Автореферат (Использование системного подхода при проектировании и создании агрегатов регулирования ЖРД больших тяг)

На правах рукописиКРАПИВНЫХ ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНАИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИИ СОЗДАНИИ АГРЕГАТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЖРД БОЛЬШИХ ТЯГСпециальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановкилетательных аппаратов»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукХимки – 2017Работа выполнена в АО «НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко»Научный руководитель:доктор технических наукГромыко Борис МихайловичОфициальные оппоненты: Ягодников Дмитрий Алексеевич,доктор технических наук, профессор,федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшегообразования «Московский государственныйтехнический университет имени Н.Э. Баумана(национальный исследовательскийуниверситет)», заведующий кафедрой«Ракетные двигатели»Кучкин Владимир Николаевич,кандидат технических наук, доцент,федеральное казенное предприятие«Научно-испытательный центр ракетнокосмической промышленности»,первый заместитель генерального директора поиспытаниямВедущая организация:акционерное общество «Государственныйракетный центр имени академикаВ.П.

Макеева»Защита состоится «04» декабря 2017 года в 15.00 часов на заседаниидиссертационного совета Д212.125.08, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательскийуниверситет)» (МАИ) по адресу: 125993, Россия, г. Москва, А-80, ГСП-3,Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московского авиационного института (национального исследовательского университета), http://mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=83403.Автореферат разослан «___» ________ 2017г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д212.125.08,д.т.н., профессор2Зуев Юрий ВладимировичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертации.

Агрегаты регулирования (стабилизаторы давления, дроссели и регуляторы) – это одни из основных агрегатов ЖРД. Они обеспечивают автоматическую работу двигателя и являются необходимой частью любого ЖРД как с вытеснительной, так и с насосной подачей топлива.С развитием ракетной техники возрастают требования к повышениютехнического уровня агрегатов гидропневмотопливных систем двигателей, вособенности к агрегатам регулирования жидкостных ракетных двигателей(ЖРД). Постоянное ужесточение эксплуатационных параметров, показателейнадежности, предъявление высоких требований к быстродействию, стойкости к вибрационным нагрузкам при возможно меньших массе и габаритах,увеличение срока службы и ресурсов изделий поставили перед разработчиками современных агрегатов регулирования ЖРД ряд проблемных вопросов,связанных с совершенствованием расчетов и конструирования этих агрегатов.Создание современных агрегатов регулирования ЖРД – это комплексная задача, заключающаяся в изучении и анализе опыта проектирования, конструирования и создания уже существующих агрегатов, а также втеоретическом и экспериментальном исследовании физических процессов,происходящих в них.Решение этой задачи возможно лишь путем создания основанных напринципах системности (системном подходе) специальных методик по проектированию агрегатов регулирования ЖРД с помощью широкого применения САПР-программ и различных сред программирования.Вновь создаваемые или усовершенствованные методики должны вобязательном порядке подвергаться проверке посредством эксперимента.Так, например, проверка методик проектирования агрегатов регулированияЖРД заключается в проведении модельных испытаний агрегатов, созданныхс их помощью.

Модельные испытания агрегатов регулирования ЖРД состоятиз следующих этапов:– цеховая настройка, которая необходима для настройки задающихэлементов агрегатов регулирования;– стендовые испытания на воде. В ходе этих испытаний происходитнастройка агрегата на заданные выходные параметры, и снимаются его рабочие характеристики;– испытания на воспроизводимость рабочих характеристик агрегатапосле испытаний на тряску и вибрацию, испытаний при положительных иотрицательных температурах (±50°С), определяющие работоспособностьагрегата.Полученные результаты модельных испытаний, подтвержденные положительными результатами испытаний агрегата регулирования в составе3двигателя, являются идентификаторами, обусловливающими правильностьразработанной методики и принятых конструктивных решений, использовавшихся при их создании.Решению такой задачи и посвящена данная диссертационная работа.В ней с помощью вышеперечисленных математических инструментов, различного рода экспериментальных проверок и с использованием системногоподхода был создан новый, единый и более оптимальный подход к проектированию такого агрегата регулирования, как одноступенчатый золотниковыйстабилизатор давления (далее – СД) ЖРД больших тяг.

