ВОЗДУШНО-АЗОТНАЯ КОМПРЕССОРНАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСА (ВАРИАНТЫ)
AIR-NITROGEN COMPRESSOR STATION FOR SPACE ROCKET LAUNCHING COMPLEX (VERSIONS)

Группа изобретений относится к воздушно-азотным компрессорным станциям и может быть использована преимущественно в ракетно-космических стартовых комплексах для обеспечения потребителей сжатыми газами, а также в силовых пневмоавтоматических системах, в химической и металлургической промышленности [1, 2, 3, 4].
Известна компрессорная станция для ракетно-космического стартового комплекса, содержащая многоступенчатые поршневые компрессоры с трехфазными асинхронными двигателями, причем компрессор и дизельный двигатель объединены в одном агрегате, а их поршни непосредственно соединены между собой, блок осушки и влагомаслоотделитель выполнены раздельно («Космодром», 1977 г. стр.191-194, Рис.5.16, Схема газоснабжения стартового комплекса, [1]).
К достоинствам известной компрессорной станции стартового комплекса следует отнести то, что дизель-компрессор имеет сравнительно высокий коэффициент полезного действия, в 1,5-2 раза превышающий КПД аналогичного компрессора с традиционным приводом от дизельного двигателя.
К недостаткам можно отнести то, что блок осушки и влагомаслоотделитель выполнены раздельно от компрессора, что увеличивает потребные площади для размещения оборудования, объем строительных сооружений и количество обслуживающего персонала.
Известна многокомпрессорная установка для производства сжатого воздуха, содержащая приводимые от маршевых двигателей компрессоры, соединенные с магистралью нагнетания сжатого воздуха линиями высокого давления, в каждой из которых установлен автомат давления и маслоотделитель, отличающаяся тем, что установка снабжена блоком челночных клапанов, установленных в линии связи автоматов давления с клапанами автоматического слива конденсата из маслоотделителя, при этом входы блока челночных клапанов соединены с трубопроводом командного давления, а выходы - с общей магистралью (Авторское свидетельство СССР №1492836 от 1990 г., МПК: F04B 41/06, F04B 35/00 [5]).
К достоинствам многокомпрессорной установки относятся блок челночных клапанов и автоматический слив конденсата из маслоотделителей.
Недостатками установки является то, что маслоотделитель выполнен отдельно от компрессора, что увеличивает габариты установки, и отсутствует коллектор для сбора конденсата из маслоотделителей каждого компрессора, а также емкость для сбора водомасляной эмульсии.
Известна воздушно-азотная компрессорная станция 8Г311, эксплуатирующаяся в составе стартовых комплексов типа 17П32 для пуска ракетоносителей (РН) типа «Союз» и «Союз-2» (Техническое описание и инструкция по эксплуатации компрессорной станции 8Г311, ФГУП «КБОМ», г.Москва, 1975 г.[7]), принципиальная схема которой приведена на Фиг.1.
Компрессорная станция содержит четыре технологические линии подачи газов (воздуха или азота), в каждой из которых последовательно установлены: компрессор 1 для сжатия газа, влагомаслоотделитель 2 и блок осушки 3. На всасывании компрессора установлены запорные вентили 4, соединенные с окружающей средой, и запорные вентили 5, соединенные с трубопроводом 6 подачи газообразного азота от системы азотоснабжения. Технологические линии через запорные вентили 7 соединены с баллонами для хранения сжатого воздуха 8, а через запорный вентиль 9 - с баллонами для хранения сжатого азота 10. Из баллонов 8 и 10 сжатые газы подаются потребителям через пневмощит выдачи 11. Для слива водомасляной эмульсии из влагомаслоотделителей имеются поддоны 12. Вода для охлаждения влагомаслоотделителей 2 подается от системы оборотного водоснабжения, а электроэнергия для привода компрессоров 1 - от системы электроснабжения.
Эта воздушно-азотная компрессорная станция по технической сущности и достигаемому результату является наиболее близкой к предлагаемым техническим решениям и принимается за прототип.
Достоинством прототипа является то, что баллоны для хранения сжатых газов заполняются заблаговременно, до установки РН на пусковое устройство. Количество баллонов рассчитано для обеспечения всех потребностей потребителей сжатых газов при подготовке штатного пуска РН.
Однако в случае длительной задержки (более двух часов) пуска или длительной стоянки заправленного компонентами топлива РН на пусковом устройстве запаса сжатых газов недостаточно для обеспечения потребностей потребителей, поэтому включаются в работу все четыре технологические линии подачи газов, причем две - на подачу сжатого воздуха через запорный вентиль 7, а две - сжатого азота через запорный вентиль 9. Потребность в сжатом воздухе в два-три раза больше, чем в сжатом азоте, поэтому при стоянке заправленного РН более 2 часов его не хватает, что приводит к необходимости слива компонентов топлива из баков РН и переноса пуска на более длительный срок.
