3.8.2. Заправка баков ракеты компонентами топлива

Операция «заправка» — это комплекс необходимых операций, обеспечивающих заполнение топливных баков ракеты компонентами топлива. Время заправки и количе­ство компонента, заправляемого в баки, задается в ТЗ на создание системы заправки, где также указываются температура заправляемого продукта и расходы заправки на различ­ных этапах ее проведения.

Процесс заправки условно разделяют на этапы:

- подготовка системы к заправке;

- захолаживание системы и баков ракет;

- непосредственно заправка.

Технологическая подготовка систем к заправке описана в разделе заправки крио­генными горючими.

Захолаживание заправочной системы и баков ракеты

Перед подачей жидкости в ракету, наземная заправочная система и баки ракеты должны быть захоложены до температуры жидкой фазы компонента топлива. Это слож­ная и ответственная операция, так как при ее проведении происходят сложные теплообменные процессы и связанные с этим фазовые переходы из жидкости в пар. При этом возника­ют гидроудары различной величины.

Если резервуары хранилища «теплые», то они захолаживаются первыми. Продукт для их захолаживания выдается из передвижных средств.

Подача жидкости на охлаждение системы и баков ракеты осуществляется теми же способами, что и при заправке — вытеснением газом наддува или с помощью насосных агрегатов. При этом охлаждение заправочной системы и баков ракеты может проводить­ся как совместно (поток пропускается через бак ракеты), так и раздельно, последователь­но. Пары сбрасываются в дренаж. Технология охлаждения зависит от схемных и конструк­тивных особенностей конкретной системы.

Коммуникации могут охлаждаться как рабочей, так и посторонней нейтральной жидкостью (например азотом) и холодным газом. Охлаждение систем заправки горючим (жидкий водород, СПГ) должно проводиться после соответствующей подготовки комму­никаций и баков газом, исключающей взрывоопасные ситуации.

При проведении охлаждения необходимо провести ряд технологических операций и мероприятий, способствующих смягчению негативного воздействия протекающих процес­сов на систему. Поэтому операция захолаживания начинается с подачи жидкости самотеком при открытых дренажных устройствах, что ограничивает расход, затем последовательно вклю­чают насосные агрегаты. Жидкость подается в коммуникации частично, часть продукта отво­дится из системы по обводным линиям, и так далее. Для каждого конкретного случая разра­батывается технология, обеспечивающая оптимальные условия захолаживания системы.

С целью определения времени охлаждения, количества продукта, необходимого для охлаждения, а также амплитуды колебания давлений в системе, проводится расчет режима охлаждения.

Время охлаждения определяется с помощью балансовых уравнений сохранения энергии и массы, а также уравнений движения на теплом и охлажденном участках.

Рассмотрим некоторые принципиальные вопросы, возникающие при охлаждении заправочной системы и баков ракеты.

Для этапа охлаждения стенок магистралей и баков характерна интенсивная регенерация пара. Это вызвано тем, что из-за высокой начальной температуры стенок, криогенные жидкости физически не могут существовать в пристенной области и мгно­венно превращаются в пар. Стенки устойчиво блокируются паровой пленкой, то есть ре­ализуется пленочное кипение. При последующем значительном понижении температуры стенки сосуда возможен их контакт с жидким криогенным продуктом и пленочное кипе­ние сменяется на пузырьковое, которое при дальнейшем охлаждении сменяется режимом конвективного теплообмена. Температуру поверхности, при которой возможен переход пленочного кипения к пузырьковому, связывают с температурой верхней границы суще­ствования криогенного продукта в жидком виде — температурой предельного перегрева, Т„.„. Для кислорода она равна 131 К, для азота 107 К, для водорода 28 К [3].

Кипение криогенных жидкостей на этапе охлаждения трубопроводов происходит при различных режимах движения парожидкостной смеси. Охлаждение и заполнение жидкостью криогенных магистралей большой протяженности сопровождается колебани­ями расхода и давления, при этом максимальное давление может превысить предельно допустимое. Наиболее опасным, как показали эксперименты, является давление, возни­кающее при подаче криогенной жидкости в отепленный трубопровод. При этом резко увеличивается скорость потока, превышающая обычную скорость движения в два и более раза, а давление в трубопроводе может в 1,5-2 раза превысить давление на входе [3]. Кроме того, при резких изменениях температуры стенок возникают термические напря­жения, которые могут разрушить конструкцию.

