CC BY
98
3. Яблонский, А. А. Курс теории колебаний : учеб. пособие для студентов втузов / А. А. Яблонский, С. С. Норейко. — Изд. 3-е исправ. и доп. — М. : Высшая школа, 1975. — 248 с.
4. Вибрации в технике. Справочник. В 6 т. Т. 2 / Под ред. В. Н. Челомея, И. И. Блехмана. — М. : Машиностроение, 1979. - 351 с.
5. Бутенин, Н. В. Введение в теорию нелинейных колебаний : учеб. пособие для втузов / Н. В. Бутенин, Ю. И. Неймарк, Н. А. Фуфаев. - 2-е изд., испр. - М. : Наука, 1987. - 384 с.
6. Бутенин, Н. В. Элементы теории нелинейных колебаний / Н. В. Бутенин. - Л. : Гос. изд-во судостроит. промышленности, 1962. - 194 с.
7. Поновко, Я. Г. Основы прикладной теории колебаний и удара / Я. Г. Поновко. - Изд. 3-е, доп. и перераб. - Л. : Машиностроение,1976. - 320 с.
8. Поновко, Я. Г. Введение в теорию механических колебаний / Я. Г. Поновко. - М. : Наука, 1971. - 240 с.
БАЛАКИН Павел Дмитриевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор, заведующий кафедрой «Машиноведение».
ДЮНДИК Евгений Александрович, соискатель по кафедре «Машиноведение».
ДЮНДИК Ольга Сергеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Машиноведение». Адрес для переписки: tmm@omgtu.ru
Статья поступила в редакцию 27.03.2015 г. © П. Д. Балакин, Е. А. Дюндик, О. С. Дюндик
УДК 629.764 В. Н. БЛИНОВ
В. В. КОСИЦЫН Е. Б. ЧАРУШИНА В. В. ШАЛАЙ
Омский государственный технический университет
НАПРАВЛЕНИЯ
ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АММИАЧНОГО ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО МИКРОДВИГАТЕЛЯ С ТРУБЧАТЫМИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
На основе опыта создания электротермического микродвигателя (ЭТМД) с трубчатыми нагревательными элементами предложены направления повышения удельного импульса тяги и совершенствования конструктивно-технологических решений аммиачного ЭТМД за счет модернизации конструктивной схемы ЭТМД. Ключевые слова: аммиак, герметичность, термопара, удельный импульс тяги, электротермический микродвигатель.
Работы выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки России в ходе реализации соглашения о предоставлении субсидии от 08.09.2014 г. № 14.S74.21.0104, а также в рамках научной школы № НШ-5998.2014.10.
Рассматривается ЭТМД на аммиаке, выполненный по схеме с резервированными трубчатыми нагревательными элементами, термопарами и со сменным профилированным соплом [1].
Данный ЭТМД разработан на основе ЭТМД с коническим соплом, прошедшего полный цикл наземной экспериментальной отработки автономно и в составе корректирующей двигательной установки (КДУ) малого космического аппарата (МКА) и натурные испытания [2-4]. Оба ЭТМД содержат кожух токовыводов, центральная часть которого заполняется герметиком для герметизации мест выхода токовыводов из ЭТМД.
Общий вид ЭТМД показан на рис. 1.
Опыт создания и эксплуатации ЭТМД выявил конструктивно-технологические недостатки, обусловленные высокой массой кожуха и трудностью
обеспечения требуемой герметичности внутренних полостей ЭТМД, а именно:
— в реализованном образце ЭТМД длина защитного кожуха составляет 35 мм, диаметр — 16 мм; кроме того, имеются два боковых кожуха длиной 25 мм, диаметром 10 мм; внутри данных кожухов размещены токовыводы нагревательных элементов и термопар; для металлических кожухов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т масса кожухов составляет 21 г; масса всего ЭТМД составляет 80 г; значительная масса кожухов увеличивает прогреваемую массу ЭТМД, что приводит к снижению величины нагрева рабочего топлива и, как следствие, к снижению удельного импульса тяги ЭТМД;
— при сборке ЭТМД возникает необходимость в постоянном контроле состояния применяемой заливочной композиции, используемой в качестве
Рис. 1. Составные части (а) и схема (б) ЭТМД с трубчатым нагревательным элементом: 1 — сопло; 2 — наружный корпус ЭТМД; 3 — нагревательный элемент, уложенный в керамические трубки; 4 — внутренний корпус с газоводом; 5 — место герметизации ЭТМД; 6 — термопара; 7 — кожух токовыводов и термопар
Рис. 2. Труднодоступные места герметизации ЭТМД
герметика; процесс заливки характеризуется послойным многократным нанесением герметика с последующей сушкой при повышенной температуре; для предотвращения порообразования и увеличения плотности заливки, в процессе высыхания герметика требуется «трамбовать» заливочную смесь, чему мешает ограниченный доступ к полости заливки ЭТМД;
— подвод рабочего тела в ЭТМД осуществляется через подводящий трубопровод, расположенный в месте герметизации токовыводов нагревателей и термопар; при монтаже подводящего трубопровода применяется его подгибка по месту, что может приводить к растрескиванию заливочной смеси и нарушению герметичности;
— в процессе наземной экспериментальной отработки рассматриваемого ЭТМД были отмечены отказы термопар; выводы термопар загерметизированы совместно с токовыводами нагревательных элементов; при демонтаже термопар происходит повреждение нагревательных элементов и некоторых конструктивных элементов ЭТМД.
