Разработка и внедрение методики и инженерной программы создания оптимальных конструкций электромагнитных клапанов жидкостных ракетных двигателей

Актуальность диссертации. Проблема создания оптимальных конструкций электромагнитных клапанов актуальна для многих сфер народного хозяйства. Электроуправляемые агрегаты применяются в транспортной, авиационной, химической и др. отраслях промышленности и имеют разнообразные конструктивные исполнения в зависимости от условий работы и предъявляемым к ним требованиям. Развитие техники характеризуется увеличением мощности, повышением давлений, применяемых для приводных механизмов, уменьшением габаритов и массы агрегатов автоматики. Для решения новых задач необходимо создание усовершенствованных конструкций электромагнитных клапанов, обеспечивающих оптимальное сочетание высоких параметров (высокое давление рабочего тела, быстродействие, минимальное потребление тока), надежности, технологичности и минимальной стоимости.

Создание современных ЖРД ставит аналогичные задачи перед разработчиками электромагнитных клапанов, которые в жидкостном ракетном двигателе могут использоваться для различных целей:

— как топливные клапаны для подачи основных компонентов в камеры сгорания (для ЖРД низкой и средней тяги);

— для подачи управляющего газа при приведении в действие основных клапанов ЖРД (для ЖРД средней и большой тяги);

— для вспомогательных нужд (предпусковых и послепусковых продувок, при эжектировании (создании разряжения) полостей двигателя перед заправкой их компонентом) — для наддува пусковых устройств и др.

Электромагнитные клапаны являются одними аз основных агрегатов двигателя, обеспечивающие его многоразовое использование, позволяющие существенно сократить затраты на отработку двигателя путем многократных испытаний его на огневом стенде без съема и переборок, а такэ/се они являются одними из важнейших элементов для создания систем управления ЖРД многоразового применения.

Основными требованиями, предъявляемые к электромагнитным клапанам ЖРД являются:

— работоспособность в широком диапазоне давлений и температур рабочих тел;

— быстродействие;

— гарантии прочности и надежности, обеспечение потребного ресурса при статических и динамических нагрузках;

— обеспечение пожаровзрывобезопасности;

— минимальное потребление тока, защищенность от помех, обеспечение минимально возможного электромагнитного импульса при срабатывании;

— минимальные габаритно-массовые характеристики;

— технологичность в изготовлении;

— оптимальная стоимость.

Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка методики и инженерной программы проектирования оптимальных конструкций электромагнитных клапанов, предназначенных для ЖРД большой мощности и их внедрение в современные ЖРД.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи;

1. Исследование конструкций электромагнитных клапанов, применяемых в ЖРД, выявление недостатков их конструкций и обоснование актуальности разработки клапанов новой конструкции.

2. Разработка методических рекомендаций и критериев оптимальности конструкции электромагнитных клапанов ЖРД.

3. Разработка методики и инженерной программы расчета электромагнита постоянного тока.

4. Проектирование электромагнитных клапанов с учетом разработанных критериев оптимальности конструкции.

5. Разработка конструкторской документации и экспериментальная проверка электромагнитных клапанов для подтверждения обеспечения предъявляемых к ним требований.

6. Анализ полученных экспериментальных данных и сравнение их с расчетными значениями.

7. Внедрение оптимизированных электромагнитных клапанов (ЭПК новой конструкции) в современный ЖРД (двигатель РД191) и оценка эффективности внедрения ЭПК.

Научная новизна диссертации заключается в том, что разработаны методические рекомендации и критерии оптимальности конструкции электромагнитных клапанов ЖРД, направленные на повышение их быстродействия, улучшение габаритно-массовых характеристиккроме того, разработаны методика и инженерная программа расчета электромагнита постоянного тока на ПК, основанные на обобщении экспериментальных данных и систематизации имеющихся знаний по расчету ЭМ. Разработанная автором методика расчета ЭМ постоянного тока применима к расчету ЭМ различного назначения. В качестве примера в диссертации рассмотрено применение указанной методики для длинноходовых электромагнитов, работающих на постоянном или выпрямленном токе. Применяя на практике разработанные принципы проектирования и методику расчета ЭМ, спроектированы оригинальные конструкция ЭПК и ЭГК для ЖРД большой тяги. Работа над диссертацией включала следующие этапы:

— постановка цели;

— проведение исследования существующих конструкций электромагнитных клапанов, применяемых в ЖРД;

