криогенная система

Формула изобретения

1. Криогенная система для хранения и использования криогенных жидкостей, содержащая бак, с наклоном к которому расположен трубопровод пространственной конфигурации с образованием сифонных участков и застойных зон, отличающаяся тем, что сифонные участки и застойные зоны трубопровода расположены внутри бака и имеют дренажные отверстия, на трубопроводе снаружи бака расположен агрегат, например фильтр, нижняя часть которого соединена дренажным трубопроводом с баком или дополнительным сборником.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что трубопроводы, проходящие внутри бака, наклонены вниз по меньшей мере частично и обеспечивают стекание жидкости в бак.

3. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что дренажные отверстия и дренажный трубопровод, ведущий в бак, заканчиваются со стороны выходов в частях бака, которые при заполнении бака обтекаются жидкостью вследствие распределения потока в нижней части бака, при этом жидкость в баке растворяет стекающие сюда примеси, находящиеся в твердом или жидком состоянии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может быть использовано преимущественно в авиационной технике для безопасной работы криогенной системы и исключения накопления высококипиящих примесей в криогенных жидкостях, особенно для жидкого водорода, жидкого метана или сжиженного газа.

Известны криогенные системы для хранения и использования криогенных жидкостей, которые в небольших количествах содержат примеси с повышенными температурами плавления и кипения, выделяющиеся при наличии гравитации и изменении температуры, выполненные в соответствии с требованиями по безопасной эксплуатации криогенных систем, содержащие бак, с наклоном к которому расположен трубопровод пространственной конфигурации с образованием сифонных участков и застойных зон, где накапливаются при эксплуатации твердые примеси в виде твердого кислорода, азота и других веществ (см. патент Германии N 3911655, 1990 г., МКИ B 64 D 38/34).

Однако известные криогенные системы имеют существенные недостатки, т.к. при длительной эксплуатации снижается их безопасность из-за накопления в них примесей, например твердого кислорода, который при контакте с жидким водородом в системе может привести к известной реакции гремучего газа с одной стороны, с другой стороны, вымораживание примесей на подвижных элементах конструкций криогенной системы может блокировать или ухудшить их работу из-за сужения проходных гидравлических сечений. Во избежание подобных явлений для криогенных систем проводят частые регламентные работы с периодическим или полным их отогревом (см. Филин Н.В., Буланов А.Б. Жидкостные криогенные системы. Машиностроение, Ленинградское отделение, 1985 г., пункт 7.2, стр. 239-240), что особенно неприемлемо для эксплуатации самолетов на криогенном топливе из-за их простоя на отогрев и повторный ввод криогенных систем в очередную эксплуатацию.

Задачами изобретения являются обеспечение безопасности, надежности и существенное увеличение времени рабочей эксплуатации криогенной системы, для чего сифонные участки и застойные зоны трубопровода расположены внутри бака и имеют дренажные отверстия, при этом на трубопроводе снаружи бака расположен агрегат, например, фильтр, нижняя часть которого соединена дренажным трубопроводом с баком или с одним из дополнительных сборников вне бака, помимо этого трубопроводы, проходящие внутри бака, также наклонены вниз по меньшей мере частично и обеспечивают стекание жидкости в бак, а дренажные отверстия и дренажный трубопровод, ведущий в бак, заканчиваются со стороны выходов в частях бака, которые при заполнении бака обтекаются жидкостью, вследствие распределения потока в нижней части бака, при этом жидкость в баке растворяет стекающие сюда примеси, находящиеся в твердом или жидком состоянии.

На фиг. 1 изображен общий вид криогенной системы (типовой вариант).

На фиг. 2 - вариант выполнения криогенной системы без насоса.

Криогенная система (фиг. 1) содержит бак 1 для хранения и использования криогенной жидкости, например жидкого водорода, жидкого метана или сжиженного природного газа. В баке установлен по меньшей мере один насос 2, на выходе которого установлен клапан 3, например обратный, который соединен с системой трубопроводов 4 и 5, питающих, например, двигатель самолета. Трубопровод 4 имеет внутрибаковую часть 6, состоящую из наклонного участка 7 со стоком в нижнюю часть бака и состыкованным с клапаном 3, а также сифонным участком 8. На выходе из бака трубопровод 4 имеет также наклонную часть 9, соединенную нижней точкой с баком 1, а верхней - с агрегатом, например фильтром 10. За фильтром пристыкован другой трубопровод 5 с наклонной к баку частью 11. В нижних точках застойной зоны 12 и сифонного участка 8 трубопроводов 4 и 5 имеются дренажные отверстия 13 и 14, а в нижней точке фильтра 10 установлен дренажный трубопровод 15 со стоком в бак 1 или дополнительный сборник 16.

Технический результат изобретения достигается и для других магистралей криогенной системы самолета, например системы заправки, слива и др., где отсутствуют насосы и фильтры (фиг. 2).

