Исследование ресурсных характеристик сильфонного пневмонасосного агрегата Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7.062

В.И. Конох, И.И. Калиниченко, И.Н. Гордиец, А.В. ШПАК

Государственное предприятие "Конструкторское бюро "Южное" им. М. К. Янгеля"

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕСУРСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛЬФОННОГО ПНЕВМОНАСОСНОГО АГРЕГАТА

Рассмотрен новый вариант пневмонасосного агрегата с безутечным уплотнительным элементом - сильфоном для системы подачи топлива орбитальной ЖДУ, работающей на компонентах топлива АТ и ММГ (НДМГ), состоящей из маршевого двигателя тягой 40кгс и рулевых двигателей малой тяги и временем существования на орбите более 5 лет. Диапазон изменения суммарных расходов компонентов топлива составляет 100240 г/с. Определены основные геометрические характеристики пневмонасосного агрегата и жесткости сильфонов. Представлены результаты ресурсных испытаний разработанных сильфонов из нержавеющих сталей и фторопласта.

Ключевые слова: двигательная установка,, пневмонасосная система подачи, пневмо-

насос, сильфон.

Введение

В настоящее время в жидкостных двигательных установках космических аппаратов широко применяется вытеснительная система подачи топлива. Она является наиболее простой и, следовательно, надежной, но обладает двумя принципиальными недостатками — топливные баки работают при высоких давлениях (обычно от 15 до 20 кгс/см2) и ЖРД имеют большой разброс тяги и соотношения компонентов топлива. Высокие давления в баках приводят к их переутяжелению, большие разбросы соотношения компонентов к увеличению гарантийных запасов топлива. С увеличением тяги или увеличением суммарного импульса тяги увеличиваются также и запасы компонентов топлива, а, следовательно, и баков. В этом случае вытеснительная система становится тяжелой и громоздкой. Турбонасосная система подачи значительно сложнее вытеснительной и ее применение целесообразно для двигателей с тягой более 1000 кгс.

В ГП «КБ «Южное» разработана и доведена до стадии летных испытаний новая система подачи топлива — пневмонасосная. Пневмонасос-ная система подачи занимает свою отдельную нишу (в зависимости от тяги двигательной установки) на стыке между вытеснительной и турбонасосной системами подачи компонентов топлива и однозначно превосходит по массовому совершенству вытеснительную.

1. Обзор публикаций и выделение нерешенных задач

Масса, применяемых в настоящее время спутниковых платформ 8расеЪш, Еиго81аг,

А1рИаЪш, составляет 5000-8000 кг, при этом заправка компонентами топлива колеблется в пределах 60-70% от общей массы. Орбитальная жидкостная двигательная установка такой платформы состоит из маршевого двигателя тягой ~40 кгс и рулевых двигателей малой тяги (РДМТ).

В настоящее время в ГП «КБ «Южное» ведутся работы по созданию орбитальной ЖДУ, работающей на компонентах топлива АТ и ММГ (НДМГ) и состоящей из маршевого двигателя тягой 40 кгс и рулевых двигателей малой тяги. Эта ЖДУ имеет запас топлива ~3000 кг, должна быть работоспособной на орбите в течение 5 лет и обеспечивать большое число включений (более 100) [1]. Исходя из тенденции улучшения характеристик спутниковых платформ, в качестве системы топливоподачи применена пневмонасосная. Типичная схема ЖДУ с пневмонасосной системой подачи приведена на рис 1. Она была разработана в 20042006 гг. ГП «КБ «Южным» для автономного космического буксира «Кречет» с орбитальной ДУ 802. В состав ДУ входят топливные баки окислителя и горючего, пневмоблок, камера маршевого двигателя, РДМТ, ПНА, газовый редуктор для наддува топливных баков и управляющая автоматика.