Для устранения недостатков, связанных с обеспечением герметичности, были исследованы направления совершенствования ЭТМД без изменения конструктивной схемы. В ходе экспериментальных исследований были рассмотрены и исследованы различные герметизирующие композиции, к которым предъявлялись следующие требования:
— обеспечение прочности при воздействии вибромеханических нагрузок на ЭТМД в составе КДУ МКА;
— обеспечение прочности при воздействии тепловых нагрузок при работе ЭТМД;
— обеспечение технологичности процесса герметизации ЭТМД.
Были проведены исследования способов герметизации ЭТМД с использованием следующих высокотемпературных заливочных смесей [5]:
— на основе высокотемпературного клея КМ-41М;
— на основе клеев ТКФ-4А, ФФК;
— на основе силикатного герметика;
— на основе силикатного герметика в комбинации с клеем КМ-41М.
Нанесение герметика осуществлялось поэтапно слоями, с последующей сушкой каждого слоя. После нанесения герметика осуществлялась предварительная сушка, включающая в себя разогрев до 60 — 70 °С в течение 3 — 4 часов с последующим нагревом до 500 °С в печи с регулировкой темпа нагрева и контролем температуры. Места герметизации показаны на рис. 2.
Проверка на герметичность осуществлялась пузырьковым методом с опусканием залитых частей в воду и подачей в подводящий трубопровод ЭТМД азота давлением 0,025 МПа в течение 60 секунд. При этом в месте заливки визуально фиксировались течи в виде пузырьков азота »0 3 мм и »0 0,5 мм.
При оценке негерметичности были приняты следующие допущения:
— расход через течь при образовании одного пузырька 0 3 мм соответствует расходу при образовании 200 пузырьков 0 0,5 мм;
— отдельные мелкие пузырьки 0 0,5 мм с частотой появления не чаще одного раза в 3 секунды не учитывались.
При работе ЭТМД при атмосферном давлении максимальный расход азота составлял до 45 см3/с. Негерметичность течи через заливку ЭТМД в один пузырек »0 3 мм в секунду (0,01414 см3/с) соответствует потере 0,03 % потока газа. Потери аммиака
0,14% 0,12% 0,10% 0,08% 0,06% 0,04% 0,02% 0,00%
Потери объемного
Р с» да га' а. 0
1 ■
пузырьков в секунду, шт/с
1
Рис. 3. Зависимость относительных потерь потока газа через ЭТМД от числа видимых пузырьков в секунду (в расчет принимались единичные пузырьки »0 3 мм)
Рис. 4. Зависимость относительных потерь потока газа через ЭТМД от длительности интервала между отдельными пузырьками (в расчет принимались единичные пузырьки »0 3 мм)
при такой степени негерметичности составят 3 — 5 г за весь срок активного существования ЭТМД в составе МКА.
В этой связи, допустимая степень негерметичности ЭТМД принята один пузырек »0 3 мм в секунду.
На рис. 3, 4 приведены расчетные зависимости относительных потерь потока газа через ЭТМД от числа видимых пузырьков и временного интервала межу ними. Пунктирной линией показана граница допустимого уровня негерметичности, составляющая 0,03 % потока газа.
Технологические образцы ЭТМД, собранные с применением заливочной смеси на основе клея КМ-41М, показали высокую степень герметичности, составившую не более одного пузырька азота »0 3 мм за время 25 с и более. Вместе с тем использование данной заливочной смеси отличается низкой технологичностью и высокой трудоемкостью и длительностью работ.