В этих случаях криогенная система содержит бак 1 для хранения и использования криогенной жидкости, например водорода или сжиженного природного газа. В баке имеется входное или выходное устройство 17, агрегат 3, например, запорный кран, обратный клапан или регулятор, который соединен с системой трубопроводов 4 и 5, по которым криогенная жидкость поступает в бак или из бака. Трубопровод 4 имеет внутрибаковую часть 6, состоящую из наклонного участка 7 со стоком в нижнюю часть бака и состыкованным с агрегатом 3 (которого может и не быть), а также сифонным участком 8. На выходе из бака трубопровод 4 имеет также наклонную часть 9, соединенную нижней точкой с баком 1, а верхней - с внебаковым агрегатом 10.

За агрегатом 10 пристыкован другой трубопровод 5 с наклонной к баку частью 11. В нижних точках возможной застойной зоны 12 и сифонного участка 8 трубопроводов 4 и 5 имеются дренажные отверстия 13 и 14, а в нижней точке полости агрегата 10 установлен дренажный трубопровод 15 со стоком в бак 1 или дополнительный сборник 16.

В бак 1 криогенной системы самолета входит несколько трубопроводов подсистем: питания двигателя, заправки, слива, перекачки из бака в бак, дренажа пара. Все эти трубопроводы в зависимости от конструкции бака (наличие шпангоутов, перегородок, отсеков, бачков) и размещения там оборудования вынужденно могут иметь сифонные участки 8 типаП показанного на фиг. 1 и 2, так как выход труб из криогенного бака может осуществляться только из определенных участков.

Подсистема питания двигателя предназначена для подачи криогенной жидкости в двигатель с необходимым давлением при всех режимах полета. Это может производиться либо с применением насоса, либо вытеснением повышенным давлением газа или пара, подаваемого в бак через системы дренажа. В случае вытеснения газом или паром насос в системе отсутствует.

Подсистема заправки предназначена для заполнения бака криогенной жидкостью, заправка производится от заправочных средств через разъемное устройство на борту самолета с разводкой трубопроводов по бакам. Заправка осуществляется под давлением. После заполнения бака подача криогенной жидкости в бак прекращается посредством перекрытия крана на трубопроводе, подводящем к баку.

Внутри бака криогенная жидкость подается в верхнюю часть бака таким образом, чтобы струя лилась вниз в зоне нижней точки бака, где возможен остаток криогенной жидкости при его выработке. Поэтому трубопровод внутри бака может иметь достаточно большую длину и сложную конфигурацию с изгибами и сифонами.

Подсистема слива предназначена для опорожнения бака в случае необходимости. Опорожнение производится под давлением пара или газа, т.е. без применения насоса. Трубопровод также может иметь изгибы типа сифонов.

Подсистема перекачки криогенной жидкости из бака в бак предназначена для поддержания центра тяжести самолета в определенном диапазоне при многобаковой конструкции криогенной системы. Перекачка может производиться с помощью насосов, так и вытеснением газом или паром. Из одного бака криогенная жидкость забирается из нижней точки и передается в другой бак в зону забора для подачи в двигатель или в нижнюю точку бака. Трубопроводы системы перекачки также имеют достаточно большую длину и могут быть сложной конфигурации.

Подсистема дренажа пара предназначена для поддержания давления в баке в определенных пределах посредством сброса пара из верхней точки бака и подачи в него пара или газа. Трубопровод внутри бака может иметь сложную форму с сифонными участками, в которые может попадать криогенная жидкость вследствие заливания входной части трубопровода при колебаниях жидкости в баке в случае эволюции самолета.

Криогенная система по настоящему изобретению (фиг. 1 и 2) работает следующим образом. После прекращения подачи жидкости по трубопроводам 4 и 5 остатки жидкости под действием силы тяжести должны стекать обратно в бак 1 по наклонным участкам 4, 7 и 11 через агрегат, например фильтр 10, однако обратный клапан 3 препятствует стоку жидкости в бак. Поэтому столб криогенной жидкости с растворенными в нем примесями, например твердым кислородом, азотом или тяжелыми углеводородами выводится из системы трубопроводов 4 и 5, застойной зоны 12, сифонного участка 8, а также из нижней части фильтра 10 через дренажные отверстия 13, 14 и дренажный трубопровод 15 обратно в бак или дополнительный сборник 16, делая невозможным накопление примесей в данной криогенной системе. Более того, сток в бак столба жидкости с примесями организован в зоны бака, где они наилучшим образом перемешиваются с основной жидкостью, которая при очередной выдаче ее из бака наиболее полно утилизирует существующие примеси при сжигании в двигателе или в другом энергопотребителе.

Использование изобретения позволит обеспечить безопасность, надежность и увеличить время рабочей эксплуатации криогенной системы без частичного или полного ее отогрева во избежание накопления примесей.