CC BY
9
Sidorov Roman Alexandrovich, student, sidom98(di,mail. ru. Russia, Tula, Tula State University,
Zykov Stanislav Michaylovich, leading research engineer, sidom98(d),mail. ru. Russia, Tula, JSC «КВР»
УДК 621.454.3
ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИНИМУМА МАССЫ СОПЛОВОГО БЛОКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ЗАДАННОЙ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ
Л.В. Октябрьская
Рассмотрена задача оптимизации плотности материала в конструкции соплового блока. Разработана методика выбора композиционных материалов, обеспечивающих минимальную массу соплового блока при удовлетворении требований к допустимой величине потери удельного импульса тяги.
Ключевые слова: сопловой блок, композиционные материалы, газовый поток, критическое сечение.
С применением высокоэнергетических топлив в современных энергетических установках (ЭУ) снарядов РСЗО практически исключается сохранение исходного профиля проточного тракта сопла даже из тугоплавких металлов и сплавов. Поиск материалов для соплового блока современных ЭУ идет в направлении создания и применения эрозионостойких легких материалов, недефицитных и обеспечивающих требуемые характеристики работоспособности. По мнению зарубежных и отечественных специалистов, наилучшими свойствами по совокупности предъявляемых требований обладают композиты, в частности углеродные. Проведенные исследования по созданию новых композиционных материалов показали, что и углеродные композиты также не обеспечивают сохранение исходного профиля проточного тракта сопла ЭУ, но эффективность их применения наиболее высока среди всех известных типов материалов[1,2].
Надежность соплового блока зависит от совместного влияния несущей способности и эрозионной стойкости конструктивных элементов с учетом реологических свойств материалов. И в данном случае не вызывает сомнений взаимосвязь критерия безотказности соплового блока с основными показателями работоспособности композитов в его конструкции. Сами показатели работоспособности композитов также взаимосвязаны между собой, поскольку их количественные характеристики определяются при совокупном воздействии на конструктивные элементы всех видов действующих нагрузок.
Таким образом, имеет место сложная научно-техническая задача исследования работоспособности композитов в конструкциях сопловых блоков. Решение ее состоит в том, что необходимо для заданных условий эксплуатации ЭУ отыскать оптимальные показатели работоспособности композитов для элементов соплового блока, обеспечивающие требуемые значения критериев эффективности ЭУ. Решение этой научно-технической задачи трансформируется далее в область технологических и материаловедческих исследований, направленных на получение композитов с заранее заданными свойствами.
В качестве показателя работоспособности элемента соплового блока целесообразно принять допустимый унос массы материала, при котором сохраняются в установленных пределах геометрическая форма и размеры элементов при взаимодействии материала с продуктами сгорания топлива (эрозионная стойкость), и допустимый запас несущей способности элемента, при котором гарантируется его целостность как физического твердого тела.
Отличительной способностью композитов как материалов сопловых блоков ЭУ является совмещение в себе функций конструкционных и теплозащитных материалов, которые при взаимодействии с продуктами сгорания топлив подвержены уносу массы в пограничный слой газа [3]. Поскольку основным уровнем исследования качества композитов в конструкциях сопловых блоков является уровень элемента соплового блока, то под термином «работоспособность композита» следует понимать «работоспособность элемента конструкции из композита».
Наиболее практичным показателем работоспособности соплового блока ЭУ является величина разгара рабочей поверхности элементов конструкции, если заведомо обеспечивается их целостность. Т.е. в качестве первого приближения надежность соплового блока ЭУ рассматривается как вероятность того, что в процессе работы конструкции масса элементов не выйдет за пределы установленных норм, регламентирующих сохранение допустимых геометрических форм и размеров, а также целостность элементов.
При решении задачи выбора материалов для элементов проточного тракта сопла ЭУ можно использовать различные методы оптимизационных решений, методы расчета теплообмена, прогрева и уноса массы материалов, методы расчета надежности и выбора характеристик профиля проточного тракта сопла.
Для заданного состава и характеристик продуктов сгорания, параметров работы камеры сгорания и расчетного профиля проточного тракта сопла решается задача отыскания зависимости распределения оптимальной плотности углеродного материала по длине проточного трака сопла, обеспечивающей минимизацию массы элементов соплового блока.
Выбор материалов при этом подчиняется условиям, рассмотренным ниже.
