CC BY
79
УДК 539.3
Работоспособность топливного элемента в зоне скрепления с корпусом энергетической установки. II. Методы обеспечения эксплуатационной работоспособности топливного элемента энергетической установки
Е.А. Чащихин, И.И. Анисимов, В.И. Десятых, Б.А. Люкшин1
ФГУП «Федеральный научно-производственный центр «Алтай», Бийск, 659322, Россия 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
На основе сформулированных в первой части работы требований по ограничению параметров неоднородности механических характеристик в зоне скрепления «топливный элемент - корпус» разработаны методы обеспечения указанных требований и работоспособности топливного элемента твердотопливной энергетической установки ракетно-космических систем.
Предлагаемые методы уменьшения неоднородности свойств и снижения концентрации напряжений в прикорпусной зоне за счет оптимизации рецептуры и выбора элементов системы крепления, а также конструкции замков крепления позволяют повысить эксплуатационный ресурс твердотопливных энергетических установок на 30-40 %.
Ключевые слова: высокоэнергетические материалы, неоднородность механических свойств, повышение ресурса, рецептурные методы, конструкторские решения
Operability of the “fuel cell - case” joint in power systems.
Part II. Fuel cell efficiency methods in power systems
E.A. Chaschikhin, I.I. Anisimov, V.I. Desyatykh and B.A. Lyukshin1
FSUE Federal Research and Production Center ALTAI, Biysk, 659322, Russia 1 Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia
Reasoning from the requirements specified in Part I of the work with respect to limitations of the inhomogeneity of mechanical characteristics at the “fuel cell - case” joint, methods were developed to comply with the above requirements and provide efficient operation of the fuel cell in solid-propellant power systems of space-rocket hardware.
The proposed methods of improving the homogeneity of characteristics and decreasing the stress concentration in a near-case zone rely on optimized formulation and choice of elements of the fastener system as well as fastener lock designs and allow an increase of 30- 40 % in the service life of solid-propellant power systems.
Keywords: high-energy materials, inhomogeneity of mechanical characteristics, increase in service life, formulation methods, design solution
1. Введение
В первой части работы [ 1 ] были рассмотрены эффекты неоднородности механических характеристик в зоне скрепления топливного элемента с корпусом энергетической установки, связанные с этим особенности параметров напряженно-деформированного состояния и методы оценки эксплуатационной работоспособности исследуемой зоны. Там же были сформулированы требо-
вания по ограничению параметров неоднородности механических характеристик в зоне скрепления.
В настоящем сообщении излагаются методы обеспечения указанных требований и работоспособности топливного элемента энергетической установки в целом.
Для обеспечения эксплуатационной работоспособности зоны скрепления на практике используются рецептурно-технологические и конструкторские методы.
© Чащихин Е.А., Анисимов И.И., Десятых В.И., Люкшин Б.А., 2009
Первая группа методов ориентирована на снижение температурных нагрузок (использование низкотемпературной вулканизации) и на выполнение требований по ограничению неоднородности механических свойств высокоэнергетического конденсированного материала в рассматриваемой зоне. Конструкторские методы направлены на снижение внешних силовых нагрузок (за счет ограничения жесткостных характеристик корпуса), общее перераспределение напряженно-деформированного состояния в объеме топливного элемента, а также снижение концентрации напряжений в концевых областях скрепления.
2. Рецептурно-технологические методы
Физическая сущность методов снижения неоднородности свойств в зоне скрепления топливного элемента с корпусом базируется на рецептурных способах ограничения процессов диффузии пластификатора из высокоэнергетического конденсированного материала в элементы корпуса [2-7]. Бесклеевые и бестканевые схемы скрепления топливного элемента с корпусом энергетической установки основаны на исключении из системы элементов, наиболее интенсивно поглощающих пластификатор из высокоэнергетического конденсированного материала. При изготовлении крупногабаритных топливных элементов энергетической установки наибольшее применение на практике получили резино-тканевые схемы крепления топливного элемента к корпусу энергетической установки с применением крепящего состава, полимерная основа которого отлична от высокоэнергетического конденсированного материала, обладает низкой термодинамической совместимостью и различной полярностью с пластификатором конденсированного материала. Это позволяет обеспечить минимальное искажение свойств слоев высокоэнергетического конденсированного материала, прилежащих к зоне крепящего состава.
