CC BY
106
УДК 629.78.01
БАЛАНСИРОВКА ВРАЩАЮЩИХСЯ УЗЛОВ НЕКОТОРЫХ АГРЕГАТОВ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
В. В. Голованова1, М. В. Резанова2. Г. Г. Крушенко2' 3
1 Конструкторское бюро «Арсенал» имени М. Ф. Фрунзе, г. Санкт-Петербург Российская Федерация, 195009, Санкт-Петербург, ул. Комсомола, д. 1-3 E-mail: vasilin-a@rambler.ru
2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: ambrella-7@mail.ru
3Институт вычислительного моделирования СО РАН, Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50 E-mail: genry@icm.krasn.ru
В космических аппаратах имеются детали, испытывающие воздействие центробежных сил. При неуравновешенности материала, из которых они изготовлены, в процессе эксплуатации они могут выйти из строя в результате дисбаланса, что может привести к выходу из строя космического аппарата. Описана балансировка некоторых вращающихся узлов космических аппаратов.
Ключевые слова: космические аппараты, балансировка.
BALANCING OF ROTATING NODES SOME UNITS OF SPACECRAFT
V. V. Golovanova1, M. V. Rezanova2, G. G. Krushenko2, 3
1Design Bureau "ARSENAL" named after M. V. Frunze 1-3, Komsomol str., Saint-Petersburg, 195009, Russian Federation E-mail: vasilin-a@rambler.ru
2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
3Institute Computational Modeling SB RAS, 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: genry@icm.krasn.ru
In the spacecraft details are experiencing the influence of centrifugal force. When the unbalance of the material from which they are made, in operation they can be damaged as a result of imbalance that can lead to failure of the spacecraft. This paper describes some balancing of rotating units of spacecraft.
Keywords: spacecraft, balancing.
В космических аппаратах (КА) имеются детали, узлы и агрегаты, работающие в режиме вращения, а, следовательно, испытывающие воздействие центробежных сил. И, в случае неуравновешенности материала, из которых они изготовлены, или комплектующих деталей относительно оси вращения, в процессе эксплуатации соответствующих объектов они могут выйти из строя в результате дисбаланса, что может нарушить рабочий режим или даже привести к выходу из строя КА. В настоящей работе в качестве примеров рассмотрена балансировка вращающихся деталей турбонасосного агрегата (ТНА) жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) [1], и электронасосного агрегата (ЭНА) КА, предназначенного для обеспечения регламентных температурных режимов КА [2]. Такие объекты изучения выбраны в связи с тем, что ЖРД разных ступеней, а, следовательно, и ротор с расположенными
Секция «Инновационные и здоровьесберегающие технологии в современном образовании»
на нем рабочими колесами (РК) ТНА, работают максимум десятки секунд/минут либо непрерывно, либо в циклическом режиме при высокой частоте вращения. Имеются разработки ТНА с частотой вращения ротора свыше 100 000 об/мин. [3], что в еще большей степени повышает требования к качеству комплектующих деталей. Что касается ЭНА, то они должны обеспечивать температурный режим искусственных спутников длительное время.
Балансировка вращающихся деталей ТНА
В связи с тем, что ТНА играет определяющую роль в обеспечении безаварийной работы ЖРД, а, следовательно, и КА, балансировке вращающихся деталей и узлов этого агрегата придается первостепенное значение. Существует достаточно большое количество способов балансировки роторов ТНА ЖРД.
Согласно работе [3], при производстве ТНА применяется два вида балансировки вращающихся деталей и узлов этого агрегата - статическая - для центробежных и осевых колес, импеллеров, дисков турбин, зубчатых колес и других составных частей ротора в качестве предварительной. И заключается она в использовании комплекса технологических операций по определению места и установки балансировочных грузов с целью уменьшения главного вектора дисбалансов невращающегося ротора с определением массы балансировочного груза как методом подбора без пробных масс, так и с пробной массой. После статической проводится динамическая балансировка. Статическую балансировку ротора ТНА в сборе не проводят, так как при этом не выявляется моментная неуравновешенность ротора с деталями, распределенными в осевом направлении. Окончательная - динамическая балансировка - основана на установлении взаимосвязи реакций в опорах вращающегося ротора с дисбалансом масс, и включает целый ряд операций, конечная цель которых заключается в определении положения и массы балансировочных грузов, в их установке (или удалении) на ротор с целью уменьшения дисбаланса до регламентируемого технической документацией. Для выполнения операций динамической балансировки применяются балансировочные станки, описание которых приведено в этой же монографии [3].