1. Унос массы композита с боковой поверхности в расчетных сечениях не должен превышать требуемую норму разгара: hycpS6p < [m] = [uwp -t ■ £б], где hycp- унос
массы на сторону в расчетном сечении; Se - боковая поверхность составной части профиля проточного тракта в окрестности расчетного сечения; р - плотность материала в окрестности расчетного сечения; uw -линейная скорость уноса массы; t - время действия тепловой нагрузки.
Разгар сечения ΔF = 4
h (
уср
dr.
1 +
А ^
d,
, где do - начальный диаметр сечения.
О J
Как было показано выше, дополнительные потери величины удельного импульса ДУ за счет разгара критического сечения при относительной площади АҒкр<0,1 практически линейно зависят от разгара: ΔҒуд ~ АҒ .
2. Удельная энергия разрушения составной части соплового блока в окрестности расчетного сечения не должна превышать предельные несущие возможности материала: φσε < \Еуд \, φ -коэффициент полноты диаграммы σ- ε ; σ , ε - соответственно предел
прочности и относительная деформация материала при данной температуре.
3. Надежность каждой составной части соплового блока в окрестности расчет-
ного сечения должна быть не менее заданной. При оценке надежности оценивается составляющая эрозионной стойкостиф{ту /σ—) = а + 3puw + = а + ψρ <[р\, где α, β
-коэффициенты линейной аппроксимации интеграла Гаусса в окрестности \ту \.
Таким образом, задача расчета зависимости распределения оптимальной плотности углеродного материала по длине проточного тракта сопла может быть сформулирована следующим образом: требуется найти распределение р\рх../?„}, при котором
масса соплового блока является минимальной из всех возможных вариантов применяемых материалов при удовлетворении требований изменения показателей работоспособности конструкции в установленных пределах. Формализация задачи имеет вид:
- линейный функционал:
РСБ=Ъ{Ьуср$бр\ =
/
(1)
уравнения связи:
- ограничения по надежности:
Σ lg(a + ΨΡ)/ - lg РсБ > (2)
- ограничение по эрозионной стойкости проточного тракта:
Т{Ьуср8бр). <Тту , (3)
/ /
- ограничение по несущей способности конструкции:
Σ ((pö£/î^çp>SgpIт§ ^ . (4)
і
Система уравнений (1) - (4) относится к классу задач линейного программирования [4]. Недостатком этих методов является громоздкость вычислительного алгоритма, так как решение является итерационным. Кроме того, для решения задачи необходимо располагать результатами расчета прогрева и локального уноса массы материала в расчетных сечениях проточного тракта сопла, термопрочности, надежности. Это делает поиск решения задачи (1) - (4) труднодостижимым.
Поскольку сопловые блоки ЭУ РСЗО имеют относительно небольшие конструктивные размеры, предлагается использовать следующий подход при решении задачи выбора материалов для элементов проточного тракта сопла.
Рассматривается составной сопловой блок, состоящий из следующих элементов: входная часть, зона критического сечения и выходная часть. Для заданного состава и характеристик продуктов сгорания, параметров работы камеры сгорания и расчетного профиля проточного тракта сопла решается задача отыскания оптимальной плотности углеродных материалов для элементов, обеспечивающих минимизацию массы соплового блока. При этом предполагаем, что несущая способность элементов при таком профиле тракта удовлетворяется по критерию удельной потенциальной энергии разрушения Еуд =Ep/Wce, где Wes - объем элементов проточного тракта соплового блока. Удельную энергию деформирования /-го элемента конструкции выразим:
Е
у ді - Ф
W
т
:ф
7^ ^ср^б
ср*-
т
(5)
с с
где φ - коэффициент полноты диаграммы деформирования элемента под действием приложенных сил в координатах σ - ε; σ - действующее в элементе напряжение с учетом температуры прогрева; Ес - секущий модуль упругости; т - текущее значение массы
t
элемента т = т$ — J WypSgdt; hcp - средняя толщина элемента
О
где Wo - объем элемента без учета проточной части; / - длина элемента в направлении продольной оси z; r(z) -текущее значение радиуса проточной части сопла.
Также допускаем, что в качестве исходных данных о действующих нагрузках выступают давление газового потока в камере, температура продуктов сгорания в камере, время работы ЭУ, перепад температуры по сечениям элементов. Тепловое состояние элементов соплового блока принимается квазистационарным. В этом случае упрощаются расчеты термических напряжений и относительных деформаций. В качестве ограничений задачи (1) - (4) принимается следующее: удельная потенциальная энергия разрушения каждого элемента принимается величиной постоянной, задаются надежность в форме постоянной величины для всех трех элементов и объем элементов. Для этих условий скорость уноса углеродного композиционного материала выражается через соответствующие определяющие параметры.