В 2014-2015 гг. были проведены ресурсные испытания уплотнительных элементов поршневого ПНА [2]. Недостатками контактных уплотнений возвратно поступательных пар являются износ и необеспечение полной герметичности, как при работе, так и во время длительного хранения. В последнее время в технике все большее применение в качестве уплотнительных элементов получили пла-

© В.1. Конох, I.I. Калтченко, 1.М. R^ie^, А.В. Шпак, 2016

стинчатые сильфоны [3]. С целью улучшения ресурсных характеристик в несколько раз, для спутниковой ДУ был разработан ПНА, в котором в качестве подвижного уплотнитель-ного элемента был использован пластинчатый сварной сильфон. Схема разработанного силь-фонного ПНА приведена на рис. 2. Основные требования, предъявляемые к разрабатываемому ПНА, приведены в таблице 1.

ГАЗ

Рис. 1. ЖДУ с пневмонасосной системой подачи компонентов топлива: 1 - клапан заправки; 2 - баллон с гелием; 3 - сигнализатор давления; 4, 5, 11 - электропневмоклапан; 6 - газовый редуктор; 7, 8 - бак горючего; 9, 10 - бак окислителя; 12 - пневмонасосный агрегат; 13, 14 - гидроклапан; 15 - камера маршевого двигателя, 16 - рулевые двигатели малой тяги

10(1)

10(2)

В(1)

9(1)

6(1)

9(3)

"(1)

I 1(2)

lili

w г II JI / .

2_ 13 4-1 ¿5 . L к а

Рис. 2. Схема сильфонного ПНА: 1(1), 1(2) — насосный блок; 2 — обратный клапан по линии входа «О»; 3 — обратный клапан по линии выхода «О»; 4 — обратный клапан по линии входа «Г»; 5 — обратный клапан по линии выхода «Г»; 6(1), 6(2) — гидравлический насос «О»; 7(1), 7(2) — гидравлический насос «Г»; 8(1), 8(2) — пневмопривод; 9(1), 9(4) — концевой клапан; 10(1), 10(2) — пневмораспределитель; 11(1), 11(2) — обратный клапан; 12 — жиклер: А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, И - полость

Таблица 1

Характеристики ПНА при работе в составе орбитальной ЖДУ

1 Рабочее тело пневмопривода Гелий

2 Окислитель АТ

3 Горючее ММГ (НДМГ)

4 Номинальное абсолютное давление гелия на входе, кгс/см2 7

5 Диапазон температур гелия при различных режимах работы, К - при работе только РДМТ - при работе маршевого двигателя 273...323 323...373

6 Номинальное абсолютное давление топлива на входе, кгс/см2:

- по линии окислителя 7

- по линии горючего 7

Номинальное абсолютное давле-

7 ние топлива на выходе из ПНА, кгс/см2:

- по линии окислителя 17

- по линии горючего 17

8 Расходы компонентов топлива, кг/с - окислителя - горючего 0,062-0,150 0,038-0,090

9 Соотношение объемных рас- 1

ходов компонентов топлива

ПНА включает в себя гидравлические насосы окислителя 6(1) и 6(2) и горючего 7(1) и 7(2) объемного типа и объемные пневмоприводы 8(1) и 8(2), работающие на редуцированном гелии высокого давления от пневмоблока. ПНА содержит два насосных блока 1(1) и 1(2) с насосами, циклический режим работы каждого из блоков обеспечивается газовыми пневмо-распределителями 10(1) и 10(2), взаимодействующими с концевыми клапанами 9(1), 9(4) нажимного действия, которые размещаются в полостях пневмопривода.

Принцип работы данного ПНА следующий. В исходном положении под действием входного давления гидравлических насосов «О» и «Г» пневмопоршни находятся на упорах в днища полостей В и Г. После подачи давления гелия на входы в пневмораспределители газ поступает в полости В и Г пневмоцилиндров и концевые клапаны 9(2) и 9(4). Пневмопоршни насосных блоков перемещаются вниз, воздействуют на сильфоны гидравлических насосов и осуществляют совместное питание потребителя компонентами топлива. Штоки концевых клапанов 9(2) и 9(3) выступают над днищами пневмоци-линдров на величину И, шток клапана 9(4) на величину 2И, а клапана 9(1) — на величину 4И.

