Исследование свойств системы автоматического регулирования жидкостной ракетной двигательной установки с интегрирующим регулятором Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 681.51+533.665

йО!: 10.25206/1813-8225-2019-163-17-21

и. Л. КУЗЬМЕНКО Л. Б. ЯКОВЛЕВ

Омский государственный технический университет, г. Омск

ИССЛЕДОВЛНИЕ СВОЙСТВ СИСТЕМЫ ЛВТОМЛТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВЛНИЯ ЖИДКОСТНОЙ РЛКЕТНОЙ ДВИГЛТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ С ИНТЕГРИРУЮЩИМ РЕГУЛЯТОРОМ

Рассмотрены динамические свойства системы автоматического регулирования подачи унитарного топлива в однокомпонентный газогенератор жидкостного ракетного двигателя. Получены дифференциальные уравнения, описывающие работу элемента сравнения, дроссельного крана, гидравлического усилителя, а также процессы в газогенераторе. Предложено итоговое уравнение математической модели работы данной системы, позволяющее выявить основные закономерности влияния на статическую ошибку и статическую точность внешнего воздействия и командной величины. Представленные в работе результаты дают возможность получить статические и динамические свойства элементов системы автоматического регулирования на основе регулятора с интегрирующими свойствами.

Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель, унитарное топливо, жидкостной газогенератор, система регулирования.

В настоящее время основными энергетическими комплексами ракетно-космической техники, выполняющей задачу по освоению околоземного и межпланетного космического пространства, являются жидкостные ракетные двигательные установки (ЖРДУ). В ближайшей перспективе этим двигательным установкам нет альтернативы [1—3]. Заказчики пусковых услуг предъявляют к разработчикам маршевых ЖРДУ ряд требований, связанных прежде всего с минимизацией затрат топлива для выведения космического аппарата на заданную траекторию (в заданную точку) либо с увеличением массы выводимой полезной нагрузки. Выполнение данных требований обусловливает ожидание получения максимальной прибыли от выполнения полетной задачи. Одним из путей выполнения указанных требований является повышение точности автоматических систем управления ЖРДУ, основным элементом которых являются управляющие устройства (регуляторы) [4 — 6].

К основным видам регуляторов, используемых в ЖРДУ, относятся регуляторы тяги (или давления в камере сгорания) и регуляторы массового соотношения расходов компонентов в камеру или жидкостной газогенератор. Регулятор тяги задает необходимый уровень тяги двигательной установки или его программное изменение, а регулятор соотношения компонентов — необходимый режим работы камеры или газогенератора, прежде всего по максимально допустимой тем-

пературе газа. В жидкостных двигательных установках ракет применяются регуляторы прямого действия и регуляторы с усилителем, использующие в качестве рабочего тела усилителя, например, газ или жидкость (компонент топлива). Регуляторы с усилителем могут иметь различные свойства в зависимости от вида усилителя (интегрирующий, инерционный, изодромный).

Для создания регуляторов, имеющих определенные динамические характеристики, обладающих высоким качеством процесса управления (точность, устойчивость, быстродействие) требуется изучить протекающие в них физические процессы, статические и динамические свойства. Для изучения свойств регуляторов как сложной системы может быть применим системный подход, который подразумевает вначале проведение процедуры анализа, т.е. разбиения системы на элементы (звенья) и изучение свойств каждого звена в отдельности. После процедуры анализа выполняется этап синтеза — рассмотрения свойств системы как определенного соединения звеньев с учетом их взаимодействия [2, 7 — 8]. Заключительным этапом проектируемой конструкции является создание ее математической модели, которая позволяет выявить характерные особенности системы, выбрать рациональные характеристики узлов и агрегатов [9].

В связи с этим целью данной работы было создание математической модели и изучение

о

го >

динамических свойств системы автоматического управления с интегрирующим регулятором для жидкостной ракетной двигательной установки, а основными задачами:

1) проведение поэлементного анализа выбранного регулятора;

2) определение статических и динамических свойств составляющих регулятор звеньев;

3) получение уравнения, описывающего характеристику всего регулятора;

4) исследование возможностей повышения точности регулятора.