— анализ материалов патентных исследований по электромагнитам и электромагнитным клапанам;

— разработка методических рекомендаций и критериев оптимальности конструкции электромагнитных клапанов;

— создание методики и проведение многопараметрических расчетов ЭМ постоянного тока;

— проектирование электромагнитных клапанов с использованием разработанных методических рекомендаций и критериев оптимальности;

— оценка эффективности внедрения нового ЭГЖ с точки зрения его быстродействия, габаритно-массовых характеристик, технологичности и экономичности изготовления;

— выпуск КД и изготовление опытных образцов электромагнитных клапанов;

— экспериментальная проверка опытных образцов электромагнитных клапанов;

— сравнение результатов испытаний с результатами расчетов;

— внедрение в ЖРД, анализ работы ЭГЖ новой конструкции в составе.

ЖРД.

В процессе данной работы сформулированы методические рекомендации, используемые при проектировании, и основные критерии оптимальности электромагнитных клапанов ЖРД, разработаны методика и программа инженерного расчета электромагнитов постоянного тока, позволяющие в процессе проектирования электроагрегата проводить расчеты с определением основных параметров ЭМ (тяги, температуры нагрева обмотки, быстродействия, индуктивности и др). Кроме того, проведены расчеты тяговых характеристик электромагнитов с использованием метода конечных элементов. Показана хорошая сходимость результатов расчетов, проведенными различными методами с результатами экспериментальных исследований разработанных электромагнитов.

Спроектированы, рассчитаны и изготовлены электромагнитные клапаны, ранее не применявшиеся в ракетном двигателестроении. Проведена экспериментальная проверка электромагнитных клапанов, подтверждающая их быстродействие, работоспособность, герметичность, надежность, высокие конструктивные запасы.

ЭПК внедрены и успешно эксплуатируются в составе двигателя РД191 РН «Ангара» .

Таким образом, сформулирована и достигнута цель по разработке методических подходов и инженерной программы проектирования оптимальных конструкций электромагнитных клапанов ЖРД. С использованием новых подходов и инженерной программы расчета разработаны ЭПК нового поколения. ЭПК внедрены на мощном двигателе РД191, что способствует дальнейшему развитию науки и техники ракетно-космического направления.

Достоверность результатов работы подтверждается:

• хорошей сходимостью проектных, расчетных и экспериментальных данных;

• применением фундаментальных исследований, а также положений отраслевого стандарта и численного моделирования при составлении методики и инженерной программы расчета электромагнита постоянного тока;

• проведением комплекса успешных испытаний разработанных ЭПК (как автономных, так и в составе ЖРД) с использованием для испытаний аттестованной аппаратуры и квалифицированного персонала.

Научная и практическая значимость диссертации состоит в том, что сформулированы методические рекомендации и основные критерии оптимальности электромагнитных клапанов ЖРД, а также разработаны методика и программа инженерного расчета электромагнитов постоянного тока. Применяя на практике методические рекомендации и программу инженерного расчета, разработаны и успешно эксплуатируются электропневмоклапаны двигателя РД191, которые по сравнению с ЭПК, применяемыми ранее, являются значительно более быстродействующими, легкими, технологичными и обладают рядом других преимуществкроме того, также разработан и прошел экспериментальную проверку на первых образцах двигателя РД191 электрогидроклапан золотникового типа, входящий в состав цифровых агрегатов регулирования, работающий в большом диапазоне давлений рабочей жидкости от 0 до 1000кгс/см" с высоким быстродействием.

Конструкция первого каскада усилителя нового ЭПК имеет значительные преимущества, что позволило существенно увеличить его быстродействие, уменьшить массу и габариты.

Разработанная автором методика расчета электромагнитов постоянного тока универсальна и позволяет применять ее при создании электромагнитов различного назначения. В качестве примера рассмотрено ее применение для расчета длинноходовых электромагнитов постоянного или выпрямленного тока, разработанных в процессе работ по конверсии.

Оценка эффективности разработанных ЭПК и ЭГК позволяет прогнозировать их внедрение в существующие и вновь создаваемые ЖРД, а также использование методических рекомендаций и методики расчета для разработки электромагнитных клапанов.

Таким образом, проведено научное обоснование и экспериментальное подтверждение результатов диссертационной работы, где были применены различные средства совершенствования и оптимизации процесса при создании электромагнитных клапанов ЖРД.

