Фильтр для очистки криогенной жидкости
CRYOGENIC LIQUID FILTER

Изобретение относится к области фильтрования, а именно к фильтрам, работающим в условиях низких температур и предназначенным для очистки криогенных компонентов топлив ЖРД от металлических частиц и сплава АМгб размером 80 мкм и более.
Предшествующий уровень техники
На этапе разработки в НПО Энергомаш мощных маршевых ЖРД, работающих по окислительной схеме, имели случаи возгорания проточной части окислительного тракта от попадания из бака в тракт частиц сплава АМгб размером более 80 мкм, являвшихся инициатором возгорания.
Для защиты окислительного тракта от попадания в него указанных частиц было предложено создать фильтр и установить его на входе бустерного насоса окислителя.
2
Для обеспечения требуемых антикавитационных запасов насосного агрегата потери давления на фильтре не должны были превышать 0,5 кгс/см. Как показывают расчетные данные, для выполнения этого условия потребуются большие площади фильтрующей сетки. Все этого привело к разработке фильтра новой конструкции.
Более того, возникли проблемы, связанные с выбором сетки с ячейкой, обеспечивающей требуемые прочностные характеристики, в том числе по стойкости и динамическим нагрузкам.
Проведенные патентные исследования не выявили конструкции фильтров, в которых были бы решены указанные проблемы.
Например, известен фильтр (см. патент Франции №1321462, кл. B01D, 1962 г.) для очистки криогенной жидкости, в котором фильтрующий элемент выполнен из пористого материала.
Недостатком этого технического решения является то, что оно обладает большим гидравлическим сопротивлением и малой пропускной способностью.
Известен также фильтр (см. авторское свидетельство СССР №617048, МКИ B01D, 27/10, 1977), содержащий в корпусе фильтрующий элемент и индикатор засорения фильтра, выполненный в виде датчика температуры.
Недостаток такого фильтра - бескаркасная конструкция, которая сломается от перепада давления на ней.
Известно устройство для фильтрации жидкости, включающее корпус, фильтрующий элемент, выполненный в виде металлического перфорированного конуса, при этом вершина конуса фильтрующего элемента направлена навстречу потоку жидкости (см. патент GB (Великобритания) №2131712).
Недостаток этого устройства заключается в том, что оно обладает сложной конструкцией и значительными линейными и радиальными размерами. Кроме того, в этом изобретении нет данных о размерах перфорации.
Известные фильтры, как показали патентные исследования, эксплуатируются либо при малых скоростных напорах жидкости, либо гидравлические сопротивления фильтров не являются лимитирующим фактором.
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы создать фильтр простой конструкции, с меньшими габаритами, с требуемыми прочностными характеристиками и стойкий к динамическим нагрузкам и имеющий хорошую проницаемость.
Эта задача решена за счет того, что в фильтре для очистки криогенной жидкости, содержащем цилиндрический корпус, внутри которого установлен фильтрующий элемент, выполненный в виде объемного конуса, вершина которого направлена навстречу потоку фильтруемой жидкости, а основание закреплено на корпусе, кроме того, фильтрующий элемент выполнен в виде нескольких коаксиально расположенных объемных конусных секций (не менее двух) и соединенных между собой электросваркой через опорные кольца, при этом объемные конусные секции выполнены из перфорированных конусных пилонов с углом конуса при вершине равным α=16÷20°, стянутых по высоте кольцевыми обечайками, а вершины конусных секций закрыты коническими кольцами, кроме того, на объемные конические секции установлены две сетки с разной проникающей способностью, которые с помощью точечной электросварки прикреплены к коническим пилонам, опорным кольцам, кольцевым обечайкам и к коническому кольцу, причем первый слой сетки представляет собой прочную каркасную сетку с ячейкой 2×2 мм, изготовленную из нержавеющей проволоки 0,4-0,5 мм, а второй слой из фильтрующей сетки с ячейкой 75-80 мкм, изготовленной из нержавеющей проволоки диаметром 50-60 мкм.
