Сазанов, Вячеслав Петрович. Обеспечение прочности и надежности функционирования криогенных пневмоклапанов сверхтяжелого ракетоносителя

Краткое описание

Сазанов, Вячеслав Петрович. Обеспечение прочности и надежности функционирования криогенных пневмоклапанов сверхтяжелого ракетоносителя : диссертация ... кандидата технических наук : 01.02.06 / Сазанов Вячеслав Петрович; [Место защиты: Сам. гос. аэрокосм. ун-т им. С.П. Королева].- Самара, 2010.- 184 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/1134

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева

На правах рукописи

04201153291
Сазанов Вячеслав Петрович
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ ПНЕВМОКЛАПАНОВ СВЕРХТЯЖЕЛОГО РАКЕТОНОСИТЕЛЯ
Специальность 01.02.06 “Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры”
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: д.т.н., профессор С.А. Петренко
г. Самара, 2010г.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОЕКТИРО¬ВАНИЮ ПНЕВМОКЛАПАНОВ РАКЕТОНОСИТЕЛЕЙ 12
1.1 Обзор проблемы прочности и надежности срабатывания пневмоклапанов ракетоносителей 12
1.2 Проблемы и методы реализации технических характеристик при создании криогенных пневмоклапанов ракетоносителей 20
1.2.1 Условия эксплуатации и основные требования, предъявляемые
к агрегатам ПГС 21
1.2.2 Критерии эффективности разработки агрегатов ПГС
ракетоносителей 24
1.2.3 Принципиальные схемы и формы криогенных топливных пневмоклапанов 26
1.2.4 Применяемые материалы 32
1.2.5 Затворы криогенных топливных пневмоклапанов 36
1.2.6 Условия нагружения, коэффициенты безопасности и расчеты на прочность при проектировании 44
1.2.7 Динамические процессы при срабатываниях и их влияние на прочность и надежность 49
1.2.8 Проблема обеспечения надежности и прочности и ее решение при создании криогенных топливных клапанов 51
1.2.9 Программа обеспечения надежности агрегатов в процессе их создания, производства и эксплуатации 54
1.2.10 Выводы по главе 1 56
1.2.11 Постановка задач исследований 57
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ПРИ
СРАБАТЫВАНИИ МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ 58
2.1 Постановка задачи 58
2
2.2 Основные зависимости между параметрами исследуемой механической системы при динамическом нагружении 60
2.3 Метод конечных элементов динамики механизмов и приводов и особенности его применения в расчетах динамического нагружения при срабатывании на этапе проектирования пневмоклапанов 71
2.4 Обоснование допущений и принятие условий для упрощения математической модели в расчетах динамического нагружения при срабатывании 76
2.5 Выводы по главе 2 80
3 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ И КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫХ МОДЕЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ПРИ
СРАБАТЫВАНИИ ПНЕВМОКЛАПАНОВ 81
3.1 Постановка задачи 81
3.2 Теоретические основы термодинамических процессов в пневматической системе топливного пневмоклапана 83
3.2.1 Особенности расчета пневмоприводов 83
3.2.2 Истечение газа из неограниченного объема 86
3.2.3 Истечение газа из ограниченного объема 88
3.2.4 Наполнение газом постоянного объема 89
3.3 Определение начальных условий при решении задач динамического нагружения пневмоклапанов 90
3.4 Определение зависимости по времени силы гидравлической среды на тарель пневмоклапана 95
3.5 Определение зависимостей по времени силы управляющего давления
и давления в выхлопной полости на пневмопривод 100
3.6 Выводы по главе 3 102
4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОПУСКАЕМОГО УРОВНЯ НАГРУЖЕНИЯ ПРИ СРАБАТЫВАНИИ 104
4.1 Постановка задачи 104
4.2 Допускаемая нагрузка при динамическом нагружении от
3
срабатывания топливного пневмоклапана 105
4.3 Условие установившегося движения пневмопривода 108
4.4 Разработка критериев и условий обеспечения допускаемого уровня динамического нагружения 115
4.5 Выводы по главе 4 132
5 АНАЛИЗ И СРАВНЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМОКЛАПАНОВ ЦЕНТРАЛЬНОГО БЛОКА РАКЕТОНОСИТЕЛЯ «ЭНЕРГИЯ» 134
5.1 Постановка задачи 134
