CC BY
54
УДК 621.7.09
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОРПУСОВ ТНА ЖРД
А. Ю. Володин 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]
Рассматриваются особенности обработки внутренних поверхностей корпусов турбона-сосных агрегатов. Приведена схема устройства электролитно-плазменной обработки внутренних пространственно-сложных поверхностей различной кривизны.
Ключевые слова: электролитно-плазменная обработка, шероховатость поверхности, корпусные детали центробежных насосов, жидкостный ракетный двигатель, турбонасосный агрегат.
TECHNOLOGICAL FEATURES OF THE ELECTROLYTIC-PLASMA TREATMENT OF THE INTERNAL SURFACES OF THE TPU LRE
A. Yu. Volodin Scientific Supervisor - V. P. Nazarov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: [email protected]
The features of the surface treatment of the turbo-pump unit casings are considered. The scheme of the device for electrolytic-plasma treatment of internal spatially-complex surfaces of various curvature is given.
Keywords: electrolytic-plasma treatment, surface roughness, housing parts of centrifugal pumps, liquid rocket engine, turbo-pump unit.
Среди наиболее важных требований, предъявляемых к конструкции современных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), можно назвать: минимальную массу, максимальную жесткость и прочность узлов, максимальный ресурс работы в условиях эксплуатации, высокую надежность. В значительной мере перечисленные требования к конструкции обеспечиваются выбором необходимых материалов и совершенством технологии изготовления конструкции. Высокий уровень технологии производства определяется выбором оптимальных параметров технологического процесса, техническим уровнем используемого оборудования и оснастки.
Одним из наиболее ответственных узлов и напряженных узлов ЖРД является турбонасосный агрегат (ТНА). В условиях производства ЖРД энергетические параметры насосов, такие как напор, мощность, КПД определяются по результатам гидродинамических испытаний (гидропролива) насосов [1]. Гидравлические потери непосредственно зависят от качества обработки внутренних поверхностей корпусов, которое обусловливает высокие эксплуатационные свойства турбонасосного агрегата.
Улучшение качества шероховатости внутренних литейных поверхностей корпусных деталей, влияющее на энергетические параметры насосов турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя, можно достичь методом электролитно-плазменной обработки, основанным
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
на плазменных и электрохимических процессах, возникающих в тонкой парогазовой оболочке у поверхности металла под действием высокого напряжения [2].
Электролитно-плазменная обработка (ЭПО) широко применяется для очистки поверхности, снижения шероховатости и снятия заусенцев на изделиях, изготовленных из различных металлических материалов. ЭПО является безопасной и более производительной технологией по сравнению с альтернативными видами (электрохимическая, механическая обработка).
Сущность процесса заключается в следующем. Вокруг поверхности обрабатываемой детали-анода, погруженной в электролит, происходит локальное пленочное вскипание электролита и образование стабильной парогазовой оболочки (ПГО). Сформировавшаяся таким образом оболочка из пара и газа отжимает электролит от поверхности детали и значительно увеличивает электрическое сопротивление в цепи деталь - электролит. При этом сила тока резко уменьшается, и напряжение источника питания почти полностью прикладывается к образовавшейся парогазовой оболочке. Таким образом, из-за высокой локальной напряженности электрического поля возникает частичная ионизация газа с протеканием электрического тока через парогазовую оболочку в виде импульсных и диффузных электрических разрядов [3].
При проведении экспериментальных исследований на образцах-иммитаторах, установлено, что метод электролитно-плазменной обработки с применением устройства (рис. 1) для обработки внутренних пространственно-сложных поверхностей различной кривизны корпусных деталей центробежных насосов ЖРД является наиболее эффективным и удовлетворяет всем требования при производстве деталей для создания кислородно-углеводородных жидкостных ракетных двигателей новых схем [4].
Рис. 1. Конструктивная схема устройства для электролитно-плазменной обработки внутренних пространственно-сложных поверхностей различной кривизны: 1 - обрабатываемое изделие; 2 - катод; 3 - анод; 4 - фильтр; 5 - хомут; 6 - переходная втулка; 7 - переходник; 8 - заглушка; 9 - трубопровод; 10 - электролитическая ванна; 11 - насос; 12 - теплообменник;
13 - регулятор расхода; 14 - нагреватель
Устройство для электролитно-плазменной обработки внутренних пространственно-сложных поверхностей различной кривизны работает следующим образом.
На выходе изделия 1 устанавливают анод 3, прижимают его переходником 7 и фиксируют хомутом 5. На входе в изделие 1 устанавливают переходник 7 и фиксируют хомутом 5. Открытая полость изделия 1 глушится заглушкой 8. Электролитическая ванна 10 из полимерного материала заполняется водой, затем вносятся компоненты электролита, включается насос 11 и нагреватель 14. За счет циркуляции электролита происходит перемешивание его составляющих и интенсифицируется процесс растворения компонентов. При достижении электролитом на входе в электролитическую ванну 10 нижней границы диапазона рабочих температур нагреватель 14 прекращает свою работу. Рабочий цикл начинается с включения питания на катоде 2, происходит
процесс электроимпульсного полирования. Во время работы устройства насос 11 осуществляет постоянную циркуляцию электролита последовательно через теплообменник 12, нагреватель 14, изделие 1 и электролитическую ванну 10. При этом в электролитической ванне 10 происходит нагрев электролита выделяющимся при электроимпульсном полировании теплом, а в теплообменнике 12 - его охлаждение до температуры, соответствующей нижней границы рабочего диапазона температур электроимпульсного полирования, что обеспечивает регулятор расхода охлаждающей среды 13. Включение нагревателя 14 обеспечивает необходимую температуру электролита на входе в изделие 1 в случае его переохлаждения (рис. 2). По истечению времени обработки выключают источник питания на катоде 2, электролит сливают из системы и извлекают изделие 1. Также извлекают фильтр 4 для его последующей очистки либо замены.
Для совершенствования разработанного метода требуется разработка математической модели процесса электролитно-плазменной обработки, как объекта управления в виде структуры из типовых динамических звеньев с переменными параметрами, что позволит контролировать толщину съема поверхностного слоя и рассчитать оптимальную траекторию управляющего напряжения на электролизере для минимизации энергопотребления. А также определить момент окончания процесса при достижении требуемой шероховатости поверхности.
Библиографические ссылки
1. Володин А. Ю., Назаров В. П., Бочерикова Я. В. Влияние геометрических размеров бесконтактных уплотнений на КПД центробежных насосов // Решетневские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. С. 127-128.
2. Ясногородский И. З. Электрохимическая и электромеханическая обработка металлов. М. : Машиностроение, 1971. 157 с.
3. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки / Г. Л. Амитан [и др.] ; под общ. ред. В. А. Волосатова. Л. : Машиностроение. Ленингр. отд-ние. 1988. 719 с.
4. Володин А. Ю., Заруба Д. С., Величко Н. В. Способ электролитно-плазменной обработки внутренних пространственно-сложных поверхностей различной кривизны корпусных деталей центробежных насосов ЖРД // Решетневские чтения : материалы ХХ Междунар. науч. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016.
© Володин А. Ю., 2017
