автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Металлические диафрагмы-разделители топливных баков

На правач рукописи

. N ,

ЕФРЕМОВ ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ДИАФРАГМЫ—РАЗДЕЛИТЕЛИ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ

05 07 0_2 - Проектирование и конструкция летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

- диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук . „.

Красноярск -1998

Работа выполнена в Сибирской аэрокосмической академии.

Официальные оппонента: •

Доктор технических наук, профессор Мигиренко B.C.

Доктор технически* наук, профессор Шзйморданов Л.Г.

Доктор технических наук, доцент Шатров А. К.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт машиностроения, г. Нижняя Салда

' Защита состоится 7 октября 1998 г. на заседании диссертационного советэ ССД 063.47 01 в Сибирской аэрокосмической академии по адресу: 660014, г. Красноярск, пр-т vtra.ras. Красноярский рабочий, 31. -

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 660014, г. Красноярск, пр-тим.газ: Красноярский рабочий, 31, Ученому секретарю диссертационного совета Ильину В.А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирской аэрокосмической академии.

Автореферат разослан« » 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В.А. Ильин

Сбщгя язрзктсрчстина работы

Актуальность темы. Для изучения и освоения космического . пространства необходимы двигатели малых тяг. запускаемые' в условиях невесомости Их нормальный запуск-и- работа б этих условиях ■ еозможны геи .-.»евнткреваинрм разделении жидком-и газообразной фаз в топливном ' .^ие . Эта задача успешно реи-тгется. выворачивающимися диафрагмэми-мза«литея*ч'и • Их применение позволяет -создавать конкурентоспособные ст=честрен>-ои техники с гтозьшенным сроком активного существования. Прздолжовтся изучение и освоение- • космического' . пространства. -. расширение • исследований по применению • космических средств при изучении природных ресурсов земли, а - метеорологии, Зг-еаьолагни. ..навигации,. связи,- для нужд военной техники и - для нулзд »ар-сдисго хозяйства. Для решения эти*-задач-необходимы двигатели малых Т*<- ззпуоаемыо-а условиях невесомости с увеличенным сроком их активного •гуювс»вомния.; Случаи аварийных ситуаций с космическими аппаратами на орбита--тоелудили- основанием #ля -выработки- целенаправленных научно-.лехчииеских концепций проектирования, топливных баков.

ног-'лалычь;и-.запуск м->ра5ста -двигателя-в • условиях невесомости. . возможны.-оии гарачтировгрнем разделении жидкой и газообразной фазы в . тсрл«иом С аке. -- Эти -задачи успешно решаются с-помощью-механических оэзделигелаи.. - .наиболее часто гри«енядатея-металл«чесхие; разделители. 0«ж в ¿впыиямстве • • сссем, стрего определяют положение жидкости в - любой-.момент .рйооты -д-5игатедьнои установки летательного-аппарата (ДУ ЛА;. гзезнтируют долговечность при-контакте с компонентами, обеспечивают ■-надежна^ запуск п. с-стзнсз ДУ. Варианты.бакоа с- выворачивающимися •металлическими разделителями с тногтиой сЗрээующей- е-юнегрушвНом ■ выполнении просты , технологичны и г,о весовым- характеристикам'близки к бакам • с ..-неметаллическими • разделителями. - •. Несмотря • на---- кажущуюся простоту: элементы ..конструирования, топливных .- баксе . ДУ ЛА с •

• выворачивающимися разделителями-, и работа этих разделителем- изучена ■недостаточно. •-, - .

■ Проектирование-топливных баков 'С •' металлическими диафрагмами-разделителями .с. высокими, эксплуатационными-. - характеристиками, ■■■соответствующими- меящунзродньга стандартам,-представляется, актуальной •проблемой. • ■■ имеющем ,•■■ важное . иареднохозяйстаеиное. ■.■значение.В •отечественной, и зарубежной-.-практихе отсутствуют систематические исследования - в •-данной ■• области.----Псствнсзет :и решение, этой Фундаментальной-,проблемы соста&п?.ет аСно9у данной работы.

■ . - Цель работы -заключается - в .- разработке истодов ■. пластического деформирования--' 'материала .-■:---для ^шрач-.тезющихся • оболочек-

• разделителем с испопьзовзнты ■ -црмшпа у-а.'Оюшттесхи 80»»05кных -скоростей-"и ■ -энергетического^принципа -«{»^меаи'пеяьно - «»решению-задач

'проектирования--дмаФрзгк1*разделит^леЯ- -жидкой--«.-газообразной- -фаз в' составе топливныхбяксв кос^тическ»х л?татепь«ь«о!*г:аратоз.. -

Научная ноапзна работы йклкзчгетсч з рчзпяткм : расчетно-эксперрюентдгьньы:-шteдa&rríppCxтxpйS!S№0:ШeCp&иmlcщ^lxcя■^ диафрагм-разделителей 'л евбершеиеТвепг»,чи?м -мзтодсо • расчета - процесса выворачивания с. учетоц-¿гдасТячгсяого- ■-■дефзрдачмоания----- -тсрЬвой зоны перекатывания. ОсноэниешучньдарйзупьТаты. ■.■-.-

1. На основе -кинвм^тинеСвдУ возможных скоростей-разработана общая модель . пластического декодирования диафрагмы, . .позволяюьцая исследовать процессычыворачивзмия; .. . .. '

- при подожитепьной дефррыацицдараллоли; .'

- при отри[кггель^й,деформаЛ • гши несимметричном .выворачивании г "

т - разграничением зонпласЛ^еркого и упругого'дефойнирования.

2 На йазё предложенныхавтором ^»¡ооыу: ^механ^еких . аналогий !п:пСКопараллельного движения разработан могол исследования

• пластического- деформирования ; торроой " -зоны - . перекатывания с определением:. '.'-■-' .- ';'"■'■' -

- скорости деформнроданйя.меридиана в краевых зонах; .■'■':.': скорости деформирования параллели; , , ..•

- интенсивность скорссггрй дефррдаций;. . ,

- толя скоростей перемещения. ■ ■ .'•

3 Разработан аппарат для.анализа, параметров аыоорачаеа'ющихся • диафрагм-разделителей на -баге' - представленных, общей •,. ¿юдепи и механической анатогви с использованием энергетического принципа; -

- радиуса торрвой поверхности зона . перекатывания,' ;как • Функциональной зависимости, от геометрических 'размеров, -угла- наклона образующей, толщины оболочки; .'■ . ' ;. .

'- деформаций диафрагмы;. . *

- давлений выворачивания, как ' функциональной зависимости от геометрии и механических.характеристик ыйтернала.обалочки.

4 Идентификация экспериментов на модельных . и полноразмерных о-разиз* о. использовану-дам общей модели г,озеоадпа:

• откорректировать функциональные.. зависимости . основных характеристик прсцесса выворачивания; ■ '.-.■

- получить зависимости ' . иеаду деформациями •'ло'. основным направлениям;

'- исследовать зависимости • потери .• .устойчивости оболочек-; разделителей для различных схгад"'Выворачизания...-■'.'■

5. Решены новые задачи, подмены количественные и качэгтвеккые оезуньтаты по исследоазн'/.Ю; оайвных: характеристик диафрзгм-разделителей в рамках;. разработанного алгоритма • оптимального проектирования в составе топливных баков..