Система автоматического регулирования с интегрирующим регулятором (рис. 1) содержит в своем составе объект регулирования — жидкостной однокомпонентный газогенератор 10 и управляющее устройство, состоящее из элемента сравнения 9, дроссельного крана 4 и усилителя, рабочим телом которого является жидкий компонент топлива. Усилитель состоит из гидравлического цилиндра 1 и поршня 2, соединенного штоком 3 с исполнительным органом (дроссельным краном 4). Два пояска 6 цилиндрического золотникового узла 8 по ширине (I) равны высоте окон 7 распределителя рабочего тела в верхнюю и нижнюю полости цилиндра 1. Мембрана 5 элемента сравнения 9 связана штоком с золотниковым узлом 8 и управляет положением поясков 6 относительно окон 7.

Командное давление рКВ управляющего воздуха задает необходимую величину давления перед турбиной. Вследствие малости потерь в газоводе от газогенератора до соплового аппарата турбины (короткий участок, малая вязкость газа) будем считать, что давление в газогенераторе будет равно давлению перед турбиной рг В случае изменения давления в баке рБГ (возмущающее воздействие) изменяется и давление в газогенераторе рг (регулируемая величина). Мембрана 5, регистрируя это отклонение, сдвигает золотник 8 и открывает подачу рабочего тела (рпод) в одну из полостей цилиндра, а другую полость сообщает со сливной магистралью (рл). Дроссель 4 начинает перемещаться и изменением подачи топлива компенсирует влияние возмущающего воздействия, стабилизируя регулируемую величину. В переходном процессе при Ар = ркв - рт н 0 мембранный узел подтягивает золотник к исходному положению. Движение элементов подвижных частей регулятора прекратится лишь в тот момент, когда окна золотникового распределителя 7 окажутся полностью перекрытыми поясками 6 золотника. Так как дроссельный кран не имеет жесткой обратной связи с мембраной, такойрегу-лятор будет астатическим.

Рассмотрим теперь свойства каждого элемента системы.

Мембранный узел выступает в роли элемента сравнения. Его статические свойства можно описать [10] уравнением баланса сил в номинальном положени а:

Рис. 1. система автоматического регулирования с интегрирующим регулятором: 1 — гидравлический цилиндр; 2 — поршень; 3 — шток дроссельного крана; 4 — дроссельный кран; 5 — мембрана; 6 — пояски золотника; 7 — окна золотникового распределителя;

8 — золотниковый узел;

9 — элемент сравнения;

10 — однокомпонентный газогенератор

в номинальном положении (на номинальном режиме).

В переходном процессе дополнительно со статическими нагрузками необходимо учесть инерционную силу, действующую на подвижные элементы, и гидродинамическую силу, зависящую от перепада давления и расхода жидкости [12].

БезраАРе=рое —равне ни е, описывающее динамические свойства мембранного узла, выглядит следующрм образом:

^^р ег П ЧМ кб.ор

К

Пч.

Ме

Л

+ Агм =

рт .ном бМ ' —

Арт —

РКВ.номбМ

^рк

(2)

где трг — масса подвижных частер ртгулято-ра; кжтр — коэффициент сил, вызываемых жидкостным трением р элементах регуряторб. Здесь и далее очезр=змеривание отклонений параметров производило сь путем их отнесения к номинальным (для давлений и расходов) или максимальным (для геометрических параметров — ПАремеще—ий н площадей) величинам.

Так как установленный в системе усилитель не трльрб узиливает велилбну и мощность сигнала, но и компенсируев мнерционные силы и силы вяз косл ного гидреблявче нкого сопротивления в уравнйнии {2) можне не рчитырвта первое ивторое нлагнемаге а праной части. Тогда дина-мическол ^авАрнАр еемераннога узла с учетом вводимыч кнэфНеицивмчмв бмнет:

МчМ = АЧеов = ЧсП—Ч -с КусГ2Ар_

(3)

рт.носбы 3 аыЧМ.нос р евбы '

(1)

где РМ — площадь поверхности мембраны; сМ — жестко сть мем браны, наАщвмер, определяемая по менедике [в 1 ]; н

Чрсг1 =

РТ .номЭМ амЧомщ

рср2

рк^.номМ м

амча мы

перемещение где г

перемещение золотника гидроусилите-

(прогиб) млмбраны; арм — еначевиА параметров ля, равное перемещебию мем=раны.