Системный подходгарантирует более полное и целостное преставление об этом агрегате, так каквключает в себя теоретическое, конструктивное и экспериментальное егоисследование, и позволяет изучать стабилизатор давления не только как самостоятельный элемент, но и как объект системы – двигателя.Данный подход воплощен в методике и программе расчета СД. Онипозволяют исследовать и анализировать влияние конструктивных параметровагрегата на его рабочие характеристики, описать СД как объект, находящийся в совокупности взаимодействующих объектов, то есть во взаимосвязи сдвигателем (посредством определения влияния подводящих и отводящихмагистралей СД и возмущения давлений них в системе гидропитания рулевых приводов ЖРД).

Разработанный программно-математический комплексапробирован на практике, его эффективность доказана экспериментально.Использование этого расчетного комплекса в дальнейшем упростит созданиеновых и модернизацию имеющихся конструкций золотниковых СД, а такжебудет способствовать сокращению сроков их разработки, уменьшит трудозатраты, связанные с освоением производства, повысит качество и надежностьизделий.Таким образом, использование системного подхода при проектировании и создании одноступенчатых золотниковых стабилизаторов давленияЖРД больших тяг является актуальной темой.Цель и задачи исследования.

Целью диссертационного исследования является разработка методики и программы расчета одноступенчатогозолотникового стабилизатора давления ЖРД больших тяг, основанных насистемном подходе. Для достижения поставленной цели автором были решены следующие задачи:1. Проведено исследование и анализ конструкций СД, а также другихагрегатов регулирования ЖРД, применяемых в отрасли, и имеющих золотниковую конструктивную схему исполнения. Определены конструктивныеобщности этих агрегатов.2. Разработана математическая модель расчета стабилизатора давления ЖРД, учитывающая влияние конструктивных параметров СД, гидравлических характеристик подводящих и отводящих магистралей в системе гидропитания рулевых приводов двигателя, возмущений давления в этих маги4стралях, утечек через зазор между трущимися поверхностями золотниковойпары СД на его рабочие характеристики; составлена расчетная схема к ней.3. Разработаны методические рекомендации по проектированию стабилизатора давления, которые позволят на основе принципов преемственности конструкций создавать новые конструкции СД, адаптированные под конкретные условия работы путем его модернизации (например, путем изменения, усовершенствования или улучшения конструктивных параметров основных элементов агрегата в зависимости от требований, предъявляемых к видуего рабочих характеристик).4.

Проведены расчетные (включая 3D - моделирование), исследовательские и опытно-конструкторские работы по определению влияния конструктивных параметров СД (профиля дросселирующих окон, пружины,площади чувствительного элемента) и гидравлических характеристик подводящих и отводящих магистралей агрегатов регулирования на его рабочиехарактеристики. Полученные экспериментальные данные проанализированыи сопоставлены их с расчетными значениями.5.

Разработанные конструкции СД внедрены в современные ЖРД(15Д285, РД191, РД181), проведена оценка эффективности их внедрения надвигатель.Научная новизна. Разработаны методика и программа расчета стабилизатора давления ЖРД золотникового типа, основанные на системномподходе к его проектированию. Методика и созданная на ее основе программа апробированы на практике и позволяют проводить расчеты СД с учетомособенностей его конструкции (профиля дросселирующих окон, силовой характеристики пружин, площади чувствительного элемента), утечек компонента топлива через зазор в золотниковой паре СД, влияния гидравлическиххарактеристик подводящих и отводящих магистралей в системе гидропитания рулевых приводов двигателя, возмущений давления в этих магистраляхна рабочие характеристики СД.

Также с помощью данной методики и программы можно проектировать новые конструкции СД и конструкции СД,адаптированные под заданные рабочие среды с разными характеристикамиагрессивности, уровнями давлений, значениями расходов, температур путеммодернизации их конструкции. Новизна данной методики заключается в том,что такой подход к проектированию одноступенчатых золотниковых СД ранее не использовался.Таким образом, была сформулирована и достигнута цель по разработке методических рекомендаций и программы проектирования стабилизаторов давления ЖРД, основанных на системном подходе.Агрегаты, созданные на основе разработанного системного подхода,внедрены и успешно эксплуатируются на мощных ЖРД – 15Д285, РД181 иРД191, что способствует дальнейшему развитию науки и техники ракетнокосмического направления.5Теоретическая и практическая значимость диссертационного исследования.