§ 5.8. Самолетные кислородные газификаторы

Самолетные кислородные системы с использованием жидкого кислорода обладают рядом преимуществ по сравнению с системами газообразного кислорода. Они имеют меньший вес и обладают меньшими габаритами сосудов для хранения кислорода на самолетах. Применение жидкого кислорода на самолетах-истребителях дает экономию в весе до 20—30 кГ, а для тяжелых самолетов такая экономия в весе составляет несколько сот килограммов. Вследствие высокой плотности жидкого кислорода он может храниться под небольшим давлением. Это обстоятельство значительно повышает безопасность системы кислородного питания в эксплуатации.

Необходимый запас жидкого кислорода хранится на борту в самолетных кислородных газификаторах (СКГ). Кислородные газификаторы предназначены не только для хранения жидкого кислорода, но и для его преобразования в газообразный (газификация)  {180}  с нужным давлением и расходом и с последующей подачей к кислородным приборам.

По конструкции кислородные газификаторы представляют собой специальные сосуды различной емкости типа сосудов Дюара, в которых хранится необходимое количество жидкого кислорода. Пространство между стенками сосуда заполнено порошком крем-негеля и вакуумировано до остаточного давления 10^–4 — 10^–5 мм рт. ст. Такая вакуум-порошковая теплоизоляция препятствует передаче тепла излучением и позволяет обойтись без полировки поверхностей сосуда в вакуумной полости. Кроме того, слой крем-негеля воспринимает на себя часть нагрузки и предохраняет внутренний сосуд от боковых перемещений.

Для газификации жидкого кислорода и нагрева газообразного кислорода до необходимой температуры перед подачей его к кислородным приборам в газификаторе имеется теплообменник — испаритель, выполненный в виде змеевика. С помощью специальных редукторов на выходе из газификатора поддерживается вполне определенное давление газообразного кислорода. Для измерения запаса кислорода используются специальные уровнемеры.

На самолетах используются газификаторы емкостью от 3 до 30 л. В газификаторах емкостью 7 л и более (15 л, 30 л) все агрегаты размещены в одном корпусе. Газификаторы меньшей емкости (3 л, 5 л) имеют блочное исполнение, что дает возможность размещать агрегаты отдельно от сосуда в различных местах самолета.

Газификаторы емкостью 3—5 л могут применяться в системах кислородного питания с избыточным давлением. В схему таких газификаторов дополнительно вводятся испарители жидкого кислорода, предназначенные для форсированного заполнения газообразным кислородом камер натяжного устройства высотно-компенсирующего костюма.

Для подпитки кислородом пусковых блоков двигателей применяются газификаторы, обеспечивающие длительную газификацию кислорода в сравнительно больших количествах (10—15 г/сек). Наиболее характерным для них является устройство испарителя. Для интенсификации теплопередачи испаритель помещается в герметически закрытую ванну, заполненную незамерзающей жидкостью, которая подогревается до определенной температуры электронагревательным элементом.

В системах кислородного питания экипажей самолетов применяются газификаторы двух типов: КПЖ и СКХ.

Газификатор КПЖ-30А. Принципиальная схема газификатора КПЖ-30А приведена на рис. 5.43. Работа газификатора сводится к следующему. При заправке газификатора от транспортного резервуара жидкого кислорода (ТРЖК) кислород под давлением 1,5—2 ат заливается через зарядный штуцер 5 и обратный клапан 6 по центральной трубке в сосуд 1 Так как в начале заливки температура стенок сосуда близка к температуре окружающей среды, то жидкий кислород начинает интенсивно испаряться.  {181}  Образующиеся при этом пары кислорода в верхней части внутреннего сосуда проходят через V-образную трубку в кольцевое пространство горловины прибора и затем через вентиль 4 сброса давления выбрасываются в атмосферу, этим обеспечивается нормальный процесс зарядки. Конец зарядки определяется истечением жидкого кислорода через вентиль сброса давления. Заливка газификатора КПЖ-30А кислородом длится 10—15 мин.

