Барокомплекс для испытания топливных баков жидкостных ракет

Полезная модель относится к машиностроению, в частности, к технике контроля прочности и герметичности топливных баков жидкостных ракет в сборе, а также основных сборочных единиц (обечаек и днищ) и может найти применение в ДСЕ с высокими требованиями к герметичности в ракетно-космической технике и других наукоемких отраслях производства. Предложен барокомплекс испытания топливных баков жидкостных ракет, а также их основных сборочных единиц. Он включает испытательную вакуумную камеру 1, пульт 20 подачи в объем бака 3 давления испытательного газа, вакуумную систему получения в объеме испытательной камеры 1 рабочего вакуума, систему контроля герметичности течеискателем 22. Барокомплекс дополнительно содержит устройство откачки атмосферного воздуха из объема бака 3. Форсуночные устройства 4 подачи растворителя на внутренние поверхности бака смонтированы внутри объема бака 3. Он также содержит устройство подачи на форсуночные устройства подогретого растворителя, включающее емкость с растворителем 9, насос 7 подачи растворителя с нагревающим устройством на линии подачи, насос 8 удаления растворителя из объема в эту емкость 9. Блок рекуперации паров растворителя (БРП) после откачки их из объема включает откачивающий насос 18, конденсатор паров и емкость 19 сбора конденсата, а блок регенерации использованного растворителя методами ректификационной и фильтрационной очистки включает испаритель 11, соединенный линией подвода с емкостью растворителя 9, ректификационную колонну 12, конденсатор 13 паров растворителя, также соединенный с емкостью растворителя 9. Дополнительно введен блок - парогенератор 10, включающий камеру 23 подогрева растворителя с нагревателем, соединенный линией подачи подогретых паров растворителя с форсуночным устройством 4, и устройство 14 инфракрасного подогрева изделия через иллюминаторы на корпусе испытательной камеры. А также введен блок 21 рекуперации контрольного газа - гелия для повторного использования, включающий насос откачки гелия из объема бака, мембранный компрессор, устройства сорбционной и фильтрационной очистки гелия, емкость сбора подготовленного газа для повторного использования, криогенный цеолитовый фильтр на магистрали напуска анализируемого газа в систему контроля герметичности масс-спектрометрическим гелиевым течеискателем 22. Полезная модель - это единое устройство, совмещающее технологические средства, необходимые для выполнения операций испытания прочности, подготовки и высокочувствительного контроля герметичности в одном технологическом комплексе, что обеспечивает повышение качества подготовки и надежности контроля герметичности топливных баков жидкостных ракет и основных их сборочных единиц.

Полезная модель относится к машиностроению, в частности, к технике контроля прочности и герметичности топливных баков жидкостных ракет в сборе, а также основных сборочных единиц (обечаек и днищ) и может найти применение в технологии изготовления деталей и сборочных единиц (ДСЕ) с высокими требованиями к герметичности в ракетно-космической технике, авиастроении, атомно-энергетической технике, электронной технике, приборостроении, оптической технике и других наукоемких отраслях производства.

Известно множество технических решений, направленных на проведение контроля прочности и герметичности изделий - А.С. СССР 1670450, 1748486, патенты РФ 2079121,2488790.

Например, способ контроля герметичности по патентам 2187085, 2295710, в которых изделие помещают в герметичную камеру, из нее удаляют воздух, изделие заполняют пробным веществом, выдерживают в течение определенного времени, определяют реакцию течеискателя на концентрацию накопленных паров.

Для реализации известных способов необходима испытательная вакуумная камера для размещения испытываемого изделия, пульт подачи в объем изделия давления испытательного газа, вакуумная система получения в объеме испытательной камеры рабочего вакуума, система контроля герметичности.

Также известны устройства, реализующие способы подготовки изделий (очистки их поверхностей) к испытаниям на прочность и герметичность. В известном способе (патент 2089302) изделие, размещенное в герметичной моечной камере, обрабатывают растворителем. По способу, описанному в а.с. 1696589, обезжиривание органическим растворителем производят с вытеснением из моечной камеры паров растворителя для последующей конденсации и повторного применения. По способу, описанному в патенте 2173221, очистка изделия также выполняется в герметичной моечной камере, из объема которой перед подачей растворителя удаляется воздух, а после слива растворителя его пары рекуперируются.

