Разработка и внедрение методики и инженерной программы создания оптимальных конструкций электромагнитных клапанов жидкостных ракетных двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Теленков, Александр Алексеевич

• Теленков, Александр Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Теленков, Александр Алексеевич

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Обоснование необходимости решения проблемы разработки электромагнитных клапанов для ЖРД.

1.1. Применение электромагнитных клапанов для ЖРД.

1.2. Виды и принципы работы электромагнитных клапанов, применяемых в пневмо-гидросистемах ЖРД.

1.3. Анализ электромагнитных клапанов, применяемых в отрасли.

1.4. Унифицированные ЭГПС предприятия НПО Энергомаш.

1.5. Развитие унифицированных ЭПК применительно к условиям 23 многократного использования ЖРД (в частности для двигателей РД120, РД170, РД171).

1.6. ЭПК двигателя РД180.

1.7. Обзор материалов патентных исследований.

1.8.Вывод ы.

Глава2. Разработка методических рекомендаций для проекти- 32 рования электромагнитных клапанов ЖРД.

2.1. Рабочий цикл электромагнитного клапана непрямого дейст- 32 вия.

2.2. Типы, основные параметры, принципы работы и характеристи- 33 ки электромагнитов.

2.3. Общие закономерности рабочего процесса электромагнита.

2.4. Влияние магнитных свойств материала магнитопровода на га- 44 бариты ЭМ.

2.5. Методические рекомендации для проектирования электромагнитных клапанов ЖРД.

Глава 3. Расчетные оценки и методики расчетов, используемые 46 при проектировании электромагнитных клапанов ЖРД.

3.1. Методика инженерного расчета электромагнита постоянного 47 тока.

3.2. Расчеты ЭМ с использованием метода конечных элемен- 81 тов.

Глава 4. Разработка электромагнитных клапанов современных и перспективных двигателей.

4.1. ЭПК для энергоустановки «530».

4.2. Опыт разработки ЭПК для рабочего газа с криогенной темпе- 94 ратурой.

4.3. Разработка ЭПК перспективных двигателей.

4.4. Электроклапаны АКС РН "Ангара".

4.5. ЭГК для цифровых агрегатов

Глава 5. Экспериментальные исследования электромагнитных 121 клапанов ЖРД.

5.1. Особенности автономных испытаний электромагнитных кла- 121 панов.

5.2. Экспериментальные исследования ЭПК перспективных двига- 124 телей.

5.3. Испытания блока электроклапанов АКС РН "Ангара".

5.4 Испытания ЭГК для цифровых агрегатов.

Глава 6. Особенности применения методики инженерного рас- 138 чета ЭМ в разработках по конверсии.

Глава 7. Эффективность внедрения новых ЭПК в двигатель

РД191.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 характеристик; кроме 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 преимуществ; кроме 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 сепаратор; газовые горелки различной мощности; установка по утилизации мусора; автоматика 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 диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Теленков, Александр Алексеевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Теленков, Александр Алексеевич, 2011 год

1. . Харазов К.И. Электромагнитные устройства авиационной электроавтоматики //М.: Машиностроение, 1984-192с.

2. Решетников Е.М., Ю.А. Саблин и др. Электромеханические преобразователи гидравлических и газовых приводов // М,: Машиностроение, 1982.-144с.

3. Пеккер И.И. Физическое моделирование электромагнитных механизмов // М., Энергия, 1969. 64с.

4. Орлов Д.В. Электромагниты с замедлением // М., Энергия, 1970. 96с.

5. Рабинович. JI.B. Электроавтоматика авиационных электромеханических установок //М., Государственное издательство оборонной промышленности, 1957.-422с.

6. Теленков A.A. Опыт применения металлических уплотнений для создания электроагрегатов, управляющих потоками сжатого газа с экстремальными параметрами, труды XII международной конференции HER-VICON 2008, С. 279-286.

7. Полковников В.А. и др. Электропривод летательных аппаратов. Учебник для авиационных вузов//М., Машиностроение, 1990. 352с.

8. Гордон A.B., Сливинская А.Г., Электромагниты постоянного тока, М., Госэнергоиздат,1960. 446с.

9. Теленков A.A. Опыт разработки и создания оптимальных конструкций электропневмогидроклапанов Конверсия в машиностроении, 2008.№2, С.42-47.

10. Ротерс перевод с английского Гордона A.B., Сливинской А.Г. Электромагнитные механизмы. М., "Госэнергоиздат", 1949. 522с.

11. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты,М,"Энергия", 1972, 248с.

12. Гордон A.B., Сливинская А.Г. Электромагниты переменного тока. М,"Энергия", 1969, 200с.

13. Гордон A.B., Сливинская А.Г. Электромагниты со встроенными выпрямителями. М."Энергия",1970, 63с.

14. Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. М. Энергия, 1974, 240с.

15. Любчик М.И. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов. М,"Энергия", 1974, 392с

16. Михайлов О.П. и др. Электромагнитные устройства в станкостроении, М., Машиностроение, 1974, 184с.

17. ОСТ 92-9376-80 Электромагниты пневматических и гидравлических клапанов, методика расчета, 1980, 49с.

18. Березин В.Б и др. Электротехнические материалы. Справочник. 3-е издание, М., Энергоатомиздат, 1983, 504с.