Практическая .«ониость :. На . основе - характеристик процесса-выворачивания, '-меняющихся' в. зэзисииоегги от параметров ' дкяфрагмы-'. •разделителя, разработаны «пгорятм и .--программа оптимального проектирования процесса вытеснений -Коилонентоз ;трлли&а ;из бакз;

По результатам работы, рлрое-кткройгнь! и 'запушс-нь!-э. производство топливные - двухкомпанентнЫе -.':-баед Бй2.ТС0.00 . .. {симметричное выворачивание).- . БС2.100.055 -(работаюдае . боковой

перегрузки), изучены нештатные ситуации в; р&боте; баков ..и Б82-.1йО.СО, спроектированы и прошли -аре - .-виды ;-конструеторской , р-тработки двухкомпонентный больше' раэмё|>иый -¿^лЦ бак.

. Достоверность' • -результатов:' .исследований., подтверждена экспериментами на прй лабораторнь« и

натурных условиях эксплуатации; а таюка «ейо/шар^^ принципсе тесфвтюческ^.^Ы«*^

. Тела при построении общей модели процесса выворачивания и прикладных методик расчета.

Рэализзция о промышленных условиях. По результатам исследований о НИИ; Маш г. Н. Салда спроектирован двухкомпонентиый топливный бак средних размеров Б82.100.00, для симметричного еыеорачивания, бак Б82.1СО.ООБ - работающий при действии боковых порогрузск рзпных 50g; С5з двухкомпонентных бака запущены в серийное производство на ЗТЛЗ. г. Златоуст.

В ГРЦ КБ им. академика В.П. Макеева г, Миасс спроектирован, прошел рее виды конструкторских испытаний боль'шеразмерный двухкомпонентиый бзк с суммарной емкостью 570 л. Гарантийный срок хранения 18 лет. Там же разработан и изготовляется однскомпснентный бак емкостью 9 л, срок хранения 1S лет. Мзтодикой проектирования пользуются в КБ "Арсенал" г. С.Петербурге при проектировании баков изделия 94Е, Результаты исследование были использованы при исследовании нештатной ситуации при работе бакбв.' спроектированных в KG "Союз", выпускаемых серийно на ГП "Красмзшзгвсд" и нештатных ситуации бакса Б32.100.00.

Апробация работы. Осноэныз положения диссертации докладыЗзлись на отраслевой научно-технической конференции по микроэнергетике а г. Н-Салдз,. 1925' г.;- на 9 аоем;-?зных научно-технических конференциях по 'космическойэнергетике о т. Куйбышеве;-;' 192S т., 1S39 г.; а Казанском апиациснном институте в 153.9 т.; на симпозиуме ^сто'йчксйсть ' и пластичность о механике .деформируемого твердого тела" а г. Твери, 1032 г.; на семинаре по проблемам микрзэчергетики з НИШАШ в 1992 г., г. Н.Солда; на 3 Россяйсто'-Катякйсхом'- cewwàpe то ' аор'жокжлчеёкэ^ '.технШа .'в г.Красноярске, 1004 г.; иа конференции по проблемам надежности s 1995г.. г. Красноярск; на международной конференции- "Сооершенстзсзанйе процессов и аппарате» химичееОД прсизсоаста" а г. Одессе, 1SSS г.; на международной научно-практической- конференция "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" г, Томск, 1993 г.; на мсудунгродной конференции "Спутниковые системы '• связи и -навигации", в^ г. Красноярске.в 1S97 г; На научно-техническом семинаре кафедры ДЯА Сибирской ейрскбсХдачсской академии (1975 - 1993г.).. " .-'.' . .

• Публикации.работ- ! Основное содер;-тание pâëofti опубтглкоагно в 34 работах, допущено к открытой печати. . -, ■

OS-ьем работы , Диссертация состоит из введения , 5 разделов, заключения и-приложений; содержит 284 страниц машинописного текста, 54 ctp. рисунков, библиографию. 148 наименование.-. Личное участи» затора, заключается в:' '

- детальной разработка. и обосновании. , модели процесса выворачизания разделителей; : • '

- разработке алгоритма расчета параметров процесса выворачивания разделителей;

- непосредственном • участии в экспериментальных работах по исследованию параметроэ выворачивания разделителей;

- постанозке всех: научных зздгч,.методоаЧ^мэтодйк исспедова'?кй;

- под руководством;, диссертанта .защищено 2 кандвдатсхих диссертации по данному напразленикз. '

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во вввдени* обоснована актуальность тамы.сформулирс8анацель работы и характеризуется научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первом раздепвприводится анализ конструкций топливных баков с »«еханвческим раадепениеи газовой и ж-.адюй фазы.

Рассмотрены работы а области исследования выворачивающихся металлическихраадвлотет^ * фс^мулируето»: задача'исследования

Существующие и ззпатвтоаанные а настоящее время механические разделительные устройства весьма разнообразны. Так среди . конструкций для цилиндрических баков.мрмнб встретить систему с гюри^м иадлыЬоном:' Существенным недостаткомсистемы с поршневым разделителем является' неудовлетворительная гериетичность системы особенно при перемещении т.е. при расходе топлива. Существенным недостатком сильфонногс '.;, разделителя являются незабсрные остатки, компонентов в пространстве между зигами, Несколько-; улучшается эти «зче<ява- у разделителе« . сильфонного типа с пилообразны«»» эигамй. Для сферических-типов бзкое может быть применен набор концентрических сильфоноо или1 разделительная, диафрагма - волнообразного профиля. Наиболее ■ выгодной формой разделителя для топливиьв бзков сферической-форкеы является гладкий выворачивающийся разделитель с монотонным изменением угла-наклона образующей с залланирозаниой начальной отбортоакой . Такой разделитель наиболее Аолно удовлетворяет всем основным требованиям, предъявляемых к разделителям: Он технологичен. Соединение разделителя с материалом бака сваркой прочно и герметично; Разделитель-' при небольших энергозатратах на. аытесиенме позволяет практически полностью вытеснить компонент из бака. По весовым характеристикам Он приближается к разделителям из пленочных материалов, но срок хранения компонента у него ■ намного больше, нем у пленочного ■разделителя.

Несмотря" н» то, что металлические разделители применяются достаточно часто, - вопросы* связанные с их работой и проектированием, . изучены еще недостаточно. Так. рассматриваемые в работе Понаморева С.Д. и др. "Расчеты-на прочность в машиностроонш", хлопающие мембраны лишь внешне каломнязят работу выворачивающихся разделителе«, у них -отношение перемещения к ттмвдине не яревышает 10, а то время , как эта же величина у раздийовпей бельме, чем 100 . Работы Феодосьеза В И Габрильянца- А.Г., Короагйчава А.Г\. посвящены определению форм равновесия чагтачно ит пзпноспио. вывернутых поверхностей. Работы Литровой Ю.П. и Рудие иА„ Рассказоза А О. дают возможность только при иавейной фор*-а найти предельное давление . равновесия. Процесс выворачивания расаитрквавгея а работах" Задвсоай В Н., Даева И Ф , СевороааС.П.

