Исследование работоспособности вращающихся деталей агрегатов питания ЖРД методом конечных элементов

Современная ракетная техника является неотъемлемой частью цивилизованного мира. В настоящее время решаются многочисленные вопросы индустриализации близкого космоса. Реализуются программы по выводу на различные орбиты сотен спутников с целью всемирной информатизации (телефонизации, мониторинга, обмена информацией, обучения, проведения банковских операций, слежения за транспортом, быстрого обнаружения чрезвычайных ситуаций, раннего оповещения об ракетно-ядерной угрозе и решения большого количества других глобальных задач).

Будущие проблемы человечества могут быть решены дешевыми и надёжными ракетами-носителями, оснащёнными высокоэффективными, высоконадёжными, дешевыми и экологически чистыми двигателями. Этим требованиям соответствуют ракеты и ракетные двигатели, работающие на жидких компонентах топлива Наибольшее распространение получили ракеты, у которых двигатели работают на жидком кислороде и углеводородном горючем на первых ступенях и жидком водороде на верхних ступенях.

Мировой прогресс требует повышения объёмов пусков, поэтому необходимо обеспечить высокую надёжность и безопасность (в т.ч. экологическую) техники такого рода, а рост конкуренции на мировом рынке, за счёт появления новых космических держав, требует повышения конкурентоспособности.

Значительное снижение стоимости пуска ракет-носителей а, следовательно, повышение конкурентоспособности, может быть достигнуто за счёт создания многоразовых систем, а эффективность и надёжность повышена модификацией уже отработанных двигателей.

Рис. 2. РД-253.

В настоящее время на предприятиях отрасли проводится форсирование ряда базовых двигателей.

Двигатель РД-170 (рис. 1) форсируется на 5% по уровню тяги. Он применяется на первой ступени ракет класса «Зенит», и выполнен по замкнутой схеме, а в качестве топлива используется пара кислород-керосин.

Тяга двигателя в пустоте составляет — 804тс. Давление в КС равно — 280атм.

Двигатель РД-253 (рис. 2) также форсируется на 5%. Он используется на первой ступени РН «Протон», и также выполнен по замкнутой схеме. Компоненты топлива — НДМГ и AT. Давление в КС составляет — 147атм. Тяга двигателя в пустоте равна — !65тс.

Двигатель РД-191 создаётся на базе РД-170 (рис. 3) и разрабатывается для применения на первой ступени PII «Ангара» и многоразового модуля «Байкал» .

Тяга двигателя в пустоте — 212тс. Давление в КС составляет — 280атм. Давление на выходе из насоса окислителя — 670атм, мощность насоса равна — 49 639л.с. Давление на выходе из насоса горючего — 944атм, мощность составляет — 28 000л.с. Скорость вращения ротора равна 24 000об/мин.

Турбонасосные агрегаты данных ЖРД (рис. 4 и 5) это высокотехнологические и наукоёмкие элементы двигателя.

Значительная разница между рабочими температурами компонентов топлива и рабочего тела турбины, а также различная напряженность элементов, вынуждает использовать широкий спектр материалов, от фторопластовых, в уплотняющих элементах, до высокопрочных хром-никелевых и титановых сплавов. Между вращающимися и покоящимися.

Рис. 3. РД-191.

Рис. 4. Насос горючего. частями агрегата включают сложные уплотняющие системы. При проектировании турбонасосных агрегатов (ТНА) уделяют большое внимание виброактивности его элементов, снижение которой возможно индивидуальной настройкой вращающихся деталей.

Рабочие диски турбин и крыльчатки, данных двигателей, являются одними из наиболее ответственных деталей. Они подвержены широкому спектру критических нагрузок и вместе с тем должны обеспечивать работоспособность двигательной установки в течение всего гарантированного ресурса Основными нагрузками, действующими на данные элементы, являются: центробежные силыизгибающие силыдавление от посадки на вал или от затяжкивибрациигироскопический момент.

Необходимость повышения характеристик ЖРД, заставляет повышать эффективность и мощность ТНА. Это достигается путём увеличения КПД рабочих деталей насосов, посредством проектирования крыльчаток и дисков Рис. 5. Турбина. турбин сложной формы, с усложнением профиля ступицы и обода, проектированием высоких турбинных лопаток (высотой до 70 мм) с двоякой кривизной профиля, сильноизогнутым покрывным диском крыльчаток, эксцентричными не параллельными оси вращения разгрузочными отверстиями и т. п. Потребность в высоких мощностях заставляет увеличивать диаметры рабочих колёс, что ведёт к росту массовых характеристик. В свою очередь из-за роста массы деталей вводят замковые соединения крыльчаток на валах роторов. А широкий б спектр нагрузок вызывает в рабочих дисках турбин и крыльчатках явления концентрации напряжений.

Все эти конструктивные особенности и нагрузки являются причиной того, что оценить с достаточной степенью точности напряжённо деформированное состояние (НДС), с помощью традиционных расчётов на статическую прочность [1, 24], не представляется возможным. Даже 40 летняя практика применения метода конечных элементов (МКЭ) [47, 15, 17] не позволяет перенести отработанные алгоритмы на сложные элементы ТНА. Поэтому в инженерной практике, вплоть до настоящего времени, в комплексе с аналитическими методами используют экспериментальные методы исследования пространственного НДС, такие как метод фотоупругости (поляризационно-оптический метод) и метод статического тензометр ирования.

Экспериментальное исследование, в силу специфики, проводят в барокамере с разряженной атмосферой, тем самым не учитывая давление компонента топлива на профильные части колёс. Но, не смотря на это, на основе экспериментальных данных делают выводы о напряжённости, на рабочих оборотах, и величине разрушающей скорости вращения.