Весь период охлаждения, х, можно условно разделить на два этапа: первый (Xi) — от начала подачи жидкости и до появления парожидкостной смеси на выходе; второй (Хг) -от момента появления парожидкостной смеси на выходе до окончания процесса охлажде­ния (появление жидкости) [3]:

X = X, + х₂.

Условно, в зависимости от производительности этапов охлаждения, принято де­лить трубопроводные сети на три вида — длинные, средние и короткие, в зависимости от относительной длины зоны испарения в трубопроводе. Длина «длинных» трубо­проводов намного превышает зону испарения, время появления жидкости на выходе мало отличается от времени полного охлаждения:

τ = τ₁ при l_u/l<<1

где l - длина трубопровода;

l_u — длина зоны испарения трубопровода.

Трубопроводы средней длины характеризуются тем, что продолжительности от­дельных этапов соизмеримы друг с другом. В этом случае

τ = τ₁+ τ₂ при l_u/l=1

В коротких трубопроводах время появления жидкости на выходе пренебрежимо мало по сравнению с полным временем охлаждения; другими словами, длина трубопро­водов изначально мала для полного испарения жидкости:

τ = τ₂ при l_u/l>1

К длинным трубопроводам относят трубопроводы, длина которых превышает (1,5-2) х 10³ калибров, к коротким — менее 0,5 х 10³ калибров.

Исходя из изложенного, криогенные коммуникационные трубопроводы заправоч­ных систем относятся к первой группе. В связи с этим остановимся только на методах расчета охлаждения «длинных» трубопроводов. Расчетные зависимости для «средних» и «коротких» трубопроводов изложены в литературе [3, 4].

Одним из важнейших условий проектирования криогенных заправочных систем является создание оптимальных условий отвода образующихся паров. Лучшими по услови­ям отвода пара, в частности при захолаживании системы, являются открытые с обоих концов трубы. Повышение давления в этом случае минимально и зависит от состояния трубы; при увеличении длины или уменьшении диаметра удаление пара через открытый конец усложняется. В тупиковых трубопроводах величина пика давления не зависит от длины трубопровода, и газ можно эвакуировать только обратно в сосуд через открытое заборное устройство на входе. Для участков трубопроводов и других элементов системы, где может находиться криогенная жидкость, должна быть предусмотрена возможность осуществления дренажа паров. Максимальное давление в криогенных системах зависит от давления и температуры жидкости на входе. С ростом давления и понижением темпе­ратуры жидкости на входе давление в трубопроводе увеличивается.

Итак, физические и расчетные модели определения времени охлаждения связаны с относительной длиной зоны испарения, формирующейся в трубопроводе. Расчетные методы определения времени охлаждения длинных трубопроводов основываются на экспериментально установленном факте [4] относительно малой длины зоны испарения по сравнению с общей длиной трубопровода, и, как следствие, достаточно точного сов­падения времени появления жидкости на входе с временем охлаждения стенок. Кроме этого, принимается допущение, что поступающая в трубопровод жидкость полностью испа­ряется и образующийся пар прогревается до первоначальной температуры стенок. Реализу­ется максимальный прирост энтальпии потока в течение всего периода охлаждения:

i_вых-i_вх=∆i_max=r+Cp_г(T₀-T_вх)

i — энтальпия;

r — теплота испарения;

Cp_г —теплоемкость газа;

Т₀ и Т_вх — температура входа и выхода газа.

На основании ряда экспериментов для расчетов по определению времени охлажде­ния элементов системы и определения необходимого для этого количества криогенного продукта был предложен ряд проверенных эмпирических зависимостей. Для проведения расчетов по этим зависимостям система разбивается на ряд расчетных участков. Грани­цей служит условный фронт раздела жидкости и газа [29].

а) Масса продукта на заполнение участка трубопровода определяется, как:

М₁=π/4(D_i-2δ_i)²L_ip_i

D_i— внешний диаметр трубопровода, по которому течет жидкость;

δ_i— толщина стенки трубопровода;

p_i— плотность криогенной жидкости;

L_i— длина трубопровода.