Основная . часть этих работ посвящена-: исследованию процесса шлорачаванедгюЛкестиа^кзяябру'/то

конечной форме разделителя. Вопрос свободного, выворачивания наиболее («дробно рассмотрен е- работах- ЕШ. Залвсоаа. Однако результаты

процадау выворачивания мвиплич^аавс разяаактелвй пр* положительной деформации^ параллели при симметричном выворачивании.- Многообразие

условий работы двигательных установок и компоновочных схем двигателей обуславливает применение топливных бзказ различной формы и размеров. Воэтому встает вопрос, создания общейметадтки Проектированиядиафрагм-разделителей, работающих по различным схемам выворачивания (при положительной и отрицательной деформации параллелей, при симметричном и несимметричном выворачивании). •

Толщина разделителя вдоль меридигов может быть постоянной или закономерно изменяться. Профилирование толщины одна из сложнейших задач при'определении перепада давления и зако эмерности процесса выворачивания. Комбинацией способа вытеснения стесненное

выворачивание,: свободное выворачивание и выворачивание с последующим додовливанием (деформацией) с профилированием толщины разделителя можно получить большое разнообразие процесса вытеснения компонента. В частности г./ можно получить желаемую эпюру изменения перепада давления в зависимости от вытесненного объема.

: На работу раздолйтеля бальшое влкянкеокззывзют технологические факторы. Причиной не-терметичности вследствие образования трещин может быть недостаточно жесткий контроль или неправильно назначенные режимы термообработки материала разделителя лося»: штамповки. На образование крупказернкстости оказывает влияние также количество переходов и высоты вытяжки , при штсмлрвхе, допуск нз непзрзялельностъ кольцевых следов переходов Относительно плссхости терца.

В результате анализа теоретических и зястсрямснтальных работ следует задача работы:/ разработка методологии пластического деформирования .материала:. ^диэфратоы-р'аэдестителя и "расчета выворачивающихся дн.афрогм-рагделителей . в составе тктлквного Сака.

Во додам; Адайелв'-. :,йа5работага;-»огематйчеаов. модель' процесса еыворачиааштяу Сформулированы физичеся® и геометрические допущения по процессу ейвсрачнин11я; д1ифраг№&ретделителя. Объем диафрагмы-разделителяразбитНет три зоны:область , прошедшая пластическое ёыворачизаниэ;- ;'.'■'-'срединная область, ожидающая пластическое деформирование; тЬрообразная область пластического деформирования (рис.1). В первых двух Областях матервзя идеально-упругий, в третьей идеально^пластичный. ;

Проведен статический расчет по всиентисй теор ии методом конечных элементов. В . качестве. конечного • злемента.принят четырехугольный комбиги?розаиныЛ сбслзчечный элемент Расчет проведен для секторов

напра&пение вытеснения

положение разделителя

/Рлс.1

разделителей, находящихся в. начальном и промежуточном положениях и подверженных - различным-, комбинациям -нагрузок от действия перепада давления-на разделителе' и давления, компонента от боковой перегрузки Р результате расчета получены эпюры, распределение напряжений и погонны/ моментов . По результату статических расчетов и анализу эксперименте.-' приняты схемы выворачивания " для различных- видов нагружения -отличие: от симметричного выворачивания, где срединная ооппгт>.

движется поступательно воерхг г.ри несимметричном выворачивании 'вводится.подвижная система координат, связанная со срединной областью » ее движение рассматривается кок сумма-вращательных относительно точм. С ; в зависимости от направлений-действия перегрузок:

-.Для определения':параметров• процесса-.выворачивания используется э.*стоемальный-поинцип для идеально-пластического тела ' ■

■х V т. ÎH'ciV

ht

::---р.чноу!пая нагоузка

/оссть леоимешения. поверхности

¿йдущаясй в результате деформации поверхность текучести при едете"

тески возможная интенсивность скоростс.

X

' W

ъ

h'

Se'pOf.wTiii.-V"

- v .. -. г,':.ьем пластической зоны - •

."Для решения-' уравнения- (1); рассмотрена - кинематика . процесс-'1 ..выворачивания.' Определение зоны пластических деформаций,- • как зоны .торового . перекатывания,' позволяет и.зучйз.".•■-кинема.гику, этой зонь. определит»- скорости перемещений и скорости деформаций, Рассматривая перемещение зоны перекатывания при . положительной деформации параллели а обращенном "движбпии;.-; ,.ripi» '.отрицательной-' деформации параллели в пряном движении, прм н^имметротном выворачивании ¡г.:..; ■действии боковой: перегрузки) в подвижных координатах, можно все случае предстапйтъ в виде, однотипного . плреадпзраляельного движения «•. .меридиОйальноч сечении торовой зоны перекатывания. Скорость люс-ой точки - . срединной поверхности; зоны пластического- деформиоова»«?* .. представлена как сумма- скороетй точки С, - как 1(ентрз окружности, е*зоое:тч точки. N а ее вращательном -даш&нйй ."Вокруг, центра С и ' •ikogco-t переносного- движения ;за: счет-изменения::' длины меридиана (ри; Вертикальная "скорбеть-!, точки срединной, поверхности : зоны перекат^ра-'..: i равна:! '■...'!. ..-■..;

для случая симметричного зывооч-ийЧну

у - для случая несимметричного выворачивания.

где V - скорость точки С

^'пер " переносная скорость точки N

А|/ - угол перекоса зоны выворачивания,

СС . - угол к направлению действия боковой перегрузки

Используя Ус1 можно получить вертикальную скорость точки В на

границе зоны перекатьюания и недеформированной.зоны . Через скорость точки В можно определить скорость точек срединной не вывернутой области. По- скорости движения точек зоны перекатывания определены скорости деформации меридиана и параллели:

: V V »п/га«(1 соха) . •

V с пер. „

1] а

»М

. ,„[ го» ч + \|/(х)+(га+п)*( I+см )со.ч(ф+у|/а - с)|(| -ат)

где - П расстояние от срединной поверхности до произвольного деформируемого слоя По скорости деформаций определена интенсивность скоростей деформаций в точке.

/(П| - Ч;Г - Щ Г +(пл- П, Г

где скорости деформации по основным направлениям связаны условием неизменности объема:

П,. + П2 + Пз = ° \

Интенсивность скоростей деформации лри пластическом деформировании при известной величине максимальной из основных деформаций может определяться с точностью от 0 до 13% по этой величине. Из уравнения (1) получено выражение верхнего давления при симметричном выворачивании

при положительной и отрицательной деформации параллелей диафрагмы-разделителя:

Р <

г

2ts5

2 кг

х~ smw

(2,а)

и при несимметричном выворачивании при действии боковой перегрузки:

. ■ - ' .. (2.5)

упхглг |г . . / ч] £ Ах. • Зх. 14Д\ 13 .

+ ■ ——5ШЧН-51П(ф±у)Н--г .-г ---- !^1ГГ(,>| — -го-—1г

2 I1 '■> \ 73" 471ГСОЯ>!',' ■■ X.. . 8(ХЫ!/,'

эС/2| sincp+sincpivj;) +2xc;trsin2 ф

где б -толщина стенки,.