Поэтому первым будет нажат концевой клапан 9(1), управляющая полость Б сообщится с окружающей средой, но ничего не произойдет, так как в ней не было управляющего давления и пневмораспределитель находится в открытом состоянии. Затем пневмопоршень нажимает на концевой клапан 9(4), в управляющую полость Б подается давление, пневмораспределитель 10(2) срабатывает и прекращается подача гелия в полость Г пневмопривода 9(2) и сообщает ее с окружающей средой. Начинается заправка насосного блока 1(2). После нажатия пнев-мопоршнем насосного блока 1(1) на концевой клапан 9(2) происходит подача давления в управляющую полость А пневмораспределите-ля 10(1). Пневмораспределитель срабатывает и прекращается подача гелия в полость В пневмопривода 8(1) и сообщает ее с окружающей средой. Начинается заправка насосного блока 1(1). При достижении пневмопоршнем концевого клапана 9(3) происходит сброс давления из управляющей полости А пневмораспределителя 9(1). Пневмораспределитель срабатывает и гелий поступает в полость В пневмопривода 8(1). Завершилась фаза запуска. Обратные клапаны 11(1) и 11(2) предотвращают сброс давления в управляющих полостях А и Б пневмораспреде-лителей 10(1) и 10(2) в моменты сброса давления из полостей В и Г пневмоприводов 8(1) и 8(2). Далее схема работает в циклическом режиме:

- нажатие на концевой клапан 9(1) — открытие пневмораспределителя 10(2), вытеснение компонентов топлива из насосного блока 1(2);

- нажатие на концевой клапан 9(2) — закрытие пневмораспределителя 10(1), заправка насосного блока 1(1);

- нажатие на концевой клапан 9(3) — открытие пневмораспределителя 10(1), вытеснение компонентов топлива из насосного блока 1(1);

- нажатие на концевой клапан 9(4) — закрытие пневмораспределителя 10(2), заправка насосного блока 1(2);

- ожидание нажатия концевого клапана 9(1). Цикл замкнулся.

2. Постановка задачи данного исследования

Для обеспечения требуемого ресурса работы ПНА необходимо максимальное число срабатываний сильфонных элементов с сохранением полной герметичности как при работе ПНА, так и во время перерывов.

3. Изложение основного материала с обоснованием полученных научных результатов

Для определения диаметров сильфонов, расхода компонента вытесняемого за один такт, а также частоты работы насоса необходимо составить уравнение баланса сил и методом конечных приближений достичь удовлетво-

ряющих результатов.

Расчетная схема для составления уравнений баланса сил приведена на рис. 3.

Рис. 3. Расчетная схема насосного блока: 1, 3, 6, 7 - направляющее кольцо; 2 - манжета;

4, 5 - резиновое кольцо

При расчете балансов сил насосного блока были приняты следующие допущения:

- при определении расходов компонентов топлива и давлений на выходе из насосных блоков, гидравлическое сопротивление трактов двигателя от выходов из насоса до огневого пространства камеры двигателя заменены постоянными жиклерами эквивалентного сопротивления;

- при изменении расходов компонентов топлива на выходе давления газа и компонентов топлива на входе приняты постоянными;

- жесткости и диаметры сильфонов насосных блоков окислителя и горючего одинаковы;

- в расчетах принято давление окружающей среды Ра = 0.

Уравнение баланса сил поршней с учетом сил трения и жесткости сильфона:

-I ,+др0* .+рри, .+дрри, .IX

оШ: 1 оШ: 1 оШ: 1 оШ: 1

(1)

8

где Pgas — давление газа на входе в ПНА;

APp8S — гидравлическое сопротивление газового тракта;

т>Ох

out i — давление на выходе из насосного блока окислителя;

3Fu L out i

давление на выходе из насо-

где р£г1 = 71 • с1 • — сила трения кольца, определяющаяся относительным сжатием;

сного блока горючего;

ЛР^ ; — гидросопротивление тракта насоса окислителя;

ДР01Й i — гидросопротивление тракта насоса горючего при изменении расхода;

Я 2

Sp = — ■ Dp — площадь газового поршня;

= ^ ^ ' (О2 - (I2) — сила трения от

нагружения кольца давлением;

й — внутренний диаметр кольца; Б — наружный диаметр кольца;

— коэффициент, зависящий от монтажного натяга и твердости резины;

— коэффициент, зависящий от давления в полости.