К другим недостаткам прототипа можно отнести следующие:
- компрессор, влагомаслоотделитель и блок осушки выполнены в виде отдельных агрегатов, что увеличивает потребные площади и объемы соружений для их размещения и количество обслуживающего персонала;
- невозможность выдачи сжатых газов потребителям в обход баллонов для хранения сжатых газов, что не позволяет уменьшить количество дорогостоящих баллонов для хранения газов при давлении 40 МПа;
- неудобство в эксплуатации влагомаслоотделителей, в которых отсутствуют указатели уровня водомасляной эмульсии, что приводит к необходимости частого слива водомасляной эмульсии вручную в соответствующие поддоны 12, из которых эмульсия затем вручную сливается в бочку, расположенную вне помещения компрессорной станции для обеспечения пожаробезопасности работ.
Задачей предлагаемых изобретений является устранение указанных недостатков, повышение эффективности использования технологического оборудования для подачи сжатых газов, обеспечение неограниченного времени подачи газов потребителям при задержке или переносе пуска во время стоянки на пусковом устройстве заправленного РН, улучшение условий эксплуатации компрессорной станции за счет устранения необходимости слива водомасляной эмульсии из поддонов влагомаслоотделителей обслуживающим персоналом.
Техническим результатом изобретений является создание надежной, эффективной, компактной и экономичной воздушно-азотной компрессорной станции для ракетно-космического стартового комплекса, обеспечивающей его сжатым воздухом и азотом в процессе штатной подготовки к пуску РН и при задержках или переносе пуска на неограниченное время во время стоянки на пусковом устройстве заправленного РН.
Указанные технические результаты достигаются благодаря тому, что воздушно-азотная компрессорная станция для ракетно-космического стартового комплекса (по варианту 1), содержащая технологические линии подачи воздуха и азота, в каждой из которых последовательно установлены запорные вентили, компрессор, влагомаслоотделитель и блок осушки, баллоны для хранения сжатого воздуха и азота, систему оборотного водоснабжения влагомаслоотделителей, систему электроснабжения компрессоров и пневмощит выдачи сжатого воздуха и азота потребителям, снабжена дополнительными стационарными воздушными компрессорными установками, выполненными в виде единых агрегатов, включающих компрессор, влагомаслоотделитель и блок осушки, соединенными трубопроводами подачи сжатого воздуха через запорные вентили и обратные клапаны - с баллонами для хранения сжатого воздуха и после пневмощита выдачи сжатого воздуха и азота - с потребителями сжатого воздуха, трубопроводами подачи воды - с системой оборотного водоснабжения влагомаслоотделителей, а кабелями связи - с системой электроснабжения компрессоров, и коллектором для сбора водомасляной эмульсии из влагомаслоотделителей дополнительных воздушных компрессорных установок и влагомаслоотделителей, установленных в технологических линиях подачи воздуха и азота, соединенным со сливной емкостью, установленной ниже уровня пола помещения компрессорной станции и связанной с окружающей средой, при этом сливная емкость снабжена запорным вентилем для слива водомасляной эмульсии при наполнении сливной емкости в передвижную канализационную машину, люком для чистки внутренней поверхности сливной емкости после ее опорожнения и уровнемером для контроля степени заполнения сливной емкости водомасляной эмульсией.
Указанные выше технические результаты достигаются также благодаря тому, что воздушно-азотная компрессорная станция для ракетно-космического стартового комплекса (по варианту 2), содержащая технологические линии подачи воздуха и азота, в каждой из которых последовательно установлены запорные вентили, компрессор, влагомаслоотделитель и блок осушки, баллоны для хранения сжатого воздуха и азота, систему оборотного водоснабжения влагомаслоотделителей, систему электроснабжения компрессоров и пневмощит выдачи сжатого воздуха и азота потребителям, снабжена дополнительным приемным пневмощитом, соединенным трубопроводами подачи сжатого воздуха через запорные вентили и обратные клапаны с баллонами для хранения сжатого воздуха и после пневмощита выдачи сжатого воздуха и азота - с потребителями сжатого воздуха, передвижными воздушными компрессорными установками, соединенными с приемным пневмощитом гибкими трубопроводами, и коллектором для сбора водомасляной эмульсии из влагомаслоотделителей, установленных в технологических линиях подачи воздуха и азота, соединенным со сливной емкостью, установленной ниже уровня пола помещения компрессорной станции.