Х^ -.координата точки С при а = 71,

7ГГ - радиус зоны перекатывания при сх 71.

На основе анализа , зависимости (2) из условия минимума энергии деформации определено выражение радиусов зоны перекатывания при симметричном выворачивании:

r J I/

2 рПф-фССЮф

и при действии боковой перегрузки в крайних точках (при а - 0 и (X^Tl): Г =1 * ■ '

о,2 ___________

Хсо^о

p^ZH^iPii^« -i|sin(j>+sffi(9-ii/)-(2cp-v|/) сс^ф-vj/)]

l^oCosvVXri) 8cos\|/;

• 1 |/ Г w5

Тогда величина TCt определенная по зависимости :

n~T¡, Г71 —Г.. ra=----"cosa . <3)

,2 2 , ' соотазтст-зует значению радиуса торовой поверхности зоны парёгатьшния в произвольном'меридиональном- сечении.

Зависимости . (2> и (3) обобщают случаи симметричного и несимметричного выворачивания. В указанном виде формулы опрааедлияы для случая несимметричного выворачивания при действии боковой ' 'перегрузки. При п'='0 по зависимостям' (2), (3) определяются параметры неашмзтричного выворачивания - при действии только давления газа. При ¡1 = 0 и у = 0 определяются параметры симметричного выворачивания. Разработана модель . определения - положения срединной поверхности' • дяэфрагмк-рогделителя на' любом этапе выворачивания. Координаты Сскоеных точек зоны перекатывания определяются способом шагового программирования -по заданному шагу смещения .зоны перекатывания.

По 'положениям точек зоны перекатывания определяется приращение вытесненного объема. Конечная форма вывернутой диафрагмы-рзгделит .-ля •определялась по огибающей,-' соединяющей : наружные точки зоны перекатывания (рис.3), полуденной' на каждом шаге выворачивания.

При получении координат точек конечной формы срединнои поверхности учитыззлись деформации меридианов и параллелей.

Для схемы симметричного выворачивания при положительной ■деформации-параллели: •

8 '=-(sincp—0>С05ф) .

п x3+2r(pcostp

л

Для схемы симметричного выворачивания при отрицательной деформации параллели;- после -.подобных преобразований оеличину деформации параллели получим в веде: . .

е -

п

IГ

Хн-2гС05ф

^¡пф—ф соэсрУ

При несимметричном еыеорачиоании деформация параллели будет зависеть от переменного значения радиуса зоны перекатывания Г(Х и угла перекоса ф в данном меридиональном сечении:

га|зтф+5т(о+1|;а)-(2ф+ууа)со5ф| " ^-,-га[з1п(ф+У|/а)-(5ф+\(/а)со8ф]

Таким образом получены теоретические значения деформаций параллелей для различных' схем выворачивания.

Разработан алгоритм; и программа процесса выворачивания диафрагмы-разделителя

В третьем разделе. рассмотрены: объект исследования, экспериментальные установки, методуиэ и программа испытаний, измерений, обработки результатов. Определены погрешности.

ео-ьвчтя иссгадозания были выбраны металлические 1зк».!почпнтного и.дзуххбмлоиентногб бака сферической завзиия проводились на уменьшенных моделях, агятх и на реальны* • разделителях различней формы. .;лшелей:- •

положительной;, дофермацма параллели: сфера, зсткз- еызерачивания;

отоицательиои-деФсрмации параллели: конус и о т с г ч сфер Р*з ь г.э наибольшему диаметру

О мм-со ЮОО мм> Исследовались разделители с 1 1 точ дг»пазон-толики-иггланппся от 0,45 мм

м. В - качестве мятеонаяа для разделителя был выбран, листовой г р ГОСТ 12592-67, Геометрические

г сь 1 потребного запаса компонента для кого епповэш. Основным для исследозакия процесса ния был езят полусферический'разделитель, отбортбаанный по СсЬоэкчеся'.и сп-.яеяителъ дг.ат возможность при неизменной сечения исслелззатъ полный диапазон- изменения угла

И

тс

м*

качестве ЮПИ для

Нее л с

змсоных г

ф

зыЬсрачт

Г- П

для вьшорзчи: 'я основы; диэг

3,5

Пр-,1

на у при ¡груз

: ОТ '

ЕОрЯЧИ!

рнфери 3 1 н

выворачиззния от С-радиан. Принятая у-нас технология позволяет

. ' -т

изготовить разделители- с постоянно и плавно- увеличивающейся толщиной от лвря±ерии к центру. Не этих же разделителях-исследовалось влияние радиуса начальной отбортсл-ги-ра процесс выворачивания-. Все разделители . выполнялись на оборудовании .серийного производства.

Толщина, разделителей увеличилась 'от'периферии • к центру.- Для варьирования тоящки образцы подвергались химическому фрезированию в различной степени. ' ■

Испытание разделитель.. на действие баковой перегрузки предусматривает создание больших ускорений на различных этапах выворачивания. Испытания реальных разделителей до разрушающей нагрузки затруднены из-за технических ограничений; '«втьггательного: оборудования. Поэтому в исследовании устойчивости, испытьшапись модели уменьшенного размера. Испытания проводились, на: трех типахсферических разделителей! Все они бьщи изготовлены с радиусом отбортовки 4 мм, но с различными радиусами полусфер, Для испытания на центрифуге были изготовлены партии образцов с радиусами R -а 86, -98, 120.мм. Это позволило «сеяедовэть влияние размеров разделителя на устойчивость. Значительный V интерес представляло влияние толщины разделителей на .их состояние при действии боковых перегрузок. Поэтому ряд разделителей был подвержен химическому фрезерованию в различной степени. В результате различные разделители имели диапазон толщин.от 0,03 до 0,65 мм. .Тйк как на работу разделителей при действии боковых перегрузок значительное влияние оказывает положение не выдернутой части, то есть степень оперотеиня бане", ряд-разделителей был вывернут в различной степени,:что дало возможность .смоделировать действие боковых перегрузок на разделитель," находящийся из различных этапах выворачивания.

Для исследования . пластического - сусорачикгкия металлического разделителя была создана . экспериментальная устсновхз. -Ее составляют: 1

- триаиатилитро&ый стандартный баялон-ежзтоге газа с редуктором РС-250, 2

- пульт управления, 3 - два раеяодмяэ.-сшости,•. 4 --рз5очкй участок:

При свободном сызсрачлаании разделитель не дкасаться стенок .бака. Это дает возможность при исследований прецаееед • .вворачивания удалить верхнюю часть бака и поменять- nf-стамя жидкую-.и газообразную' фазы. Перестановка местами .-жидкой и газообразной -фазы нэ влияет на процесс выворачивания разделителя, а удаление при этом - верхней -части сака и использование в качестве гагосбразнсй фаза атмосферного воздуха дает возможность удэйю на бдюдать и измерять процесс выворачивания-разделителя. Нижняя часть "баха.'-не'- .сказывает агшякия на процесс рЫеорачивания. по зтоку ее конфигурация не обязательно должна повторять форму нижней части бака.