б) Масса продукта на захолаживание участка определяется, как:

— масса металла трубопровода;

— масса арматуры;

— теплоемкость металла;

— разность температур между охлаждаемой стенкой и продуктом;

— теплоемкость газа;

— теплота испарения жидкости;

— коэффициент использования тепла паров, обычно φ = 0,85.

В числителе уравнения (3.8.6) показано, сколько требуется холода на охлаждение металла, в знаменателе — столько тепла расходуется на кипение и прогрев 1 кг газа. Масса металла участка трубопровода определяется по формуле

М₁=π(D_вн+δ_i)δ_iL_ip_i

D_вн— внутренний диаметр трубопровода;

δ_i- толщина стенки трубопровода;

p_i— плотность металла.

Для определения расхода продукта при захолаживании используются следующие зависимости.

Потери давления:

Р_н-Р_к=∑∆Р_гид

Здесь Р_n — начальное давление, Р_к — конечное давление, ∆Р_гид — потери давле­ния за счет гидравлики.

Потери давления для жидкости и газа определяются из соотношений:

для жидкости: Р_нi=P_ki-ξ₁G_i²/2p_jF_j2

для газа: Р_нi=√P_ki-ξ₁G_i²RT_i/2p_jF_j2

В этих формулах G_i — расход жидкости (3.8.8) или газа (3.8.9), ξ—гидравлическое сопротивление, R — газовая постоянная, Ft — площадь проходного сечения.

При захолаживании системы необходимо обеспечить пропускную способность си­стемы таким образом, чтобы давление, возникающее в системе, с учетом гидроудара не превышало давления, допустимого в системе и баке ракеты (если захолаживание назем­ной системы осуществляется через него). Это может быть достигнуто соответствующим расходом подаваемой жидкости и соответствующим обеспечением дренажа паров.

Такие расчеты удобно проводить с использованием коэффициентов местных гид­равлических сопротивлений системы, ξ разбивая ее на участки, аналогичные тем участ­кам, на которые система разбивается при гидравлических расчетах (учитываются прямые участки, различные повороты, клапаны, вентили, местные сужения сечений, металлору-кава и др.).

Для проведения расчетов необходимы данные о виде криогенного продукта, для которого проводится расчет, начальном и предельном давлении на входе в участок систе­мы, давлении на выходе, скорости повышения давления, температуре окружающей сре­ды, коэффициенте использования газа (обычно 0,85-0,9).

Допустимое повышение давления (гидроудар) определяется, как:

∆P_д=Pпр-Pр

Pпр — предельно допустимое давление;

Pр — рабочее давление.

Допустимая скорость в трубопроводе определяется, как:

W_д=∆P_д/ap_ж

a— скорость звука в жидком продукте;

p_ж— плотность жидкости.

Допустимый расход жидкого продукта определяется, как:

F — площадь проходного сечения.

Полученный расход при захолаживании не должен превышать допустимого значения.

Результаты расчета процесса захолаживания целесообразно сводить в таблицу, в которой указываются значения параметров — время захолаживания, расход захолаживающей жидкости, расход газообразного продукта, масса продукта на заполнение системы, масса продукта на захолаживание, суммарная масса продукта.

Полученные расчетные результаты уточняются в процессе отладки системы, авто­номных и комплексных испытаний. Окончание захолаживания определяется по времени его проведения и по показаниям датчика температуры на входе в наполнительное соедине­ние ракеты, а захолаживание бака ракеты — по установленному на дренажном устрой­стве датчику температуры, показания которого не должны превышать более чем на 2-5° температуру кипения заправляемого компонента топлива.

Заправка баков РКН

Заправка баков РКН осуществляется из резервуаров хранилища заправочной системы по магистральным трубопроводам с соответствующей арматурой и контрольно-измери­тельными приборами. Для обеспечения заправки необходимы побудители расхода. Ими могут быть насосные агрегаты или газ наддува. Давление, создаваемое в системе, должно обеспечивать преодоление возникающих сопротивлений в заправочной системе, сопро­тивления коммуникаций и бака ракеты, высотных отметок, а также давление, которое выше давления насыщенных паров с тем, чтобы обеспечить однофазное течение жидкости по трубопроводам. В качестве газа наддува в заправочных криогенных системах используют, в основном, газифицированные рабочие продукты.