Указанные выше технические результаты достигаются также благодаря и тому, что в воздушно-азотной компрессорной станции для ракетно-космического стартового комплекса (по варианту 3), содержащей технологические линии подачи воздуха и азота, баллоны для хранения сжатого воздуха и азота, систему оборотного водоснабжения влагомаслоотделителей, систему электроснабжения компрессоров и пневмощит выдачи сжатого воздуха и азота потребителям, в технологических линиях подачи воздуха и азота установлены стационарные компрессорные установки, выполненные в виде единых агрегатов, включающих компрессор, влагомаслоотделитель и блок осушки, при этом две компрессорные установки через запорные вентили с одной стороны соединены с системой азотоснабжения, а с другой стороны через запорный вентиль и обратный клапан - с баллонами для хранения сжатого азота, а остальные компрессорные установки с одной стороны связаны с окружающей средой, а с другой стороны через запорные вентили и обратные клапаны - с баллонами для хранения сжатого воздуха и после пневмощита выдачи сжатого воздуха и азота - с потребителями сжатого воздуха. Кроме того, компрессорная станция снабжена коллектором для сбора водомаслянной эмульсии из влагомаслоотделителей компрессорных установок, соединенным со сливной емкостью, установленной ниже уровня пола помещения компрессорной станции.
Сравнительный анализ признаков известных технических решений, содержащихся в рассмотренных аналогах, прототипе и предлагаемых вариантах воздушно-азотной компрессорной станции для ракетно-космического стартового комплекса показывает, что заявляемая совокупность признаков предлагаемых станций имеет существенные отличия и соответствует критериям изобретения «новизна» и «изобретательский уровень».
Сущность предлагаемых изобретений поясняется чертежами. На Фиг.2 показана воздушно-компрессорная станция по варианту 1. В состав станции входят четыре линии подачи воздуха и азота, в каждой из которых последовательно установлены компрессор 1, влагомаслоотделитель 2 и блок осушки 3, а на входе в компрессор - запорный вентиль 4, соединяющий компрессор с окружающей средой, и запорный вентиль 5, соединяющий компрессор с трубопроводом 6 подачи газообразного азота от системы азотоснабжения. Технологические линии через запорные вентили 7 соединены с баллонами для хранения сжатого воздуха 8, а через запорный вентиль 9 - с баллонами для хранения сжатого азота 10. Из баллонов сжатый воздух и азот поступают на пневмощит выдачи сжатого воздуха и азота потребителям 11. В составе станции имеются также три стационарные воздушные компрессорные установки 12, выполненные в виде единых агрегатов, включающих компрессор, влагомаслоотделитель и блок осушки, соединенные с одной стороны с окружающей средой, а с другой стороны через запорный вентиль 13 и обратный клапан 14 - с баллонами для хранения сжатого воздуха 8, а через запорный вентиль 15 и обратный клапан 16 - непосредственно с потребителями сжатого воздуха в обход пневмощита выдачи сжатого воздуха и азота потребителям, 11. Коллектор 17 предназначен для сбора водомасляной эмульсии из влагомаслоотделителей 2 и влагомаслооотделителей компрессорных установок 12 и подачи ее в сливную емкость 18, соединенную с окружающей средой трубопроводом 19, снабженную уровнемером 20 и запорным вентилем 21, предназначенным для слива водомасляной эмульсии при наполнении сливной емкости в передвижную канализационную машину. На сливной емкости 18 имеется люк 22 для чистки внутренней поверхности емкости после слива водомасляной эмульсии. В состав станции входят система оборотного водоснабжения и система электроснабжения электродвигателей компрессоров 1 и электродвигателей компрессорных установок 12.
Воздушно-азотная компрессорная станция работает следующим образом. До установки РН на пусковое устройство включают все четыре технологические линии: две - для заполнения баллонов для хранения сжатого воздуха 8, а две другие - для заполнения баллонов для хранения сжатого азота 10. После заполнения баллонов технологические линии выключаются. С момента установки РН на пусковое устройство начинают подачу сжатого воздуха и азота потребителям через пневмощит выдачи 11 и продолжают до момента пуска РН. В случае задержки пуска РН на время более 1 часа включают в работу все четыре технологические линии (две на подачу сжатого воздуха, а две - сжатого азота) и компрессорные установки 12 для подачи сжатого воздуха в зависимости от его потребности либо через запорный вентиль 13 и обратный клапан 14 в баллоны для хранения сжатого воздуха 8, либо через запорный вентиль 15 и обратный клапан 16 - непосредственно потребителям в обход пневмощита выдачи сжатого воздуха и азота 11. Возможна также параллельная подача сжатого воздуха в баллоны и потребителям. При этом обеспечиваются все потребности потребителей при неограниченном времени стоянки заправленного РН на пусковом устройстве. После пуска РН производят заполнение баллонов 8 и 9 с использованием всех технологических линий и воздушных компрессорных установок 12. После заполнения баллонов до давления 40 МПа компрессорная станция готова к повторному использованию.