Выворачивание. разделителей .проводилась поэтапно. с последовательным измерением ргэмеро^-.и координат зоны перекатывания, давления -выаорачваания, ; вытесненного объема- да - каждом шаге. .Для определения пластических ■-.-■< деформаций-■ на обеих - поверхностях разделителей, измерялись длины выбранных отрезков в меридиональном и -р;:ру5киом направлениях до и после :.выворочипания.

Для исследования устойчивости -раздзлителей ^при действии боковых перегрузок использовался центробежный стенд. Разделитель устанавливается ка емкость, которая крепилось на центрифуге. Ось разделителя была параллельна оси сращения , центрифуги. Полость между раздеяителвг.) и емкостью заполнялась- - жидкостью. При . испытаниях на разделитель действовало гидравлическое давление, создаваемое. центробедайыя ускорением! Давление действовало на рабочую поверхность разделителя и шкялось по закону:

Pk = ynR(l-irc6sasin0),

где у - удельный вес компонента; . il - величина перегрузки; ' ■ -

R - радиус разделителя

а - окружной угол по параллели от направления действия перегрузки;

0 - угол мезеду осью разделителя и нормалью к поверхности.

Испытания каждого разделителя : проводились этапами с последовательным увеличением перегрузки.

В четвертом разделе приведены результаты испытаний: Дан анализ процесса ёыворачиаания- разделителя. При положительной деформации параллели центральная часть до сопряжения с зоной ' перекатывания, перемещаясь, не деформируется Вывернутая периферийная часть остается неизменной до конца процесса выворачивания Давление выворачивания возрастает от нуля до некоторой величины и на значительном участке процесса выворачивания остается постоянным, вновь возрастая в конце процесса выворачивания. Для разделителей типа С, выполненных из заготовок 2; 1,5; 1мм, величина давления на рабочем участке диаграммы равна соответственно 0,06; 0,05; 0,02 МПа, а-для разделителей типа Т и КД пои толщине заготовки 1,8мм - 0,06 и 0,045 МПа. Величина радиуса зоны перекатывания по мере выворачивания увеличивается! При этом радиус зоны перекатывания больше у разделителей, выполненных из более толстой заготовки Наибольшая из деформаций по основным направлениям деформации паралпепи. На основании экспериментальных данных нзйдена функциональная связи мехаду деформациями по основным направлениям.

Процесс оыпорлчипания металлических разделителей при отрицательной деформации параллели имеет ряд особенностей. Процесс выворачивания разделителя начинается в районе торовой поверхности перехода от центральной' недеформирооанмой части к периферийной. В соответствии с ; изменение объема жидкой фазы под диафрапиоА-: разделителем за счет разницы давления между жидкой и газовой фазами центральная часть перемещается-вместе с частью диафрагмы-разделителя прошедшего зону деформации.; Зона пластической деформации-представляющая часть тороЪой поверхности перемещается по периферийной зоне. Периферийная часть диафрагмы-разделителя до точки сопряжения с зоной перекатывания остается неизменной; Процесс выворачивания периферий) юй части происходит нормально с небольшой асимметрией. Это отклонение соответствует изменению толщины материала разделителя в данном месте.

Радиус зоны перекатывания не остается постоянным. Он имеет максимальные и минимальные значении. За счет этого форма торовой поверхности зоны перекатывания не идеальна. 8 одних случаях она имеет плавные переходы-от максимальных, на данном участке поверхности до минимальных. В других случаях, она представляется соединенной из нескольких поверхностей с плавным изменением радиуса от оси симметрии каждой части к ее периферии Количество секций не определено и по мере выворачивания увеличивается! Соединение секций представляется В виде "излома" поверхности, "Излом" поверхности происходит в одном месте и ПО

мере выворачивания может исчезнуть или количество изломов увеличивается и достигает 6...8

В некоторых случаях разделитель теряет устойчивость (рис.4). Его поверхность изменяется в зоне перекатывания настолько, что может выходить за начальные габариты по диаметру После этого процесс выворачивания прекращался

В начальной момент давление возрастает от нуля до некоторой величины и затем постепенно увеличивается. Для разделителя с толщиной 1 мм давление составляет 0,025-0.03 МПа, а для разделителя с толщиной 0,8 она равна 0,018 МПа. Величина радиуса зоны перекатывания на большем участке процесса выворачивания остается практически постоянной. Для более тонких разделителей величина >радиуса зоны перекатывания несколько меньше. Деформации ■ меридиана и параллели соизмеримы и имеют противоположный знак, Пересчитанная величина деформации толщины практически равна нулю.

По результатам испытаний на устойчивость определены . границы устойчивого равновесия и. потери устойчивости как функции, величины j, боковой перегрузки от . вытесненного Объема, Показано., резкое "снижение устойчивости при несимметричном положении зоны перекатывания. Отмечено, что наиболее вероятна потеря. устойчивости на заключительном этапе выворачивания. По результатам экспериментов найдены зависимости деформаций в направлении параллелей и меридиана С- вдоль

образующей S при различных углах ф

При выворачивании разделителя по схеме с отрицательной деформацией параллели на участках с малой конусностью возможна' потеря устойчивости не вывернутой части разделителя При экспериментальном исследовании параметров выворачивания в ряде случаев наблюдалась потеря устойчивости не вывернутой части разделителя.

В работе произведено сравнение основных параметров процесса выворачивания по результатам расчета с экспериментальными данными и расчетными величинами других авторов. В качестве сопоставляемых величин приняты давление выворачивания и радиус зоны перекатывания Сравнение радиусов зоны перекатывания проведено со значениями полученными другими авторами. У одних автбров не были учтены деформации меридианов, у других они учитывались, но рассматривалось только симметричное выворачивание. РасхамдЦения между зависимостями. , представленными в диссертации, и экспериментальными значениями находятся в пределах статистически возможных отклонений. "Они комплексно

Рас. 4

охватывают весь диапазон основных . характеристик, для различных схем процесса выворачивания

Пслучена область устойчивого равновесия, диафрагм-разделителей при действии боковой перегрузки при. различной степени вытесненного, объема. Граница области аппроксимирована зависимостью

11 = АУ- .1,36.10 3 + .\\ ("-88,6-10 ! 00

Ввиду невозможности использования теоретически* результатов расчета на • устойчивость разделителя из-за значительных отклонений в толщине стенки и больших неправильностях в геометрии вывернутой поверхности использована

зависимость: •■ • • ■.-■•.-■ .-■■-.■

подтвержденная работами ряда 'авторов-,- . Коэффициент С зависит от формы поверхности, способа закрепления, характера нагружения,- На оснозе ... соответствия формул (4). и (5) получена величина- коэффициента С как функция-от-величины вытесненного еоьема .

С = 0,537.10-('ДУ2-35.106ДУ + 39,5.10-5

■ Тогда допускаемаявеличима боковой перегрузки определяется по формуле:

8 пятом разделе изложены основные принципы проектирования диафрагмы-разделителя в составе топливного бака произвольной формы. Дан принцип определения конечной длины меридианов. Отмечено, -что : несимметричное выворачивание ведет к возможней потере устойчивости при-' действии боковой перегрузки и к уменьшение коэффициента опорожнения бака. .Даны рекомендаций к проектированию.:

Проведена идентифк. лдмя основных • параметров •.. процесса выворачивания по результатам зкспср1-ментгг.ьных исследований.