Балансировка электронасосных агрегатов
ЭНА представляют собой электрические двигатели постоянного тока с бесщеточным коллектором в блоке с насосом и частотой вращения от 400 до 1 000 рад/с. При низкой мощности и высоком ресурсе работы системы такой привод единственно приемлемый. Турбинный привод используется в системах с низким ресурсом работы. Рабочим телом турбины служит жидкость (гидротурбина) или воздух или продукты сгорания топлива (газовая турбина). Турбина с малой массой конструкции обеспечивает высокие мощность и угловую скорость при непосредственном соединении с ротором лопаточного насоса. При специальных компонентах топлива масса системы определяется временем ее работы. Турбины имеют высокую скорость вращения и подлежат тщательной балансировке. Так как малорасходные нагнетатели балансируют по виброскорости на частоте вращения, то этот параметр играет решающую роль при балансировке [4].
Для балансировки малорасходных нагнетателей по виброскорости (виброскорость показывает максимальную скорость перемещения контролируемой точки оборудования в процессе ее прецессии, измеряется в мм/сек) на частоте вращения определяются места установки вибродатчиков или люлек балансировочного станка [5]. Съем металла производится со специального пояска рабочего колеса 4, который образует разгрузочную от осевых усилий камеру. Контроль виброскорости электродвигателей по результатам измерений вибраций на невращающихся частотах проводят по ГОСТ ИСО 108-16-1-97. Вибросостояние электродвигателей определяется в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно продольной оси по двум значительным составляющих вибрации, определяющих виброскорости между максимальным и минимальным значениями с последующим определением среднеквадратического значения вибрации.
Основное требование к ЭНА - получение длительного срока непрерывной работы (СНР) в орбитальных условиях, поэтому, кроме воздействия на ЭНА несбалансированных масс необходимо учитывать и воздействие других факторов. В космосе, в условиях невесомости, радиальные нагрузки уменьшаются на массу ротора (порядка 200 г), при этом ресурс подшипников, подсчитанный по вышеуказанной методике увеличивается примерно в два раза. Согласно принципам ускорения ресурсных испытаний не должны изменяться физические условия работы в режимах ускорений. Для ЭНА такая опасность имеется, поскольку при высоких скоростях вращения в поле сил тяжести шарики шарикоподшипников выходят на режим глиссирования. Для получения устойчивого движения шариков в невесомости в конструкциях электродвигателя, опоры смещают относительно цилиндрического магнитопровода в радиальном направлении на величину, равную 0,1...0,9 величины среднего
воздушного зазора между статором и ротором, благодаря чему возникает сила одностороннего магнитного притяжения (меньше веса ротора), обеспечивающая устойчивую и надежную работу при отсутствии сил тяжести на орбите и вертикальном положении.
При балансировке ЭНА по виброскорости на частоте вращения электродвигатель с рабочим колесом помещают на две люльки по тем же меткам, что и при измерении виброскорости электродвигателя без рабочего колеса, и прижимают к люльке резиновыми бандажами. Люльки соединены ступенчатыми цилиндрическими тягами с индукционными датчиками, сигнал с которых поступает на усилитель и решающее устройство, которое на стрелочным прибор или монитор компьютера выводит значение виброскорости на частоте вращения. По метке на рабочем колесе с помощью стробоскопа определяют тяжелое место, которое оказывается внизу и в этом месте с помощью боринструмента удаляют металл с отсосом стружки пылесосом. Такая методика хорошо зарекомендовала себя, и подтверждена, например, успешной эксплуатацией телекоммуникационного космического аппарата 8Е8ЛТ - первого спутника, созданного ОАО «Информационные спутниковые системы» им. академика М. Ф. Решетнева» [6].
Библиографические ссылки
1. Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования : учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 488 с.
2. Бобков А. В. Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов. Владивосток : Дальнаука, 2003. 217 с.
3. Технология производства жидкостных ракетных двигателей / В. А. Моисеев, В. А. Тарасов, В. А. Колмыков и др. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 381 с.
4. Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения : учеб. пособие ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2011. 488 с.
5. Пат. № 2290540 Рос. Федерации РФ С1 Б04Б 13/06 Б04Б 29/02 Электронасосный агрегат /
B. В. Двирный, А. В. Леканов, В. И. Халиманович и др. Заяв. № 2005114553/06 от 13.05.2005 2006. Бюл. № 36.
6. Спутниковые телекоммуникации // Информационные спутниковые системы. 2010. № 10.
C. 8-10.
© Голованова В. В., Резанова М. В., Крушенко Г. Г., 2015