На Фиг.3 показана воздушно-компрессорная станция по варианту 2. В состав станции входят четыре линии подачи воздуха и азота, в каждой из которых последовательно установлены компрессор 1, влагомаслоотделитель 2 и блок осушки 3, а на входе в компрессор - запорный вентиль 4, соединяющий компрессор с трубопроводом 6 подачи газообразного азота от системы азотоснабжения. Технологические линии через запорные вентили 7 соединены с баллонами для хранения сжатого воздуха 8, а через запорный вентиль 9 - с баллонами для хранения сжатого азота 10. Из баллонов сжатый воздух и азот поступают на пневмощит выдачи сжатого воздуха и азота потребителям 11. В составе станции имеются также передвижные воздушные компрессорные установки 23 (количество которых определяется потребностями потребителей сжатого воздуха), соединенные гибкими трубопроводами 24 с приемным пневмощитом 25, из которого сжатый воздух поступает через запорный вентиль 13 и обратный клапан 14 в баллоны для хранения сжатого воздуха 8 или через запорный вентиль 15 и обратный клапан 16 непосредственно потребителям сжатого воздуха в обход пневмощита выдачи сжатого воздуха и азота потребителям 11. Коллектор 17 предназначен для сбора водомасляной эмульсии из влагомаслоотделителей 2 и подачи ее в сливную емкость 18, соединенную с окружающей средой трубопроводом 19, снабженную уровнемером 20 и запорным вентилем 21, предназначенным для слива водомасляной эмульсии. На сливной емкости 18 имеется люк 22 для чистки внутренней поверхности емкости после слива водомасляной эмульсии.
В состав станции также входят система оборотного водоснабжения и система электроснабжения электродвигателей компрессоров 1.
Воздушно-азотная станция по варианту 2 работает следующим образом. До установки РН на пусковое устройство включают все четыре технологические линии: две - для заполнения баллонов для хранения сжатого воздуха 8, а две другие - для заполнения баллонов для хранения сжатого азота 10. После заполнения баллонов технологические линии выключаются. С момента установки РН на пусковое устройство начинают подачу сжатого воздуха и азота потребителям через пневмощит выдачи 11 и продолжают до момента пуска РН.
В случае задержки пуска РН на время более 1 часа включают в работу все четыре технологические линии (две - для подачи сжатого воздуха, а две другие - для подачи сжатого азота) и передвижные воздушные компрессорные установки 23 для подачи сжатого воздуха в зависимости от его потребности либо через запорный вентиль 13 и обратный клапан 14 в баллоны для хранения сжатого воздуха 8, либо через запорный вентиль 15 и обратный клапан 16 непосредственно потребителям в обход пневмощита выдачи сжатого воздуха и азота 11.
Возможна также параллельная подача сжатого воздуха в баллоны и потребителям, при этом обеспечиваются все потребности потребителей сжатых газов при неограниченном времени стоянки заправленного РН на пусковом устройстве.
После пуска РН производят заполнение баллонов 8 и 10 с использованием всех технологический линий и передвижных воздушных компрессорных установок 23. После заполнения баллонов до давления 40 МПа компрессорная станция готова к повторному использованию.
На Фиг.4 показана воздушно-компрессорная станция по варианту 3. В состав станции входят компрессорные установки 12, выполненные в виде единого агрегата, включающего в себя компрессор, влагомаслоотделитель и блок осушки, при этом две компрессорные установки через запорные вентили 26 соединены с системой азотоснабжения, а через запорный вентиль 9 и обратный клапан 14 - с баллонами для хранения сжатого азота 10. Остальные компрессорные установки 12, количество которых определяется потребностями потребителей сжатого воздуха, на всасывании соединены с окружающей средой, а на нагнетании через запорный вентиль 13 и обратный клапан 14 - с баллонами для хранения сжатого воздуха 8 и через запорный вентиль 15 и обратный клапан 16 - непосредственно с потребителями сжатого воздуха в обход пневмощита выдачи сжатого воздуха и азота 11, который соединен с баллонами для хранения сжатого воздуха 8 и сжатого азота 10.