Основная часть- идентификации была проведена ■ на разделителях полусфзричес.ко-'4 формы: Мгновенное состояние разделителя ■'; характеризуется объемом зоны перекатывания и • положением ее на разделителе. Положение зоны перекатывания определяется расстоянием до центра этой зоны от оси симметрии разделителя/ Объем зоны перекатывания зависит ст: толщины разделителя о зоне перекатывания, ее протяженности по иерздаану и протяженностью по параллели. Отсюда и теоретическое значение радиуса зоны перекатывания .

г=0,5; . х'5

(Бтф-фсозф

При идентификации дополнительного влияния толщины 5 и расстояния от оси симметрии Х£ на величину радиуса зоны перекатывания для

разделителей обнаружить не удалось. Влияние утла зоны перекатывания достаточно хорошо учитывает формула:

г=0Л! . Хс6 -(1-кф) . •втф-фсоэф4 '

Полученный по результатам идентификации коэффициент к = 0,3. Для этого типа разделителей представлены зависимости невязок ( соотношение разницы между теоретической и экспериментальной величиной к теоретической величине) для радиуса зоны перекатывания подсчитанные соответственно по априорной и апостериорной модели. Величины неаязок до идентификации доходили до значений -0,5... -0,6 при ф=1,5 рзд. после . идентификации иееягдо на измеренном диапазоне угла ф= 0,4... 1,5 рад. Не выходят га пределы +0.1.

Елгетние стлгц^ния центра кривизны разделителя от оси симм трии разделителя удалось обнаружить на торовом участке разделителя. Дополнительное влияние угла сказывается на всем выворачивании. Радиус зоны перекатывания для разделителя определяет формула

•гЙЦ/- Хс§ (1-кФ|

уэШф-фСОЗф4 7

1-к1хс~А

хс

(4)

здесь А - расстояние от оси симметрии разделителя до центра кривизны торовой часто разделителя.

• Объединением параметров, определяющих величину радиуса зоны перекатывания, формула для определения давления выворачивания преобразуется к виду:

р = ,.?т552 ' ;

Хсг ЭШф '

Невязки, определенные по этой формуле, при подстановка „в нее апостериорной величины радиуса'зоны перекатывания, укладываются в диапазон ±0,15. В соответствии с этим формула давления записывается:

р _ 4tg5 ; sinф~~ф COSCp} —Ц (5)

хггБШф I 1-кф

Поэтбму при определении давления следует пользоваться формулой (5) с подстановкой в нее величины г по формуле (4). Результаты идентификации радиуса зоны перекатывания при. выворачивании по схеме отрицательной деюсрмации параллели хорошо согласуются с расчетной формулой

Разработана методика проектирования разделителяв составе топливного бака Задача оптимизации топливного ^бака сформулирована следующим образом. Выделенном объеме разместить бак с наибольшим количеством компонента, с надежным разделением жидкой и газовой фазы в процессе хранения и выработки компонента. Использование .объема бака должно быть наибольшим, вес сухого бака наименьшим. Выворачивание разделителя, должно проходить без потери устойчивости не вывернутой части разделителя при минимальных энергозатратах на вытеснение: Вытеснение должно быть осесимметричнс.

Основным вариантом ■ проектирования является вариант, когда'.. áa < функцию цели принимаетсямаксимальная величина еытесненногообъема. Функциональными ограничениями являются: границы топливного , бака, учитывающие выделенный для его размещения объема, ' предполагаемые элементы конструкции бака, допустимые дополнительные деформации выЕеонутого разделителя на отдельных его участках. мимикально допустимая толщина материала разделителя, -наименьший градиент-изменения толщины разделителя по участкам ¡как функция от вытесненного объема) .гарантирующий осесиглметрлчность (или награвпенкость) выворачивания; 'наименьший перепад давления междужвдкой и газовой фазой, необходимый для вытеснения компонента.

Двухкомпонентный бак на основе сферы конструируется составленным из двух отдельно оптимизируемых баков дисковой формы и формы месяца связанных заданными соотношениями Другим вариантом будет оптимальный двухкомпонентный бак, так же представляющий соединение двух названных баков. В нем функция цели будет представлять вектор из двух объемов: Расстояние между ограничивающими поверхностями перейдет -в оптимизируемый параметр, а соотношение объемов будет дополнительным функциональным ограничение»«.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана методология расчета пластического деформирования материала диафрагмы-разделителя млючаюшяя:

а) моделирование формы, объема и протяженности зоны пластического деформирования.материала и зон упругого деформирооания для выворачивающихся диафрагм-разделителей ю анализа статического расчета и экспериментдаи^ньи дданых;

б) моделирование кмнегмпиески возможных скоростей зоны перекатывания для различных схем процесса выворачивакип (БЫворанива»«е при положительной . деформации параллели, ' выворачивачиа яри

отрицательной дефаръицх* параллели, несимметричное выворачивание при действии боковой перегрузки)'- по однотипной схеме;

в) метод' Ъпредеявишг:- М в пластической и упругой- зона*. скорости деФорнеаций по основным направлениям; зоны деформаций с наввольияивииз деформаций по основный направлениям, иt«eнn^a»cк^irtжapocтei-дeфopв^aции в этих зонах;

г) метод определи«» гкжоеыы* характеристик процесса выворачивания: - радиуса: зоиы переюггыааикя, отпиши выворачивания от параметров, меняющихся в процессе аыворач*М»«я (геометрических размеров; угла наклона образующей, толщины, механических характеристик материала). ■ . .

2. На основзнии экспериментальных итеоретичестх исследований процесса выворачивания дязфрагп'раздепителей определены:

а) зависимости деформаций поосиовтт направлениям для различных схем выворачивания (при положительной ' деформации параллели, при отрицательной деформации параяпеяи, при действии боковой перегрузки);.;

. б) причины и характер потери устойчивости диафрагмы-разделителя в зависимости от основных параметров и положения зоны перекатывания;

о) методом идентификация скорректированы характеристики процесса выворачивания', •

г) разработана методика и программа расчета диафрагмы-разделитеял з составе топливного бака ЛА.

3. Экспериментально исследоззно влияние конструкторско-технологических факторен на процесс - - выворачивания диафрагмы-разделителя:

а) рззмотолщиннзеть на одной параллели; - б) изменение- толщины померидвану на основные характеристики;

в) положение сварного шва в сборке позкемент-дкафрагма-раздвлитель; ■■■■■.■■

г) проплав о зону начальной отооотовки;

д) механических характеристик и термообработки.

4. Разработано . методологическое обоснование расчета выворачивающихся диафрагм-разделителей в составе топливного бака:

а) алгоритма-расчета;

б) программы расчета.

5. . !о результатам исследований в НИИ Маш г. Н. Салда спроектирован двухксмяснентный топливный- ба* средних размеров Б82.100.00, для ' симметричного выворачивания,, бак Б82.100.00Б -работающий- при действии , боковых перегрузок рапных 50д. Оба двухкомлоиентиых бака запущены в серийное производство на ЗМЗ г Златоуст.