5.2 Краткая характеристика конструкций криогенных топливных пневмоклапанов окислительной системы центрального блока ракетоносителя “Энергия” 136
5.3 Результаты расчета статической прочности и ее отработки при проведении испытаний 138
5.4 Результаты расчета параметров и их замеров при испытаниях пневмоклапанов 141
5.5 Динамическое нагружение. Расчеты при проектировании^
результаты испытаний 144
5.5:1 Отсечной пневмоклапан. Закрытие 145
5.5.2 Пневмоклапан циркуляции. Закрытие 149
5.6 Количественная оценка- надежности по результатам* наземных испытаний 152
5.7 Выводы по главе 5 157
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 158
ЛИТЕРАТУРА 160
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. РЕЗУЛЬТАТЫ ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
СРАБАТЫВАНИЯ ПНЕВМОКЛАПАНОВ 167
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКОГО
НАГРУЖЕНИЯ ПНЕВМОКЛАПАНОВ 172
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ
4
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПН ЕВ МОК Л Л ПАНОВ ОКИСЛИТЕЛЬНОИ СИСТЕМЫ PH «ЭНЕРГИЯ» 178
ВВЕДЕНИЕ
Данная работа посвящена исследованию динамических процессов нагруже¬ния и обеспечения прочности конструкции, надежности функционирования при срабатывании'Криогенных топливных пневмоклапанов сверхтяжелого ракето-носителя: При проведении исследования использованы проектная и конструк-торская документация, расчеты при проектировании, отчеты по программам ав-тономной отработки и обобщен практический опыт работы конструкторских подразделений на Волжском Филиале НПО «Энергия» имени С.П. Королева (в настоящее время ЗАО ВКБ РКК «Энергия») по созданию топливных пневмок-лапанов для центрального блока ракетно-космической системы «Энергия». Под руководством Главного конструктора Пензина Б.Г., а затем Петренко С.А. коллектив конструкторского бюро разработал конструкторскую документа¬цию, обеспечил производство, наземную отработку, транспортировку, сборку на испытательном полигоне центрального (Ц) и стартово-стыковочного (Я) блоков ракетоносителя.
Автор принимал непосредственное участие в разработке конструкций, про-ведении испытаний около 100 наименований агрегатов автоматики пневмогид- равлических систем, различных устройств силовых связей, защитных устройств- и ряда специальных механизмов для блоков Ц и Я ракетоносителя «Энергия». В практику проектирования были внедрены новые методики и программные комплексы по расчетам на прочность, нагружения и расчетов динамических процессов срабатывания агрегатов, механизмов и устройств ракетно- космической техники.
Предлагаемые в работе методы расчета и выбора параметров при проекти-ровании топливных пневмоклапанов,прошли апробирование от этапа проекти-рования до завершения наземных испытаний и выдачи заключения по прочно¬сти и надежности для штатной эксплуатации исследуемой группы агрегатов окислительной системы центрального блока.
Результаты работы представляют практический интерес при создании по¬добных устройств для криогенных топливных систем вновь разрабатываемых ракетоносителей сверхтяжелого класса.
Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по образованию ( проект РНП 2.1.1.3393 и проект РНП 2.1.1.889).
Актуальность темы. Научно-технический прогресс в агрегатостроении ба-зируется на современных методах проектирования и технического обеспечения производства и испытаний. Их рациональная совокупность может поднять на более высокий уровень процесс создания надежных и экономичных агрегатов для различных отраслей техники. Решение этой проблемы'наиболее значимым является для области проектирования и производства агрегатов автоматики пневмогидравлических систем ракетно-космической и авиационной техники, так как требования к надежности очень высоки, а их отказы могут привести к катастрофическим последствиям.
На стадии разработки проекта решающее значение для надежности имеет оптимальный выбор схемы агрегата, рабочих параметров, их сочетание, компо¬новка, оптимальное конструирование, а также разработка конкретных узлов и агрегата в целом.
