автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Комплексное прогнозирование деформативности и прочности элементов ротора высоконагруженных ТНА ЖРД

На правах рукописи

Устинов Георгий Николаевич

КОМПЛЕКСНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДЕФОРМАТИВНОСТИ И ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ РОТОРА ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ТНА ЖРД

Специальности:

05.07.05 — тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки

летательных аппаратов, 05.07.03 - прочность и тепловые режимы летательных аппаратов.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

КОМПЛЕКСНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДЕФОРМАТИВНОСТИ И ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ РОТОРА ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ТНА ЖРД

Специальности:

05.07.05 - тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки

летательных аппаратов, 05.07.03 - прочность и тепловые режимы летательных аппаратов.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Экз. №1А

УДК629.7.017.1.036.54.064.5

На правах рукописи

Устинов Георгий Николаевич

Москва 2004

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Исследовательский центр имени М.В. Келдыша.

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Коровайцев А.В.

- доктор технических наук,

- Чумаченко Б.Н.

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное

предприятие "Конструкторское бюро химавто-матики" (ФГУП КБХА, г. Воронеж)

Защита диссертации состоится "22"_декабря_ 2004 г. на заседании диссертационного совета К 403.009.01 при ФГУП Исследовательский центр имени М.В. Келдыша по адресу г. Москва, 125438, ул. Онежская, д.8/10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП Центр Келдыша.

Автореферат разослан ноября 2004г

Ученый секретарь Специализированного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие и совершенствование двигательных и энергетических установок (ДУ и ЭУ) идет не только по пути повышения их энергетических характеристик (импульса, тяги и пр.), совершенствования габаритно-массовых характеристик, но и по пути увеличения их надежности, ресурса, а также возможности многоразового использования.

В ДУ и ЭУ наиболее сложной и напряжённой конструкцией является тур-бонасосный агрегат. В них воплощены оптимальные способы преобразования различных видов энергии в компактном объёме. Отмеченное свойство приводит к усложнённым конструкторским решениям с задействованием возможно больших резервов прочности. В этом аспекте, задачи обеспечения прочности и деформативности элементов ТНА были и будут в центре внимания специалистов по механике деформируемого твёрдого тела.

При создании ЖРД, для проекта "Энергия-Буран" (рис.1) проблемы прочности и деформативности элементов ТНА двигателей РД 170 и РД 0120 проявились особенно остро. Большая часть претензий относилась к турбине, рабочим колесам (РК) насосов, опорам, уплотняющим устройствам. Наиболее критично ситуация складывалась для рабочих колёс (РК) ТНА насоса горючего двигателя РД0120.

Высокие окружные скорости на выходе ~до 640м/с приблизили уровень напряжений в конструкции (помимо зон не связанных с эффектами концентраций) к предельным прочностным показателям используемых материалов. Анализ отрицательных результатов испытаний инициировал работы по созданию более совершенных методик расчётов для

Рис. 1

высоконагруженных РК. Было создано новое программно-методическое обеспечение (ПМО) для комплексного прогнозирования прочности и деформатив-ности высоконагруженных РК на основе метода конечных элементов (МКЭ), что позволило провести систематическую оптимизацию конструкции винильно-го РК 0120 и при тесном сотрудничестве со специалистами КБ, не только создать работоспособный штатный вариант по прочностным показателям, но и стабилизировать уровни пульсаций и утечек по ступеням насоса, обеспечив нужную деформативность. Такая методология при практической доводке РК насосов применялась впервые.

Значительные скорости вращения ротора (до 40.000об/мин.) и требования к удельным весовым параметрам ТНА определили применение "гибкого ротора". Прохождение критических зон по частотам вращения при высоких мощностях вызывает существенное возрастание нагрузок на элементы опорных узлов и вибраций ТНА. Уровень вибраций во многом определяется жесткостными и демпфирующими параметрами опорных узлов, гидродинамическими свойствами уплотнительных устройств. Опорные узлы на ТНА двигателя РД 0120 включают упругие элементы в виде колец, а уплотнительные устройства исполнены с применением плавающих колец. Плавающие ушютнительные устройства использовались также для РД 170. Упруго-демпферные опоры (УДО) и плавающие уплотнения - эффективные конструктивные элементы воздействия на снижение уровня вибраций и отстройки от резонансных частот вращения. Поэтому важной теоретической и практической задачей становится определение жеско-стных свойств УДО, геометрии деформирования плавающих уплотнений в ТНА ЖРД и энергоустановок.

Актуальны динамические задачи, относящиеся к вращающимся роторам. Теоретические задачи связаны с качеством моделирования расчётных схем конструкции, что важно при расчётном обосновании экспериментальной модели натурного изделия для изучения динамических свойств конструкции, либо спе-

цифических свойств отдельного её узла. Автономная экспериментальная отработка такого узла в составе модели натурного ротора значительно снижает стоимость экспериментальной отработки и доводки будущего изделия. Цель работы:

1.Разработка метода, универсальной методики и программно - методического обеспечения расчёта жесткости и деформативности упруго-демпферных опор ТНА ЖРД и энергоустановок;

2.Разработка программно-методического обеспечения для расчётов НДС и оптимального проектирования высоконапряжённых элементов ТНА ЖРД и энергоустановок, со свойствами циклической симметрии конструкций;

3.Разработка экспериментально-теоретической методики исследования динамических свойств узла сочленения сложных роторов на основе численного моделирования и расчёта критических частот вращения модели ротора с учётом специфики работы узла конкретного конструктивного исполнения.

Научная новизна работы:

1.Методы расчёта деформирования упруго--демпферных опор, состоящих из пакета гибких элементов:

- численный метод расчёта контактно-взаимодействующих упругих колец (элементы УДО) при больших перемещениях;

- аналитический метод расчета идеальных упругих колец под действием давлений при больших перемещениях;

- метод расчёта контактно взаимодействующих колец на основе линеаризованных уравнений деформирования.

2. Оптимизации напряжённого и деформированного состояния высоконагру-женных элементов ТНА ЖРД, со свойствами циклической симметрии:

- разработка программно-методического обеспечения для моделирования и численного решения задач о НДС высоконагруженных рабочих элементов ТНА на основе МКЭ с использованием осесимметричных, оболочечных и трёхмер-

ных конечных элементов (для трёхмерного элемента в качестве базового использован комплекс САПР-82 разработки ИМАШ АН СССР);

- задача оптимизации РК насоса горючего ТНА ЖРД 0120 при проектировании, изготовлении и отработке на опыте создания штатного варианта;

- оператор автоматизированного построения дискретной трёхмерной математической модели РК.

- 3.Расчётно-экспериментальная методика определения влияния специфики конструкции узла сочленения валов сложного ротора на динамическую нагру-женность опор:

- моделирование особенностей взаимодействия деталей узла сочленения между собой при определении критических частот вращения ротора;

- расчётное моделирование экспериментального ротора для изготовления;

- экспериментальное определение вибронагруженности опор от конструктивного исполнения узла сочленения.

Практическая ценность работы

Разработаны методы и программно-методическое обеспечение расчёта НДС элементов высоконагруженных ТНА - упруго-демпферных опор, уплотни-тельных устройств и РК, позволяющих определять прочностные и деформационные параметры и прогнозировать необходимый их уровень, способный снизить виброперегрузки и создавать оптимизированные конструкции.

Разработана экспериментально-теоретическая методика, позволяющая смоделировать экспериментальную конструкцию ротора и решать задачи отработки узлов сочленения сложных роторов, что способствует снижению затрат и сокращению времени на отработку. Достоверность

Достоверность результатов решения основных задач подтверждается: в методическом плане - сравнением с имеющимися экспериментальными данными и с результатами расчёта другими методами, а также результатами тестиро-

вания создаваемого ПМО на решении всесторонне изученных задач; в практическом плане - использованием результатов расчёта по уточнению жесткостных свойств УДО для опор роторов ТНА ЖРД КВД-1М, работающих без замечаний к этим узлам; внедрением основных рекомендаций по изменению конструкции РК насоса горючего РД 0120 в штатный вариант ТНА, вошедшего в состав двигателя на успешных лётных испытаниях ракетоносителя «Энергия» (1987) и ракетно-космической системы «Энергия-Буран» (1988).

Апробация работы

Основные результаты работы в разные отрезки времени докладывались на семинаре аспирантов кафедры М-1 МВТУ им. Н.Э.Баумана (руководитель проф., д.т.н. В.И.Усюкин), на постоянно действовавшем семинаре по механике деформирования твёрдого тела МАИ (руководитель Чл.-корр.АНСССР Э.И.Григолюк), неоднократно на Совете Комплексной бригады прочности по отработке РД 0120 в КБХА, возглавляемом проф., д.т.н. А.В.Кармишиным.