а

а

ы

ач

ач

М М.нах

М М.нах

Ур ав нен ие (е) х арамтериз ует м ембранный узел с учетом ком пенсации и не рционных и вя з-коснных сил усилинялнм и к бен ынерционное звено.

Вторым звезом о рассматривабмбй системе будет гидравлический усылитель. При получении уравннния усилитооя использовано уровненне равянетва нассовых расходов рабочего тела усилителя (номпонент тнпнива) через золотникоеое устройство и рабочего тела в полость цилиндра:

Тогда безразмерное уравнение, описывающее динамическое свойства гидравличесеого псили-теля, выглядит следующим образом:

ется зля кажаиго устаневившесося полаженся дроссеся [13 ].

Уравнение (6) аписывает свойства дроссельного кр ана ко к безынерц ионного звоо о К ее уч ста действия инорцсонных сим от масаы ссмого селя и присоединенной к нему массы жидкости, а также вязяосеных сил сопрояивмспис делзтвующих на дроссель в пото ке ком пквента топливе. № ре-численные наг|зызки ктмпенсир^^тся усипите-лтм.

Уравнение, спражающее еские ха-

рактеристики жидка стного однокомпонентного газогенетатвка сывмвстнс с: упредпигощим дросселем имвот вдс [m]:

(КтсР + 1)сРк я К] 1сРБт + гД0саСзИмг

(+)

РМ з

р.с цб В^. оах

e,v

ссс ссс. оах*

г ]с t ] чхав= п^зс, о

V СИр.с(б под б сс) et

Введенные коэффицдынты усилендя и постоянная врдмени объекта упдавления (газогенератор а) опредекяютсБ сле=умщсп о+дозоm:

где I1ЗОА — коэффиционт снехода перепускноно окна зввотникявогз аессфедеиитеася; I — ширина перепускного окыа золотникосс го распределителя; ррт — нлртность ^рзо;1е:гр теяа (комрзнента тонлиня) инил!стеле[; р — площ <а,ге(п поршся ги-дроцинияб,но рсинетеин; о^ — ход штока поршня гидрор илипдое усвепт еля.

П нстооннеш коаМ фгщиент в нево й части увавнения (4) яоляееср пясторнной вромени мси-лив еля:

К я зв

Ир.сМцис3В

р.с цис В оах

Исч3сос оаХ-СПСр .с (бпы - б Сс

Для кыссменис ^и.^н.вмн^деаксзг доойств си-доазлочсекмео усилитепся гедишеп урдвнение ( 4) в еммволичеего4 фдрме с: исполвчовапием апе-рето,, Лсшечсо дрч нудееыд дтчольчых усчо-виям :

мсб а л

Дс61 я

МггМ.

HГД\Мдр. 1

1 + гагр1мдр.а + мгг а

гг 1Т др . 3

1 + Дгг 1мдр.а -+ Мгг2

К я

5 об

тгг{1 + КГг дКдр.а ) 1 + Дагг 1Мдра + Кгт а

Пркмежуточные ноэффициенты ълементов заз огенератора будуг:

тт и

УГГР> ¡у F R T

1 СА Г Г 2

V„

F R T

1 СА Г1Г

Фц

Ггтг

k +т

k-T

К гг т

-ф.ГГ .ноя дСЪГ

дРфг

KV,T и

КбГ

Кдр.2 -

k + Ty

Иг.сом дтг , 1 .сом дРт 1

м дРф.ГГ

ТфГ

дтг

кУ6Сзу

МЗмох лил /Цз =

_д_

КзП

СС,

(5Г

Ъомм -

д-Рдр.мах дРф.П

Иф.ГГ .сом д^др

Уравиамио (Д, иарсктеуризсес усилмтель как инзег=ирующсч звено.