Агрегаты топливных систем ракетоносителей, использующих в двигатель¬ных установках криогенные виды, топлива, наряду с крупными габаритами, большими подвижными массами отличаются повышенной силовой характери¬стикой пневмоприводов; что приводит к высокому уровню динамического на¬гружения при их срабатывании. Именно данный динамический процесс являет¬ся определяющим фактором с точки зрения* обеспечения-требуемого ресурса и надежности агрегатов. Таким образом, решение задачи математического моде¬лирования динамического процесса нагружения, при срабатываниях^ топливных пневмоклапанов является наиболее ценным на ранних этапах проектирования, так как это позволяет в последующем значительно сократить сроки и затраты на проведение наземной отработки и выдачи заключения, для штатной эксплуа¬тации. Получение точных аналитических решений динамического нагружения
7
при срабатывании - это крайне сложная и в большинстве случаев неразреши¬мая задача в силу физической нелинейности уравнений состояния процесса и большого числа параметров системы, влияющих на него. Предпочтительным способом решения данной задачи при проектировании является использование метода конечных элементов динамики механизмов и приводов, который реали¬зован в специализированных расчетных комплексах с использованием вычис¬лительной техники. Однако его применение требует теоретического обоснова¬ния оптимального и согласованного выбора параметров пневматической, гид¬равлической и механической систем агрегата, обеспечивающих допускаемый уровень нагружения элементов конструкции.
Решение задачи создания- высоконадежных топливных пневмоклапанов ракетоносителей сверхтяжелого класса и определяет актуальность темы дис-сертационной работы, заключающейся в разработке теоретических основ мето¬да выбора параметров при проектировании, правильное сочетание которых обеспечивает допускаемый уровень динамического нагружения при срабатыва¬ниях. Научной основой этого метода является математическое моделирование исследуемых процессов, нагружения.
Нель работы. Исследование динамических процессов нагружения, возни-кающих при срабатывании криогенного топливного пневмоклапана; и разра¬ботка методов выбора параметров из условия обеспечения допускаемого уров¬ня-нагружения.
Научная новизна: теоретически обоснованы и предложены новые методы выбора параметров проектирования криогенных топливных пневмоклапанов ракетоносителей, которые обеспечивают допускаемый уровень динамического нагружения при срабатывании.
Практическая ценность заключается в разработке, методов проектирова¬ния топливных пневмоклапанов, позволяющих значительно улучшить показа¬тели ресурса, прочности конструкции и надежности функционирования агрега¬тов в целом, что позволило применить их при создании агрегатов окислитель¬ной системы центрального блока ракетоносителя-«Энергия».
Достоверность основных научных результатов обеспечивается обосно-ванностью исходных представлений о физической природе процессов* строго¬стью математического аппарата, принятых допущений и упрощений, сравнени¬ем данных расчетов по предложенным моделям с экспериментальными значе¬ниями, полученными при проведении наземных испытаний агрегатов топлив¬ной окислительной системы центрального блока ракетоносителя «Энергия».
На защиту выносится:
1) анализ вопросов обеспечения < технических характеристик при проекти¬ровании криогенных топливных пневмоклапанов ракетоносителей;
2) исследование динамического нагружения при срабатываниях пневмок-лапанов методами математического моделирования;
3) построение математических и конечно-элементных моделей в расчетах динамического нагружения при срабатывании1 пневмоклапанов;
4) разработка критериев и условий, обеспечивающих допускаемый уровень нагружения при срабатывании пневмоклапанов;
5) анализ и сравнение результатов, расчетов при проектировании и испыта¬ниях пневмоклапанов окислительной системы центрального блока ракетоноси¬теля “Энергия”.
Структура и объем работы. Диссертация1 состоит из введения, пяти, глав, заключения, списка использованных источников и трех приложений. Работа содержит 184 страницы основного текста, 57 рисунков, 15>таблиц.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ:
в рецензируемых журналах и изданиях, определенных Высшей аттестаци¬онной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации:
1. Сазанов, В.П. Расчеты динамического нагружения* в задачах обеспече¬ния прочности и надежности функционирования топливных пневмоклапанов сверхтяжелого ракетоносителя. / В.П. Сазанов // Вестник СамГТУ. Технические науки. -№2 (26)-Самара, 2010. - С. 131-139.
