищем, описанное в книге Н.М.Беляева «Расчет пневмогидравлических систем ракет», Москва, «Машиностроение»», 1983 г. и показанное на рис.8.2ж), стр.115. Устройство содержит коллектор на днище бака, образованный днищем бака, соплом двигателя и кольцевой пластиной, установленной над ними и имеющей отверстия для сообщения с полостью бака. К коллектору присоединен сливной трубопровод.
Устройство имеет тот же недостаток, что и описанный выше аналог.
За прототип настоящего изобретения принято устройство для слива топлива из цилиндрического бака с вогнутым днищем, имеющее многоточечный отбор топлива, описанное в той же книге Н.М.Беляева и показанное на рис.8.2з), стр.115. Устройство содержит кольцевой коллектор, образованный цилиндрической стенкой бака, вогнутым днищем и кольцевой пластиной, установленной над ними. В пластине выполнены профилированные отверстия для сообщения с полостью бака. Снизу к днищу подсоединены сливные трубопроводы.
При работе устройства топливо поступает из бака в коллектор через профилированные отверстия и далее через сливные трубопроводы к двигателям.
Недостатком прототипа, как и описанных выше аналогов, является большой незабираемый остаток топлива в баке в случае, когда зеркало топлива установится под наклоном к коллектору в конце работы двигателя из-за возникновения эксцентриситета тяги после сброса полезных нагрузок. Наклон зеркала топлива может быть произвольным по отношению к плоскостям стабилизации.
Изобретение направлено на уменьшение незабираемого остатка топлива в баках с кольцевыми днищами.
Схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1.
Устройство для слива жидкости из бака 1 кольцевой формы содержит присоединенные к баку два или более сливных трубопроводов 2, 3, 4, опускные концы которых объединены в коллектор 5, подсоединенный к двигателю (не показан).
a
При работе устройства на него действует ускорение  от работающего двигателя. В конце работы двигателя (в конце слива жидкости из бака) вектор ускорения может отклоняться от оси бака на угол φ, соответственно поверхность жидкости в баке установится под углом φ к днищу бака, как это показано на фиг.1. Входы в сливные трубопроводы 4 и 3 последовательно оголятся, а весь расход жидкости Q пойдет через один трубопровод 2. В трубопроводах 3 и 4 при этом поверхность жидкости должна установиться на некоторой гарантированной высоте h над коллектором для того, чтобы предотвратить прорыв газа в коллектор из трубопроводов 3 и 4. Для этого необходимо, чтобы гидростатическое давление столба жидкости в трубопроводе 2, определяемое по формуле
было равно или больше гидросопротивления трубопровода 2 при расходе Q, которое определяется по формуле
где Н - длина проекции оси сливного трубопровода на вектор ускорения, м;
3
ρ - плотность жидкости, кг/м;
a
2
- действующее ускорение, м/с;
ζ - коэффициент сопротивления сливного трубопровода;
d - внутренний диаметр сливного трубопровода, м.
Приравняв (1) и (2), получим формулу для расчета диаметра трубопровода, при котором обеспечивается работа устройства
a
Коэффициент запаса k=1,1-1,2 служит для обеспечения ненулевого значения величины h (см. фиг.1) и для компенсации случайных отклонений параметров Q, , ζ.
Работа предлагаемого устройства наглядно представлена кинокадрами слива жидкости из бака модельной установки с прозрачными трубопроводами (фиг.2-6). Кадры фиг.2, 3, 4, 5 показывают, как по мере последовательного оголения входов в трубопроводы свободная поверхность в трубопроводах устанавливается все ниже. Уровни свободной поверхности в трубопроводах одинаковы. На кадре фиг.5 показана работа устройства в момент, когда весь расход жидкости идет через один трубопровод. Этот момент является расчетным для определения необходимого диаметра трубопровода по формуле (3). В дальнейшем, когда начнет опорожняться последний трубопровод (см. кадр на фиг.6), уровни свободной поверхности во всех трубопроводах сравняются, и жидкость из всех трубопроводов сольется в коллектор практически одновременно. Незабираемый остаток складывается из гидравлического остатка в баке у входа в последний трубопровод и пленки жидкости на стенках этого трубопровода.
Основное преимущество предлагаемого устройства для слива жидкости из бака перед прототипом заключается в уменьшении незабираемого остатка жидкости в баке с кольцевым днищем как в случае совпадения вектора ускорения с продольной осью бака, так и, особенно, при наклонном положении вектора ускорения к оси бака в произвольном направлении.
Это достигается объединением опускных концов сливных трубопроводов в коллектор и назначением диаметра трубопроводов по условию исключения прорыва газа в коллектор, пока не опорожнятся все трубопроводы.
Дополнительными преимуществами являются уменьшение массы устройства, простота экспериментальной отработки и технологичность конструкции.