CC BY
55
УДК 62.552-7
МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
В. В. Котов
Рассмотрены особенности систем газоснабжения ракетно-космических комплексов. Проанализирован процесс проектирования систем газоснабжения, приведена предлагаемая методика автоматизированного проектирования
Ключевые слова: автоматизация, методика, проектирование, системы газоснабжения
Современные системы газоавтоматики характеризуются разнообразной номенклатурой рабочих тел, применяемых в широком диапазоне рабочих параметров. Это обусловлено стремлением улучшить количественные и качественные показатели технического уровня систем. Криогенные температуры необходимы для реализации высокоэффективных газожидкостных источников энергии, а использование высоких давлений позволяют уменьшить массогабаритные характеристики систем и развить большую мощность. В полной мере это относится к системам газоснабжения (СГС) ракетнокосмических комплексов [1].
В сравнении с промышленными СГС, структуры систем газоснабжения ракетнокосмических комплексов являются более простыми и представляют собой совокупность линий древовидной структуры от источника питания к многочисленным потребителям, каждый из которых предъявляет специфические требования к СГС. Наличие подобных структур диктуется также высокими требованиями по точности, быстродействию, надежности, необходимостью быстрой идентификации возможных отказов и их устранения.
Системы газоснабжения являются весьма сложными техническими системами, а их проектирование требует значительных затрат ресурсов. В современных условиях создание подобных систем на высоком техническом уровне, в сжатые сроки, с заданными количественными и качественными показателями невозможно без комплексной автоматизации процедур их анализа и синтеза, использования достижений современных информационных технологий.
Анализ процесса проектирования СГС с точки зрения его автоматизации показывает, что в нем используются САПР, обеспечивающие сквозное проектирование и его информационную поддержку. Однако до сих пор актуальной для машиностроения является задача автомати-
Котов Владимир Валерьевич - КГТА им. В. А. Дегтярева, ст. преподаватель, тел. (910) 7756357, e-mail: vkotov.pda@gmail.com
зации начальных этапов проектирования - технического предложения и эскизного проектирования. Они являются специфичными для различных классов систем, и, зачастую, недостаточно формализованными. Это порождает циклический процесс системного анализа: поиска вариантов, их сравнения по определенным критериям и отбора приемлемых, принятия ответственных решений и их обоснование при формировании концепции проекта. Формализуем начальный этап разработки СГС и представим его в виде логической схемы, изображенной на рис.
1. В ее структуре выделены 3 колонки: в центре расположены проектные процедуры, слева - источники информации (базы данных), справа -формируемая в процессе выполнения процедур документация.
Для выполнения процедур 1-3 необходимы структурированные архивы планов размещения и блок-схем СГС, а также базы данных структур линий питания (ЛП), источников питания (ИП) и средств заправки (СЗ). Для формирования этой информации вполне подходит накопленный опыт проектирования. Для процедуры формирования принципиальных схем требуются базы данных изделий арматуры, гидравлических сопротивлений типовых элементов и фрагментов СГС, а также математическое обеспечение для гидравлических расчетов линий питания различных структур, реализованное в виде программных средств. Для решения возникающих задач в полной мере требуется математическое обеспечение для теплогидравлических расчетов, поскольку некоторые потребители СГС могут требовать обеспечения заданного температурного режима. Процедура формирования принципиальных схем (идентификация) предполагает, в частности, определение количественных характеристик источника питания и средств заправки. Используемое математическое обеспечение должно обеспечивать высокоточный расчет плотности (массы) газа в емкостях источника питания, а также процесс изменения состояния газа при операциях заправки, термостатирова-ния, интенсивной выдачи газа потребителям.
Техническое іаланнс
ЬІ I Архив проемов Пр1 [ Поиск и выбор
СГС прототипа
Ь2 І Архив нлан
планов ра їмсінения и блок-схем
1 Ip2 J формирование плана Д1 | План размещения и
размещения и олоК'-схемы блок-схема CIС
+ т
ЬЗ | БД структур ЛП. ПрЗ Формирование Д2 | Структурные схемы
1111. СЗ сірукіуриьіх схем ЛИ. ИИ. CJ
і 4
Ь4 БД и і.телий
арматуры.
сопротивлений
блоков и стоск
Пр4 формирование
1ЫХ схем
К5 [
ЬД стиск и блоков
(идентификация)
--------1---------
ДЗ І ІІриішипнаїь
схемы лп. ИП. СЗ
и их харакісрисіики
т
ПР5| формирование блок-схсм и спецификаций стоск. блоков
<Н I Состав стоек. б;к*кои и их харакісрисіики
К процедурам 1-5
о
Пр^Г Апа ш і варианюв. выбор ііроскіноіо решения
"5
К нодсисгемс проектирования арматуры
~5
413 на проектирование Пр71 формирование ДЗ | Докумешация
доку мешанин на систему на проект
£ 5
печать В архив
Рис. 1. Логическая схема проектирования
К с.тс дующему пану проектирования
СГС
Для применения в составе автоматизированной системы проектирования была разработана типовая методика проектирования СГС. Ее логическая схема приведена на рис. 2 (возвраты внутри этапов не показаны). Рассмотрим ее основные этапы.