Публикации

Работа содержит результаты, полученные в период с 1975 по 2000г.г. и опубликованные в 6 статьях, в монографии (раздел в соавторстве) и в 16 научно-технических отчётах.

Объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников из 102 наименований, содержит 168 страниц основного машинописного текста, 9 таблиц, 77 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемых задач, определены цели работы и приведена её краткая характеристика.

В первой главе выполнен аналитический обзор литературы по проблемным вопросам, связанным с проектированием, конструированием и отработкой роторных машин, к классу которых относятся ТНА ЖРД и энергоустановок.

Ротора - основной источник вибраций и пульсаций. Центральной задачей для ТНА является определение критических частот вращения. В отношении к этому свойству ротора при проектировании и отработке, с точки зрения механики деформируемого твёрдого тела просматриваются как статические, так и динамические расчёты почти всех элементов агрегатов подачи ЖРД и энергоустановок. Поэтому прогнозирование параметров прочности и деформативности элементов конструкции агрегатов подачи ЖРД и энергоустановок, критических частот вращения ротора и оценке его динамических свойств как составляющих теоретической и экспериментальной базы данных по оценке вибронагруженно-сти при конструировании является важнейшей задачей.

Первые роторные машины вращались с частотами меньше критических. Динамический расчёт ограничивался поиском первой критической частоты и отстройкой от нее в сторону меньших рабочих оборотов.

К.Лаваль экспериментально, А.Фешшь и Е.Л.Николаи теоретически первыми показали жизненность ротора, работающего за критическими частотами вращения. Прочностные требования к роторным машинам исключали применение валов с малыми изгибными жесткостями, которые могли стать неустойчивыми из-за внутреннего трения. Конструкторы опасались так же автоколебаний. Предпочиталось демпфирование, идею которого экспериментально решил П.Л.Капица. Основные проблемы механики, относящиеся к роторам на этом этапе развития турбомашиностроения, были сформулированы в виде математических задач, частично решённых и обобщеных с единых позиций в монографии Ф.М.Диментберга "Изгибные колебания вращающихся валов.,М.,АН СССР, 1959".

Выделенные Ф.М.Диментбергом задачи к настоящему времени решены, но продолжаются исследования по пути более детальных постановок. Это относится к УДО, гидро и газодинамическим опорам, узлам уплотнений, решению связанных задач гидро - газомеханики и механики деформируемого твёрдого тела. Значительный вклад в этих направлениях принадлежит школам А.СКельзона,

Э.Л.Позняка, АГ.Костюка. Заметен вклад зарубежных авторов, в большинстве американских и японских с характерной направленностью на практическое использование.

Решаемые задачи стали приобретать комплексность и характеризуются тесным взаимодействием специалистов разного профиля и поиском оптимальной конфигурации конструкции, отвечающей повышенным функциональным параметрам и прочностным показателям. Акцентировано это замечание относится к турбине. Причастность ведущих в научно-техническом отношении отечественных отраслей промышленности, работы таких научных школ как школы И.А.Биргера, Б.Ф.Шорра, СВ.Серенсена, Н.А.Махутова, В.В.Болотина, Г.С.Жирицкого позволила объективно выявить одну из принципиально важных методологических особенностей процесса создания турбины -оптимизационный подхода. Эта методология применена автором к оптимизации конструкции рабочего колеса насоса горючего ТНА РД 0120.

Некоторые задачи сохраняют приоритетность и автономность для специалистов прочности. К числу таких задач можно отнести теоретическое исследование деформирование упругих элементов УДО, сложным образом взаимодействующих между собой. Анализ литературы показал, что мало внимания уделено исследованию элементов соединения составных роторов.

Современное состояние численных методов решения задач механики деформируемых твёрдых тел, революционное развитие вычислительной техники, обширный экспериментальный материал позволят оптимистично оценить возможность создания базы данных, которая могла бы эффективно содействовать созданию конструкций ТНА ЖРД на всех этапах процесса.

Проведенный обзорный анализ, обоснование актуальности в необходимости решения некоторых задач с точки зрения заявленной темы диссертации, позволил представить их список и список вопросов, рассмотреных в работе:

1. Конструктивные и деформационные особенности свойств упруго-демпферных опор; методы расчёта деформирования их упругих элементов с учётом больших перемещений;

2. Разработка универсального метода расчёта нелинейно деформирующихся и контактно-взаимодействующих гибких элементов УДО;

3. Разработка программно-методического обеспечения определения прочности и деформативности вращающихся элементов ТНА ЖРД и энергоустановок на основе метода конечных элементов;

4. Оптимизационные задачи деформирования циклически симметричных элементов сборки роторов при осесимметричном и трёхмерном рассмотрении.

5. Средства автоматизации и универсализации подготовки исходных данных для создания математической модели тел вращения, обладающих свойствами циклической симметрии;

6. Технологическая цепочка проектирования, создания и доводки сложных роторных систем;

7. Моделирование и основные методы описания поведения вращающихся роторных систем в приложении к задачам определения критических частот вращения;

8. Моделирование и экспериментально-теоретическое исследование узла соединения многовальных роторов;

9. Характеристика базы данных и современные продвинутые средства моделирования задач статики и динамики механики деформируемого твердого тела в обеспечение решения задачи снижения виброактивности агрегатов подачи ЖРД и энергоустановок;

10.Вибронагруженность как задача оптимизации на основе комплексная прогнозирования прочности и деформативности конструкций ТНА ЖРД и энергоустановок.

Во второй главе рассмотрены упруго-демпферные опоры, их функциональное назначение и свойства, приводятся основные виды их конструктивного исполнения и анализируются схемы деформирования гибких, упругих элементов, определяющих жесткостные и демпфирующие свойства. На рис.2 показаны гибкие элементы, содержащие в той или иной степени все особенности гибких элементов УДО

Рис.2

Практика, исследования отечественных и зарубежных учёных, по способам снижения вибраций и особенно при прохождении зон критических оборотов поставили в число наиболее эффективных методов применение УДО. Библиография по проблеме приведена в монографии А.С.Кельзона, Ю. П.Циманского, В. И.Яковлева "Динамика роторов в упругих опорах. М.: Наука, 1982"

Снижение амплитуд происходит благодаря снижению жесткости опоры и рассеянию энергии колебаний, идущей от возмущённого движения ротора, через трение между элементами конструкции опоры, гидравлические потери. Эти факторы определяют её демпфирующие свойства, что отразилось в названии.

Жесткостная характеристика формируется упругим сопротивлением гибких элементов, развитием способа контактирования, гидродинамической жесткостью. Демпфирующий эффект формируется за счёт изменения поверхностей контакта, прокачки под давлением масла, или компонента топлива. В работе рассмотрены задачи, относящиеся к деформированию.

Многообразие вариантов исполнения УДО, предлагаемых на этапах эскиз

ных и проектных проработок, нуждается в теоретическом и расчётном определении жесткостных свойств. В существующих методиках расчёта используют линейные подходы и для каждой новой конструкции эти методы различны. Потому представляется целесообразным разработка метода расчёта деформирования УДО с возможно большим расширением конфигураций конструкций, поддающихся теоретическому исследованию, т.е. универсального.

Для теоретического анализа принят единый способ математического описания деформирования различных вариантов исполнения конструкции. Используются соотношения деформирования гибких, упругих, нерастяжимых стержней в плоскости нагруженных нормальными погонными усилиями(1).

= = = безразмерные внутренние силовые факторы;

q = q—- безразмерный параметр нагрузки; s =—,x = — ,y- — ,- безразмерные координаты, описывающие геометрию деформируемого стержня; а-характерный неизменяемый геометрический размер. Для задач этой главы, проводится интегрирование уравнений (1) для замкнутых круговых колец и за параметр а

принимается радиус окружности Rа. Но поскольку = то = Уравнения (1) в полярных координатах с началом в центре круга были впервые проинтегрированы Ж.Гальфеном (Halphen G. Traite des fonctions elliptiques et de leurs applications. 1886-1891). В диссертации проводится интегрирование в естественных координатах в функциях Вейерштрасса и предпринята попытка использовать аналитическое решение для создания методики расчёта гибких элементов УДО при различных краевых условиях (этим обстоятельством обусловлено применение естественных координат) с учётом воздействия давления подобной универсальной методике Е.П.Попова ("Нелинейные задачи статики тонких стержней"., Гостехиздат, 1948"). Однако, решение простейших задач,

м

привело к выводу о бесперспективности поиска по этому направлению в силу неудобства и трудоёмкости работы с трансцендентными разрешающими соотношениями для практического использования. Для изгибных форм свободных замкнутых круговых колец с использованием свойств периодичности при для естественных координат в диссертации приводятся выражения полностью определяющие силовое и деформированное состояние

^/и,92(С1,С2^3(С1,С2),дз(С1,С2))=л-/«, а)'(д2(С„С2из(СиС2))=2ф ,гдед2 =С + ЗА2, д3 = А3 - АС-В2,С1 = 3/2-А=3/2-ф), С2=-1/4-С, 2д = -р'(у)=-В.