Рис. 5.43. Принципиальная схема газификатора КПЖ-30А: 1 — сосуд; 2 — вентили; 3 — клапаны подъема давления: 4 — вентиль сброса давления; 5 — зарядный штуцер; 6 — обратный клапан; 7 — ресивер; 8 — предохранительный клапан; 9 — испаритель; 10 — запорный вентиль; 11 — перепускной клапан; 12 — манометр; 13 — указатель уровня кислорода

Для включения газификатора в работу необходимо открыть вентиль 2 подъема давления (вентиль 4 перед этим закрыть). Жидкий кислород под действием собственного веса и давления паров поступает через клапаны 3 подъема давления в ресивер 7. В ресивере кислород начинает быстро испаряться и в газообразном виде поступает через V-образную трубку в полость сосуда, заполняя пространство над зеркальной поверхностью жидкого кислорода. Давление газообразного кислорода в ресивере и пространстве над поверхностью жидкого кислорода быстро растет. По достижении давления кислорода в ресивере порядка 8—8,5 ат клапаны 3 закрываются и дальнейшее поступление кислорода в ресивер прекращается. При падении давления в сосуде ниже  {182}  8—8,5 ати клапаны подъема давления 3 вновь автоматически открываются и, таким образом, возобновляется подача испарившегося кислорода в газовую полость сосуда.

Подъем давления в КПЖ, заполненном жидким кислородом не менее чем на 60%, происходит за 3—10 мин.

Уровень жидкости в газификаторе показывает дистанционный указатель 13 уровня кислорода, а давление в сосуде — манометр 12.

Давление в газификаторе может расти при отсутствии отбора кислорода потребителем вследствие испарения части жидкости в сосуде от теплопритока извне. По достижении давления, равного 11,0—11,8 ати, открывается предохранительный клапан 8, выпускающий излишек кислорода.

При работе КПЖ-30А, когда есть отбор кислорода потребителем, жидкий кислород из сосуда выдавливается через центральную трубку под действием разности давлений в сосуде и бортовой магистрали газообразного кислорода в испаритель 9, в котором жидкий кислород испаряется и нагревается вследствие теплообмена до температуры ниже окружающей приблизительно на 5—6°С. Из испарителя газообразный кислород через запорный вентиль 10 поступает по бортовой магистрали к потребителю.

Максимальный расход жидкого кислорода в систему составляет 6 кг/час.

Так как газификатор КПЖ-30А устанавливается вне герметической кабины самолета, то температура выходящего из него кислорода и подаваемого далее к кислородным приборам на больших высотах может быть значительно ниже нормальной. Для повышения температуры кислорода (в указанных случаях) его подогревают в специальном теплообменнике горячим воздухом от компрессора авиадвигателя.

Конструктивная схема газификатора КПЖ-30А показана на рис. 5.44. Газификатор состоит из сосуда цилиндрической формы для хранения жидкого кислорода, змеевика — испарителя и арматуры, необходимой для подъема давления в газификаторе и зарядки его жидким кислородом.

Сосуд для хранения жидкого кислорода представляет собой систему двух сосудов: внутреннего 7 и наружного 8, изготовленных из медных полушарий. Внутренний сосуд висит внутри наружного на центральной горловине 5 и зафиксирован от боковых перемещений ограничителями.

Для предохранения внутреннего сосуда от нагрева его теплоизолируют. Для этой цели в пространстве между наружным и внутренним сосудами создается вакуумная полость 12 с давлением не выше 10^–4 мм рт. ст. Для уменьшения подвода тепла лучеиспусканием внутренняя поверхность наружного сосуда 8 и наружная поверхность внутреннего сосуда 7 отполированы.  {183} 

К нижней части внутреннего сосуда в вакуумном пространстве припаяна адсорбционная камера 9, внутрь которой засыпается силикагель. Силикагель, обладая большой поглощающей способностью,

Рис. 5.44. Конструктивная схема газификатора КПЖ-30А: 1 — центральная трубка; 2 — V-образная трубка: 3 — испаритель; 4 — ресивер; 5 — горловина сосуда; 6, 10, 11 — змеевики; 7 — внутренний сосуд; 8 — наружный сосуд; 9 — адсорбционная камера; 12 — вакуумная полость

поглощает воздух, который может проникнуть в вакуумную полость 12 через микропоры, и тем самым способствует поддержанию вакуума более длительное время.  {184} 

При заливке жидкого кислорода в сосуд силикагель, охлаждаясь, резко увеличивает поглощательную способность, вследствие чего вакуум повышается.

Горловина 5 внутреннего сосуда, центральная трубка 1 и выходные трубопроводы — змеевики 6, 10 и 11 изготавливаются из малотеплопроводного материала — мельхиора.

Испаритель 3 газификатора, располагающийся вокруг сосуда, имеет общую длину приблизительно 30 м.

Газификатор КПЖ-30А отличается от газификатора КПЖ-30 тем, что предохранительный клапан подключен непосредственно к газовой полости внутреннего сосуда (в КПЖ-30 он был подключен к внутреннему сосуду через ресивер и V-образную трубку). Кроме того, предохранительный клапан имеет более совершенную конструкцию.