Существенным недостатком перечисленных выше вариантов крепления является сравнительно низкая прочность адгезионной границы, поскольку прочность соединения различных каучуков заведомо меньше, чем однотипных. Введение в структуру зоны крепящего состава тканевой прослойки повышает адгезионную прочность, но одновременно увеличиваются пластификато-роемкость и градиенты неоднородности механических характеристик в контактных слоях высокоэнергетического конденсированного материала.
В последние годы в высокоэнергетическом материале и крепящем составе используется однотипная полимерная основа. Для предотвращения миграционных процессов в прикорпусной области крепящий состав насыщается тем же пластификатором, что и высокоэнергетический материал. Однако для современных высокоэнергетических конденсированных материалов на основе высокочувствительных активных пластификато-
ров [8] указанный способ становится недопустимым по соображениям технологической безопасности.
Опыт формирования рецептуры крепящего состава без пластификатора показал, что реализуются недопустимо высокие параметры ужесточения и пониженная деформативность высокоэнергетического конденсированного материала. Необходим поиск пластификаторов для крепящего состава, удовлетворяющих требованиям совместимости с полимерным связующим высокоэнергетического материала и безопасности технологического процесса [9]. Экспериментально показана возможность ограничения неоднородности механических характеристик в зоне скрепления с корпусом за счет предварительного насыщения крепящего состава различными типами инертных пластификаторов. Примеры изменения механических характеристик топливного элемента в зоне скрепления с корпусом сразу после изготовления и после 18-20 лет хранения приведены на рис. 1. Прогноз механических характеристик на длительные (до 20 лет) сроки основан на использовании принципа температурно-временной аналогии [10, 11]. Введением инертного пластификатора удалось обеспечить технологическую безопасность нанесения крепящего состава.
К параметрам оптимизации процессов массоперено-са пластификатора и эффектов неоднородности механических характеристик в зоне скрепления топливного элемента с корпусом энергетической установки относятся качество пробивки тканевой прослойки резиновой основой крепящего состава и количество (масса сухого остатка) крепящего состава на единицу площади границы крепления. Увеличение ворсистости тканевой прослойки зоны крепления повышает ее пластификаторо-емкость за счет капиллярного эффекта и увеличивает уровень неоднородности свойств в исследуемой зоне.
Для индивидуально изготавливаемых крупногабаритных топливных элементов варьирование массы сухого остатка крепящего состава на этапе изготовления передового образца [6, 9] используется для обеспечения требований по допустимому уровню неоднородности механических характеристик в прикорпусной зоне топливного элемента. Увеличение количества сухого остатка крепящего состава повышает дефицит пластификатора и неоднородность свойств в контактирующих с зоной крепящего состава слоях топливного элемента. Оптимизация проводится выполнением требований по адгезионным, предельным деформационным характеристикам и параметру ужесточения в зоне крепления.
3. Конструкторские методы
Рецептурные методы обеспечения требуемого уровня механических характеристик в прикорпусной зоне имеют ограниченные возможности. Поэтому появилась необходимость более активного привлечения конструкторских методов [12-14] для решения проблемы сниже-
2-
0-1
' Кд к! ■ Спл Кд 1
[КІ]<5 '
\ 1.8 ■ 1 0 ' 10 20 И, мм
// /^'
\ д\ \\ II ( / !///
\ 1.4' со о 3 Ж ІI 0 6'
\ \ \ \ N А \ \ У \ ■ // м
ЧЛ \7' V
10 / 10 20 її, мм 0 її ! 0.2 ■
10 20 І1, мм [Кд]> 0.24-0.28
10
20 Ь мм
Рис. 1. Изменение эффектов неоднородности свойств высокоэнергетического конденсированного материала с активным пластификатором в зоне скрепления топливного элемента с корпусом энергетической установки в процессе длительной эксплуатации при использовании различных крепящих составов: I — непластифицированный крепящий состав, II — крепящий состав с пластификатором № 2; сплошная линия — после изготовления, пунктир — после 18-20 лет эксплуатации
ния параметров напряженно-деформированного состояния в зонах крепления топливного элемента к корпусу энергетической установки.
Основными факторами, определяющими интенсивность эксплуатационных напряжений и деформаций в объеме топливного элемента при длительной эксплуатации, являются температурный перепад между равновесной и эксплуатационной температурами, массовые силы от собственного веса (вертикальное и горизонтальное положение) и перегрузки при транспортировке.
Для уменьшения экстремальных значений параметров напряженно-деформированного состояния от массовых сил целесообразно снижение эффектов концентрации напряжений, а также использование конструкций, имеющих максимально возможную степень скрепления топливного элемента с корпусом энергетической установки.