Последние уравнения являются разрешающими относительно условия по углу и значения полупериода для формы (?2><7.г инварианты Вейрштрассовой функции, зависящие от неизвестных постоянных Постоянная вычисляется

после определения геометрии из условия равновесия на любую из осей. На рис.3 представлена первая изгибная форма, пересчитанная для системы координат ХОУ, связанной с центром кольца.

В главе 3 отмечено, что численные методы решения прикладных задач механики деформируемого твёрдого тела к настоящему времени доминируют. Наиболее продуктивными являются непосредственное численное интегрирование дифференциальных уравнений с удовлетворением тем или иным способом краевых условий и универсальный МКЭ. В этой части работы для изучения процесса деформирования системы взаимодействующих гибких упругих элементов УДО применяется непосредственное интегрирование. За

основу взят метод Н.В.Валишвили ("Об одном алгоритме решения нелинейных краевых задач.", ПММ. Т.32.№6.,1968). Приводится запись формулировки краевой задачи в векторной форме.

Предложено обобщение метода в части расширения возможности процедуры поиска решения включением в число параметров движения (базовый метод сочетает концепции шагового метода и метода начальных параметров) начальных несовершенств идеальных систем. Вводимые несовершенства позволяют преодолевать точки бифуркации и после их прохождения возвращаться к решению задачи деформирования идеальной системы. Эта идея, высказанная В.И.Феодосьевым и А.С.Вольмиром, органически вписывается в разработанный алгоритм численного решения краевых задач. Обобщением используемого метода является также формальное включение в число неизвестных начальных параметров длины интервала интегрирования (связано с неизвестной длиной участков контакта).

Разработанное ПМО для метода отлаживалось на трёх задачах, решение которых представлено в диссертации:

1.3акритическое деформирование идеального кругового гибкого кольца под действием сжимающей равномерно распределённой следящей погонной нагрузкой с начальной эллипсностью. Для значений нагрузки превышающей первую критическую несовершенство формы выбиралось до нуля. Приведено графическое изображение решения с нулевого уровня нагрузки до её закритического значения с последующей выборкой несовершенства;

2.Деформирование гофрированного кольца под внутренним давлением. Результаты расчёта сравниваются с экспериментом по испытанию на податливость длинной цилиндрической гофрированной вставки, используемой в качестве демпфера на топливных магистралях насосов ТНА ЖРД. Совпадение с экспериментом на участке упругого деформирования не превышает 2%.

З.Определение податливости стандартного упругого кольцевого элемента, применяемого в УДО ТНА ЖРД. Особенностями задачи являются возможность двух схем деформирования, кинематическое нагружение и нелинейные ограничения, формирующие краевые условия скольжения по вкладышу или кольцу подшипника. Податливость вычисленная по формуле применяемой в КБ лежит между значениями подсчитанной для двух схем.

На основании анализа возможных случаев взаимодействия упругих элементов между собой, абсолютно жесткими вкладышем в гнезде корпуса и наружным кольцом подшипника выявлены две ключевые задачи, решение которых и третьей отладочной задачи позволяет формировать систему уравнений деформирования многослойного пакета из сочленения участков.

Этими задачами являются:

1.Контактное деформирование по участку с жестким кольцом подшипника;

2. Контактное деформирование по участку двух гибких упругих колец.

На рис.3 и 4 представлена расчётная схема и результаты решения первой задачи. Величины относящиеся к участку контакта отмечаются индексом 1, к свободному участку2. Для участка 1 имеем Мх = Ы{\ / R2 -1 / R1 > dMJ / dS, = Q = 0,

соотношения

dNl/dSl= 0, N{ = const, qR=q + N{/R{. Для участка 2 имеем условия

при S2 =l,M2 = El(l/R2-l/Rl),&2=l/Rl;npu S2=xR2/n,Q2 = 0,$2=x/n. (2) 7t _ x2(я R2/n)+R{ [sin(/ / )- sin(^ / и)]

Ijj

7 jt

7 РисЗЧ Уог У /г.

0 , , jr rr" 0 Рве. 20 4

И дополнительно tg — =--,-—т-f-т—-Ч-7——vi

n - y2 [л R2 / n)+Ä, |cos(/ / R{) - cosyr / n )\

а в точке О выполняются условия сопряжения

(3),

Неизвестными начальными параметрами интегрирования являются JV2 (/), Q2 (/),/. В соответствии с приведенным методом они вычисляются таким образом, чтобы выполнялись условия (2) и (3). На рис.3,4 приведены зависимости безразмерных величин изгибающих моментов M = M2(xR2/n)-R2/EI (сплошные кривые) и длины участков контакта I =l/R2 (пунктирные кривые) от внешней нагрузки при относительных зазорах = St IR2 = 0.01 i (/ = 1,2).

На рис.5,6 представлена расчётная схема и результаты решения второй задачи. Величины относящиеся к участку контакта отмечаются индексом 1, к не

контактирующим участкам 2,3. На контактном участке кольца изгибаются как пакет с суммарной жесткостью Eli =Е12+Е1з. По участкам 1 и 2 действуют одинаковые перепады давлений направленные

к центру; на третьем давление отсутствует дз~0. Система дифференциальных уравнений равновесия для каждого участка сохраняет вид (1) с точностью до знаков в геометрических формулах, зависящих от расположении участков в системе координат ХОУ. Краевые условия представляются как

¿>2 (j2B )=я/л; ß3 fee) = 0; (*зс ) = я)п (4)

0 10 20 30 40 Анализ системы уравнений

деформирования, включая систему для деформирования разъединённых гибких элементов по участку контакта, позволил выделить независимые начальные параметры N3 (о) или 2з(0),Л/2(о),или JV3(0), tf2(o), ß2(0), ,9,(0), SlA (Su-

длина дуги контактной зоны), которые в соответствии с применяемым методом определяются так, чтобы удовлетворялись равенства (4). Получены формулы для контактного давления и сосредоточенной силой в точке начала контакта

-ДГ2(0)-д.Ц(0)1 1 + а

1 + а

^ а где а = £/Я

ек-

1 + сс

Ей

Обращает внимание возрастающая разность погонных контактных реакций в начальной и конечной точках контакта от внешней нагрузки (Рис.6).

При выборе методов решения контактной задачи был опробован приём линеаризации, доведённой до числовых результатов для частной задачи А.В. Зайцевым и В.П.Печниковым (Рис.7). Автором независимо была выполнена только линеаризация. Этот метод малоэффективен, поскольку в каждой задаче требуются достаточно трудоёмкие алгебраические преобразования для получения выражений коэффициентов разрешающей системы уравнений. В методическом плане интересно сравнение нелинейного и линейного решений представленного на Рис.7. Зависимости длины участков контакта при малых зазорах близки, а моменты даже при малых зазорах заметно отличаются. В заключительной части главы излагается общий алгоритм решения задачи о деформировании пакета гибких упругих элементов УДО, определение его податливости.

В главе 4 изложено применение МКЭ к расчёту элементов ТНА ЖРД и к решению основной задачи — оптимизации прочности и деформативности при проектировании и доводке высоконагруженных рабочих колёс (РК) насосов на опыте создания РК для двигателя РД 0120.

Большая часть узлов и элементов агрегатов подачи и энергоустановок по форме относятся к телам вращения, со сложной фигурой поперечного сечения,

работающим при комплексном воздействии сил различной природы, зависящим в некоторых случаях от свойств деформативности конструкции. При проектировании этих элементов приходится решать связанные задачи механики деформируемых тел и гидромеханики. По ТНА автору известны две задачи решенные впрямую как связанные. Расчёт лопастей шнеков (ВАФедотчев, ИЦ Келдыша) и плавающих уплотнений (И.Д.Постников, КБ "Энергомаш"). На рис.8 показано уплотнительное устройство с плавающими кольцами, режим течения в щели которых чувствителен к зазору. Решение подобных задач проводится при сотрудничестве специалистов по прочности и гидромехаников путём итерации. Для решения осесимметричных задач деформирования с учётом возможной анизотропии было создано ПМО, с помощью которого велись расчёты уплотнений с плавающими кольцами по заданиям КБ при отработке ТНА ЖРД двигателей РД 170, РД 0120.