Рассматривая сопловой блок, состоящий из трех конструктивных элементов (п=3), можно решение задачи (1) - (4) свести к решению двухмерной задачи линейного программирования. Для этого достаточно ввести обозначения:
Pi Х1 ’ T{hycps6p\ х2’ к Ьуср^б·-
/=1
С учетом введенных обозначений имеем:
х2 = Σ (V/Alp), = min; /'=1
Pi = хъ
/ =—α ε-k. Щ
(6)
(7)
Решение двумерной задачи линейного программирования легко достигается с помощью геометрической интерполяции на плоскости (xj, Х2). Оптимальные значения xı появляются координатами вершины многоугольника замкнутой области (х_/, Х2), пересе-
3
каемой линейной функцией рксБ = Σ(ζ'Ρκ) = /(ХЬХ2) ПРИ ее перемещении по области
1
значений (xj, Х2). При найденных оптимальных значениях xı по получим искомое распределение вектора Рк[Рк1,Рк2>Ркз]:
Рк2 — Рк2 (Х1 > х2 ) - из формулы (10)
РкЗ = Ркз(хЬхі) - из формулы (11)
Р/d — Х1 опт ■
Таким образом, для каждого функционального элемента соплового блока с помощью задачи (6) - (9) можно получить оптимальные значения конструктивной плотности материала. Разработан комплекс математических моделей и на их основе методика выбора композиционных материалов для конкретной конструктивной схемы соплового блока, обеспечивающих минимум массы соплового блока при удовлетворении требований к допустимой величине потери удельного импульса тяги ЭУ.
Список литературы
1. Михайлин Ю.А. Специальные полимерные композиционные материалы. СПб.: Науч. основы и технологии, 2008. 10 с.
2. Современные композиционные материалы. Под ред. Л. Браутмана, Р. Крока. Пер. с англ, под ред. И.Л. Светлова. М.: Мир, 1970. 672 с.
444
3. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М.: Энергия, 1976.
155 с.
4. Лунгу К.Н. Линейное программирование. Руководство к решению задач. М.: Физматлит, 2009. 132 с.
Октябрьская Лариса Владимировна, начальник управления постановки и координации технологических работ, oktvabrskava.lv(a),splavtula.ги. Россия, Тула, АО «НПО «СПЛАВ» имени А.Н. Ганичева»
ENSURING OF THE POWER PLANT NOZZLE BLOCK MINIMUM WEIGHT FOR THE COMPONENT PARTS SPECIFIED DESIGN
L.V. Oktyabrskaya
Considered has been the problem of optimization of the material density in the nozzle block structure. Procedure of choice of the composite materials ensuring the nozzle block minimum weight while meeting the requirements to the allowable thrust specific impulse losses has been developed.
Key words: nozzle block, composite materials, gas flow, nozzle throat.
Oktyabrskaya Larisa Vladimirovna, department manager, oktvabrskava. lv(d),splav-tula.ru, Russia, Tula, JSC «SPLAV Scientific and Production Association» named after A. Ganichev»
УДК 681.5
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ РЕСТАВРАЦИОННЫХ РАБОТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСОКОПРОЧНОГО ГИПСОВОГО
МАТЕРИАЛА С ПОЛЫМИ СТЕКЛЯННЫМИ МИКРОСФЕРАМИ
Т.Э. Хаев, Б.А. Айдаров
В данной статье рассмотрены организационно-технологические подходы при организации реставрационных работ. Выявлено отсутствие рекомендаций в нормативно-правовой литературе по проведению реставрационных работ с применением высокопрочного гипсового материала с полыми стеклянными микросферами. Установлена необходимость создания инструмента по комплексной оценке организационных, технических, технологических и управленческих решений, способствующих повышению результативности реализации проекта по реставрации памятников культурного наследия с применением данного материала.
Ключевые слова: организация реставрационных работ, оптимизация строительных процессов, организационно-технологический потенциал, высокопрочный гипсовый материал с полыми стеклянными микросферами.
В настоящее время актуальным направлением в научной области является изучение показателей, влияющих на повышение эффективности организации строительного производства. Систем оценок на сегодняшний день существует очень много. Главным вопросом остается повышение эффективности организации строительства и реставрации. Во-первых, эффективность организации строительства и реставрации можно оценить технико-экономическими показателями, а второе - это сроками проведения
445