2. Сазанов, В.П. Диагностика и контроль деформационного состояния ло¬паток турбоагрегатов. Контроль. Диагностика. / А.И. Данилин, В.П. Сазанов,
A. Ж. Чернявский // - №1. — М.: Машиностроение, 2003 г. - С. 23-28.
в других изданиях:
3. Сазанов, В.П. Особенности использования метода конечных элементов в расчетах на прочность при проектировании конструкций элементов автомати¬ческих устройств ракетно-космической техники — РК техника. / В.П. Сазанов // Научно-технический сборник. - Серия XII. Выпуск 1 — Самара, ВКБ РКК «Энергия», 2002 г. - С. 73-78.
4. Сазанов, В.П. Анализ прочностных характеристик при проектировании раскрытия центрального радиационного теплообменника — РК техника./ В.П. Сазанов, А.В. Пекарш // Научно-технический сборник. — Серия XII: Выпуск 1 — Самара: ВКБ РКК «Энергия», 2002 г. - С. 79-93.
5. Сазанов, В.П. Прочность при проектировании и наземной отработке пневмоагрегатов топливной арматуры тяжелого ракетоносителя. — РК техника. /
B. П. Сазанов // Научно-технический сборник. - Серия XII. Выпуск 1 — Самара: ВКБ РКК «Энергия», 2003 г. - С. 69-77.
6. Сазанов, В.П.Расчет на прочность при проектировании головных обте¬кателей для ракеты космического назначения типа «Воздушный старт» - РК техника. / В.П. Сазанов, А.В. Пекарш // Научно-технический сборник. - Серия XII. Выпуск 1 - Самара: ВКБ РКК «Энергия», 2001 г. - С. 78-87.
7. Сазанов, В.П. Расчет на прочность пускового устройства авиационно-ракетного комплекса космического назначения — РК техника. / В.П. Сазанов, А.В. Пекарш // Научно-технический сборник. — Серия XII. Выпуск 1 — Самара: ВКБ РКК «Энергия», 2001 г. - С. 70-77.
8. Сазанов, В.П. Математическое моделирование нагружения- при сра-батывании пневмоклапанов ракетоносителей. / В.П. Сазанов // Математиче¬ское моделирование и краевые задачи МЗЗ. Труды седьмой Всероссийской научной конференции с международным участием. - 4.1: Математические
модели механики, прочности и надежности элементов конструкций — Сама¬ра: СамГТУ, 2010. - С. 305-308.
Апробация работы проводилась на следующих научных конференциях и семинарах:
1. Седьмой Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи». Самара, СамГТУ,
2010 г.;
2. Заседаниях научно-технического совета ЗАО ВКБ РКК «Энергия», Самара, 2003- 2010 г.г.;
3. Заседаниях кафедры прочности летательных аппаратов государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени акаде¬мика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)», 2003- 2010 г.г..

Список литературы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В результате проведенного комплекса теоретических исследований и сравнения расчетных параметров проектируемых криогенных топливных пневмоклапанов с их значениями при испытаниях по программам автономной наземной отработки разработаны новые научно обоснованные методы проектирования, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области создания высоконадежных агрегатов автоматики ПГС ракетоносителей.
В - порядке подведения итогов исследования сформулированы следующие основные результаты и выводы:
1. Предложен и реализован единый подход к исследованию процесса динамического нагружения при срабатывании криогенного топливного пневмоклапана. Исходя из необходимости разбивки? процесса динамики срабатывания на два* этапа, позволяющего значительно упростить решение задачи нагружения, в качестве методов исследования определено совместное использование метода теории механического удара и колебаний и метода конечных элементов динамики механизмов и приводов.
2. Разработан общий порядок построения расчетных моделей теории механического удара и колебания, основанный на приведении исследуемой механической системы к эквивалентной. Обоснованы и введены основные допущения, которые позволяют значительно упростить решение задачи расчета процесса динамического нагружения при срабатывании.