Задача оптимизации рабочего колеса насоса горючего ТНА РД 0120 была определена с начала создания двигателя жесткими требованиям ТЗ к проекту. Оптимальные подходы к общедвигательным вопросам и высокие энергомассовые характеристики ТНА определили выбор высоконагруженного трёхступенного водородного насоса. Это первый этап по оптимизации РК (Рис.9). На втором этапе проводился выбор материалов с высокой удельной прочностью в сочетании с первым приближением в поиске оптимального варианта формы, определяющей функциональные свойства РК, увязывающиеся с технологией и НДС, которое рассчитывалось с помощью созданного ПМО. Автономные испытания выявили

недостаточную прочность и образование трещин у корня лопаток на входе у ступицы, приводивших к разрушению (Рис. 10). Третий этап оптимизации связан с исследованием вариантов исполнения, позволяющий снизить напряжённость РК. Эти работы позволили рекомендовать изменения конструкции улучшающие статическую прочность и получить характер деформирования, снижающий пульсации на выходе из колеса и стабилизирующий течение в щелях уплотнительных устройств на РК.

Параллельно с отмеченными исследованиями автором создано ПМО, позволяющее учитывать циклическую симметрию РК. Базовый комплекс разработан в ИМАШ АН СССР и использует трёхмерный конечный элемент. В табл. 1 (рис. 11) даны сравнительные результаты уточнённых расчётов по трёхмерной методике с учётом циклической симметрии и эксперимента (испытания с тен-зометрированием при нагружении центробежными силами проведено в ИПП АН СССР (г. Киев)) одного из вариантов конструкции РК. Таблица 1

Способ определения Интенсивность напряжений, МПа Расхождение с экспериментом, %

Точка А Точка В Точка С Среднее между А,В

Расчет 1480 1400 1080 1440 7,0

Эксперимент ближе к А 1340-

Штатный вариант 980 930 900 955 Прогнозируемое по изменённой конструкции, 8,2

Четвёртый этап заканчивает исследование статической прочности уточнённым расчётом по трёхмерной методике, сопоставлением с экспериментом.

На огневых испытаниях отмечались случаи разрушения РК (рис.12), от-С личающиеся характером от разрушения на разгонных В испытаниях и автором было проведено расчетное исследование собственных частот и форм колебаний периферийных областей на выходе из колеса помощью МКЭ (оболочечный конечный элемент). Результаты расчётов, на

А

основании моделирования областей по контурам отрыва частей РК и прогнозированию возможных форм колебаний показали зону расположения собственных частот в диапазоне от 5,8 до 6,6 кГц. Эти частоты заключали частоты пульсаций давления при прохождении каждой из лопаток колеса лопатки соплового аппарата, т.е. работе в резонансной зоне. При трехъярусном РК с лопаточной формулой 6+6+12 прогнозировалась отстройка за 11,5 кГц. Проведённые эксперименты в ЦИАМ и ИМАШ варианта старой конструкции (рис.13) и нового (рис.14), ставшего впоследствии штатным, подтвердили результаты расчётов (представлены данные ИМАШ: 6,367 и 13,291 кГц соответственно). Это пятый этап по оптимизации.

В диссертации предложен оператор построения циклически симметричной части рабочих колёс ТНА, существенно снижающий трудоёмкость построения твёрдотельной модели по минимальным проектным данным по геометрии. Заключительным шестым этапом следует считать прогнозирование ресурса не рассмотренным в работе.

В пятой главе рассматриваются особенности моделирования составного ротора при определении критических частот вращения. Отмечается необходимость дифференцированного подхода в применении программно-вычислительных средств, сообразуясь с предназначенностью расчётов конкретному этапу создания ТНА ЖРД и энергоустановок. На ранних этапах проектирования, при обвязке создаваемой машины базовыми параметрами, предпочтительны мобильные одномерные модели (NISA, RAPPID, DYNAMICS R3/1), при

поверочных расчётах и при решении других специфических задач применяются тяжёлые вычислительные пакеты типа ANSYS, NASTRAN. В работе экспериментально-теоретическим путём исследуется влияние на динамическое поведение составного ротора элемента соединения валов, выполненного в виде втулки. Методика разработана при проектировании экспериментального ТНА (ЭТН) в ИЦ Келдыша. Одной из задач было экспериментальное

изучение влияния на динамические свойства ротора узла связи между валом турбины и валом насоса окислителя, выполненного в виде втулки с зазором, создающим при вращении эксцентриситет массы.

Критические частоты обоих роторов определялись по двум моделям: одномерной, рекомендуемой отраслевым стандартом и двумерной (разработка В. И. Бубнова, ИЦ

модель позволила отразить особенности узлов стыка (рис. 17,поз. 1,2,3). Установлено, что расчётные первые низшие критические частоты вращения составной сборки практически совпадают с критическими частотами, вычисленными для

Келдыша). Двумерная Таблица 2

№ п/п Турбина, ГЦ Центральный ротор, Гц Правый ротрлГЦ РОТО] р в сборе

Гц об/мин

1 488 494 29640

2 723 723 43300

3 960 1010 60600

4 1033 1055 63300

5 1070 64200

б 1180 1235 74100

7 1490 1360 81600

отдельных частей (турбины, насосов), что позволяет эффективно использовать это свойство при моделировании ротора-прототипа (табл.2.). В силу этого отмеченная задача рассматривалась для части сборки, состоящей из вала турбины и вала насоса окислителя. Для ротора-прототипа ЭТН колесо турбины и два рабочих колеса насоса при численном моделировании заменялись дисками с размерами, которые давали те же значения критических частот вращения, что и у

аналогичных элементов проектируемого составного ротора ЭТН. Для исследования узла ротора-прототипа использовались валы с изгибными жесткостями валов и комплектующими опор, что и у ЭТН. Толщины дисков модели у ступицы и на периферии подбирались по следующей методике. Для составного ротора-прототипа с целью уточнения толщин дисков через рассчитанные коэффициенты влияния, указанных выше толщин, решалась система алгебраических уравнений равенства квадратов критических частот вращения составного ЭТН и составного ротора-прототипа.

Испытания модельного ротора, изготовленного по определённым средним

толщинам (рис. 15), проводились в ИЦ Келдыша на стенде СТ-3/54 до 30000об/мин.

Сравнение экспериментальных результатов по вибросостоянию ротора с расчетными значениями приведено в табл.3 Максимальное значение расхождения составляет 20,4 %, что приемлемо в начале около резонансной зоны. Полученные результаты

подтверждают качество

моделирования специфики

элемента соединения и возможность применения методики моделирования для практического использования.

Основные выводы по работе 1.Разработан метод решения нелинейных краевых задач механики деформирования твёрдых тел, являющийся обобщением шагового метода и метода началь-

ных параметров в части рассмотрения начальных несовершенств по отношению к идеальным системам как параметров движения в области поиска решения.

2.Создано программно-методическое обеспечение (ПМО), реализующее разработанный метод и решены основные краевые задачи контактного взаимодействия гибких элементов упруго-демпферных опор ( УДО) ТНА ЖРД и энергоустановок.

3.Получено аналитическое решение в естественных координатах задачи изгиба гибкого элемента упруго-демпферных опор ТНА ЖРД под действием сжимающего давления нагрузки и проведено линеаризированное решение деформирования двух гибких, контактно взаимодействующих элементов УДО.

4.Создано (ПМО) для расчёта напряжённо- деформированного состояния (НДС) осесимметричных деталей ротора ТНА ЖРД методом конечных элементов, с учётом анизотропии, и на базе комплекса САПР-82 (ИМАШ АНСССР), использующего трёхмерный конечный элемент, модуль решения задач определения (НДС) элементов ТНА ЖРД, обладающих циклической симметрией.

5.Разработан оператор построения циклически симметричной части трёхмерной геометрической модели рабочих колёс насоса по минимальной информации, позволяющий эффективно проводить расчёты на этапе проектирования.

6.С помощью разработанных средств ПМО, использующих осесимметричный, оболочечный, и трёхмерный конечный элементы, проведена систематическая оптимизация прочности и деформативности рабочего колеса насоса горючего ТНА ЖРД 0120.

7.Разработана расчётно-экспериментальная методика исследования узлов сочленения составных роторов ТНА ЖРД и энергоустановок с применением метода конечных элементов при моделирования конструкции ротора и специфики взаимодействия деталей, входящих в сборку узла.