Для испытания прочности и высокочувствительного контроля герметичности применяют методы опрессовки изделий давлением газов (см. ОСТ 92-4291-75 «Методы гидравлических испытаний изделий на прочность и герметичность») и пневмо-вакуумные методы контроля герметичности с использованием гелиевых масс-спектрометрических течеискателей (см. ОСТ 92-1527-89 «Изделия отрасли. Методы испытания на герметичность с применением масс-спектрометрических течеискателей»). Перед высокочувствительным контролем герметичности изделия подвергают предварительной подготовке, включающей очистку для удаления поверхностных загрязнений (см. РД 92-0254-89, РД 0199-88), экстракционной очистке сквозных микронеплотностей растворителями (см. ОСТ 92-4281-74 «Методы, средства и режимы подготовки изделий перед испытаниями на герметичность».), очистке сквозных микронеплотностей от капиллярной влаги и растворителей методами вакуумной осушки (см. ОСТ 92-0019-78 «Методы и режимы сушки изделий перед испытаниями на герметичность»). В зависимости от конструкции и размеров изделий применяют различные устройства испытания прочности, подготовки и высокочувствительного контроля герметичности: стенды гидравлических и пневматических испытаний прочности изделий (см. ОСТ 92-4291-75 «Методы гидравлических испытаний изделий на прочность и герметичность»), вакуумные испытательные камеры, вакуумные откачные блоки, камеры местного вакуумирования и др. (см. ОСТ 92-1527-89 «Изделия отрасли. Методы испытания на герметичность с применением масс-спектрометрических течеискателей»), устройства очистки: моечные камеры, ванны, конвейеры с душированием, циркуляционные аппараты и др. (см. Б.И. Иванов. Очистка металлических поверхностей пожаробезопасными составами. М. Машиностроение. 1978 г.), устройства экстракционной очистки (см. ОСТ 92-4281-74 «Методы, средства и режимы подготовки изделий перед испытаниями на герметичность. Контроль качества очистки»), камеры вакуумной сушки (см. ОСТ 92-0019-78 «Методы и режимы сушки изделий перед испытаниями на герметичность»).

Большая номенклатура необходимого для выполнения операций испытания прочности, подготовки и высокочувствительного контроля герметичности технологического оборудования и, как следствие, большие размеры необходимых производственных площадей для его размещения является недостатком. Дополнительные затраты труда и времени на перемещение изделий с одного технологического средства на другие и перемонтаж технологической оснастки по ходу технологического процесса увеличивают трудоемкость и общий цикл работ. Кроме того, выполнение работ по перемещению изделий и перемонтажу оснастки, производимых, как правило, при условии контакта поверхностей изделий с воздухом, содержащим влагу и естественные загрязнения, существенно снижает достигнутое на предварительных операциях качество подготовки изделий к высокочувствительному контролю герметичности, в результате снижается надежность самого контроля герметичности.

Задачей, на решение которой направлена разработка полезной модели, является создание единого устройства, совмещающего технологические средства, необходимые для выполнения операций испытания прочности, подготовки и высокочувствительного контроля герметичности в одном технологическом комплексе, повышение качества подготовки и надежности контроля герметичности топливных баков жидкостных ракет и основных их сборочных единиц.

Поставленная задача решается в барокомплексе испытания топливных баков жидкостных ракет, включающем испытательную вакуумную камеру, пульт подачи в объем бака давления испытательного газа, вакуумную систему получения в объеме испытательной камеры рабочего вакуума, систему контроля герметичности масс-спектрометрическим гелиевым течеискателем, согласно полезной модели он дополнительно содержит: устройство откачки атмосферного воздуха из объема бака; форсуночные устройства подачи растворителя на внутренние поверхности изделия, смонтированные внутри объема бака, устройство подачи на форсуночные устройства, или в объем бака подогретого растворителя, включающее емкость с растворителем, насос подачи растворителя с нагревающим устройством на линии подачи, насос удаления растворителя из объема в эту емкость; блок рекуперации паров растворителя после откачки их из объема, включающий откачивающий насос, конденсатор паров и емкость сбора конденсата; блок регенерации использованного растворителя методами ректификационной и фильтрационной очистки, включающий испаритель, соединенный линией подвода с емкостью растворителя, ректификационную колонну, конденсатор паров растворителя, также соединенный с емкостью растворителя; блок - парогенератор, включающий камеру подогрева растворителя с нагревателем, соединенный линией подачи подогретых паров растворителя с форсуночным устройством; устройство инфракрасного подогрева изделия через иллюминаторы на корпусе испытательной камеры; блок рекуперации контрольного газа - гелия для повторного использования, включающий насос откачки гелия из объема бака, мембранный компрессор, устройства сорбционной и фильтрационной очистки гелия, емкость сбора подготовленного газа для повторного использования, криогенный цеолитовый фильтр на магистрали напуска анализируемого газа в систему контроля герметичности масс-спектрометрическим гелиевым течеискателем.

