СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ДЛЯ КРИОГЕННЫХ РЕЗЕРВУАРОВ, РАЗМЕЩЁННЫХ ВНУТРИ КОРПУСА ПОДВОДНОГО АППАРАТА
PROTECTION SYSTEM FOR CRYOGENIC TANKS LOCATED INSIDE THE HULL OF AN 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 SV1687984 AI). Несмотря на то, что 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 система защиты для криогенных резервуаров, размещенных внутри корпуса подводного аппарата, которая является наиболее близким аналогом, содержащая предохранительный и импульсный клапаны, установленные снаружи корпуса подводного аппарата, при этом предохранительный клапан выполнен из двух корпусов и 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 второй корпус смонтирован внутри корпуса подводного аппарата и в нем установлены седло и запорный клапан, соединенный штоком с силовым приводом, при этом полость над запорным клапаном соединена криогенным трубопроводом с газовой подушкой криогенного резервуара, 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 кроме того на корпусе импульсного лапана смонтировано устройство блокировки открытия клапана, при этом полость устройства блокировки соединена трубопроводом, проходящим в корпусе подводного аппарата, с водой, окружающей подводный аппарат, а коме того корпус импульсного клапана и первый и первый корпус 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. (см. патент 2745183).
Цель изобретения - упростить конструкцию зашиты для криогенных емкостей и резервуаров, размещенных внутри подводного аппарата. Поставленная цель достигается тем, что в система защиты для криогенных резервуаров, размещенных внутри корпуса подводного аппарата, содержащей предохранительный и импульсный клапаны, установленные снаружи корпуса подводного аппарата, пои этом предохранительный клапан выполнен из двух корпусов и 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 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, а полость после запорного клапана соединена трубопроводом клапаном, дополнительно установленным на внешней стороне корпуса подводного агрегата, при этом корпус и трубопровод окружены кожухом для теплоносителя, а кроме того на корпусе импульсного клапана смонтировано устройство блокировки открытия клапана, при этом полость устройства блокировки соединена трубопроводом, проходящим в корпусе подводного аппарата, с водой окружающей подводный аппарат, а кроме того корпус импульсного клапана и первый корпус 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, в первом корпусе предохранительного клапана эффективная площадь внутреннего сильфона силового привода от 2 до 10 раз больше площади уплотнения спорно, о клапана, смонтированного во втором корпусе, при этом межсильфонная полость силового привода соединена с внутренним объемом подводного аппарата, а импульсный клапан выполнен в одном корпусе и в нем установлены седло и клапан подачи рабочей среды, седло и клапан сброса рабочей среды, а на верней части корпуса смонтировано устройство управления выполненное в виде цилиндрической камеры, в которой размещены сильфом с пружиной и штоком, при этом шток пропущен через клапан сброса рабочей среды и на штоке выполнены два упора, между которыми расположены клапан сброса рабочей среды и пружина клапана, при этом в клапане установлено уплотнение штока, а сама цилиндрическая камера соединена с камерой, заполненной жидкостью трубопроводом, открытый конец которого на 5-10 мм удален от корпуса подводного аппарата, а устройство блокировки открытия клапана смонтировано на нижней части корпуса импульсного клапана, которое выполнено в виде цилиндрической камеры, сильфона и штока, взаимосвязанного с клапаном подачи рабочей среды, при этом эффективная площадь сильфона равна посадочной площади клапана подачи рабочей среды, а кроме того полость между клапанами и подачи и сброса рабочей среды подключена к полости предохранительного клапана, расположенной между первым корпусом и внешним сильфоном силового привода, а полость после клапана сброса рабочей среды подключена к емкости, которая установлена внутри камеры, заполненной жидкостью, снабжена насосом и соединена с внутренним объемом подводного аппарата. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупный и 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, размеченных внутри корпуса подводного аппарата, содержит предохранительный клапан,, состоящий 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, межсильфоная полость 8 которых трубопроводом 9 соединена с внутренним объемом подводного аппарата, при этом эффективная площадь внутреннего сильфона 6 от 2 до 10 раз больше проходного сечения запорного клапана 10, который вместе с седлом 11 установлены в корпусе 2, смонтированном внутри корпуса 4 подводного аппарата. Запорный клапан 10 с помощью 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, 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 одного корпуса 21, который закреплен на внешней стороне корпуса 4 подводного аппарата. В корпусе 21 установлено седло 22, пружина 23 и клапан 24 додачи рабочей среды, седло 25, пружина 26 и клапан 27 сброса рабочей среды, при этом полость 28 между клапанами трубопроводом 29 подключена к полости 30, расположенной между первым корпусом 1 и внешним сильфоном 7 предохранительного клапана, а кроме того на верхней части корпуса 21 смонтировано устройство управления, выполненное в виде цилиндрической камеры 31, сильфона 32, пружины 33 и штока 34, который проходит через клапан 27 сброса рабочей среды и на истоке 34 выполнены верхний упор 35 и нижний упор 36, между которыми установлены пружина 26 и клапан 27 сброса рабочей среды, при этом в клапане 27 установлено уплотнение штока 37. В корпусе 21 со стороны клапана 24 подачи рабочей среды смонтировано устройство блокировки открытия клапана 24 подачи рабочей среды, которое выполнено в виде цилиндрической камеры 38, сильфона 39, полости 40 и штока 41, соединенного с клапаном 24 подачи рабочей среды, при этом эффективная площадь сильфона 39 равна посадочной площади клапана 24 подачи рабочей среды, а полость 40 устройства блокировки соединена трубопроводом 42, проходящим в корпусе 4 подводного аппарата с водой, окружающей снаружи подводный аппарат, а полость 43, расположенная за клапаном 27 сброса рабочей среды, трубопроводом 44 соединена с емкостью 45, в которой размещены уровнемер 46 и насос 47, при этом полость 48 трубопроводом 49 сообщена с внутренним объемом подводного аппарата, а кроме того емкость 45. корпус 21 импульсного клапана и первый корпус 1 предохранительного клапана размещены в камере 50, которая через прокладку 51 герметично соединена с корпусом 4 подводного аппарата, заполнена на 90% - 95% рабочей жидкостью, например, дистиллированной водой, по и этом газовая полость 52 камеры 50 трубопроводом 53 сообщена с газовой подушкой криогенного резервуара 15. Заполнение рабочей жидкостью полости 54 устройства управления осуществляется по трубопроводу 55, открытый конец которого отстоит на 5-10 мм от корпуса подводною аппарата, а подача рабочей жидкости к клапану 24 производится через отверстия 56, выполненные в корпусе 21 импульсного клапана. Возврат рабочей жидкости из емкости 45 в камеру 50 осуществляется насосом 47 по трубопроводу 57.
Система защиты для криогенных резервуаров, размещенных внутри корпуса подводных аппаратов работает следующим образом. На чертеже 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, пои которой давление воды на корпус 4 подводного аппарата выше давления срабатывания системы защиты.
2
2
В этом случае запорный клапан 10, размещенный во втором корпусе предохранительного клапана, находится в закрытом положении, при этом герметичность запорного клапана 10 в седле 11 обеспечивается за счет усилия от пружины 5 и усилия, создаваемого от давления газа в полости 13, соединенной трубопроводом 14 с газовой подушкой криогенного резервуара 15, на эффективную площадь внутреннего сильфона 6, которая в зависимости от материала уплотнителя, установленного в клапане 10, и необходимого удельного давления для обеспечения требуемой герметичности затвора от 2 до 10 раз больше, чем посадочная площадь запорного клапана 10, при этом межсильфонная полость 8 с помощью трубопровода 9 сообщена с внутренним объемом корпуса 4 подводного аппарата. Полость 30, расположенная между первым корпусом 1 предохранительного клапана и внешним сильфоном 7 силового привода, также сообщена с внутренним объемом корпуса 4 подводного аппарата. Это положение обеспечивается тем, что клапана 27 сброса рабочей среды из полости 30 открыт под действием усилия пружины 33 устройства управления, а клапан 24 подачи рабочей с репы в ту же полость 30 закрыт под действием усилия пружины 23. Благодаря тому, ото клапан 27 открыт, полость 30 через трубопровод 29, полости 28 и 43, расположенные в корпусе 21 импульсного клапана, трубопровод 44, соединяющего эти полости с полостью 48 камеры 45, и трубопровод 49 сообщается с внутренним объемом корпуса 4 подводного аппарата, где давление равно атмосферному. Такое состояние будет сохраняться до тех пор, пока не начнется рост давления рабочей среды в криогенном резервуаре 15. При достижении давления в газовой подушке