Основные положения и результаты работы изложены в следующих публикациях и научно-технических отчётах:

1. Устинов Г.Н.Облегание жесткого вкладыша гибким кольцом. Изв.вузов, Машиностроение. МВТУ им. Н.Э.Баумана, №9,1976

2. Устинов Г.Н.Контактное взаимодействие гибких соосных колец. Изв.вузов, Машиностроение. МВТУ им. Н.Э.Баумана, №11, 1977

3. Зайцев А.В., Печников В.П., Устинов Г.Н. В кн.:Расчёты на прочность Вып. №18. М., «Машиностроение», 1977

4. Устинов Г.Н.Численное определение деформирования гибких стержней. Депон.рук. ПТО, № 12,1978

5. Программа расчёта деформирования упругих плавающих колец агрегатов подачи. ГОНТИ-8; Исполн. Устинов Г.Н..-ОФАП., Инв.№ 24823, 1982

6. Аникин А.Ф., Устинов Г.Н., Чинёнов А.В. Методическое руководство и инструкция к пользованию программы САПР-82., ГОНТИ-8, инв.№31336,1987

7. Авторское свидетельство на изобретение (в соавторстве) № 267657 от 4.1988

8. Методика определения НДС циклически симметричных конструкций на основе автоматизированного построения дискретной модели. НТО/Центр Келдыша; Исполн. Устинов Г.Н., - Инв.№31457,1989

9. Анализ материалов по расчету роторов турбоагрегатов. Программа расчётов и методические подходы к определению конструктивно-технологических параметров модельных роторных систем. НТО/Центр Келдыша; Исполн. Бубнов В.И., Смирнов AJB./Устинов Г.Н.,- Инв .№3117 - 1999г.

10. Разработка технологической цепочки проектирования и изготовления модельной роторной системы. Разработка программы испытаний НТО/Центр Келдыша; Исполн. Бубнов В.И., Устинов Г.Н., Филин Н.А - Инв.№3195,2000г.

11. Проведение испытаний модельного ротора. Анализ результатов. Рекомендации по моделированию составных роторных систем. НТО/Центр Келдыша; Исполн. Бубнов В.И., Смирнов А.В., Устинов Г.Н., и др. - Инв.№3309 - 2000г.

Устинов Георгий Николаевич

КОМПЛЕКСНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ

ДЕФОРМАТИВНОСТИ И ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ РОТОРА ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ТНА ЖРД

Автореферат

Лицензия ЛР № 040400 от 25 12 97

Подписано в печать 15 11 2004 г

Формат 60x90/16. Бумага типографская

Набор на компьютере. Шрифт Times New Roman

Авт. л. 1,3. Уч.- изд. л. 1,5.

Тираж 50 экз. Заказ 262.

Отпечатано в ФГУП «Центр Келдыша»

125438, Москва, Онежская, 8

*225ti

Введение.

Глава 1. Комплексное прогнозирование прочности и деформативности элементов ТНА и энергоустановок, критических частот вращения ротора в аспекте вибропагруженности.

1.1. Общие сведения.

1.2. Вопросы динамики роторов турбомашин.

1J. Анализ отраслевых материалов и нормативных документов по динамике роторов турбоагрегатов энергоустановок.

1.4. Прогнозирование прочности и деформативности элементов ТНА ^ ЖРД, энергоустановок и сборки ротора, включая критические частоты вращения.

1.5. База теоретических и экспериментальных данных и оптимизация конструкции элементов агрегатов подачи энергоустановок.

1.6. Основные задачи, представленные в работе.

Глава 2. Упруго-демпферные опоры, особенности деформирования и основные краевые задачи.

2.1. Функциональное назначение, свойства и конструктивное исполнение упруго-демпферных опор.

2.2. Система дифференциальных уравнений деформирования гибких упругих элементов УДО.

2.3. Интегрирование системы дифференциальных уравнений^ деформирования.

2.4. Изгибные формы замкнутого кольца и числовые расчеты для первых трёх форм потери устойчивости.

2.5. Основные виды взаимодействия элементов УДО между собой, жесткими элементами обоймы и специфика краевых задач.

Глава 3. Метод чнсленного решения основных краевых задач деформирования гибких элементов УДО.

3-1 Математическая формулировка нелинейной краевой задачи.

3.2 Алгоритм поиска решения нелинейной краевой задачи.

3.3 Результаты численной реализации некоторых краевых задач в приложении к возможным конструктивным вариантам исполнения единичных гибких элементов УДО.

3.3.1 Изгиб замкнутого кругового кольца при действии следящей сжимающей погонной нагрузки.

3.3.2 Гофрированное замкнутое кольцо при действии следящей внутренней погонной нагрузки.

3.3.3 Стандартный упругий элемент, используемый в гнезде УДО,

Щ нагруженный кинематически.

3.4. Основные краевые задачи контактирования гибких элементов.

3.4.1 Контактирование гибкого элемента с жестким вкладышем подшипника УДО ротора.

3.4.2 Контактирование гибких элементов между собой.

3.4.3 Инженерное решение задачи деформирования контактирующих гибких элементов и сравнение с нелинейным решением.

Общий алгоритм решения задачи о деформировании пакета упругих гибких элементов УДО, определение податливости.

Глава 4. Оптимизация прочности и деформативиости при проектировании и доводке рабочих колее насосов и турбины энергоустановок с помощью МКЭ. IQg

4.1. Анализ статистики уровней несущей нагрузки рабочих колёс насосов ТНЛ ЖРД.

4.2. Постановка краевых задач и их конечно-элементное представление. Ill

4.3. Разработанные профаммные средства реализации МКЭ, их основные характеристики, отладочные задачи.

4.3.1. Программа реализации расчёта осесимметричного напряжённо-деформированного состояния с учётом анизотропии.

4.3.2. Базовый комплекс программ САПР-82 (ИМАШ АН СССР) на основе трёхмерного конечного элемента, его развитие и отладка в

ИЦ Келдыша.

4.4. Оптимизация рабочего колеса насоса горючего ТНА РД 0120.

4.4.1. Осесимметричные решения задач прочности и деформативиости.

4.4.2. Трёхмерные решения с учётом свойств циклической симметрии.

Частоты и формы собственных колебаний РК ТНА РД 0120.

4.5. Оператор генерации геометрии математической модели рабочих ф колёс агрегатов подачи на основе минимально необходимой информации полученной при эскизном проектировании.

Глава 5 Моделирование при определении критических частот составного ротора и расчётно-экспернменгалыюм исследовании конструктивных свойств соединительного узла валов как возможного источника повышенных вибраций.

5.1. Технологическая цепочка проектирования и изготовления модельной роторной системы ТНА ЖРД.

5.1.1. Алгоритм проектирования модельной роторной системы. j^g

5.1.2. Инженерная методика моделирования проектируемого ротора по прототнпному образцу.

5.2. Расчетно-теоретическое определение основных геометрических параметров элементов экспериментального ротора, формирующих спектр низших критических частот вращения.

5.2.1. Методика расчёта критических частот вращения ротора с использованием моделирования на основе МКЭ.

5.2.2. Расчёт основных геометрических параметров элементов экспериментального ротора. 159;

5.3. Экспериментальное определение влияния зазора в соединительном элементе роторов на уровень вибронагруженности модельного ротора.

5.3.1. Постановка эксперимента и комплектация испытательной ^^ установки.

5.3.2. Проведение испытаний и сравнение экспериментальных и теоретических результов.

5.4. Постановка задачи проведения численной оптимизации по снижению вибронагруженности ТНА ЖРД при прохождении зон расположения критических частот вращения ротора.

Выводы.

Наиболее сложной и напряжённой конструкцией жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) является турбонасосный агрегат (ТНА). В нем воплощен оптимальный способ преобразования энергии горячих газов в кинетическую энергию компонентов топлива посредством вращательного движения ротора в компактном объёме. При высоких значениях энергетических параметров, отмеченные свойства приводят к необходимости применения усложнённых конструкторских решений с задействованием возможно больших резервов прочности. В этом аспекте, задачи обеспечения общей прочности и деформа-тивности ТНА, а также конкретных его элементов с учётом специфики их функционирования всегда были и будут в центре внимания специалистов по механике деформируемого твёрдого тела.

При создании ЖРД, обеспечивающих проект "Энергия-Буран" (рис.1) возникли проблемы с обеспечением прочности и надлежащей деформативности элементов ТНА двигателей РД 170 и РД 0120, что задерживало отработку двигателей в целом.

Анализ неудовлетворительных испытаний при автономной отработке ТНА и при огневых испытаниях показывал, что аварийные исходы были связаны с недостаточной прочностью турбины, опорных узлов, уплотняющих устройств и с недостаточной прочностью рабочих колес (РК), причём в подавляющем большинстве случаев наиболее критично ситуация складывалась для РК ТНА насоса горючего двигателя 0120.