Т.о. в предлагаемой полезной модели на устройство - барокомплекс, все необходимые средства испытаний, подготовки и контроля герметичности включены в состав одной единицы технологического оборудования. В связи с этим отпадает необходимость перемещения и перемонтажа изделия, значительно уменьшается стоимость технологического оборудования, потребные производственные площади, уменьшаются общая трудоемкость и цикл выполнения работ. Исключение контакта поверхностей изделия с воздухом, содержащим влагу и загрязнения, повышают надежность высокочувствительного контроля герметичности.

Отличительным признаком предложенного устройства является совмещение на нем всех технологических средств, необходимых для выполнения операций испытания прочности, подготовки и высокочувствительного контроля герметичности основных сборочных единиц и собранных топливных баков жидкостных ракет.

Сравнение заявляемого технического решения - барокомплекса для испытания топливных баков жидкостных ракет - с уровнем техники по научно-технической литературе и патентным источникам показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения не была известна. Следовательно, оно соответствует условию патентоспособности - «новизна».

Заявляемое решение может быть промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности - «промышленная применимость».

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где приведена схема барокомплекса для испытания топливных баков жидкостных ракет.

Устройство включает герметичную испытательную вакуумную камеру, состоящую из корпуса 1 и крышки 2 с наружной теплоизоляцией, разделяемых и герметично соединяемых по фланцевому разъему, Для испытаний изделия 3 (топливного бака жидкостной ракеты) в его объеме предварительно монтируется форсуночный блок 4, к которому подводится линия подачи растворителя в жидкой и паровой фазах. Блок БПО обеспечивает подачу жидкого подогретого растворителя к форсуночному блоку и отвод загрязненного растворителя из объема изделия и включает: емкость с растворителем 9, линию подачи, на которой установлен гидравлический насос 7, клапаны К5 и К7, устройство нагрева растворителя 23, манометр М2. Отвод из объема изделия загрязненного растворителя в емкость 9 производится по линии, включающей гидравлический насос 8 и клапаны К6 и К8. Подвод к форсуночному блоку подогретого пара осуществляется от парогенератора 10 по линии с клапаном К12; контроль давления пара - манометром М3.

Испытательная камера оснащена блоком высоковакуумной откачки - БВО, включающим форвакуумный насос 6, высоковакуумный насос 5 с линиями откачки с вакуумными клапанами К1, К2, К3. К линии откачки подключен блок контроля герметичности - БКГ, включающий масс-спектрометрический гелиевый течеискатель 22, линию напуска с клапаном К22 и криогенным цеолитовым фильтром 27. К объему изделия 3 подключаются: линия откачки атмосферного воздуха с блоком откачки - БО, включающим форвакуумный насос 16 и клапан К4, линия откачки паров растворителя с блоком рекуперации паров - БРП, включающим насос откачки паров 17, выпускная линия которого подключена к конденсатору паров 18 с емкостью сбора конденсата 19, и клапанами К9, К10, К11 на соединительных магистралях; линия подачи давления испытательного газа (гелия) в объем изделия клапаном К16 соединена с пультом подачи давления 20. Блок рекуперации контрольного газа - гелия 21 включает насос откачки гелия из объема изделия, мембранный компрессор, устройства сорбционной и фильтрационной очистки гелия, емкость сбора подготовленного газа для повторного использования, соединенную с пультом подачи испытательного газа (на чертеже не показаны), блок 21 производит откачку через клапан К17 из объема изделия гелия, его очистку от влаги и механических загрязнений и восстановление исходного давления в накопительных емкостях. Блок рекуперации гелия 21 и пульт подачи давления испытательного газа 20 соединены через клапан К18. Манометр M1 предназначен для контроля подаваемого в объем изделия давления испытательного газа (гелия).

Для нагрева изделия на корпусе камеры предусмотрены иллюминаторы с установленными на них устройствами инфракрасного нагрева 14.

Очистка загрязненного растворителя выполняется блоком регенерации, включающим испаритель 11, ректификационную колонну 12, конденсатор паров 13; на соединительных магистралях блока установлены клапаны К13, К14, К15.