криогенного резервуара 15, равного давлению срабатывания системы защиты, такое же давление будет и в тазовой полости 52 емкости 50, которое через столб рабочей жидкости по трубопроводу 55, отстоящего от 5 мм до 10 мм от наружного корпуса 4 подводного аппарата, передается в полость54 устройства управления, заключенную между сильфоном 32 и камерой 31. В этом случае одновременно будет повышаться давление рабочей среды над сильфоном 32, и когда усилие от сильфона 32 станет больше чем усилие от пружины 33, то шток 34 вместе с клапаном 27 начнет опускаться вниз, что вначале приведет к посадке клапана 27 на седло 25, а дальнейшее движение штока 34 через клапан 27 будет сопровождаться поджатием пружины 26 верхним упором 35, выполненным на штоке 34, что обеспечит герметичность клапана 27. При достижении давлении над сильфоном 32 равного давлению срабатывания возникает усилие, передающееся через шток 34 и действующее на отрыт клапан 24 от седла 12. В то же время на клапан 24 в противоположном направлении действует усилие от пружины 23 и усилие со стороны сильфона 39, передаваемое через шток 41 на клапана24. Усилие на сильфон 39, размещенный в камере 38, создается от давления воды, которая поступает через трубопровод 42, выведенный за корпус 4 подводного аппарата. Вполне понятно, что это усилие является функцией 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 52 камеры 50, и когда усилие, действующее на шток 43 со стороны полости 54 устройства управления, будет больше суммарного усилия от пружины 33, пружины 23, действующей на клапан 24 и усилия со стороны сильфона 39, передаваемого через шток 41 на клапан 24, то только тогда клапан 24 откроется и рабочая среда через открытый клапан 24 по трубопроводу 29 поступает в полость 30, где под действием давления рабочей среды, действующей на эффективную площадь внешнего сильфона 7, создается усилие, под действием которого открывается запорный клапан 10 и остается открытым пока давление в криогенной емкости 15 не начнет снижаться. Весь этот период герметичность между клапаном 27 и штоком 34 обеспечивается уплотнением 37, выполненным в клапане 27. 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. При снижении давления в криогенном резервуаре ниже давления срабатывания синхронно происходит уменьшение давления в полноги 54 на сильфон 32. В результате шток 34 под действием пружины 33 начнет перемещаться вверх, что приводит к посадке подпружиненного клапана 24 на седло 22 и перекрытию подачи рабочей среды в полость 30. Дальнейшее передвижение штока 34 вверх приведет к открытию нижним упором 36 клапана 27 и сбросу рабочей среды из полости 30 через трубопровод 44 в емккость 45, полость 48 которой трубопроводом 49 соединена с внутренним объемом корпуса 4 подводного аппарата. Давление в полости 30 упадет до атмосферного и запорный клапан 10 под действием пружины 5 и усилия от внутреннего сильфона 6, создаваемого от давления газа в полости 13, сядет на седло 11, при этом будет обеспечена герметичность уплотнения клапана 10 на седле 11 даже в том случае, если клапан 10 и седло 11 успели охладится до температуры криогенной жидкости в процессе аварийного сброса паров из газовой подушки криогенной емкости 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. Сброс рабочей жидкости из полости 30 в емкость 45 вместо рабочей среды криогенного резервуара 15 исключает образование во внутреннем корпусе 4 подводного аппарата взрывоопасной смеси О и Н, необходимых для работы электрохимических генераторов, а следовательно существенно повышает безопасность эксплуатации всего подводного его аппарата. Количество жидкости в камере 45, контролируется уровнемером 46, установленным в камере 45 и при достижении определенного уровня в камере от уровнемера выдается сигнал, по которому происходит включение насоса 46 и через трубопровод 57 производится возврат необходимого количества жидкости в камеру 50.
Для удобства проведения ремонтных работ камера 50 герметично закреплена через прокладку 51 к корпусу 4 подводного аппарата, а корпус 1, предохранительного клапана так же через прокладку 3 закреплен на корпусе 4 подводного аппарата.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет упростить конструкцию защиты для криогенных емкостей и резервуаров, размещенных внутри подводного аппарата, при сохранении надежности и удобства проведения ремонтных работ в процессе эксплуатации системы.
Сравнение существенных признаков предлагаемого и уже известных решении дает основание считать что предлагаемое техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применяемость».