Использование в качестве горючего жидкого винила привело к необходимости спроектировать РК с неосвоенными прежде окружными скоростями на выходе ~до 640м/с. Реализация таких скоростей вызывала в достаточно обширных зонах конструкции РК уровень напряжений близкий к предельным физико-механическим характеристикам (ФМХ) прочности используемых материалов. Это помимо зон не связанных с эффектами концентраций. Проектные теоретические расчёты прочности, хотя и с малыми коэффициен

Рис. 1. ТНА РД 0120 - проект "Энергия- Буран" тами запаса, удовлетворяли "Нормам прочности". Имевшие место отрицательные результаты некоторых испытаний заставили уточнить методы расчета с точки зрения возможности применения к высоконагруженным РК. В результате было разработано программно-методическое обеспечение (ПМО) для комплексного прогнозирования прочности и деформативности высокона-груженных РК на основе метода конечных элементов (МКЭ). Созданное (ПМО) позволило провести систематическую оптимизацию конструкции винил ьного РК 0120, что позволило, при тесном сотрудничестве со специалистами КБ, не только создать работоспособный штатный вариант по прочностным показателям, но и стабилизировать уровни пульсаций и утечек по ступеням насоса. Такой методологический подход к отработке высоконагружен-ных РК представляется целесообразным, полезным и необходимым для включения в будущую новую редакцию раздела "Норм прочности", относящегося к прочности и деформативности высоконагруженных РК.

Значительные скорости вращения ротора (до 40.000об/мин.) и ограничения к удельным весовым параметрам агрегата определили необходимость применения "гибкого ротора". При выходе двигателя на номинальный режим работы, в моменты прохождения критических областей по частотам вращения, при высоких значениях срабатываемых мощностей, существенно возрастают нагрузки на элементы опорных узлов, и уровни вибраций ТНА.

Уровень виброперегрузок во многом определяется гидродинамическими и демпфирующими свойствами опорных узлов и уплотнительных устройств. Опорные узлы на ТНА двигателя РД 0120 включают упругие элементы в виде гибких упругих колец, а уплотнительные устройства на входе и выходе из РК исполнены с применением плавающих колец. Плавающие уплотнительные устройства использовались также для РД 170. Эти виды ун-лотний можно рассматривать как дополнительные опоры, обладающие гидродинамической жесткостью. Упруго-демпферные опоры и плавающие уплотнения являются эффективными конструктивными элементами воздействия на снижение уровня вибраций и отстройки от резонансных частот вращення. Если упруше и демпфирующие свойства опор зависят только от свойств деформативности конструкции опоры, то аналогичные свойства плавающих уплотнений зависят как от деформативных свойств плавающего кольца (ПК), так и от деформативных свойств смежной детали, поскольку они формируют геометрию уплотшггельной щели. В связи с этим важной задачей прочности становится определение жескостных и деформативных свойств и параметров упруго-демпферных опор (УДО), плавающих уплотнений в агрегатах подачи ЖРД и энергоустановок.

Испытания создаваемых ЖРД дали обширный экспериментальный материал не только для анализа напряжённо-деформированного состояния (НДС) элементов агрегата, нагрузок, но и инициировали исследования но динамическим задачам прочности ТНА ЖРД и его элементов. Актуальными представляются задачи о формах и частотах собственных частотах колебаний РК о критических частотах вращения ротора с учётом нелинейности упру го-демпферных опор и уплотнительных устройств. В динамических задачах по роторам, в особенности по составным роторам, следует отметить задачи, связанные с качеством моделирования расчётных схем конструкции для теоретического обоснования и последующего изготовления экспериментальных моделей натурного изделия для изучения специфических динамических свойств конкретной конструкции, либо отдельного её узла. В качестве примера можно назвать узел сочленения двух валов сложного ротора. Автономная экспериментальная отработка такого узла в составе модели натурного ротора значительно снизит стоимость экспериментальной отработки и доводки будущего изделия.

В диссертации рассматриваются задачи прочности и деформативности упруго-демпферных опор, плавающих уплотнений, рабочих колёс высокооборотных ТНА, теоретического моделирования сложного ротора для определения критических частот вращения и экспериментального исследования З^лов сочленения с перспективой применения к решению проблемы oirni-мальмального проектирования ТНА по уровню виброперегрузок и повыше

Ф ния степени технического совершенства конструкции. Материалом для перечисленных задач послужил уникальный опыт и фактические данные при создании РД 170 и РД 0120. Исследования по комплексному прогнозированию прочности и деформативности ТНА ЖРД и его элементов, в основном, связаны с РД 0120 разработки КБХА, где автор был ведущим специалистом по прочности от ИЦ Келдыша. В той или иной степени, отмеченные задачи были востребованы ходом проектирования, доводки и создания РД 0120 и остаются востребованными и актуальными для ведущих двигательных КБ ф, отрасли по ЖРД.

Цель работы

1.Разработка метода, универсальной методики и программно-методического обеспечения расчёта жескости и деформативности упруго-демпферных опор ТНА ЖРД и энергоустановок, состоящих в общем случае из системы нелинейно-деформирующихся и контактно взаимодействующих упругих колец.

2.Разработка программно-методического обеспечения расчётов НДС и оптимального проектирования трёхмерных, высоконапряжённых конструкций элементов ТНА ЖРД и энергоустановок, обладающих свойствами циклической симметрии, работающих в поле центробежных сил и гидростатических давлений среды.

3. Разработка эксиериментально-теоретической методики исследования динамических свойств узла сочленения сложных роторов на основе численного моделирования и расчёта критических частот вращения модели ротора и натурного ротора с учётом специфики работы узла конкретного конструктивного исполнения.

Научная новизна работы

1.Методы расчёта деформирования упруго-демпферных опор, состоящих из itf пакета гибких элементов: численный метод расчёта контактно-взаимодействующих упругих колец в области больших перемещений; аналитический метод расчёта упругих колец при действии погонной нагрузки в области больших перемещений; инженерный метод расчёта системы упругих контактно взаимодействующих колец.

2.Методология систематической оптимизации прочностных свойств в обеспечение функциональных требований высоконагруженных элементов ТНА ЖРД, обладающих свойствами циклической симметрией на основе программно-методических средств определения НДС: разработка программно-методического обеспечения для моделирования и численного решения задач о НДС высоконагруженных рабочих элементов ТНА на основе МКЭ с использованием осесим-метричных анизотропных, оболочечных и тёхмерных конечных элементов (для трёхмерного элемента базовой программой послужил комплекс САПР-82 разработки ИМАШ АН СССР); задача оптимизации РК насоса горючего ТНА ЖРД 0120 на этапах проектирования, изготовления и отработки и опыт регламентации работ в части обеспечения допустимой прочности и деформативности высоконагруженных РК при создании штатного варианта; оператор автоматизированного построения и корректировки геометрии трёхмерной математической модели РК для проектирования оптимальной по прочности и гидродинамическим параметрам конструкции с возможностями выфрезеровывания на станках с ЧПУ.

3.Расчётно-экспериментальная методика определения влияния специфики конструкции узла сочленения валов сложного ротора на динамическую на-груженность опор: моделирование особенностей взаимодействия деталей узла сочленения между собой при определении критических частот вращения ротора; расчётное моделирование экспериментального ротора для изготовления; экспериментальное определение вибронагруженности опор от конструктивного исполнения узла сочленения.

Практическая ценность работы

Разработаны методы и программно-методическое обеспечение расчёта НДС элементов насоса ТНА-упруго-демпферных опор, уплотнительных устройств и РК, определяющих работоспособность агрегата подачи, что позволяет определять прочностные и деформационные параметров и прогнозировать необходимый их уровень, способный снизить виброперегрузок и создавать оптимизированные конструкции с повышенной степенью технического совершенства.

Разработана экспериментально-теоретическая методика, позволяющая смоделировать экспериментальную конструкцию ротора и решать задачи отработки узлов сочленения сложных роторов, что способствует снижению за-» трат и сокращению времени на отработку.

Достоверность

Достоверность результатов решения основных задач подтверждается: в методическом плане-сравнением с имеющимися экспериментальными данными и с результатами расчёта другими методами, а также результатами тестирования создаваемого программно-методического обеспечения по повторению численных решений всесторонне изученных задач механики твёрдого тела; в практическом плане-иснользование основных расчётных данных по уточнению жескостных характеристик УДО для опор роторов ТНА ЖРД 0120 и КВД-1М, которые работали без замечаний к этим узлам и внедрение основных рекомендаций но конструкции РК наcoca горючего РД 0120 в штатный вариант, входивший в состав двигателя при успешных лётных испытаниях ракетоносителя «Энергия» (1987) и в состав ракетно-космической системы «Энергия-Буран» (1988).