В этой связи были собраны и испытаны на герметичность и функционирование образцы ЭТМД с использованием более технологичных заливочных смесей на основе клеев ТКФ-4А, ФФК, силикатных гер-метиков.
Проведенные исследования показали:
— заливочная смесь на основе клеев ТКФ-4А и ФФК не удовлетворяет требованию прочности при воздействии тепловых нагрузок при работе ЭТМД;
— заливочная смесь на основе силикатного герметика не удовлетворяет требованию прочности при воздействии вибромеханических нагрузок.
В ходе дальнейших исследований рассматривалась комбинированная заливка, представляющая собой силикатный герметик в сочетании с заливочной смесью на основе клея КМ-41М. Силикатный герметик использовался для герметизации токовыво-дов и нагревательных элементов и термопар, а заливочной смесью на основе клея КМ-41М обеспечивалась фиксация герметика в кожухе токовыводов ЭТМД (рис. 5).
Использование комбинированной заливки несколько сокращает трудоемкость и длительность процесса герметизации ЭТМД, но также в целом не обладает приемлемой технологичностью.
Проведенные исследования показали, что помимо выбора заливочной композиции, на герметичность ЭТМД с трубчатыми нагревательными элементами существенное влияние оказывает конструктивное исполнение места герметизации. Использование кожуха токовыводов в виде цилиндрических полостей, в соответствии с рис. 5, затрудняет доступ к местам герметизации ЭТМД.
В этой связи была разработана конструктивная схема ЭТМД, в которой герметизация токовыводов нагревательных элементов, термопар выполняется автономно с обеспечением свободного доступа к местам герметизации, а также замены вышедших
Рис. 5. Схема заливки ЭТМД комбинированной смесью «герметик силикатный + герметик на основе клея КМ-41М»
Рис. 6. Общий вид модернизированного ЭТМД: 1 — сопло; 2 — газовод; 3 — керамические трубки с нагревательными элементами (условно не показаны); 4 — внутренний корпус; 5 — внешний корпус; 6 — термопара; 7 — кронштейн крепления токовыводов; 8, 9 — герметик; 10 — трубопровод подачи рабочего тела
из строя термопар с сохранением нагревательных и конструктивных элементов ЭТМД (рис. 6).
Увеличение удельного импульса тяги, как основного показателя эффективности ЭТМД, во многом определяется температурой нагрева газообразного топлива. Температура нагрева газообразного топлива при заданной электрической мощности зависит от массовых характеристик ЭТМД.
Оценим массовые характеристики модернизированного ЭТМД. При оценке будем иметь в виду, что отличия ЭТМД по массе обусловлены различными конструкциями токоподводящих частей микродвигателя (защитные кожуха для прототипа и кронштейн для модернизированного ЭТМД).
В модернизированном ЭТМД кронштейн крепления токовыводов выполнен фигурным и плоским. Его общая площадь с соблюдением основных габаритов кожухов ЭТМД, выполненного в соответствии с [1], составит 1100 мм2. При толщине кронштейна 0,8 мм его масса составит 6,4 г. Сокращение массы кожухов составит 69,5 %, сокращение массы микродвигателя составит 18 %.
При использовании титановых сплавов для изготовления кожухов (кронштейна) сокращение массы микродвигателя составит 14 %.
Сокращение массы модернизированного ЭТМД (14-18)% приведет к увеличению удельного импульса тяги на 16-18 %.
Герметизация ЭТМД осуществляется нанесением специального герметика 8, 9 в соответствующие
доступные полости, что обеспечивает высокое качество герметизации ЭТМД с получением сплошной (без пор) структуры герметика и, как следствие, высокую степень герметизации ЭТМД.
При выходе из строя в процессе испытаний ЭТМД термопары, как наиболее «слабого» элемента, ее замена осуществляется удалением герметика 8. При этом все конструктивные элементы ЭТМД сохраняются. Таким образом:
— сокращается время ремонта и его стоимость за счет исключения повреждения конструктивных элементов микродвигателя в процессе ремонта;
— обеспечивается высокое качество герметизирующей композиции и герметичность ЭТМД за счет доступа к герметизируемым полостям.
Библиографический список
1. Пат. 2442011 РФ, МПК Б02К 9/68. Электротермический микродвигатель / Блинов В. Н., Рубан В. И. [и др.] ; заявитель и патентообладатель Федер. гос. унитарное предприятие «Государственный космический научно-производственный центр имени М. В. Хруничева» (ФГУП «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева») ИИ ; заявл. 02.07.2010 ; опубл. 10.02.2012.