Характер распределения напряжений в зоне концентрации существенно зависит от вида эксплуатационной нагрузки. Следовательно, оптимальная конфигурация и параметры эластичных утолщений (замков манжетных раскреплений) будут различными. Снижение равновесной температуры современных топливных элементов энергетической установки до уровня эксплуатационных температур приводит к необходимости корректировки конфигурации замков манжетных раскреплений из условия длительного воздействия на топливные элементы массовых и инерционных сил. Данный способ позволяет снизить напряжения в концевой зоне крепления топливного элемента как минимум на 10-12 %.
Первым способом снижения концентрации напряжений в концевой зоне крепления является введение тонкостенных (1-2 мм) кольцевых вставок или расслоений в область резинового утолщения. Физическая сущность эффекта уменьшения максимального уровня на-
пряженно-деформированного состояния в данном случае состоит в увеличении протяженности зоны концентрации напряжений за счет «передачи» части нагрузки на раскрепленную торцевую зону топливного элемента. Эффект снижения параметров напряженно-деформированного состояния зависит от зоны расположения, материала вставки и может достигать 15-20 %. Для одного из вариантов максимальные нормальные напряжения снижаются в 1.58 раза, сдвиговые — в 1.2-1.3 раза.
Второе направление состоит в использовании эффекта поддержки раскрепленного торца по схеме частичного скрепления его с днищем корпуса. Однако скрепление топливного элемента с корпусом по торцевым поверхностям и цилиндрической части приводит к увеличению деформаций в зоне открытой поверхности канала при нагружении внутренним давлением. Решение этой задачи потребовало создания конструкций с изменяющейся схемой крепления топливного элемента к корпусу на различных этапах эксплуатации [15].
Решение подобных задач может быть реализовано с помощью введения специальных подкрепляющих элементов, ограничивающих перемещение раскрепленного торца на этапе предстартовой эксплуатации. Практическая реализация схемы подкрепления торца топливного элемента с днищем корпуса была разработана для двух вариантов конструкций.
В первом варианте отделенная W-манжетой периферийная часть заманжетного зазора оказывается практически закрытой при охлаждении топливного элемента ниже равновесной температуры и последующей его эксплуатации. Остальная часть заманжетного зазора, примыкающая к фланцу и закладному элементу днища, имеет раскрытие, соответствующее реализованной температурной нагрузке. Опыты по кантованию топливного элемента в вертикальное положение показали, что W-
манжета сохраняет целостность, а периферийная часть заманжетного зазора остается в закрытом состоянии. Это свидетельствует о реализации схемы частичного скрепления части торца с днищем корпуса и разгрузке топливного элемента на этапе предстартовой эксплуатации. При нагружении внутрикамерным давлением W-манжета разрушается и реализуется полное раскрытие заманжетного зазора с обеспечением схемы раскрепленных торцов, являющейся оптимальной при работе энергетической установки с позиций максимальной разгрузки поверхности канала топливного элемента.
Эффект снижения контактных напряжений в концевой зоне скрепления за счет введения специальной W-манжеты может достигать 15-25 %. Расчетные оценки показали, что уровень контактных напряжений на границе «высокоэнергетический конденсированный материал - зона крепящего состава» в месте крепления W-манжеты не превышает напряжений в концевой зоне скрепления топливного элемента с корпусом, т.е. не появляется новая опасная зона на границе «высокоэнергетический конденсированный материал - зона крепящего состава».
Во втором варианте конструктивного оформления схемы подкрепления торца топливного элемента с днищем корпуса на этапе длительной эксплуатации передача усилий в системе «днище - торец» осуществляется набором упругих пластин-рессор, образующих пространственную «гребенку» кольцевого типа. Данный тип подкрепляющих элементов обеспечивает более жесткие ограничения перемещений торца топливного элемента на этапе предстартовой эксплуатации по сравнению с W-манжетой и более предпочтителен для высокоэнергетического конденсированного материала повышенной плотности. Эффект разгрузки концевой зоны скрепления составляет ~15 %.
Таким образом, за счет оптимизации конструкции замков манжетных раскреплений и введения схемы подкрепления торца топливного элемента с днищем корпуса на этапе длительной эксплуатации можно добиться реального снижения уровня контактных напряжений в концевой зоне скрепления на 20-25 %.
4. Выводы
Использование современных высокоэнергетических материалов при изготовлении топливных элементов, скрепленных с корпусом энергетической установки, требует разработки новых рецептурно-технологических методов снижения неоднородности свойств и конструк-
торских методов снижения концентрации напряженно-деформированного состояния в прикорпусной зоне.