В ГРЦ КБ'им. академика В.П. Макеева г, Миасс спроектирован, прошел все- виды коиегрукторсяах- испытаний- бопышразмврншй -двухкомпонентный бак с суммарнойемкостыо 570 л. ГарантийнюАсрйк хранений 18 лет. Там же разработан и изготовляется однокомаоизнтный бак емкостью 9 л,, срок хранения.18 лат. Методикой проектирования пользуются в КБ "Арсенал" г. С,-Летербурге пр». проектировании-баков- изделия 94Е, в ГРКЦ "Салют" г. Москва-. Результаты- исследования были исполъзовзны при исслвдовзнии нештатной сигуацт! при работе баков, спроектиройанных в КБ "Союз".

выпускаемых серийно на ГП "Красмашзааод" и нештатных ситуаций баков Б82.1С0.00. Результаты исследования внедрены в учебный процесс САД в курсе "Конструкция и проектирование летательных аппаратов" и в курсе теоретической механики.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах, допущенных к открытой печати:

1 .Ефремов В.Н. Процесс выворачивания, металлического разделителя космического летательного аппарата. 1 Всесоюзная конференция по проблемам двигателей и энергоустановок. -Москва: МАИ; 1976,-

2.Ефремоа ВН. Учет деформаций меридиональных сечений при изготовлении емкостей с разделителями для агрессивных сред: -Красноярск; ЦНТИ; 1980.-4С. . <•

3.Ефремоз В.Н; О радиусе зоны пластического перекатывания полусферической "оболочки в процессе ее выворачивания. -М.:БИНИТИ, 1980.-7С. . .

4.Ефрвмоз В.Н. и др. Создание инженерной методики расчета и проектирования разделительных диафрагм. Отчет по хоздоговорной научно-исследовательской работе. МГР 02827019151.-Крзсноярск:ФКПИ;1930.-43с.

З.Ефремов В.Н. Изготовление выворачивающихся полусферических оболочек' ротационным методам.-Красноярск: 1ДНТИ:1930.-Зс.

З.Ефремоз В.Н., Тетерина Н-Г., Каратаева Г.С.. Создание инженерной методики расчета и проектирования разделительных диафрагм Отчет по хоздоговорной научно-.исследозательской работе. N ГР 75063633, N инв. 02830043122-Красноярск: ОКПИ; 1881.-26с.

Т.Ефремоз В.Н. Установка для исследоззния разделителей химических емкостей,-Красноярск: ЦНТИ; 1982.-Зс.

| 3.Ефремов В.Н. Приспособление для измерения геометрической

формы вывернутого разделителя химической емкости. -Красноярск.ЦНТН; 1982.-Зс. ' •

Э.Ефремов В.Н. Способ измерения разделителей химической емкости.-Красноярск: ЦНТИ;1982,-2с.

Ю.Андреев Ю.А., Ефремов В.Н. Устройство для контроля металлических разделителей (сферических оболочек).-Красноярск: ЦНТИ;1982.-Зс.

11.Андреев Ю.А, Ефремов В.Н. Установка для испытания ■ металлических разделителей при боковых перегрузках. -Красноярск;

ЦНТИ;19В2.-Зс: - .

12.Андреев Ю.А., Ефремов В.Н. Гидразлический стенд для испытания оболочек на усталость. -Красноярск: ЦНТИ;1985>Зс.

13.Ефрзмоа В.Н. Создание .. инженерной методики расчета и проектирования разделительных диафрагм. Отчет по хоздоговорной научно-исслодовательсадй работе. -Красноярск: ФКПИ; 1.936.-52с.

14.Ефремоз В.Н. Устройство с двумя: индикаторами на подаижном кронштейне для измерения конечной формы, разделителя сред.-Красноярск: ЦНТИ; 1987.-N35-87.-3c.

15.Ефремов В.Н., Стариков Н.А, Устройство для испытания листового материала на перегиб.-Красноярск: ЦНТИ;1987.-2с. ;

16.Ефремов 8.H и др. Расчет основных параметров металлических мембран-разделителей, вопм: конус-тор-сферя, тор-сфера, конус-, обратная, сфера.. Отчет о научно-исследовательской работе. Красноярск:

ОКПИ. 1987. 47 С- '-. .-...■■.■..,-'■-'..

17.Ефремов 8.Н. .Журавлев В.Ю., Тюрикова Л И., Панин С.С: О попытке изготоаленйя; ».'.одели мембраны-разделителя для .т'опливного бака ЖРД из титанового сплавэ ОТ4г).-ГИоскеа: ЦНТИ, Поиск, СИП, Вып. 9;1938, 0;3 п.л.

Ю.Е'фремав-З.Н. и. др. Испытание модели диафрягмы-разделителя для увеличенного обььма компонента, отчет по хоздоговорной научно-исследовательской теме. Красноярск: КИКТ; 1933.-30С. '

. 1 Э.Ефремов В.Н., Журавлев 8.Ю. .О возможных причинах разрушения '. йытеснительных диафрагм, бзков ЖРД при действии боковых перегрузок. 'Москва: ЦНТИ, "Поиск". Ина.Ы. Вып. 9.1938.-0,3 п.л. ' '

' .го.Ефремов В.Н.,. Журавлев В.Ю., Мясников : С,П.;!Сущее„ А.'В.' • Расчёт диафрагм-разделителей с повышенными эксплуатационными требованиями и результаты испытаний второго варианта... диафрагм-разделителей с увеличенным объемом, отчет по хоздоговорной научно-исследоаательсксй. работе. - Крэсмсярск:;1933,-110с. : v

21. Ефремов В.Н., Стариков H.A., Журавлев В.10., Панин С.С.; . Испытание , модели диафрагмы-разделителя для, увеличенного объема , компонента. Отчет по х/д Лив. M 023.60. 055164, 1933г. 30 стр. •«.

• 22. Ефремов В:Н., Журавлев В.Ю. Действие боковых перегрузок на металлическую диафрагму-разделитель топлизнсго бака ЖРД МТ Труды X : всесоюзной.. научно-технической конференции-- л'о микроэнергетике. КуАИ: Куйбышев, часть 2, 1991, с. 47-50..

• .23..- Ефремов В.Н.,. Журавлев В.Ю: Вопросы . устойчивости вытеснительных диафрагм при пластическом выворачивании. Материалы симпозиума: Устойчивость и пластичность в механике деформируемого твердого тела. Тверь: ТПИ. 1932. с. 124-128. . . ' .

24. .Ефремов В.Н., Журавлев В.Ю. Деформированное' состояние металлических разделителей при несимметричном-выворачивании Труды I

. советско-китайской конференции. Разработки и применение новых технологий :.. в области проектирования.' производства, исследования космической техники: КуАИ: Самара. 1992, с. 183-186.'! "', ;', :

: 25.Ефремов- -В.Н., - Якубозич . О.П. Обоснование использования знергетичесдаго принципа при исследовании процёсса выворачивания разделителей топливных С-аков. ..Российско-Китайский семинар по . аэрокоёмической технике. Дивногорск: CM,. 1894.С.40-47. ' -

25. Ефремов В.Н., '. Мясников C.B., Журазлев В.Ю. Проектирование оптимальных разделителей топливных • бзкоа.' Тезисы докладов II Росичйско-Китайского'семинзра по аэрокосмической технике. Красноярск САА, 1334,43-45с. ..'■■'• .-""'

27 Ефремоз В.Н. и др. Проектирование оптимальных металлических разделителей,топливных баков жидкостных ракетных двигателей. В кн. Материалы, конструкции,' технологии. Мемдаузовский. сборник. Красноярск САА, 1995, с. 226-229. .