В составе станции имеется коллектор 17, предназначенный для сбора водомасляной эмульсии из влагомаслоотделителей компрессорных установок и подачи ее в сливную емкость 18, установленную ниже уровня пола помещении компрессорной станции. Емкость 18 соединена с окружающей средой трубопроводом 19, снабжена уровнемером 20, вентилем 21 для слива водомасляной эмульсии в канализационную машину и люком 22 для чистки внутренней поверхности емкости после слива водомасляной эмульсии. В состав станции также входят система оборотного водоснабжения и система электроснабжения.
Воздушно-азотная компрессорная станция по варианту 3 работает следующим образом. До установки РН на пусковое устройство включают все компрессорные установки 12: две - для заполнения баллонов для хранения сжатого азота 10, остальные - для заполнения баллонов для хранения сжатого воздуха 8. После заполнения баллонов компрессорные установки выключаются. С момента установки РН на пусковое устройство начинают подачу сжатого воздуха и азота потребителям через пневмощит выдачи сжатого воздуха и азота 11 и продолжают до момента пуска РН.
В случае задержки пуска РН на время более 1 часа включают в работу две компрессорные установки для выдачи азота через запорный вентиль 9 и обратный клапан 14 в баллоны для хранения сжатого азота 10. Остальные компрессорные установки подают сжатый воздух в зависимости от его потребности либо через запорный вентиль 13 и обратный клапан 14 в баллоны для хранения сжатого воздуха 8, либо через запорный вентиль 15 и обратный клапан 16 - непосредственно потребителям сжатого воздуха в обход пневмощита выдачи сжатого воздуха и азота 11.
Возможна также параллельная подача сжатого воздуха в баллоны и потребителям для обеспечения всех потребностей потребителей при неограниченном времени стоянки заправленного РН на пусковом устройстве.
После пуска ракетоносителя РН производят заполнения баллонов 8 и 10 с использованием всех компрессорных установок. После заполнения баллонов до давления 40МПа компрессорная станция готова к повторному использованию.
Предлагаемые варианты воздушно-азотной компрессорной станции для ракетно-космических стартовых комплексов могут быть использованы как при модернизации компрессорных станций существующих стартовых комплексов для РН типа «Союз», «Союз-2» и «Протон-М», так и для создаваемых в настоящее время стартовых комплексов «Плесецк» и «Байтерек» для РН «Ангара», а также для перспективного стартового комплекса «Космодром Восточный».
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Космодром. Под общей редакцией профессора А.П.Вольского. Воениздат, Москва, 1977, стр.191-194, Рис.5-16, Схема газоснабжения - аналог.
2. Аграновский М.К., Вылюднов М.Е., Голованов С.Н. и др. Силовые пневмоавтоматические системы. Под редакцией член-корр. А.Н. СССР В.П.Бармина, Москва, 1965, стр.13, глава II - аналог.
3. Баскаков А.П. Берг Б.В., Витт O.K. и др. Теплотехника: Учебник для вузов, Москва, Энергоиздат, 1982, стр.221 - аналог.
4. Жирицкий Г.С., Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.Н. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов, издание 2-е, машиностроение, Москва, 1971, стр.8 - аналог.
5. Авторское свидетельство СССР №1492836 от 1990, МПК: F04В 41/06, F04B 35/00, 1990 - аналог.
6. Система газоснабжения высокого давления ED 0416630 от 07.09.89 US 404279 F17C 7/04, F17C 9/04, В29Д 30/06 - аналог.
7. Техническое описание и инструкция по эксплуатации компрессорной станции 8Г311, ФГУП «КБОМ», Москва, 1975 - прототип.
8. RU/2094338, C1, D64G - аналог.
9. Космонавтика. Энциклопедия. Москва 1985, стр.44; 67-68; 152; 309-310; 383-384 - аналоги.
10. Актуальные проблемы российской космонавтики. Материалы XXX академических чтений по космонавтике, Москва, 2006, стр.235 - аналог.
11. RU 2242411, С2, B64G 5/00, 18.03.2003 - аналог.
12. RU 2270792, C1, B64G 5/00, 05.08.2004 - аналог.
13. US 4932607, B64G 5/00, 02.08.1989 - аналог.
14. FR 2635500, А1, B64G 5/00, 23.02.1990 - аналог.
15. Austr. 631804, B64G 5/00, 1990 - аналог.
16. Ru 2099255, C1, B64G 5/00, 20.12.1997 - аналог.
17. Ru 2158421, С2, B64G 5/00, 27.10.2000 - аналог.
18. US PCT (US-98) 15899, B64G 5/00, 27.07.1998 - аналог.
19. Ru 2094337, C1, B64G 5/00, 27.10.1997 - аналог.