Апробация работы

Основные результаты работы в разные отрезки времени докладывались на семинаре аспирантов кафедры М-1 МВТУ им. Н.Э.Баумана (руководитель проф., д.т.н. Усюкин В.И.), на постоянно действовавшем семинаре по прочности в МАИ (руководитель Чл.-корр.АНСССР Э.И.Григолюк), на Совете Комплексной бригады прочности в КБХА, возглавляемом проф., д.т.н. А.В.Кармишиным.

Публикации

Работа содержит материалы, полученные в ходе их выполнения в период с 1975 по 2000г.г. и опубликованные в 6 статьях, в монографии (раздел в соавторстве) и в 16 научно-технических отчётах.

выводы

1. Разрабоган метод решения нелинейных краевых задач механики деформирования твёрдых тел, являющийся обобщением шагового метода и метода начальных параметров в части рассмотрения начальных несовершенств по отношению к идеальным системам как параметров движения в области поиска решения.

2. Создано программно-методическое обеспечение (ПМО), реализующее разработанный метод и решены основные краевые задачи контактного взаимодействия гибких элементов упруго-демпферных опор ( УДО) ТНЛ ЖРД и энергоустановок.

3. Получено аналитическое решение в естественных координатах задачи изгиба гибкого элемента упруго-демпферных опор ТНЛ ЖРД под действием сжимающего давления и проведено линеаризированное решение деформирования двух гибких, контактно взаимодействующих элементов УДО.

4. Создано (ПМО) для расчёта напряжённо- деформированного состояния (НДС) осесимметричных деталей ротора ТНА ЖРД методом конечных элементов с учётом анизотропии, и на базе комплекса САПР-82 (ИМАШ АНСССР), использующего трёхмерный конечный элемент, модуль решения задач определения НДС элементов ТНА ЖРД, обладающих циклической симметрией.

5. Разработан оператор построения циклически симметричной части трёхмерной геометрической модели рабочих колёс насоса по минимальной информации, позволяющий эффективно проводить расчёты на этапе проектирования.

6. С помощью разработанных средств ПМО, использующих осесимметричный, оболочечный, и трёхмерный конечный элементы, проведена систематическая оптимизация прочности и деформативности рабочего колеса насоса горючего ТНА ЖРД 0120.

7. Разработана расчётно-экспериментальная методика исследования узлов сочленения составных роторов ТНА ЖРД и энергоустановок с применением метода конечных элементов при моделирования конструкции ротора и специфики взаимодействия деталей, входящих в сборку узла.

1. Двигатели ракетные жидкостные, Термины и определения,ГОСТ 1765589, М, 1990

2. Динамика гибких роторов. Сборник статей. М, 1972

3. Диментберг Ф. М. Изгибные колебания вращающихся валов. М.: Издательство АН СССР, 1959

4. Кельзон А. С., Журавлев Ю. Н., Январев И. В. Расчёт и конструиование роторных машин. JL: Машиностроение, 1977

5. Кушуль И. Я. Автоколебания роторов. М.: Издательство АН СССР, 1969

6. JTanna М. И. Гибкие роторы судовых турбин. -JI.: Судостроение, 1969

7. Рагульскис К.М. Ионушас Рем, Д., Бакшис А. К. Вибрации роторных систем. Вильнюс, Мокелас, 1976

8. Тондл А. Динамика роторов турбоагрегатов. JI.: Энергия, 1971

9. Терских В. П. Крутильные колебания валопровода силовых установок, т. 1 4, приложение. - Л.: Судостроение, 1969 - 1971.

10. Loewy R.G. Piarulli VJ. Dynamics of rotating shafts, SVM- US Department of Defence, Wachington, 1969

11. Седов JT. И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1965

12. Алабужев П.М., Геронимус В. Б., Минкевич Л. М. Теория подобия размерностей. Моделирование. М.: Высшая школа, 1968

13. Лунц Е. Б. Определение критических скоростей валов методом динамического подобия. Труды ВВИА им. Н. Е. Жуковского, 1948, вып. 269

14. Позняк Э. Л. Нелинейные колебания неуравновешенных вертикальных роторов на подшипниках качения. Машиноведение, № 1, 1971

15. Кальменс В. Я. Динамимическое моделирование самовозбужденной вибрации роторов крупных турбомашин на масляной пленке подшипников скольжения. Труды ЦКТИ им. И. И. Ползунова, 1944, № 44

16. Основы балансировочной техники, т. 1, т. 2. Под ред. В. А. Щепетильникова. М.: Машиностроение, 1975

17. Foppl A. a) Das Problems der Lavalshen Tubinen well. Givilengenieur, 1895

18. Николаи E. Л. Теория гироскопов. M.: Гостехиздат, 1948

19. Сергеев С. И. Демпфирование механических колебаний. М.: Фнзматгиз, 1959

20. Кельзон А. С. Самоцентрирование и уравновешивание жесткого ротора, вращающегося в двух упругих опорах. М.: ДАН СССР, 1956, т. 110,1

21. Кельзон А. С. Динамика жесткого ротора, вращающегося в двух упругих опорах. -Учёные записки ЛВИМУ им. С. О. Макарова, 1958, вып.10

22. Кельзон А. С., Циманский Ю. П., Яковлев В. И. Динамика роторов в упругих опорах. М.: Наука, 1982

23. Меркин Д. Р. Исследование стационарных колебаний оси вращающегося ротора, установленного в нелинейных упругих подшипниках. -9-я Междунар. конф. по нелинейным колебаниям, т. 3, Киев, 1984

24. Позняк Э. JI. Об автоколебаниях роторных систем со многими степенями степени свободы. -9-я Междунар. конф. по нелинейным колебаниям. Тезисы докл. Киев, 1981

25. Михайлов В. И. Расчётно-экспериментальные исследования резонансных колебаний неуравновешенного ротора на подшипниках качения. Вильнюс.: Вибротехника, 1981, №4/34

26. Петренко В. Е. Об одном нелинейном эффекте в подшипниках качения. -Мех. гироск. систем, Киев, 1982, №1

27. Яковлев В. И., Яковлев Т. С. Нелинейные колебания роторов в упругих опорах с газовой смазкой. 2-ой Весе, съезд по теории машин и механизмов, Одесса, 1982, Тезисы докл. ч.2, Киев, 1982

28. Искандарян А. А. Колебания неуравновешенных роторов на подшипниках качения.- Изв. ЛНЛрм. ССР. Сер. техн. Наук, 1985, 38, Л"» 3

29. Subcombination tones of a rotating shaft due to ball bearing. Yamamoto Toshio, Ishida Yukio, IkedaTakashi. Bull. JSME, 1981, 24, 1981

30. Nonlinear forced oscillations of a rotating shaft currying an unsymmetrical rotor at the maj or r critical speed. Yamamoto Toshio, Ishida Yukio, Ikeda Takashi. "Нихон ки-кай гаккай ромбунсю". Trails. Jap. Soc. Mech. Eng. ", 1982

31. Nonlinear forced oscillations of a rotating shaft currying an unsymmetrical rotor at the maj or critical speed. Yamamoto Toshio, Ishida Yukio, Ikeda Takashi. Y. Masaki. -Bull. JSME, 1982, 25, № 210, 1969 1976

32. Vibrations of a rotating shaft with rotating nonlinear forces at the major critical speed. Yamamoto Toshio, Ishida Yukio, Ikeda Takashi. "Нихон кикай гаккай ромбунсю. Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. ", 1983, 49, № 448

33. The nonlinear vibration of a flexible rotors. I- Development of a new analysis technique. Yamauchi Shigo. "Нихон кикай гаккай ромбунсю". Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. ",1983,49, №446

34. Александров В. О некоторых нелинейных проблемах динамической устойчивости турбогенераторных роторов, (болг.). Годншн. Внеш. Ин-т архит. и стр-во. София, 1977 - 1978, св. 5,27

35. Володин Б. Г., Ганин М. П., Динер И. Я. Руководство для инженеров по решению задач теории вероятностей. JI.: Судостроение, 1962

36. Вибрации в технике. Справочник, т. 3. Под общей ред. В. II. Челомея. -М, 1980

37. Зеикевнч О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975

38. Шорр Б. Ф., Мельников Г. В. Расчёт конструкций методом прямого маю-матнческого моделирования. М.: Машиностроение, 1988

39. Расчет критических скоростей вращающихся роторов переменной жесткости с учётом податливости опор и уплотнений: Отчёт/ГОНТИ 8; Исполн. А. П. Хатаев - инв. № 336 - 1967

40. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. Л.: Машиностроение, 1966

41. Бейзельман Р. Д., Цыпкнн Б. В., Перель Л. Я. Подшипники качения. Справочник.- М., 1975

42. Спришевскнй А. И. Подшипники качения. М., 1963

43. Расчёт критических чисел оборотов ротора ТПА: Отчёт/ГОНТИ 8; Иснолн. А. П. Хатаев - инв. № 2199/8/, 1967