Мретоил никмынио— сво-матической системы являеттд +ятcœконыД ынысн, перэмещение которого за счет жевткнд связи со мггоком поршня уоиливем ze Ы зи Упзснхпки, опсссыо^ющсз его свсйсова, будетд

ллл

Дас=-

Аиу др = МасСКдР = ма;с ,

дим

(Г)

где параметры однокомпонентного газогенератора: VK — -Ъъъм р а злрже нея; firr — рГ с -хонн ьш дро ршлекс; F g — пр оходная критического сечения в ^с^зск^о.с€Г (приняты, что таким сечением явияетсо сечение я соп^гвъ— а—па—цте турбины);

у—ельная го^^^в ая постоянная прод—ктовра—

— тем перот ург газа в камерераз-

— пскки^а:в^,^ет^]:. a^^iir^i—pn^]^! продуктот —— ——<Ъи1рит^нт — вершенсова

— ко^фициент уси-

я^е.сас °2ое , .

лен^5с исполннтельн ого элемента (дросселя);

Огру Шао — мактомалянро эф а|^е ктивная проходная орощодо о0)1зсо ссалть^ого ррана, с^оответств^ ющая макяямал^ному оеремещению дросселя

тире

г ; -— — тап^^гесас уггте! ооаклона касатель-

ор сОс' м

рАто

ной к статической характери стики дросселя, т.е. связи его площади открытмя с перемещением 0рр у ^Зноояелноое аа^ген с а в случае нели -

нейной статической хорактеристики опред^;«^-

л^Ж1Е^]Н[ия; И ложения; к ра^.\о;]ке;ии я;

прс^1Е^ессов (ко^<Ис|э]^оц]о1е:нт поо'^рь); рфгг— давление пе(Сэ°И

Ур1с1вн-ние (К) :тт2^г^ктоссгЕ)^кк реррлиро-вап^я к;^к инерщирь^но^ -неоо. ]^игули^руемой величиной о/^^1°ком пц°впкпого гигзогеое;ратосЕ^ вы-с^^пает и-нонекие иеи^рВ-К^и^ но (;пк выиоде ( К°Т ), а вхо°нысои. веричш^с^л^и — еезменег^з^ег давления в бгке кcсп^vо^рa ¿°°с (возмущающее в^;з/вейстже) и изменение проходной площади дроссельного крана КцР (кмм^.м^.енои I!озрийс^вквме). Инерционные cвo]р(отро объекта регулирования (накопление илирасиодование газа в объеме газогенератора) характеризуютсяпостоянной времени Т . Кроос5 ООГО; o,I^]эиит^тe;л^^^alCв местная обрат-

г

го

ная связь по расходу шт в этом звене скрыта, но определяет свойство самостабилизации газогенератора. Благодаря данному свойству возможно поддержание устойчивогопроцесса подачи унитарного топлива через форсунки в камеру разложения газоаенератора с одновременным выходом предпктав разложения через газовод на вход в турбину.

Динамичеакие сгойства системы автоматического регулиеования с интенрирующиаа регулато-ром в целом характеризуются сисаемой дифференциальных оравнгний (3), (5) — (7). Совме стное решенеев эяой системй1 дает дифференциальное уравнение системы аетемет иесс кого регулирования в следующем висе; (операторная форма записи пви нупевых хочалмных уеловиях):

ТуТоб p2 ___д_

Коб 2Крег1КИО Коб 2Крег1КИО

Р + 1

Дрт =

Коб 2K рег1К ИО

РАРь

+ АР«т

K

_8)

регГ

Уровсение (т) со!Лтваясттгче^т свойствам коле-бательнтго или апароодичетгнго звена второго порядка, ди^с|эерен1^]гТоэа''меп1е^сз по отношению к возмрлдающежу тоодейеавию и усилительного по отношению и конандному воздействию. Част-иые решения тифференц]^;алгхог^о уравнения (8), полученные по еринципу суперпозиции отдельно для кажгото из входошм ооздайствий, позво-жяют нпредгтить статические ошибки системы аеуоматиче склго регулийoванет.