Другими отличиями являются:
- указанные сетки прикреплены к объемным секциям с помощью точечной электросварки, которую выполняют через металлическую ленту толщиной 0,35 мм;
- перфорации в конических пилонах выполнены в виде круглых отверстий и в форме трапеции;
- между пилонами объемных секций выполнены проточные полости, которые соединены между собой через перфорации в виде цилиндрических отверстий и окон трапецеидальной формы;
- указанные сетки прикреплены к объемным секциям следующим образом: сначала к указанным секциям прикрепляется прочная каркасная сетка, а на нее устанавливается фильтрующая сетка.
Технический результат - обеспечение высоких прочностных характеристик фильтра при малых его габаритах с высокой проникающей способностью, малых перепадах давления жидкости на нем и повышенной надежностью в работе.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема фильтра; на фиг. 2 - конструкция фильтра в аксонометрии; на фиг. 3 - фрагмент А на фиг. 1; на фиг. 4 - фрагмент Б на фиг. 1.
Описание изобретения
Фильтр содержит корпус 1 (фиг. 1, фиг. 2), внутри которого закреплен фильтрующий элемент 2, выполненный в виде двух коаксиально расположенных объемных конусных секций 3 и 4. Указанные объемные секции соединены между собой через опорные кольца 5, 6 и 7. При этом опорное кольцо 5 является фланцем крепления к бустерному насосному агрегату (не показано). Соосно с секцией 4 размещен дефлектор 8. Каждая объемная секция состоит из нескольких перфорированных конических пилонов 9 с углом при вершине конуса α=16÷20°. Между собой пилоны 9 образуют проточные полости 10, которые соединены между собой через цилиндрические отверстия Н и окна 12 трапецеидальной формы, выполненные в пилонах. Объемные секции 3 и 4 стянуты по высоте несколькими кольцевыми обечайками 13 (фиг. 3, фрагмент А на фиг. 1), а их вершины закрыты коническими кольцами 14. На объемные конусные секции 3 и 4 установлены два слоя сеток 15 и 16, которые через металлическую ленту 17 прикреплены точечной электросваркой к продольным торцам 18 конических пилонов 9 (фиг. 4, фрагмент Б на фиг. 1), опорным кольцам 5, 6 и 7 и кольцевым обечайкам 13. Сетка 15 представляет собой прочную каркасную сетку с ячейкой 2×2 мм, изготовленную из нержавеющей проволоки диаметром 0,4÷0,5 мм. Сетка 16 - это фильтрующая сетка с ячейкой 75÷80 мкм, изготовленная из нержавеющей проволоки диаметром 50÷60 мкм.
Крепление сеток 15 и 16 к объемным секциям можно осуществлять другим способом. Например, вначале к указанным секциям крепится каркасная сетка 15, а на нее устанавливается фильтрующая сетка 16.
Следует заметить, что при сборке объемных конических секций 3 и 4 осуществляют соединение оснований каждой последующей конической оболочки с вершиной предыдущей конической оболочки.
Выбранный размер ячейки каркасной сетки 2×2 мм с диаметром проволоки 0,4 мм, а также размер ячейки 75÷80 мкм фильтрующей сетки с диаметром проволоки 50÷60 мкм позволил достичь требуемых потерь давления, высоких прочностных характеристик, в том числе по стойкости и динамическим нагрузкам, и получить фильтр с живым сечением сетки 69,6%.
Выполнение фильтра в виде двух объемных конусных секций позволило создать прочную конструкцию малого объема меньшей массы, надежно работающую в ЖРД.
Фильтр работает следующим образом.
При запуске двигателя поток жидкого кислорода с выхода бака поступает на сетчатую поверхность (сетки 15 и 16) объемных секций 3 и 4, фильтруется и поступает в проточные полости 10 фильтра, а из них направляется во входную магистраль бустерного насоса окислителя. При этом каркасы из пилонов и каркасной сетки 15 воспринимают динамический напор потока жидкости, а через сетку 16 осуществляется фильтрация жидкости.
Промышленное применение
Применение фильтра такой конструкции позволяет увеличить его срок службы, исключить возгорание в магистрали кислородного тракта ЖРД.