Суммарная сила трения в подвижных элементах насосного блока:

Ffr - Qfluo + Qfluo_n + Ffr ■

(6)

Расход, обеспечивающийся сильфоном, рассчитывается по формуле:

5ef :

% 4

Рп+Ру

— эффективная

площадь сильфона;

8г=-^-с1г — площадь разгрузочного

штока.

Усилие поджатия сильфона от хода определяется по формуле:

F™ р F« f Zc

(2)

где

£ — усилие сжатия сильфона; — жесткость сильфона [4]; х — величина деформации сильфона. Сила трения манжеты рассчитывают по формуле [5]:

' с dx

mr,0=Pr,0Sef-^

(7)

йх

где _ — скорость перемещения диска сильфона; &

Рг О — плотность компонента.

Изучив существующие типы сильфонов, за прототип был выбран сильфон, обеспечивающий наши требования (габаритные размеры, жесткость и циклопрочность) — сильфон стальной пластинчатый [3], [6], [7].

После проведения предварительных расчетов и определения конструкции ПНА были определены основные габаритные размеры элементов ПНА, которые приведены в таблице 2.

<2йио = Я ■■ Ор ■ 1р ■ ^ - АРр8"8 + Яйио) , (3)

Сила трения в направляющих кольцах определяется по формуле:

<За1Ш_п = л ■ ■ !р_п ■ ЧАио ■ %ио ■п , (4)

Бр — диаметр уплотняемой поверхно-

где сти;

1р — ширина рабочей части манжеты; 1р п — ширина рабочей части направляющего кольца;

Р — давление в полости; Чйио — контактное давление, возникающее от деформации усов манжеты при ее монтаже;

%и0 — коэффициент трения.

Сила трения резинового кольца определяется по формуле:

Таблица 2 Габаритные размеры элементов ПНА

№ Параметр Сильфон №1 Силь-фон №2 Силь-фон №3

1 Эффективная площадь сильфона, см2 4,51 5,58 10,18

2 Площадь газового поршня, см2 21,23 25,52 51,53

3 Величина деформации сильфона, мм 18 18 10

4 Частота срабатывания каждого насосного блока, Гц 6,5 5,15 5,15

Цг

(5)

Для изготовления мембран сильфонов использованы следующие стали и типы сварки: сильфон №1 — иностранного производства выполнен из стали 06Х18Н10Т, тип свар-

ки — лазерная [8]; сильфон №2 — производства ГП «КБ «Южное» выполнен из стали 12Х18Н10Т, тип сварки — микроплазменная; сильфон №3 — производства ГП «КБ «Южное» выполнен из стали 06Х18Н10Т, тип сварки — микроплазменная.

Данные стали обладают хорошей прочностью и достаточной пластичностью, а также коррозионностойкие в агрессивной среде компонента.

Конструкция пластинчатых сильфонов приведена на рис. 4.

А (10:1)

Решение приведенной выше системы уравнений проводилось для одного режима работы, при номинальных расходах горючего шг = 90 г / с и окислителя то =150 г/с, с учетом экспериментальной зависимости усилия поджатия сильфона от хода. На рис. 5 приведен рабочий процесс, полученный расчетным путем. Проведем анализ этого рабочего процесса.

Таблица 3

Жесткость сильфона

Сильфон Жесткость, кгс/мм

Экспериментальная величина Расчетная величина

№1, 28гос 1>Р 0,21...0,23 0,21.0,53

№2, 30гос ^Р 0,35...0,36 0,277.0,529

№2, 25гос 0,42.0,43 0,333.0,635

№3, 15гос Ьр 0,75.0,76 0,597.0,895

№3, 20гос р 0,72.0,73 0,448.0,672

Рис. 4. Сильфон: 1, 2 — мембрана

Для данных сильфонов, используя математические зависимости и методики Андреевой Л.Е. [4] и методы программного расчета программы «А^УЗ», был проведен прочностной расчет. Результаты расчетной и экспериментальной величины жесткости сильфонов занесены в таблицу 3.