Наиболее рациональные подходы к решению этих задач базируются на сформулированных принципах выбора элементов системы скрепления топливного элемента с корпусом и оптимизации конструкции замков манжетных раскреплений.
Реализация предложенных рекомендаций обеспечивает повышение эксплуатационного ресурса перспективных энергетических установок на 30-40 %.
Литература
1. Чащихин Е.А., Анисимов И.И.,Десятыгх В.И., Люкшин Б.А. Работоспособность топливного элемента в зоне скрепления с корпусом энергетической установки. Часть I. Особенности механического поведения и оценки работоспособности топливного элемента // Физ. мезомех. - 2008. - Т. 11. - № 6. - С. 115-123.
2. Липатов Ю.С., Керча Ю.Ю., Сергеева Л.М. Структура и свойства
полиуретанов. - Киев: Наукова думка, 1970. - 279 с.
3. Заявка на изобретение 2444930 ФРГ, кл. C06D 5/00, Treibsatz mit einer Isolierung und Verfahren zu seiner Herstellung / E. Mesmer. -1976.
4. Пат. 4601862 США, кл. C06B 21/00, Delayed quick cure rocket motor liner / J. Byrd, R. Davis. - 1986.
5. Пат. 3578520 США, кл. B 32 B 5/20, Thermal insulation and bond for solid fuel motors and method of making same / C. Dolan, J. Axel-son. - 1971.
6. Пат. 2166660 РФ, кл. F02K 9/32, Заряд ракетного твердого топли-
ва/ Н.А. Макаровец, Г.А. Денежкин, В.В. Семплет и др. - 2000.
7. Пат. 2216641 РФ, кл. F02K 9/32, Заряд ракетного твердого топли-
ва / Н.С. Валеев, И.Г. Зверева, Г.Н. Амарантов и др. - 2002.
8. Пат. 627169 США, кл. С06В 045/10, High energy propellant formulation / Ch.W. Hughes. - 1990.
9. С1 2362037 RU F02 K9/34 / А.С. Жарков, И.И. Анисимов, А.В. Литвинов, Н.Е. Дочилов, Н.С. Белобров, В.И. Десятых, Е.А. Чащихин, В.М. Мелентьева (ФГУП «Федеральный научно-производственный центр «Алтай»). - № 2008101210, заявл. 09.01.2008.
10. Жарков А.С., Анисимов И.И., Марьяш В.И., Десятыгх В.И., Люкшин Б.А. Физико-химические процессы в изделиях из высокоэнергетических конденсированных материалов при длительной эксплуатации // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. - № 4. - С. 93-106.
11. Энергетические конденсированные системы: Краткий энциклопедический словарь / Под ред. Б.П. Жукова. - М.: Янус-К, 1999. -596 с.
12. Москвитин В.В. Сопротивление вязкоупругих материалов. - М.: Наука, 1972. - 328 с.
13. Ильюшин А.А., ПобедряБ.Е. Основы математической теории термовязкоупругости. - М.: Наука, 1979. - 280 с.
14. Милехин Ю.М., Берсон А.Ю., Кавицкая В.К., Еренбург Э.И. Надежность ракетных двигателей на твердом топливе. - М.: МГУП, 2005. - 878 с.
15. Анисимов И.И., Вагичев С.Н., Жарков А.С., Жуков А.П., Марьяш В.И., Яскин А.В. Совершенствование конструкций зарядов маршевых РДТТ для повышения энерговооруженности БРПЛ РСМ-52 (вариант) // Ракетно-космическая техника: Научно-технический сборник. Сер. XIV. Вып. 1(50), Ч. I. - Миасс: ГРЦ «КБ им. ак. В.П. Макеева», 2004. - С. 118-128.
Поступила в редакцию 17.09.2008 г., после переработки 02.11.2009 г.
Сведения об авторах
Чащихин Евгений Алексеевич, нач. лаб. ФГУП ФНПЦ «Алтай», post@frpc.secna.ru Анисимов Игорь Иванович, д.т.н., с.н.с., нач. отдела ФГУП ФНПЦ «Алтай», post@frpc.secna.ru Десятых Виктор Иванович, нач. лаб. ФГУП ФНПЦ Алтай», post@frpc.secna.ru Люкшин Борис Александрович, д.т.н., проф., внс ИФПМ СО РАН, lba2008@yandex.ru