Перед началом технологических операций в объеме изделия монтируют форсуночное устройство 4, затем изделие помещают в объем испытательной камеры, подключают форсуночный блок к линии подачи растворителя в жидкой и паровой фазах, закрывают крышку камеры, включают форвакуумный насос 6, открывают клапаны К1 и К2, и производят откачку атмосферного воздуха из объема испытательной камеры до остаточного давления 1·10^-1 мм рт.ст., включают форвакуумный насос 16, открывают клапан К4, и производят откачку атмосферного воздуха из объема изделия до остаточного давления 1·10^-1 мм рт.ст. Открывают клапан К5, включают гидравлический насос 7, открывают клапан К7, включают нагревательное устройство 23, и начинают подачу подогретого до температуры 50°C растворителя из емкости 9 к форсуночному блоку 4, обеспечивая при этом струйную очистку растворителем внутренних поверхностей изделия. По истечении времени очистки, выключают насос 7 и закрывают клапаны К5 и К7, отключают нагревательное устройство 23. Для финишной очистки включают нагреватель парогенератора 10 и после достижения необходимой температуры растворителя и повышения давления его паров, открывают клапан К12, и подают подогретый пар растворителя к форсуночному блоку 4; проникающий в объем изделия пар конденсируется на внутренних поверхностях изделия, обеспечивая очищающее действие. По окончании очистки закрывают клапан К12, и прекращают подогрев растворителя в парогенераторе 10. Удаление загрязненного растворителя из объема изделия в емкость 9 производят через клапаны К8 и К6 и фильтровальный блок 26 после включения насоса 8.

По мере загрязнения растворителя в емкости 9 более допустимого уровня производят его очистку-регенерацию на блоке ректификационной очистки БР. Подачу растворителя в испаритель 11 осуществляют через клапан К13, паровая фаза очищенного растворителя через клапан К14 поступает в конденсатор 13, очищенный конденсат через клапан К15 возвращается в емкость 9.

После окончания операций очистки внутренних поверхностей изделия выполняют подготовку изделия к высокочувствительному контролю герметичности, которая заключается в удалении из микроканалов сквозных неплотностей растворимых загрязнений экстракцией растворителем и последующего испарения жидкостей (влаги, растворителя). Операция экстракционной очистки выполняется при подаче насосом 7 через клапаны К5 и К7 и устройство 23 к форсуночному блоку 4 давления подогретого растворителя. Форсуночный блок реализует при этом режим мелкокапельной подачи растворителя в объем изделия, таким образом, чтобы на внутренних поверхностях поддерживалась в течение всего периода экстракционной очистки ламинарно-стекающая пленка растворителя. По завершении длительного периода экстракционной очистки накопившийся растворитель удаляют из объема изделия в емкость 9 насосом 8 через клапаны К8 и К6 и блок фильтров 26. Паровую фазу растворителя откачивают из объема изделия насосом 17 через клапаны К9 и К10 в конденсатор паров 18, образованный в блоке рекуперации БРП конденсат поступает в сборную емкость 19.

При вакуумной осушке изделия для удаления влаги и растворителя из моноканалов сквозных неплотностей производят откачку насосом 6 объема изделия до остаточного давления 1·10^-1 мм рт.ст. и при остаточном давлении в объеме испытательной камеры 1·10^-1 мм рт.ст. выполняют подогрев корпуса изделия с помощью устройств инфракрасного нагрева 14, сохраняя установленную температуру нагрева 4050°C в течение всего периода осушки.

По завершении операций подготовки включают высоковакуумный насос 5 и через клапан К3 производят откачку вакуумной испытательной камеры до остаточного давления 1·10^-5 мм рт.ст., и после снижения уровня газовыделения поверхностями камеры и изделия до значения, обеспечивающего возможность регистрации потока гелия допустимой величины, с пульта 20 подают в объем изделия давление испытательного газа первоначально до уровня испытания прочности, а затем понижают давление до уровня испытания изделия на герметичность. Контроль герметичности выполняют анализом газа, поступающего через напускной клапан К22 и криогенный цеолитовый фильтр в систему масс-спектрометрического гелиевого течеискателя 22.

По окончании испытаний прочности и герметичности изделия испытательный газ (гелий) выпускают из объема изделия через клапан К17 в блок рекуперации гелия 21, в котором производится его подготовка (очистка от влаги и механических загрязнений, повышение давления до необходимого значения) и хранение для повторного использования. По окончании испытательных работ производится напуск сухого чистого воздуха в объем испытательной камеры, объем изделия также заполняют сухим чистым воздухом. Крышка камеры открывается и изделие извлекается из объема испытательной камеры. Проверка работоспособности и эффективности предлагаемого устройства проведена на опытной установке, характеризующейся следующими параметрами:

- объем испытательной камеры ~10,0 м³;

- внутренний объем макета изделия ~5,0 м³;

- объем емкости растворителя ~3,0 м;