Как видно из рис. 5, основным фактором, оказывающим влияние на работу двигателя, является постепенное снижение величины расхода и давления в магистрали нагнетания. Это объясняется влиянием на выходные характеристики ПНА жесткости сильфона.

Расчетные величины снижения расхода окислителя и горючего для всех типоразмеров сильфонов колеблется от 1% до 3% и давления на выходе от 2,5% до 5% от номинальных величин и практически не сказываются на характеристиках ПНА. Однако стоит заметить, что по сравнению с поршневым ПНА для ДУ 802 [9], в котором провалы давления компонента на выходе составляли от 6% до 8%, сильфонный ПНА позволяет уменьшить величины провалов и их длительность примерно в 2 раза.

Основными трудностями обеспечения большого ресурса работы сильфонного ПНА

гаок

---—__ Г ~ ——'

— ►____1 Рок

16,5 Ч

0,08 0,1 0,12 Время, сек

Рис. 5. Расчетный рабочий процесс сильфонного ПНА

являются следующие требования к подвижным уплотнительным элементам:

- обеспечение герметичности с учетом условий работы ПНА;

- минимальная жесткость сильфонных элементов;

- высокая циклопрочность мембран;

- минимальные габаритные размеры;

- длительная стойкость в агрессивных компонентах топлива.

Экспериментальная отработка сильфонов в составе ПНА не рациональна, поэтому для определения ресурсных характеристик силь-фонов был изготовлен имитатор, в котором условия работы сильфонов максимально приближены к эксплуатационным. Однако рабочим телом гидравлического насоса была вода, а пневмопривод работал на воздухе вместо гелия. Приспособление для определения количества срабатываний сильфона приведено на рис. 6.

Рис. 6. Приспособление для ресурсных испытаний 1, 7 — крышка; 2, 4 — корпус; 3 — коробка сильфонная;

5 — шток; 6 — диск; 8 — винт настроечный;

9, 10, 11, 12, 13 — кольцо; А, Б, В, Г — полость

Была, расчетным путем, получена цикло-прочность сильфонов.

В результате расчета с использованием методики программы «А^УЗ» циклопрочность сильфона №2 с 25 гофрами — 27550 срабатываний; сильфона №2 с 30 гофрами — 31710 срабатываний.

Несмотря на столь многообещающие результаты расчетов, результаты экспериментальной отработки оказались не столь впечатляющими. Результаты ресурсных испытаний приведены в таблице 4.

При частоте срабатывания (5,156,5) Гц и ходе сильфонной коробки (1018) мм циклопрочность сильфона значительно уменьшилась. Предположительно, это происходило из-за довольно высокой частоты работы. Также при сварке, в околошовных зонах при температурах ~650 °С, возможно образование карбидных зерен толщиной до 0,1 мм, о чем свидетельствует характер разрушения сильфона, приведенный на рис. 7.

Таблица 4 Результаты ресурсных испытаний

Сильфон Ход одной мембраны, мм Максимальное количество срабатываний, шт. Перепад на сильфоне, кгс/см2

№1, 28гофр 0,32 720 2

№2, 30гофр 0,3 480 2

№2, 25гофр 0,36 270 10

№3, 15гофр 0,33 3800 10

№3, 20гофр 0,25 5200 2

Рис. 7. Сильфон после испытаний

Для увеличения циклопрочности ПНА была изготовлена фторопластовая, точенная сильфонная коробка с ходом 14,4 мм и эффективной площадью = 6,84 см2. На рис. 8 приведена конструкция фторопластовой сильфонной коробки.

Условия проведения ресурсных испытаний фторопластовых сильфонных коробок соответствовали условиям для сварных сильфонов, перепад на сильфоне для фторопластовой сильфонной коробки был равен 2 кгс/см2.

Оценка величин жесткости и циклопроч-ности фторопластовой сильфонной коробки

не проводилась из-за отсутствия методик. Экспериментальная величина жесткости сильфона составила ~0,02 кгс/мм, а экспериментальная величина циклопрочности - ~55000 срабатываний, после чего эксперимент был остановлен. Негерметичности после проведения испытания обнаружено не было.