Проведение сложных и зачастую малоэффективных экспериментов ведёт к увеличению временных и материальных затрат. Поэтому они усложняют мероприятия направленные на оценку работоспособности вращающихся деталей на этапе проектирования, при разработке новых схем ТНА, и форсировании уже существующих двигателей. А невозможность учёта некоторых силовых факторов, во время экспериментальной отработки, ведёт к неадекватной оценке НДС.

Новые задачи повышения конкурентоспособности, эффективности и безопасности ракетной техники, требуют от инженеров получения, расчётным путём, более информативной картины нагружённости агрегатов и деталей новейших схем за более короткие сроки, чем ранее.

Актуальность работы.

В настоящее время нет единой универсальной методики, обеспечивающей качественное определение пространственного НДС современных лопаточных колёс, сложных форм. Открытыми остаются вопросы учёта полной геометрии и широкого спектра статических, рабочих нагрузок. Также трудности возникают при попытке определения предельной несущей способности вращающихся деталей, которая является немаловажной характеристикой изделия. Все эти проблемы могут быть решены с помощью метода конечных элементов (МКЭ).

В мировой практике использование МКЭ чаще всего связано с интуитивным построением расчётных схем (выбора типа и количества конечных элементов). В некоторых случаях эти параметры определяют по расчёту простых схем, для которых есть аналитическое решение. В других случаях проводятся эквивалентные, модельные испытания.

Все эти подходы малоэффективны — занимают много времени, интуитивны и требуют больших ресурсов при модельной коррекции расчётных схем. Что касается выбора, сделанного по решению простых схем, то достаточно сложно определить порядок и тип сил и моментов, действующих на натурную деталь во время работы. А эти значения не маловажны потому, что точность решения МКЭ сильно зависит от величины нагрузки.

Отсутствие эффективного алгоритма создания корректной конечно-элементной модели (КЭМ), вынуждает специалистов отрасли при расчёте напряжённого состояния, а также при оценке разрушающей скорости вращения, использовать численные методы, основанные на решении интегральных уравнений и разработанные в виде Отраслевого стандарта в 1983 году. Стандарт позволяет рассчитывать крыльчатки с лопатками, спроектированными по цилиндрической поверхности, а геометрию крыльчаток более сложных форм идеализируют и проверяют корректность выбора той или иной расчётной схемы при экспериментальной оценке.

Исходя го этих предпосылок следует, что актуальной проблемой является отсутствие эффективного алгоритма составления расчетной схемы МКЭ, позволяющего качественно анализировать работоспособность вращающихся деталей сложной формы, мощных ЖРД на этапе проектирования, что позволило бы повысить качество расчётной оценки и сократить затраты на экспериментальную отработку деталей.

Цель диссертационного исследования.

Усовершенствовать составление расчётной схемы МКЭ, путём оптимизации адаптивного алгоритма к вращающимся деталям ТНА форсируемых ЖРД.

Основные задачи:

1. Оптимизировать алгоритм построения адаптивных КЭМ и обосновать выбор наиболее эффективной расчётной схемы, применительно к вращающимся деталям агрегатов питания ЖРД, которые дадут количественно похожую картину НДС с экспериментально определённой по методу статического тензометрирования и методу фотоупругости.

2. Используя усовершенствованный алгоритм и расчётную схему, решить задачи по оценке несущей способности типовых, конструктивных схем крыльчаток и сопоставить с результатами разгонных испытаний.

3. Оценить влияние разброса механических свойств материала крыльчаток (определённых по образцам свидетелям) на величину разрушающей скорости вращения.

4. Оценить НДС типовых крыльчаток, современных ЖРД от действия статических, рабочих нагрузок, усовершенствованным алгоритмом, и оценить вклад давления компонента топлива на НДС.

Выводы.

1. Учёт давления на профильных частях колёс оказывает существенное влияние, как на величину радиальных деформаций, так и на общую напряжённость.

2. Некоторые расчётные случаи показывают значительное снижение напряжённости крыльчаток при учёте давления компонента — это относится к односторонним крыльчаткам большого диаметра.

3. Оценка работоспособности крыльчаток сложных форм, проведённая по адаптивным КЭМ, даёт более информативную картину о напряженности, чем ранее разработанные методы [1].

Рис. 5.25. Приведенные напряжения (кгс/мм").

Рис. 5.26. Радиальные деформации (мм).

4. Анализ работоспособности данных деталей, проведённый экспериментальным путём, может дать неверную картину НДС и неверно определённые запасы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Создана методика построения адаптивных конечно-элементных моделей, использование которой для расчёта напряжённо-деформированного состояния вращающихся деталей сложной формы обеспечивает существенную экономию вычислительных ресурсов и высокую точность по сравнению с традиционными, неадаптивными моделями.

2. Обоснование и выбор расчётной схемы, используемой КЭ типа тетраэдр, позволил более эффективно исследовать работоспособность крыльчаток сложной формы.

3. Экспериментальная оценка работоспособности рабочих колёс турбин и крыльчаток на несколько порядков сложна (и, в случае не учёта некоторых силовых факторов, не верна) по сравнению с предложенным алгоритмом применения метода КЭ.

4. Результаты расчётов НДС и разрушающих скоростей вращения хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными, что позволяет рекомендовать адаптивные КЭМ для прогнозирования НДС деталей проектируемых агрегатов питания ЖРД, с которыми связана возможность сокращения объёма экспериментальных исследований.

5. Значительная разгрузка некоторых схем центробежных крыльчаток может дать повышение запаса по разрушающей скорости вращения.

6. Проведенные исследования позволяют рекомендовать адаптивный алгоритм для использования в расчёте других деталей ЖРД и ВРД.