Заправка баков ракеты начинается с наддува резервуаров, необходимого для выда­чи продукта. В зависимости от принятого побудителя расхода давление в резервуарах повы­шается:

- при насосной заправке—до величин, необходимых для обеспечения бескавитационной работы насоса с учетом перепада давлений на нижнем уровне жидкости в резерву­аре и на высотной отметке насосного агрегата;

- при вытеснительной подаче — до величин, компенсирующих потери в системе и разности в высотных отметках столба жидкости в резервуаре и баке ракеты с учетом давле­ния, поддерживаемого в баке ракеты.

При выдаче криогенных продуктов в резервуарах образуется комплекс взаимосвя­занных процессов: перемешивание, теплообмен с зеркалом жидкости и со стенками резер­вуара, образование и стекание пленки конденсата, движение зеркала жидкости вниз.

На рис. 3.8.1 и 3.8.2 величина Н_кр — критическая высота, при которой газ начинает поступать в сливную трубку. На расход газа наддува и прогрев жидкости большое влияние оказывает конденсация газа на поверхности жидкости. Кроме этого, необходимо исключить динамическое воздействие газовой струи на жидкость и образование воронки над патруб­ком забора жидкости из резервуара. Для этого предусматриваются различные устройства.

Проведенный теоретический анализ и экспериментальные работы показали [4], что за время выдачи продукта при заправке основная масса жидкости в резервуаре практи­чески сохраняет первоначальную температуру и только верхний, сравнительно тонкий слой, имеет более высокую температуру, что практически не сказывается на температуре продукта при его выдаче.

Наддув резервуаров для обеспечения выдачи продукта осуществляется газообраз­ным продуктом, в большинстве случаев получаемым в испарителях за счет тепла окружающей среды и являющихся неотъемлемой ча­стью обвязки резервуара.

Рис.3.8.1. Типичные конструктивные

схемы коллекторов для выдачи газа:

1 — в вертикальных цилиндрических и

сферических сосудах; 2, 3 — в горизонтальных

цилиндрических сосудах

Рис.3.8.2. Типичные конструктивные схемы заборных устройств в криогенных резервуарах:

а — цилиндрический гаситель вихревой воронки; б — тарель; в — расширенный патрубок при верхней выдаче жидкости

R_г— газовая постоянная;

P_n— давление в подушке;

V_n— объем в подушке;

T_m— температура в подушке;

M_ocт— масса газа, заполняющего подушку резервуара в первоначальный момент

где Q_cm — количество тепла, получаемое стенкой резервуара над зеркалом жидкости при нагревании ее от начальной температуры, Т„, до температуры конденсации Т_к.

где q — тепловой поток, определяющий количество тепла, переданное по боковой по­верхности пояса в процессе конденсациии; ∆F₆ — боковая поверхность резервуара; r — теплота парообразования; х — время наддува.

где q„ — тепловой поток, прошедший через поверхность зеркала жидкости за время ∆τ; F — поверхность зеркала жидкости.

Расход газа наддува в каждый момент времени определяется, как:

При проведении расчета с использованием указанных выше зависимостей исполь­зуются данные, которые должны быть известны заранее — вид рабочего продукта, тип резервуара, диаметр внутреннего сосуда, вместимость сосуда, масса внутреннего сосуда, начальный коэффициент заполнения (обычно 0,9), конечный коэффициент заполнения (до 0,05), время предварительного наддува, начальное давление в сосуде, расход при вы­даче продукта.

Расчетным путем определяется зависимость максимального (G_max) и среднего (G_cp) за процесс массового расхода газа наддува, как функции темпа выдачи жидкого продукта (G) из резервуара, температуры газа наддува (Г_н.) и давления наддува (P_н.)•

Время наддува подушки резервуара определяется, как:

где G — расход газа наддува.

Производительность испарителей должна обеспечивать необходимый расход газа наддува при самых неблагоприятных климатических условиях (для кислорода — Т_окр = 233 К и выходная температура газа Т= 125-220 К).

а) Заправка с помощью насосов

Для обеспечения заправки баков РКН в состав системы заправки включаются насосные агрегаты, обычно монтируемые в хранилище компонентов топлива ниже резервуаров системы.