2. Пат. 2332583 РФ, МПК Б02К 9/68. Электротермический микродвигатель / Блинов В. Н., Рубан В. И. [и др.] ; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «Полет-Интер» (ЗАО «Полет-Интер») (ИИ) ; заявл. 13.02.2007 ; опубл. 27.08. 2008.
3. Исследование параметров двигательной установки микротяги на аммиаке по результатам натурных испытаний / В. Н. Блинов [и др.] // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2010. - № 2 (90). - С. 90-93.
4. Исследования электротермических микродвигателей корректирующих двигательных установок маневрирующих малых космических аппаратов: монография / В. Н. Блинов,
B. В. Шалай [и др.]. - Омск : ОмГТУ, 2014. - 264 с.
5. Блинов, В. Н. Исследования способов герметизации электротермических микродвигателей на аммиаке с трубчатыми нагревательными элементами / В. Н. Блинов, В. И. Рубан, Д. Р. Ашпакова // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники : материалы 4-й Всерос. науч. конф., посвящ. памяти гл. конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова. - Омск, 2012. -
C. 16-21.
БЛИНОВ Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры авиа-
и ракетостроения Омского государственного технического университета (ОмГТУ); заместитель главного конструктора ПО «Полет» — филиала Государственного космического научно-производственного центра им. М. В. Хруничева.
КОСИЦЫН Валерий Владимирович, кандидат технических наук, научный сотрудник НИЧ кафедры авиа- и ракетостроения ОмГТУ; ведущий специалист ПО «Полет».
ЧАРУШИНА Елена Борисовна, старший преподаватель кафедры «Нефтегазовое дело» ОмГТУ. ШАЛАИ Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Нефтегазовое дело», ректор ОмГТУ, заслуженный работник высшей школы РФ.
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира 11.
Статья поступила в редакцию 13.03.2015 г. © В. Н. Блинов, В. В. Косицын, Е. Б. Чарушина, В. В. Шалай
УДК 624.953:665.754 В. Р. ВЕДРУЧЕНКО
В. В. КРАЙНОВ Е. С. ЛАЗАРЕВ
Омский государственный университет путей сообщения
О ДЕФОРМАЦИИ СТЕНОК ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ КОТЕЛЬНЫХ И ДРУГИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЖИДКОГО ТОПЛИВА
Рассмотрены эксплуатационные особенности резервуаров и емкостей для хранения жидких нефтепродуктов: от бензинов до сырой нефти, используемых в качестве топлива промышленных котельных, на нефтебазах и хранилищах. Для снижения эксплуатационных расходов, уменьшения металлоемкости и стоимости материалов при постройке емкостей и резервуаров их целесообразно конструировать и строить обоснованно прочных параметров. Предлагается методика расчета и конструирования прочных цилиндрических емкостей для нефтепродуктов и других жидких топлив использованием метода расчета деформации стенок.
Ключевые слова: резервуары для хранения нефтепродуктов, прочные размеры, безопасность эксплуатации, метод расчета деформации стенок.
Дальнейшее снижение расходов на проектирование, постройку, повышение надежности и уменьшение эксплуатационных расходов на устройства для хранения жидкого топлива связано не только с оптимальными проектными решениями [1], но и с использованием научно обоснованных методов расчета на прочность и другие критерии.
Котельные установки промышленных предприятий, работающие на мазуте, оборудованы устройствами и системами для приема, хранения топлива и подготовки его к сжиганию [1-3].
Хранение жидкого топлива производится в металлических или неметаллических резервуарах, а небольшого количества — в специальной таре — бочках и бидонах.
Мазут и дизельное топливо хранятся в закрытых бетонных или железобетонных резервуарах, подземных или полуподземных. Эти резервуары оборудуются подъемной трубой для отбора продукта из любого слоя и подогревающим устройством.
Для хранения высокосернистых мазутов необходимо обеспечивать хорошую вентиляцию хранилищ и своевременное удаление из них воды.
Светлое топливо (бензин, керосин) хранится в закрытых стальных вертикальных или горизонтальных цилиндрических резервуарах (рис. 1).
Резервуары снабжаются гидравлическими клапанами, обеспечивающими снижение потерь топлива при так называемых «дыханиях» резервуаров. Это явление заключается в периодическом вытеснении