19. Эдельман А.И. Топливные клапаны жидкостных ракетных двигателей, М., Машиностроение, 1970, 244с.

20. Пржиалковский А.Л., Щучинский С.Х. Электромагнитные клапаны, Ленинград, Машиностроение, 1967, 246с.

21. Теленков A.A., Фатов Б.Д., Кондранина Т.И. Техническая справка №РД 191.ТС.724-3-2000 // Результаты испытаний имитаторов разряда цифрового регулятора расхода горючего двигателя РД191, 5с с приложениями.

22. Чванов В.К., Громыко Б.М., Теленков A.A. и др. Отчет №754-2349 об автономных испытаниях электромагнитов.

23. Чванов В.К., Громыко Б.М., Теленков A.A. и др. Отчеты №7542402,2404,2442 об автономных испытаниях электропневмоклапанов двигателя РД191.

24. Афончин В.А., Дюжев Г.С. и др. Техинформации № 7542450,2452,2453,2454 о результатах дополнительных испытаний электропневмоклапанов двигателя РД191.

25. Чванов В.К., Громыко Б.М., Теленков A.A. и др. Отчеты №7542449,2452,2471 об автономных испытаниях блока ЭК РН "Ангара".

26. Каторгин Б.И., Громыко Б.М., Теленков A.A. и др. Отчет по результатам разработки и анализа вариантов электроклапанов по техническому заданию фирмы SEP (контракт №8). КБ Энергомаш, 1994.

27. Каторгин Б.И , Громыко Б.М., Теленков A.A. и др. Электроклапан 90.0200.0425.0000.00.0. Отчет по доводочным испытаниям (контракт №10 с фирмой SEP) КБ Энергомаш, 1996, 29с.

28. Павлов А.П., Братенков Ю.А., Фатов Б.Д., Титков А.И., Отчет №784-16-78/18-724-78.Патентнотехнические исследования. Конструктивные особенности электромагнитов постоянного тока, используемых в агрегатах автоматики. КБ Энергомаш, 1978. 126с

29. Гребнев М.Ю., Громыко Б.М., Кириллов A.B., Кириллов В.В., Лачинов Д.С., Теленков A.A. Вопросы проектирования и экспериментальной отработки цифровых агрегатов регулирования ЖРД средней тяги // Труды НПО Энергомаш, М.: 2000, № 18, С. 429-438.

30. Громыко Б.М., Каторгин Б.И., Кириллов A.B., Кириллов В.В., Кошелев И.М., Лачинов Д.С., Семенов В.И., Теленков A.A., Чванов В.К. Патент на изобретение №2185652 Регулятор расхода жидкости, приоритет от 26.01.2000.

31. Громыко Б.М., Каторгин Б.И., Кириллов A.B., Кириллов В.В., Лачинов Д.С., Семенов В.И., Теленков A.A., Чванов В.К. Патент на изобретение №2185651 Цифровой гидравлический дроссель, приоритет от 26.01.2000.

32. Теленков A.A. Опыт применения металлических уплотнений для создания электроагрегатов, управляющих потоками сжатого газа // Труды НПО Энергомаш, М.: 2008, № 24, С. 279-286.

33. Теленков A.A., Громыко Б.М., Кириллов В.В., Писарская Н.Т. Электромагнитный клапан. Патент на полезную модель №87236. Приоритет -31.03.09.

34. Теленков A.A., Белова Н.И. Катушка электромагнита, предпочтительнее кольцевой формы. Патент на полезную модель №87287. Приоритет -18.05.09.

35. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электромагнитное поле. -М.: Высш.шк., 1978. 231 с.

36. Арнополин А.Г. и Гнилицкий Б.С.Взрывобезопасное и взрывозащищен-ное электрооборудование. М.: Недра, 1973, 120с.

37. Билибин К.И. и др. Намоточные работы в производстве элементов электроавтоматики. Справочное пособие// Под ред. Е.А.Скороходова. М.: Энергия, 1972,217с.

38. Хольцбок В. Электромагнитные исполнительные органы для сервоклапа-нов. М. 1978, 17с.

39. Антонов В.Г. и др. Средства измерений магнитных параметров материалов. Л.: Энергоатомиздат, 1986, 216с.

40. Жеребцов И.П. Электрические и магнитные цепи. Основы электротехники. Л.: Энергоатомиздат, 1987, 256с.

41. Гладков А.З. Электроизоляционные лаки и компаунды. М.: Энергия, 1973, 248с.

42. Справочник по электротехническим материалам под ред. В.В.Пасынкова, Б.М.Тареева. М.: Энергоатомиздат, 1986

43. Андреева Е.Г., Ковалев В.З. Математическое моделирование электротехнических комплексов: Монография / Под общ. ред. Ковалева Ю.З,- Омск: Изд-во ОмГТУ, 1999. -172 с.

44. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М.: Наука: Гл.ред. физ.-мат. лит., 1970. 720 с.

45. Самарский A.A. Теория разностных схем. М.: Наука: Гл.ред. физ.-мат. лит., 1983.-616 с.

46. Балыгин И.Е. Электрические свойства твердых диэлектриков. Л.: Энергия, 1974, 191с.