Для исключения кавитации насосов (срыва подачи заправляемого продукта), а также их охлаждения перед пуском, используется наддув резервуаров до относительно небольшо­го давления (порядка 1-1,5 кгс/см²) и заглубление насосов относительно резервуаров. Для обеспечения заданных расходов подачи, выполнения требований по изменению расхода подачи жидкости при захолаживании наземной системы и баков ракеты, а также при пере­ходе на малый расход в состав системы вводятся параллельно или последовательно включа­емые несколько насосов. За счет их последовательного включения облегчается возмож­ность относительно безударного захолаживания системы и спокойного перехода на малый расход. При параллельном соединении насосов необходимо учитывать, что их производи­тельность не складывается, а зависит от характеристик (складываются характеристики). Регулирование характеристик подачи может быть достигнуто изменением рабочей точки (линии пересечения характеристики насоса и гидравлической сети), обеспечиваемое за счет изменения характеристики сети или отключения одного или нескольких насосов.

б) Заправка вытеснением

Вытеснительная подача компонентов топлива в баки ракеты применяется доволь­но часто, особенно при относительно малых количествах заправляемых компонентов. Дав­ление, создаваемое парами компонента, подаваемого от испарителя системы или от сторон­него источника (иногда для вытеснения могут быть использованы другие виды газа, напри­мер азот или гелий), должно обеспечить преодоление сопротивлений наземной системы заправки и баков ракеты и создавать необходимое давление в последних. Естественно, что резервуары в этом случае должны быть рассчитаны на повышенное давление и, сле­довательно, иметь более толстые стенки (или быть выполнены из более прочного метал­ла), чем при насосной заправке, что отрицательно сказывается на их стоимости.

На рис. 3.8.3 показана схема наддува емкости парами хранимого продукта, широко применяемая в криогенной технике. Компонент для наддува отбирается из резервуара-хранилища и самотеком поступает в испаритель, где за счет тепла окружающей среды газифицируется. Возможна и подача газа наддува в резервуары от стороннего источника, из специального испарительного агрегата или от баллонных батарей высокого давления

Рис.3.8.3. Схема наддува емкости

собственными парами:

В — регулировочный вентиль;

Т₀ — теплообменник-испаритель;

К — магистральный трубопровод

Рис.3.8.4. Схема наддува с подачей газа через редуктор давления: Бл — баллоны со сжатым газом; В1 — запорный вентиль; Ф — фильтр; К1 — закрытый пневмо-клапан; РД — редуктор давления газа; КО — об­ ратный клапан; Кп — предохранительный клапан; Мб — мембрана прорыва; Кд — дренажно-пре-дохранительный клапан емкости ЗС; Рд — реле давления; М — манометр; В2 — регулировочный вентиль заправочной магистрали

Как вытеснительный, так и насосный способы подачи обеспечивают транспорти­ровку криогенного компонента с заданным расходом и необходимым давлением.

К преимуществам насосного способа подачи компонента топлива следует отнести:

- минимальное давление, которое необходимо создать в резервуаре только для обес­печения бескавитационной работы насоса;

- возможность закольцовки газовых подушек бака ракеты и резервуара заправоч­ной системы;

- возможность регулирования производительности путем отключения одного или нескольких насосных агрегатов или изменения характеристик трубопроводов сети.

Недостатками насосного способа подачи компонента являются:

- необходимость подачи электроэнергии установленной мощности для обеспече­ния работоспособности насосов;

- необходимость расположения насосов в непосредственной близости от резервуа­ров хранилища и их заливки (охлаждения) перед запуском;

- ограниченная номенклатура существующих насосов.

К преимуществам вытеснительного способа подачи компонента топлива следует отнести:

- независимость заправочной системы от внешней электросети;

- неограниченные возможности по производительности;

- возможность регулирования производительности системы в широком диапазоне за счет регулирования давления наддува.

К недостаткам такого способа относятся:

- высокое давление, создаваемое в основных резервуарах хранилища;

- невозможность закольцовки газовых полостей баков ракеты и резервуаров назем­ной системы;

- усложнение, а иногда и необходимость создания новых средств, обеспечиваю­щих подачу в резервуары газа наддува;

- большой объем сбрасываемой в атмосферу парогазовой смеси при приведении системы в исходное положение.

В конечном счете из рассматриваемых вариантов в каждом конкретном случае выбор способа заправки определяется с учетом выполнения требований, заданных в ТЗ на систему, исходных данных разработчика РКН и минимальных средств, необходимых на ее создание.