Часоное решение (8) по отнешо-

иию к возмущеиию (ииивнении давлеиив в баке унитарнага тапливя АрБТ) о^<а угтаоювивиемся режиме приводит и усляд ию:

(АРт ),

Т ft——»0

= АРт.со = 0 ,

чта говорит об ¡астатических свойствах системы автоматичмекога реиуеирования: по отношению к возмущению, т.е. выходнаи ееличина системы на занилит хо уровня данного вхаднаго воздействия .

Чаетное решение рpaсаeрив (8) по ианоше-нию к ивм-нАними виздейстпи-а (давлению командного виз дух с) А РеВ приводит к условию:

(арЛ—

К,

рег2 лтг

К,

Ар f

рег)

Для достиженля тячноети во спртиз ведение командного воздействия на установившемся режиме требуется выполнение условия (од ^нН^л,, которое реализуется в пределе хри нпге и Нрег. или п ~ р .

К реге рег1 г- г.ном ^ кВ.ном

Анализируя выражения (1) и (3), можно сделать вывод о том, что заданный уровень точности воспроизведения команды может быть достигнут путем уменьшения жесткости сМ мембраны и/или увеличения площади поверхности мембраны Р...

М

Однако при выборе материала и размеров мембраны следует помнить об ограничениях по ее прочностным и массово-габаритным характеристикам.

Библиографический список

1- Васютин Ю- И., Смирнов И- А., Ягодников Д. А. [и др.]. Агрегаты регулирования жидкостных ракетных двигательных установок / под ред. Д. А. Ягодникова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. 223 с. ISBN 978-57038-4120-4.

2. Бабкин А. И., Белов С. И., Рутовский Н. Б. [и др.]. Основы теории автоматического управления ракетных двигательных установок. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1986. 458 с.

3. Вачнадзе В. Д., Овечко-Филиппов Э. В., Смолен-цев А. А. [и др.]. Разработка, этапы модернизации и итоги пятидесятилетней эксплуатации первого отечественного жидкостного ракетного двигателя замкнутой схемы // Космическая техника и технологии. 2015. № 2 (9). С. 82-90.

4. Завадский В. К., Иванов В. П., Каблова Е. Б. [и др.]. Терминальные системы управления расходованием топли-в а жидкостных ракет-носителей (История развития от Р-7 до современных РН «Союз», РН «Ангара») // Датчики и системы. 2018. № 4 (224). С. 3-16.

5. Волков Е. Б., Сырицын Т. А., Мазинг Г. Ю. Статика и динамика ракетных двигательных установок. В 2 кн. Кн. I. Статика. М.: Машиностроение, 1978. 224 с.

6. Аверьянов Г. С., Куденцов В. Ю., Яковлев А. Б. Теория автоматического управления и регулирования. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. 168 с.

7. Волков Е. Б., Сырицын Т. А., Мазинг Г. Ю. Статика и динамика ракетных двигательных установок. В 2 кн. Кн. II. Динамика. М.: Машиностроение, 1978. 320 с.

8. Яковлев А. Б. Определение уравнения динамики жидкостной ракетной двигательной установки // Омский научный вестник. 2010. № 1 (87). С. 71-74.

9. Лебединский Е. В., Калмыков Г. Л., Мосолов С. В. [и др.]. Компьютерные модели жидкостных ракетных двигателей / под ред. А. С. Коротеева. М.: Машиностроение,

09. 375 с. ISBN 978-5-217-03449-9.

10. Шевяков А. А., Калинин В. М., Науменкова Н. В. [и др.]. Теория автоматического управления ракетными двигателями / под ред. А. А. Шевякова. М.: Машиностроение, 1978. 288 с.

11. Пономарев С. Д., Андреева Л. Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. М.: Машиностроение, 1980. 326 с.

12. Беляев Е. Н., Чванов В. К., Черваков В. В. Математическое моделирование рабочего процесса жидкостных ракетных двигателей / под ред. В. К. Чванова. М.: Изд-во МАИ, 1999. 228 с. ISBN 5-7035-2221-8.