44. Агрегаты подачи. Расчёт критических частот вращения роторов переменной жесткости с учётом податливоти опор и уплотнений. ОСТ92-4221-70, 1970

45. Агрегаты подачи. Методика расчёта критических частот вращения, жесткости и нагрузок при изгибных колебаниях ротора, собственных частот и форм крутильных колебаний ротора. ОСТ92 9235 - 79, 1979

46. Расчёт частот и форм свободных крутильных колебаний ротора ТНА: Отчёт/ГОНТИ 8; Иснолн. Козлова А. А. - инв. № 581, 1978

47. Пакет программ для расчёта роторов агрегатов подачи на ЭВМ ЕС -1033:Отчёт/ГОНТИ- 8; инв. Ла 10116, 1981

48. Совместные изгибные колебания системы " ротор корпус - подвеска " ТНА: Отчёт/ ГОНТИ - 8; Исполн. Коган Р. М. - инв. № 715, 1980

49. Годунов С. К. О численном решении краевых задач для систем линейных обыкновенных дифференциальных уравнений. Успехи математических наук, 1961, т. 16, вып. 3

50. Методика и программы расчета связанных собственных и вынужденных колебаний системы " ротор корпус - подвеска ": Отчёт/ ГОНТИ - 8; Исполн. Груздев А. А. - инв. № 1035, 1987

51. Определение нагрузок на опоры с нелинейной жесткостью для многомассовых роторов агрегатов подачи: Отчёт/ ГОНТИ 8; Исполн. Коган Р. М. - инв. № 1006, 1986

52. Определение нагрузок на опоры и прогибов ротора с учётом нелинейных характеристик подшипниковых опор: Отчёт/ ГОНТИ 8; Исполн. Козлова А. А. -инв. № 1020, 1986

53. Агрегаты подачи энергетических установок. Методика расчёта критических частот вращения и нагрузок на опоры ротора. ОСТ92 9235 - 87 , 1987

54. Расчёт вероятностных значений дисбалансов ротора насоса . 02 00. 010 изд. 122: Отчёт/ ГОНТИ - 8; Исполн. Груздев А. А. - инв. № 1018, 1986

55. Бубнова В.И. Комплексное прогнозирование термонапряжёепного и деформированного состояния элементов конструкции ракетных двигателей и энергоустановок. ( канд.дисс),М, 2004

56. Позняк Э. Л.Дырлин А.Л. Вынужденные колебания и устойчивость произвольных роторных систем на подшипниках качения. Машиноведение, №5,1975

57. Журавский A.M. Справочник по эллиптическим функциям, M.-JL, АН СССР, 1941

58. Ахисзср Н.И. Элементы теории эллиптических функций., М.,Наука, 1970

59. Сикорский Ю.С. Элементы теории эллиптических функций с приложениями к механики, M.-JL, ОНТИ, НКТП, 1936

60. Гурвиц А., Теория аналитических и эллиптических функций., 193363. .Halphen G. Traite des fonctions elliptiques et de leurs applications. 18861891

61. Weierstrass K. Vorlesungen uber die Theorie der elliptischen Funktionen, 1915

62. Ветчинкин В.П. Новые формулы и таблицы эллиптических интегралов и функций, М.-Л., АН СССР, 1937

63. Смойлова-Яхонтова Н.С.Таблицы эллиптических интегралов., ОНТИ, 1935

64. Legendre. Traite des fonctions elliptiques et des integrales euleiennes.T,lI. 1826

65. Попов Е.П., Нелинейные задачи статики тонких стержней, Гостехиздат, 1948

66. Валншвили Н.В. Об одном алгоритме решения нелинейных краевых задач. ПММ. Т.32.№6.,1968

67. Антман С., Келлер Д.В. Теория ветвления и нелинейные задачи на собственные значения. М., Мир», 1974

68. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М., Физматгиз, 1960

69. Феодосьев В.И. Об одном способе решения задач устойчивости деформируемых сисьсм. ПММ.Т.27. №3, 1963

70. Валишвили Н.В. Об устойчивости пологих сферических оболочек. Материалы к VII всесоюзной конференции по теории оболочек и пластинок. Изд.-во "Наука". М. 1969

71. Валишвили Н.В., Силкин В.Б. О формах равновесия прямоугольной пластинки в потоке газа. ПММ.Т.ЗЗ. №5, 1969

72. Валишвили Н.В., Стегний В.П. Исследование устойчивости и энергии деформаций пологих сферических оболочек.МТТ.№>5, 1969

73. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М., Физматгиз, 1962

74. Вольмир А.С. Устойчивость деформируемых систем. М., "Наука", 1967

75. Центр исследований прочности. История развития.Под ред.Н.Г.Паничкина, Изд-во ЦНИИмаш, 2001

76. Динамика авиационных двигателсй.Под ред. И.А.Биргера и Б.Ф.Шорра, М., «Машиностроение», 1981

77. Артемов Е.А. Расчёт податливости упругих опор турбомашин. Изв.вузов, Машиностроение. МВТУ им. Н.Э.Баумана,№7,1969

78. Артёмов Е.А.Экспериментальнос и расчётное определение податливости упругих опор турбомашин., Изв.вузов, Авиационная техника, Изд-во КАИ, №2, 1965

79. Кельзон А.З. О влиянии неоднородности упругого поля опор на динамику жеского ротора. Вибротехника Научн. труды высш. уч. Заведений Л.ССР,Каунас,№3, 1973

80. Устинов Г.Н. Облегание жесткого вкладыша гибким кольцом. Изв.вузов, Машиностроение. МВТУ им. Н.Э.Баумана,№9,1976

81. Устинов Г.Н. Контактное взаимодействие гибких соосных колец. Изв.вузов, Машиностроение. МВТУ им. Н.Э.Баумана,№7,1969

82. А.В.Зайцев, В.П.Печников, Г.Н.Устинов.-В кн.: Расчёты на прочность Вып. 18. М., «Машиностроение», 1977

83. Феодосьев В.И. Избранные задачи и вопросы по сопротивлению материалов, Наука, М.,1967

84. Аргирис Дж. Современные достижения в методах расчёта конструкций с применением матриц. Пер. с англ.-М., Стройиздат, 1968.

85. О.Зенкевич. Метод конечных элементов в технике. Пер. с англ.-М., «МИР», Москва, 1975

86. К.Бате, Е.Вилсон. Численные методы анализа и метод конечных элементов. Пер. с англ.-М., Стройиздат, 1982.

87. И.Ф.Образцов и др. Строительная механика летательных аппаратов. «Машиностроение»,М., 1986

88. В.А.Мельник, И.С.Бережной, Ю.А.Кибец. Бесконтактные уплотнения роторов быстроходных насосов.,ЦНТИ, серия IV, Инв.№ 162, 1983

89. Марцинковский В.А. Бесконтактные уплотнения роторных машин.,М., «Машиностроение», 1980

90. Программа расчёта деформирования упругих плавающих колец агрегатов подачи. ГОНТИ-8; Исполн. Г.Н.Устинов.-ОФАП., Инв.№ 24823,

91. Фролов А.Г.Расчёт напряжений в открытых компрессорных колёсах от центробежных нагрузок. «Машиноведение», № 1, 1981

92. В.А.Петушков,А.Ф.Аникин.О комплексе программСАПР-82.Вычислнтель-ныс аспекты моделирования на ЭВМ пространственных процессов деформирования и разрушения при высоких температурах. Проблемы прочности., Киев, 1986.

93. Аникин А.Ф., Устинов Г.Н., Чинёнов А.В. Методическое руководство и инструкция к пользованию программы САПР-82., ГОНТИ-8, инв.Л'ЬЗ 1336, 1987.

94. Методика определения НДС циклически симметричных конструкций на основе автоматизированного построения дискретной модели. НТО/Центр Келдыша; Исполн. Устинов Г.Н., Инв.ЛЬ31457, 1989

95. Леонтьев М.К. Современные методы расчёта динамических характеристик роторных chctcm.NASTRAN или DYNAMICS? Двигатель. Научн.-техн. журнал, №33,2004

96. Разработка технологической цепочки проектирования и изготовления модельной роторной системы. Разработка программы испытаний НТО/Центр Келдыша; Исполн. Бубнов В.И., Устинов Г.Н., Филин Н.А. -Инв.№3195,2000г.

97. Проведение испытаний модельного ротора. Анализ результатов. Рекомендации по моделированию составных роторных систем. НТО/Центр Келдыша; Исполн. Бубнов В.И., Смирнов А.В., Устинов Г.Н., и др. — Инв.№3309-2000г.