3. Проведен анализ особенностей использования расчетного комплекса «Зенит», реализующего метод конечных элементов динамики механизмов и приводов в расчетах динамического нагружения. При этом установлена достаточность объема библиотеки конечных элементов для моделирования воздействия активных и диссипативных сил, граничных и других условий. Для моделирования подвижной и неподвижной частей конструкции рекомендовано применение метода подконструкций (суперэлементов).
4. Разработаны и предложены для практического применения критерии и условия допускаемого нагружения при выборе параметров проектируемого криогенного топливного пневмоклапана сверхтяжелого ракетоносителя, в котором применяются встроенные демпферы комбинированного действия. Данные условия в виде аналитических выражений связывают параметры механической, пневматической и гидравлической систем пневмоклапана.
5. Проведен сравнительный анализ значений расчетных параметров при проектировании с их значениями при испытаниях для группы исследуемых пневмоклапанов окислительной системы блока Ц ракетоносителя «Энергия». Тем самым подтвержден правильный выбор следующих методик расчета при проектировании пневмоклапанов:
— газодинамического расчета;
— расчета статической прочности;
— расчета динамического нагружения при срабатывании.
6. Сформулированные в работе принципы проектирования и их использование при создании криогенных топливных пневмоклапанов исследуемой группы окислительной системы блока Ц ракетоносителя «Энергия», позволили создать высоконадежные агрегаты с ресурсом, значительно превышающим требуемый и на испытании небольшой партии агрегатов (не более 17 единиц) подтвердить требуемую надежность по техническому заданию на разработку.

Литература
1. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика (основы механики жидкости) — М.; Издательство литературы по строительству, 1965-274с.
2. Архаров А.М. и др. Криогенные системы. Основы теории и расчет. Учебное пособие для вузов, 2-е издание, переработанное и доп. — М.; Машиностроение, 1988 — 464с.
3. Архаров А.М. и др.Теория и расчет криогенных систем. Учебное пособие для вузов - М.; Машиностроение, 1978 - 415с.
4. Биргер И.А., Пановко Я.Г., Болотин* В.В. и др. Прочность. Устойчивость колебания. Справочник в трех томах. Том 3- М.; Машиностроение, 1968 —567с.
5. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. Изд. 4-е. М.; Машиностроение, 1993 — 640с.
6. Блехман И.И. и др. Вибрации в технике нелинейных механических систем. Том 2. — М.; Машиностроение, 1979 — 351с.
7. Болотин В.В. и др. Вибрации^ в технике. Колебания линейных систем. Том 1. — М.; Машиностроение, 1978 — 352с.
8. Бродянский В.М., Семенов А.М. Термодинамические основы криогенной техники — М.; Энергия, 1980 - 448с.
9. Бугаенко В.Ф. Пневмоавтоматика ракетно-космических систем. — М.; Машиностроение, 1979— 168с.
Ю.Волков Л.И., Шишкович А.М. Надежность летательных аппаратов — М.; Высшая школа, 1975 — с.
11. Генкин М.Д. и др. Измерения и испытания. Том 5. — М.; Машиностроение, 1981 -496с.
12. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчет пневмоприводов. Справочное пособие -М.; Машиностроение, 1975 -272с.
13. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Динамика пневматических приводов - М.; Машиностроение, 1964-250с.
14. Диментберг и др. Вибрации в технике. Колебания машин, конструкций и их элементов. Том 3. — М.; Машиностроение, 1980 — 544с.
15. Ершов Н.Ф., Шахверди Г.И. Метод конечных элементов в задачах гидродинамики и гидроупругости. — JL; Судостроение, 1984 — 240с.
Іб.Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике - М.; Мир, 1975 - 541с.
17. Квасов В.М. Основы создания агрегатов автоматики пневмогидравлических систем летательных аппаратов и двигателей. Часть I - Самара, 1993 - 375с.
18. Колесников К.С. Динамика ракет. Учебник для, вузов — М.; Машиностроение, 1980 — 376с.
19. Колесников К.С., Рыбак С.А., Самойлов Е.А. Динамика топливных систем ЖРД —М.; Машиностроение, 1975 - 172с.
20. Кондиков JI.A., Голубев А.И., Гордеев В.В. и др. Уплотнение и уплотнительная техника: Справочник — М.; Машиностроение, 1994 — 448с.