Техническая характеристика КПЖ-30А

Объем сосуда (водяной) ....		28 л
Количество заливаемого кислорода		32 кг
Рабочее давление:
	максимальное .......	10 ат
	минимальное ........	8 ат
Допустимая испаряемость кислорода без давления при нормальной температуре.............		250 г/час
Вес прибора....................		49—50 кГ

Дистанционный указатель (уровнемер) жидкого кислорода (ДУЖК). Он предназначен для измерения запаса жидкого кислорода в газификаторе КПЖ-30А. ДУЖК работает по принципу замера гидростатического столба жидкого кислорода в газификаторе с помощью дифференциального манометра. Уровнемер состоит из датчика и указателя. Принципиальная схема ДУЖК показана на рис. 5.45. В датчике прибора смонтированы чувствительный элемент, передаточный механизм и магнесин-датчик.

Герметический корпус датчика разделен на две полости мембраной 1, являющейся чувствительным элементом датчика. Нижняя полость датчика соединена с нижней полостью сосуда, а верхняя полость датчика — с верхней (газовой) полостью сосуда. Деформация мембраны 1, обусловленная изменением весового количества кислорода в газификаторе, преобразуется в электрический сигнал индукционным преобразователем магнесинного типа. Электрический сигнал с датчика магнесинной дистанционной передачи передается на магнесин-приемник, являющийся указателем уровнемера. Угол поворота ротора магнесина-приемника пропорционален изменению весового количества жидкого кислорода в газификаторе. Шкала уровнемера разградуирована от 0 до 32 кГ.

Самолетные кислородные газификаторы типа СКГ. Рассматриваемые газификаторы выполняются емкостью 3, 5, 7, 15 и 30 л жидкого кислорода с управлением пуском в работу в двух вариантах: с дистанционным электрическим управлением с помощью  {185}  электромагнитного клапана и с ручным управлением с помощью запорного клапана. Принципиальная схема газификатора типа СКХ показана на рис. 5.46.

Работа газификатора сводится к следующему. Жидкий кислород заливается в сосуд 2 через бортовой штуцер заливки и обратный клапан зарядного штуцера 10, который открывается давлением от заправщика и пропускает жидкий кислород только в направлении к сосуду. Образующийся при заливке вследствие

Рис. 5.45. Принципиальная схема ДУЖК: 1 — мембрана: 2 — подвижный центр: 3 — тяга; 4 — вилка; 5 — ось; 6 — волосок; 7 — сектор: 8 — трибка; 9 — ось ротора; 10 — ротор датчика; 11 — ротор измерителя

испарения газообразный кислород выходит из сосуда через центральную трубу сосуда и открытый вентиль сброса кислорода в атмосферу. Заправка газификатора считается законченной, если появляется струя жидкого кислорода из штуцера «Кислород в атмосферу при заливке».

Для приведения газификатора в рабочее состояние надо закрыть вентиль сброса давления и переключатель 4 электромагнитного клапана поставить в положение «Газификация» или рукоятку 3 запорного клапана — в положение «Открыто».

После срабатывания клапана жидкий кислород под действием статического давления столба жидкости поступает в змеевик-испаритель 7, где вследствие теплообмена с окружающей средой или специально подводимым горячим воздухом происходит газификация жидкого кислорода и его подогрев. Далее газообразный кислород поступает через расходный вентиль 5 в систему кислородного питания.

Рис. 5.46. Принципиальная схема газификатора типа СКГ: 1 — запасомер УК-57-7М; 2 — сосуд; 3 — рукоятка управления запорным клапаном; 4 — переключатель электромагнитного клапана; 5 — расходный вентиль; 6 — коллектор подвода горячего воздуха; 7 — испаритель; 8 — запорный клапан; 9 — ограничитель давления; 10 — зарядный штуцер; 11 — предохранительный клапан: 12 — клапан сброса

Для того чтобы в полете не произошло закрытие запорного клапана 8 (электромагнитного типа) из-за обрыва его обмотки или обесточивания бортовой электросети, в конструкции электромагнитного клапана предусмотрена специальная защелка, которая фиксирует клапан в открытом положении. Для выключения клапана необходимо не только обесточить его обмотку, но и подать питание на электромагнит защелки. Этот процесс осуществляется при постановке переключателя 4 в положение «Отключено».

Для выравнивания давления в сосуде и испарителе, регулирования давления и расхода кислорода испаритель соединен трубопроводом через ограничитель 9 давления с газовой полостью сосуда. При нормальном расходе кислорода из испарителя ограничитель давления открыт, давление в испарителе и над зеркалом жидкого кислорода в сосуде выравнивается, вследствие чего обеспечивается поступление жидкого кислорода в испаритель для его газификации.