Выводы

В результате проведенных исследований получены расчетные и экспериментальные величины жесткости сильфонов. Определен ресурс работы сильфонов при повышенных частотах работы и высоких ходах мембран. Выбран размер сильфона, обеспечивающий приемлемые габаритно-массовые характеристики ПНА. Разработан и отработан новый тип сильфона. Ведутся работы по увеличению перепада на фторопластовой сильфонной коробке до 10 кгс/см2.

Литература

1. Двухкомпонентная жидкостная двигательная установка космического аппарата с пневмона-сосной системой подачи [Текст] / В. Н. Шнякин, В. А. Шульга, В. И. Конох [и др.] // Авиационно-космическая техника и технология. — 2010. — № 9 (76). - С.159-163.

2. Разработка уплотнительных элементов для обеспечения ресурсных характеристик пневмонасосного агрегата [Текст] / В. И. Конох, И. И. Калиниченко, И. Н. Гордиец [и др.]

// Авиационно-космическая техника и технология. - 2015. - № 7 (124). - С.131-136.

3. Басыров В. С. Пластинчатые сильфо-ны - новое слово в уплотнительной технике [Текст] / В. С. Басыров // АрматуроСтроение. - 2014. - №1 (88). - С.51-52.

4. Андреева Л. Е. Упругие элементы приборов [Текст] / Л. Е. Андреева. - М. : Машгиз, 1962. -456 с.

5. Абрамов Е. И. Элементы гидропривода [Текст] : справочник / Е. И. Абрамов, К. А. Колесниченко, В. Т. Маслов. - К. : Техшка, 1977. - 320 с.

6. Каталог сильфонной продукции [Текст]: каталог / Саранский приборостроительный завод - Саранск : АО СПЗ, 2015. - 31 с.

7. IWAKI [Електронний ресурс] / IWAKI Co., Ltd // Режим доступа: www.iwakipumps .jp/ en/products - 2014.

8. Circular bellows [Електронний ресурс] / Space solutions Co., Ltd // Режим доступа : www.spacesolutions.co.kr/html/location. php?depth=product/product&seq_pc1=6 - 2014.

9. Особенности математического моделирования рабочих процессов в источниках гидравлической мощности с пневматическим приводом ^кст] / В. И. Конох, И. И. Калиниченко, И. Н. Гордиец [и др.] // Авиационно-космическая техника и технология. - 2012. - № 9 (96). -С. 163-168.

Поступила в редакцию 12.05.2016

B.I. Конох, I.I. Ка.мшченко, I.M. Горд1ець, А.В. Шпак. Дослщження ресурсних характеристик сильфонного пневмонасосного агрегату

Розглянуто новий eapianm пневмонасосного агрегату з безвит1чним ущыънюючим елементом - силъфоном для системи mda4i палива орбталъног ДУ, яка працюс на компонентах палива AT i ММГ (НДМГ) та складастъся з маршового двигуна тягою 40 кгс та рулъових двигушв малог тяги та часом снування на оpбimi быъш 5 ро^в. Дiaпaзон змтення сумарних витрат компоненmiв палива складае 100...240 г/с. Визначеш основы геометричш характеристики пневмонасосного агрегату та жоpсmкосmi силъфошв. Подаш резулътати ресурсних випробуванъ розроблених силъфошв з нержавтчог стал1 та фторопласту.

Ключов1 слова: двигунна установка, пневмонасосна система постачання, пневмонасос, силъфон.

V.I. Konokh, I.I. Kalinichenko, I.N. Gordiets, A.V. Shpak. Bellows-type pneumo-pump unit service life characteristics research

New alternative design of pneumo-pump unit with absolute pressure-tight sealing element is presented — bellows for fuel supply system of 5-years orbital lifetime LRE, which operates with NTO and UDMHpropellants and consists of cruise engine having 40 kgf thrust and low-thrust control engines. Total fuel consumption range is from 100 to 240 g/s. Main geometric characteristics of pneumo-pump unit as well as the bellows stiffness are defined. The results of service life test of developed bellows made of stainless steels and fluoroplastic were presented.

Key words: propulsion system, pneumo-pump feed system, pneumo-pump unit, bellows.