Этап 1. Формирование структуры и расчет параметров линий питания. В ходе проектирования решается задача минимизации диаметра линии питания при ограничении либо по заданным относительным потерям давления, либо по относительной скорости газа. Рассчитанное минимальное значение диаметра округляется до ближайшего базового. Для выбранного базового диаметра трубопровода проводится поверочный гидравлический расчет и определяется давление на входе участка, которое будет исходным для следующего этапа вычислений.
Этап 2. Формирование структуры и расчет параметров источника питания. В процессе расчета ИП определяются массы газов на заполнение линий питания, на утечки, на выдачу газа потребителям. По суммарной массе определяется объем ресивера ИП, то есть потребное количество баллонов заданного типоразмера.
Этап 3. Формирование структуры и расчет параметров систем и линий заправки. С использованием результатов расчета ресивера ИП определяется количество средств заправки, а также
время заправки (дозаправки) с учетом процесса термостатирования.
Ввод /редакт ироваиие исходных данных
Определение параметров выходного участка ЛП
I
Формирование параметров блоков регулирования БР
I ~
Определение параметров входного участка ЛП
X
Koppe кгировка данных
Определение характеристик средств и линий заправки
Рис. 2. Блок-схема методики проектирования СГС
В случае проектирования системы с несколькими линиями питания определение параметров выполняется в цикле. После выполнения каждого из этапов возможна корректировка данных и возврат для повторного расчета.
Для генерации структурных схем линий питания СГС и идентификации изделий газоав-томатики также разработаны частные методики. При решении задачи формирования структурных схем используются классификации СГС и база данных схемных решений ЛП, а также блок-схема СГС, сформированная ранее. Формирование ведется в диалоговом режиме.
На первом этапе выполняется сравнительный анализ требований технического задания и классификаций СГС и ЛП СГС с целью идентификации типа СГС и ЛП и формирования требований к арматуре. Анализ носит семантический характер, ключевые слова в основаниях классификации определяют особенности используемой арматуры. Например, при анализе по основанию «Режим работы», проектировщик использует вентили для ручного режима работы, электропневмоклапаны - для автоматического, электроп-
невмоклапаны с ручным дублером или 2 типа арматуры - для автоматизированного режима.
Для решения задачи идентификации изделий арматуры используется информационное обеспечение - база данных изделий арматуры. Фрагмент ее структуры приведен на рис. 3.
матуры (фрагмент)
Выбираемое изделие должно соответствовать следующим признакам, расположенным в порядке значимости:
1. Группа арматуры.
2. Тип арматуры.
3. Используемые рабочие среды.
4. Диапазон рабочих давлений.
5. Температурный диапазон.
6. Ограничение на расход газа.
7. Диаметр условного прохода.
8. Коэффициент гидравлического сопротивления.
9. Ресурс работы.
10. Массогабаритные характеристики.
11. Стоимость.
В выборку, как правило, попадает несколько изделий. Признаки 1-5 требуют строгого соответствия. Несоответствие пунктов 6, 7 может быть обойдено за счет изменения структуры. Признаки с 8 по 11 не являются обязательными и могут быть использованы при выборе наиболее оптимального изделия из нескольких. Для некоторых изделий имеются специфичные критерии выбора, например, для фильтров дополнительным важным критерием является степень
чистоты фильтрации, а для клапанов - наличие дренажных отверстий.
Если не удается подобрать изделие, удовлетворяющее всем требованиям, формируется частное техническое задание на разработку нового изделия арматуры.
После того, как структура идентифицирована, выполняется ее гидравлический расчет. Он может быть многовариантным, поскольку идентификация неоднозначна. По результатам идентификации иногда необходимо выполнить повторное укрупненное проектирование, поскольку уточненные гидравлические характеристики влияют на конечное давление в баллонах, а, следовательно, на потребный объем ресивера.
После завершения процедуры идентификации создаются все предпосылки для решения обратной задачи: композиции системы (агрегатирования), то есть перехода от принципиальных схем к схемам блоков и стоек.
На основе описанных методик разработана автоматизированная система «Анализ и проектирование систем газоснабжения специального назначения» [2], позволяющая выполнять расчет параметров линий питания входного и выходного трубопровода, оптимизировать их параметры, выполнять расчет параметров источника питания, расчет тепловых потоков и процессов в системе, а также гидравлический расчет изделий пневмоавтоматики. Методика и автоматизированная система прошли успешную апробацию при решении практических задач, они позволяют повысить эффективность и качество проектирования, научно-технический уровень разработок.
Литература
1. Арзуманов, Ю.Л. Системы газоснабжения и устройства пневмоавтоматики ракетно-космических комплексов [Текст] / Арзуманов Ю.Л, Петров Р.А., Халатов Е.М. -М.: Машиностроение, 1997. - 464 с.
2. Автоматизированная система «Анализ и проектирование систем газоснабжения специального назначения» [Текст]: свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 12239 / В.В. Котов. - № 50200900272; опубл. 09.02.2009.
Ковровская государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева
METHOD OF AUTOMATE SPACE-ROCKET COMPLEXES’ GAS-SUPPLY SYSTEMS PROJECTING V.V. Kotov
The peculiarities of the gas-supply systems of space-rocket complexes are considered. The process of projecting gass-supply systems is analyzed, the method of automated engineering is described
Key words: automation, methods, projecting, gas-supply systems