13. Горячкин А. А., Жуковский А. Е., Игначков С. М. [и др.]. Регуляторы расхода для топливных систем двигателей летательных аппаратов / под ред. В. П. Шорина. М.: Машиностроение, 2000. 208 с. ISBN 978-5-217-03058-3.

14. Yakovlev A. B., Kalachevsky B. A. Mathematical model of one-component gas generator with the control element // 2014 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). Omsk, 2014. P. 1-5. DOI: 10.1109/ Dynamics.2014.7005701.

КуЗьМЕнКО Ирина Анатольевна, старший преподаватель кафедры «Авиа- и ракетостроение». 8Р1Ы-код 9128-3421 Адрес для переписки: kia55@inbox.ru

K T

коб 1ТУ

ЯКОВлЕВ Алексей Борисович, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Авиа- и ракетостроение». SPIN-код: 8194-5800 AuthorlD (РИНЦ): 488687 ORCID: 0000-0002-1987-2138 AuthorlD (SCOPUS): 56503089200 ResearcherlD: E-7451-2014

Адрес для переписки: yakovlev@omgtu.ru

Для цитирования

Кузьменко И. А., Яковлев А. Б. Исследование свойств системы автоматического регулирования жидкостной ракетной двигательной установки с интегрирующим регулятором // Омский научный вестник. 2019. № 1 (163). С. 17-21. Б01: 10.25206/1813-8225-2019-163-17-21.

статья поступила в редакцию 21.12.2018 г. © и. а Кузьменко, А Б. Яковлев

УДК 621.791.14

DOI: 10.25206/1813-8225-2019-163-21-25

И. К. ЧЕРНЫХ Е. В. ВАСИЛЬЕВ Р. В. ДЫЛЬЧЕНКО Ю. Е. ЖДАНОВА Б. К. ИГИСЕНОВ

Омский государственный технический университет, г. Омск

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ разнородных МЕТАЛЛОВ

МЕТОДОМ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

В статье представлены некоторые особенности образования сварных соединений различных систем металлов для стыковых и нахлесточных соединений. Рассмотрена схема образования стыкового соединения алюминиевых сплавов со сталью со смещением инструмента. Проведен анализ качества и структуры швов, полученных согласно данной схеме. Исследован микрошлиф полученного образца сварного шва алюминиевого сплава АМГ6 с нержавеющей сталью 12Х18Н10Т толщиной 2 мм при частоте вращения инструмента 500 об/мин и подаче 50 мм/мин со смещением инструмента на 0,2 мм в стальную заготовку. В ядре шва наблюдается взаимное проникновение металлов на глубину до 3,2 мм и стальные включения в алюминиевом сплаве размером до 0,3 мм.

Ключевые слова: сварка трением с перемешиванием, фрикционная сварка, сварка разнородных металлов, алюминиевые сплавы, нержавеющая сталь, структура сварного шва.

Сварка разнородных металлов позволяет создавать цельные конструкции, в которых отдельные поверхности будут обладать различными физико-механическими свойствами и, соответственно, выполнять различные функции. Биметаллические соединения широко используются в тех случаях, когда невыгодно изготавливать из дорогого материала изделие целиком — вместо этого предусматривается отдельный участок из отличающегося материала, который испытывает воздействие определенных нагрузок. При этом существует ряд сложностей в изготовлении данных сварных соединений, а номенклатура свариваемых металлов охватывает всевозможные сплавы и чистые металлы. Из сложностей

соединения разнородных металлов можно выделить следующие: различие температур плавления свариваемых металлов, различие в коэффициентах линейного расширения, различие свойств теплопроводности, образование интерметаллидов. Примеры биметаллических соединений различных конструкций представлены на рис. 1 [1-3].

Целью данного исследования является оценка возможности сваривания разнородных металлов методом сварки трением с перемешиванием и анализ структуры стыкового соединения алюминиевого сплава с нержавеющей сталью.

Сварка разнородных металлов, таких как сталь и титан, имеет свои особенности. Титан с легирующими компонентами стали образует

о

го >