CC BY
117
Секция «Двигатели и энергетические установки летательньх и космических аппаратов»
УДК 621.454
ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ИЗГОТОВЛЕНИИ ШНЕКОВ В НАСОСАХ ТНА ЖРД
А. М. Бегишев, А. С. Торгашин, А. Ю. Леонгард Научный руководитель - В. П. Назаров
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Исследуются возможности применения аддитивных технологий при производстве узлов ракетно-космических двигателей, в частности шнека центробежно-осевого насоса.
Ключевые слова: аддитивность, прототипирование, шнек.
THE USE OF ADDITIVE TECHNOLOGIES IN THE DESIGN AND MANUFACTURE OF SCREW IN THE TURBOPUMP ROCKET ENGINE
A. M. Begishev, A. S. Torgashin, A. U. Leongard Scientific Supervisor - V. P. Nazarov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The author to explore the possibilities of application of additive technologies in the production of rocket engines, in particular the screw centrifugal-axial pump.
Keywords: additivity, prototyping, screw.
Технологическое развитие всегда является актуальным вопросом в ракетно-космической отрасли. На сегодняшний день в качестве приоритетов развития всё больше начинают выдвигаться новые перспективные технологии, основанные на инновационных подходах к проектированию и изготовлению изделий. Одни из таких технологий набравшие колоссальные обороты это аддитивные технологии, более известные как 3Б-технологии, или 3Б-принтинг.
По своей сути это технологии, результат которых складывается из последовательного накопления одинаковых действий в процессе работы этой технологии. Различие между данными технологиями, заключается лишь в выборе материала и методе его нанесения. Если рассматривать функционал данных технологий, то можно сказать, что они дают интегрировать детали любой сложности конструкции и производить моментальную передачу в любую точку мира.
Не смотря на большой парк расходуемых материалов, наибольший интерес представляют «печать» пластиком и металлом. Разумеется, наибольший интерес для производства и изготовления современных изделий ракетно-космической техники (РКТ) представляет «печать» в металле [1]. Другими словами это можно назвать - производство уже конечного изделия, не требующего дополнительных механических обработок. Именно данную цель закладывают как самую перспективную: в плане сокращения времени и стоимости производства, но в то же время она является самым трудоемким и затратным в процессе исследования. На данный момент Россия не находится на лидирующих позициях в данной отросли, так как она ещё только набирает обороты в разработке отечественных установок и материалов для печати.
В частности технологиями аддитивного производства может преследоваться другая цель - прото-типирование или другими словами метод создания физической модели, которая по своей геометрии полностью соответствует модели, созданной в системе трехмерного геометрического проектирования. Но обязательным условием является то, что процесс прототипирования не должен быть затяжным, но должна быть реализована базовая функциональность и видна детальная картина устройства системы. В данном случае может сгодиться не только металл, но и пластик. Он может служить конструкторам
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
при разработке, компоновке и изготовлении для конструкторских макетов создаваемых сложных изделий, так и может служить для наглядных макетов в процессе написания технологического процесса изготовления данного изделия или же для написания программы для станков с числовым программным управлением (ЧПУ), тем самым способствуя упрощению и ускорению процесса изготовления изделия.
Аддитивные технологии рациональнее всего использовать при создании сложных изделий, состоящих из большого числа различных агрегатов и узлов, имеющих сложную геометрическую увязку. Одно из таких изделий в жидкостном ракетном двигателе (ЖРД) - это турбонасосный агрегат (ТНА), который отвечает за подачу компонентов ракетного топлива в камеру сгорания для обеспечения в ней заданного давления [2]. При изготовлении ТНА с высокими окружными скоростями и КПД, с малыми размерами и массой в качестве основных используются центробежные насосы с приводом от газовой турбины [3].
Негативное явление с которым сталкиваются при разработке насосов ТНА это кавитация т. е. процесс нарушения сплошности потока жидкости в зоне пониженного давления, заключающийся в образовании полостей, наполненных паром и выделившимся газом. Она приводит к таким отрицательные последствиям, как срыв режима работы гидромашины, эрозионному разрушению рабочего колеса при длительной работе на кавитационном режиме, возможности не устойчивой работы. В насосах кавитация возникает при давлении перед входом в насос, существенно превышающем давление парообразования при данной температуре жидкости. Чем больше скорость имеет поток, обтекающий лопатку, тем больше будет разряжение на лопатке, поэтому наиболее отдалённые от оси вращения точка входной кромки лопатки может явиться центром зарождения кавитации [4]. Поэтому, для улучшения антикавитационных свойств насосов ЖРД, перед центробежными насосами в качестве предварительной ступени используют предвключенное колесо или шнек.
По своей сути шнек - это вал, оснащенный винтовой гранью вдоль своей оси. В качестве заготовки для шнека используют поковки: кованные или штампованные, если же шнек имеет не большие диаметры, то также можно использовать прутковый прокат различного сортамента(с дальнейшей усечкой по длине). Прежде всего, на токарном станке производят подрезку торцов и механическую обработку, далее на входе и выходе убирают углы по чертежу, и не снимая заготовку сверлят отверстие заданного диаметра. Далее производят обработку на вертикально-фрезерном станке(или же на станке с ЧПУ), для этого на стол станка устанавливают приспособление - делительную головку, позволяющее периодически поворачивать обрабатываемое изделие на равные и неравные доли оборота вокруг оси. Деталь закрепляют в данное приспособление и за счёт вращения детали и за счёт того, что стол с закрепленным приспособлением обеспечивает продольное передвижение, производят фрезеровку лопаток шнека. Шероховатость поверхностей межлопаточных каналов шнека Ra = 2,5.. .1,25 мкм, что достигается чистовым фрезерованием с последующей зачисткой и полированием. После механической обработки колеса подвергаются анодному оксидированию(анодированию) для предохранения от коррозии и механических повреждений. Сложности при изготовлении шнека, помимо цепочки операций механической обработки, заключаются ещё в том, что довольно трудно сразу наглядно представить деталь на предварительном этапе проектирования.
В своей работе по заданному чертежу шнека с помощью системы трехмерного геометрического проектирования была создана модель. При помощи ЦМИТ «Композит», воспользовался технологий 3D печати по технологии FDM, он был изготовлен в масштабе 1/1 из abs. Данный процесс не потребовал больших затрат в плане используемого материала и выполнения всей технологической цепочки производства. Таким образом, при проектировании, имея макет шнека, можно видеть конечную форму изделия, тем самым возможно облегчить работу конструктора, позволяя при этом избежать каких либо ошибок в дальнейшем изготовлении данного шнека уже с металла.
Библиографические ссылки
1. Панченко В. А. Применение аддитивных технологий при проектировании изделий и блоков ракетно-космических систем // Тезисы докл. XX науч.-техн. конф. молодых учёных и специалистов (10-14 ноября 2014, г. Королёв). С. 400-402.
2. Гахун Г. Г. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. 1989. 423 с.
3. Овсянников Б. В., Краев М. В., Черваков В. В. Теория и расчет турбомашин ; Сиб. гос. аэро-космич. ун-т. Красноярск, 2012. 224 с.
4. Трофимов В. Ф. Осуществление мечты. 2001.
© Бегишев А. М., Торгашин А. С., Леонгард А. Ю., 2016