Если же расход кислорода из испарителя мал или совсем отсутствует, давление в испарителе, а следовательно, и в газовой полости сосуда начинает возрастать. По достижении в сосуде и испарителе избыточного давления 9±0,5 ати сильфон ограничителя давления сжимается и клапан под действием пружины перемещается в сторону седла, закрывая проходное отверстие. В результате этого доступ газообразного кислорода в сосуд прекращается, давление в нем понижается. Когда давление в сосуде станет меньше давления в испарителе, поступление жидкого кислорода из сосуда прекратится. При дальнейшем повышении давления кислорода в испарителе жидкий кислород будет выжиматься обратно в сосуд.

Если по каким-либо причинам (неисправность ограничителя давления, повышенная испаряемость кислорода без его расхода) давление в газификаторе будет продолжать расти, то газообразный кислород будет стравливаться в атмосферу через предохранительный клапан 11, который срабатывает при давлении порядка 10—10,4 ати.

При увеличении расхода газообразного кислорода в систему питания экипажа, т. е. при уменьшении давления в испарителе, сильфон ограничителя давления разжимается под действием своей пружины и открывает проходное сечение клапана. Давление в сосуде и испарителе выравнивается, и жидкий кислород снова имеет возможность поступать из сосуда в змеевик — испаритель.

Газификация жидкого кислорода в испарителе может происходить под действием горячего воздуха температурой 80—100°С, подводимого через коллектор на кожухе. Газификатор может работать и без обдува со снятым кожухом, но при этом температура газообразного кислорода на выходе из газификатора будет значительно ниже температуры окружающей среды. Температура же кислорода перед кислородными приборами не должна быть ниже температуры воздуха кабины более чем на 5—10°С.  {188}  Поэтому при работе газификатора без обдува горячим воздухом требуется подогрев газообразного кислорода перед подачей его в систему кислородного питания.

При наличии на борту самолета нескольких газификаторов они включаются в параллельную работу.

Запасомер жидкого кислорода УК-57-7М. Запас жидкого кислорода в газификаторах типа СКХ контролируется системой запасомера с шаровым емкостным датчиком, образованным двумя сферическими обкладками сосуда газификатора (рис. 5.46).

Рис. 5.47. Принципиальная схема измерительного блока запасомера

Одной обкладкой конденсатора-датчика служит внутренняя сфера сосуда 2, другой обкладкой является специальная сфера, которая крепится с помощью изолирующих втулок к внутренней сфере сосуда. Подключение датчика к измерительному блоку осуществляется с помощью гермовывода.

Работа системы запасомера основана на изменении емкости шарового конденсатора при изменении между его обкладками уровня диэлектрика — жидкого кислорода (диэлектрическая проницаемость жидкого кислорода ε_ж = 1,3—1,5, диэлектрическая проницаемость газообразного кислорода ε_г = 1,00059).

При пустом сосуде емкость шарового конденсатора-датчика С_х минимальная. При заполнении сосуда жидким кислородом емкость датчика увеличивается прямо пропорционально уровню жидкого кислорода в сосуде.

Шаровой датчик включен в одно из плеч измерительного емкостного моста. Изменение емкости преобразуется измерительным блоком (рис. 5.47) в пропорциональное изменение тока, которое регистрируется указателем кислорода УК-57-7М, представляющим собой магнитоэлектрический прибор.  {189} 

Шкала указателя кислорода неравномерная, так как показания УК-57-7М линейно зависят от уровня жидкости в сосуде, а шкала разградуирована в весовых единицах (кГ).

Генератор высокочастотных колебаний выполнен на транзисторе ПП1 с последовательным резонансным контуром L₁, C₄. С коллектора ПП1 высокочастотное напряжение подается на диагональ измерительного емкостного моста. В другую диагональ моста включен детектор с регулировочным потенциометром R₅ и указателем. С помощью подстроечной емкости С_п мост балансируется при сухом сосуде (нуль отсчета шкалы). Потенциометр R₅ служит для подстройки максимальной отметки шкалы при полностью заправленном жидким кислородом сосуде.

Для снижения влияния на систему допустимых изменений питающего напряжения постоянного тока 27 в на ±10% служат два стабилизатора ПП4 совместно с гасящим сопротивлением R₄.

Влияние температуры окружающей среды на точность показаний системы запасомера исключается термостатированием измерительного блока. Температура внутри блока поддерживается около +50°С. В качестве регулятора температуры применен регулятор с использованием биметаллического реле.