Реализация работы. Работа выполнялась в течение -30 лет в процессе разработки в НПО Энергомаш ЖРД различного назначения, а также в процессе разработок по конверсии по темам: молочный и масляный сепараторгазовые горелки различной мощностиустановка по утилизации мусораавтоматика для управления газоплотной заслонки для теплоэлектроцентрали и др. Прогнозируется применение методики и инженерной программы расчета ЭМ при разработках электромагнитных клапанов вновь создаваемых ЖРД и объектов народного хозяйства.

Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Сформулированы методические рекомендации и основные критерии оптимальности электромагнитных клапанов ЖРД, а также разработана методика и программа инженерного расчета электромагнитов постоянного тока, включая расчет ЭМ с усложненным профилем обмотки. Методические рекомендации и программа расчета ЭМ апробированы при разработке электропневмоклапанов для двигателя РД191 и др.

2. Разработаны и внедрены: ЭПК двигателей РД120, РД170, РД171М, РД180- электроклапан для посадочной ступени «ЭУ 530», ЭПК для рабочего газа с криогенной температурой, а также ЭГК и ЭПК для нескольких разработок по конверсии (для молочного и масляного сепараторов, газовых и жидкостных горелок и др.).

3. Разработана оригинальная конструкция первого каскада усилителя ЭПК, имеющая ряд существенных преимуществ. На конструкцию первого каскада усилителя ЭПК принято решение о выдаче патента на полезную модель.

4. Разработана документация на ЭПК двигателя РД191- на базе унифицированной конструкции усилителя первого каскада ЭПК разработана также документация на блок электроклапанов для управления агрегатами креновых сопел (АКС) РН «Ангара» .

5. Проведена экспериментальная отработка ЭПК двигателя РД191, блока электроклапанов для АКС РН «Ангара» и ЭГК для цифровых агрегатов регулирования.

6. ЭПК и блок электроклапанов, прошедшие успешно экспериментальную отработку, внедрены на двигатель РД191 и на агрегаты креновых сопел РН «Ангара» .

Заключение

.

1. Проведено исследование электромагнитов и электромагнитных механизмов, включая сравнительный анализ конструкций ЭМ и электроклапанов, применяемых в отрасли, а также глубокое изучение специальной технической литературы и материалов патентных исследований.

2. Разработаны методические рекомендации, используемые при проектировании, и создана программа инженерного расчета ЭМ постоянного тока, базирующая на фундаментальных законах и экспериментальных исследованиях и позволяющая проводить расчеты ЭМ, в том числе имеющие усложненный профиль обмотки. Электромагниты с усложненным профилем обмотки защищены патентом и имеют увеличенную тягу по сравнению с ЭМ с обычным профилем обмотки при одинаковых габаритах и могут быть применены в перспективных ЖРД.

3. Получена удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных данных при расчете ЭМ как по программе инженерного расчета так и с применением метода конечных элементов.

4. Проведена модернизация ЭПК двигателей РД120, РД170, РД171М, РД180 с повышением их надежности и ресурса.

5. С использованием методических рекомендаций и программы инженерного расчета ЭМ разработаны электроклапан для посадочной ступени ЭУ530 и ЭПК для рабочего газа с криогенной температурой.

6. Разработана и защищена патентом оригинальная конструкция первого каскада усилителя ЭПК с использованием принципа уплотнения пилотных клапанов — металл по металлу.

7. На базе конструкции первого каскада усилителя ЭПК и с использованием методических рекомендаций созданы и экспериментально проверены, и внедрены на двигателе РД191 и на АКС РН «Ангара» новые ЭПК и ЭК.

8. ЭПК новой конструкции позволили существенно уменьшить габариты и стоимость пневмоблока двигателя РД191 при значительном увеличении быстродействия ЭПК.

9. Разработанная методика расчета ЭМ постоянного тока универсальна и позволяет применять ее, в том числе, для расчета длинноходовых электромагнитов постоянного или выпрямленного тока.

10.Созданы электрогидроклапаны и проведены их всесторонние испытания, в том числе в составе цифровых агрегатов регулирования на первых доводочных двигателях РД191. ЭГК имеют высокое быстродействие и работоспособны в большом диапазоне давлений рабочей жидкости — от 140 до 1000кгс/см2. ЭГК могут быть применены для гидравлических приводов перспективных ЖРД.

11.Разработаны несколько агрегатов по конверсии: электрогидроклапаны для масляного и молочного сепараторов, электроклапаны для газовых и жидкостной горелок и др.