- применяемый растворитель - хладон 141b;

- форвакуумный насос откачки объема испытательной камеры - система сухой форвакуумной откачки GXS250F LV MD SE SK;

- высоковакуумный насос откачки объема испытательной камеры - насос турбомолекулярный SBH-XA4503CISO320FKF10;

- насос перекачки паров растворителя из объема изделия - сухой химический насос серии EDP-80;

- блок ректификационной очистки растворителя с производительностью -10 л/час, содержание остаточных жировых загрязнений в ректификованном растворителе ~15 мг/л, класс чистоты растворителя по ГОСТ 17216 - 45;

- охлаждение теплообменников конденсаторов паров растворителя - проточная вода с температурой ~1015°C;

- парогенератор с производительностью ~5 кг/мин;

- блок рекуперации паров растворителя с производительностью ~20. кг/час и эффективностью до ~90%;

- блок рекуперации гелия с производительностью до ~10 нм /час;

- для контроля герметичности использован гелиевый течеискатель - ПТИ-10, на напускной магистрали которого установлен криогенный цеолитовый фильтр;

Испытание опытной установки выполнены при следующих режимах ее функционирования:

- температура подогрева растворителя ~50°C;

- давление пара растворителя в парогенераторе ~0,30,4 МПа;

- длительность струйной очистки внутренних поверхностей макета изделия ~30 минут;

- расход растворителя, подаваемый форсуночным блоком:

0,1 кг/см² при очистке внутренних поверхностей макета изделия;

0,01 кг/см² на этапе экстракционной очистки;

- расход пара растворителя, подаваемого парогенератором в объем макета изделия при паро-конденсатной очистке ~34 кг/мин;

- длительность экстракционной подготовки макета изделия ~50 часов;

- температура подогрева макета изделия при вакуумной сушке - 50°C;

- длительность сушки макета изделия ~8 часов;

- температура охлаждения теплообменных аппаратов конденсаторов пара растворителя ~1215°C;

- охлаждение криогенного цеолитового фильтра - жидким азотом. В результате опытной проверки установлено:

- общая длительность работ по подготовке и испытаниям макета изделия ~72 часа;

- достигнутые показатели чистоты внутренних поверхностей макета изделия:

остаточное содержание жировых загрязнений на внутренних поверхностях макета ~15 мг/м;

класс чистоты по ГОСТ 17216 ~56;

- эффективность рекуперации паров растворителя в ходе эксплуатации ~7080%;

- эффективность рекуперации гелия ходе эксплуатации ~8085%;

достижимая чувствительность контроля герметичности ~1·10^-91·10^-10 м³Па/с;

- надежность контроля герметичности - до 99,9%.

Проверка показала практическую работоспособность и достаточную эффективность предлагаемой конструкции установки для очистки поверхностей, подготовки и испытаний на прочность и герметичность

Барокомплекс для испытания топливных баков жидкостных ракет, а также их основных сборочных единиц, включающий испытательную вакуумную камеру, пульт подачи в объём бака давления испытательного газа, вакуумную систему получения в объёме испытательной камеры рабочего вакуума, систему контроля герметичности масс-спектрометрическим гелиевым течеискателем, отличающийся тем, что дополнительно содержит: устройство откачки атмосферного воздуха из объёма бака; форсуночные устройства подачи растворителя на внутренние поверхности бака, смонтированные внутри объёма бака; устройство подачи на форсуночные устройства подогретого растворителя, включающее ёмкость с растворителем, насос подачи растворителя с нагревающим устройством на линии подачи, насос удаления растворителя из объёма в эту ёмкость; блок рекуперации паров растворителя после откачки их из объёма, включающий откачивающий насос, конденсатор паров и ёмкость сбора конденсата; блок регенерации использованного растворителя методами ректификационной и фильтрационной очистки, включающий испаритель, соединённый линией подвода с ёмкостью растворителя, ректификационную колонну, конденсатор паров растворителя, также соединённый с ёмкостью растворителя; блок-парогенератор, включающий камеру подогрева растворителя с нагревателем, соединённый линией подачи подогретых паров растворителя с форсуночным устройством; устройство инфракрасного подогрева изделия через иллюминаторы на корпусе испытательной камеры; блок рекуперации контрольного газа - гелия для повторного использования, включающий насос откачки гелия из объема бака, мембранный компрессор, устройства сорбционной и фильтрационной очистки гелия, ёмкость сбора подготовленного газа для повторного использования, криогенный цеолитовый фильтр на магистрали напуска анализируемого газа в систему контроля герметичности масс-спектрометрическим гелиевым течеискателем.