23.Ефремов :В.Н., Журавлев В.Ю., Мясников СЛ. Влияние, ботовых перегрузок на устойчивость разделителей топливных Саков. Материалы, технологии и конструкции. -КрасноярскСААс.233-235.

\

. 29.Ефремов В.Н.. Краев Лд.Б. > : Разработка-дизфрагм'разделитедей емкости при сложной тогоцитовой- на грузке. 1 Международный, конгресс. Новые высокие ■ Технологи^ для нефтегазовой промьашенности и энергетики будущего. -Тюмень. *Е>56 -с,78-85. ■-. .

30 Ефремов В Н.,. Жураалев ВЮ. Якубович О Г) /. Влияние . термообработки на ..надежность -работы -.металлического разделителя Материалы, конструкции. • технологии:' - Межвузовский -.сборник- -.Красноярск САА.4,'2.-1936. с.-121-124, .:

31. Ефремов -ВН.. -"Жура-влев -В.Ю. ■ Проектирссание- -еыкретеи- для химически -активных ■ жидкостей-.. ■ Труды -IX .- Международной. конференции

, "Совершенствование - -процессов -и-аагеэдатой --мимических. пищевых и нефтехимических прошёодстб".-ОР-АПТ. Одесса,48бб-, с.,29-31.

32. Ефремов В.Н.,- Журавлев -.{О.-К -вопросу- ярое«йрсвгн'йя:емксстеи для химически -активных ■■жидкре-теп. - Природдае и ----ин-тряй&чтуальячые ресурсы Сибири ---(Сибрссурс 2 - 56)

научно-практической конференции,- Томск: Тбмск.и>о.а1ЗД.чс«йге»» уирааяеьия и радиоэлектроники. ^ЭОо. е.-6С-71, . ...

'33. Ефремов,-В Н.-. >».урнвлов .Юг^Ши««»»-прое>я»!рава»ш еикэстаздл* ' ' химически -актийных •• жидкостей • В, кн .-..Гу-дроприЕоД .■•• машин--, гзалиннегс технологического назначения/Ото ред.. --1\й53рзин С В., -КТТУ- Красноярск 1997-е, 108-111. ■■ . . ■- ---:• . ..'..-■

• 34.••Ефремов- В.Н., Жур»бя«&В.-Ю?; Металлические;в«8Яр.йч«<йа®шревр

диафрагмькрдзйелители-тог.ляшдах 5з,чое,--САА:.Краснеярск, 10ез.--1О4 с,-.---

Введение.

Условные обозначения. ' •

1. Обзор литературы по конструкции топливных баков с механическим разделением газовой и жидкой фазы и по исследованию выворачивающихся металлических разделителей.

1.1. Конструкции топливных баков с механическим разделением жидкой и газовой фазы.

1.2. Требования, предъявляемые к разделителям и их проектированию.

1.3. Устойчивость металлических разделительных устройств.

1.4. Исследования процесса выворачивания металлических разделительных устройств.

1.5 Выводы по первому разделу и задача исследования.

2. Математическая модель процесса выворачивания. 2.1. Основные допущения.

2.2 Статика процесса выворачивания

2.3. Кинематика процесса свободного выворачивания

2.3.1. Скорость перемещения поверхности в результате деформации.

2.3.2. Скорости деформаций.

2.3.3. Интенсивности скоростей деформации.

2.4. Давление выворачивания и радиус зоны перекатывания.

2.5. Деформированное состояние разделителя после выворачивания.

2.6. Положение разделителя.

2.7. Объем, вытесненный разделителем.

2.8. Алгоритм математической модели процесса выворачивания

- 3 - . '

разделителя.

2.9. Выводы-по разделу • • '142.

3. Экспериментальная установки и методика'испытаний.

3.1. Объект исследования.

3.2. Экспериментальные установки и методика испытаний. 154 3.3 Методика испытаний и измерения. '

3.4. Погрешности измерений.

3.5. Выводы по разделу

4. Результаты испытаний.

4.1. Процесс выворачивания металлических разделителей.

4.2. Основные параметры процесса выворачивания разделителей.

4.3. Влияние некоторых технологических факторов на процесс выворачивания разделителя.

4.4. Выводы по разделу

5. Анализ результатов испытаний.

5.1. Идентификация процесса выворачивания разделителя.

5.2. Сравнение с работами других авторов.

5.2.1. Давление выворачивания.

5.2.2. Мгновенное состояние и форма вывернутого разделителя.

5.3. Проектирование разделителя оптимальных параметров в составе топливного бака ЖРД.

5.4. Выводы по разделу. 258 Заключение. 262 Литература. 265 Приложение.

Создание, высоконадежных и эффективных систем ракетной и ракетно-космической техники, обеспечивающих по своим тактико-техническим характеристикам высокий уровень выполнения программ в эксплуатационных условиях является неотъемлимой задачей повышения обороноспособности страны и дальнейшего освоения космического пространства. В настоящее время к .ракетно-космической технике предъявляются все более высокие требования по параметрам, условиям работы и надежности при широком спектре выполнения программ. Всё более широко используются искусственные спутники Земли различного назначения на низких и высоких круговых, высокоэллиптических и геостационарных орбитах для обеспечения телевизионным вещанием районов Западной и Восточной Сибири, для телефонно-телеграф-ной связи с отдаленными районами страны.

Происходит дальнейшее расширение использования ракетно-космической техники в целях изучения народного хозяйства геологами, железнодорожниками, работниками банков и вычислительных центров. Системы: " Москва", "Орбита", "Экран" позволили существенно расширить телевидение. Система "Цикада" с помощью спутников "Космос-1000" позволяет судну определить своё местонахождение в Мировом океане с точностью до 100 метров на базе спутников. Расширяются связи с зарубежными странами на базе спутников "Цикада", создана система КОСПАС. Совместно с американско-франко-канадской системы САРСАТ она образует единую согласованную службу спасения. Расширяются научные и торговые связи в области освоения космического пространства с Индией (программа Рикша).

Решение таких задач предопределяет необходимость совершенствования теории процессов протекающих в системах подачи ракетнокосмической техники, повышение качества проектирования, ускорение отработки и сдачи более современных образцов ракетно-космической техники в эксплуатацию.

Для решения большинства поставленных задач, необходимо применение топливных баков с вытеснительной системой подачи при гарантированном разделении газовой и жидкостной фаз. Такие баки применяются в системах коррекции и стыковки транспортных систем, в системах ориентации и стабилизации ступеней ракеты. Для боевых ракет-носителей это двигательные установки ориентации и стабилизации последних ступеней ракеты, обеспечивающих последовательный вывод головных, частей на заданные координаты орбиты. .• •; .

К летательным аппаратам ракетно-космических систем предъявляются особо высокие требования по параметрам, условиям работы и надёжности при широком спектре выполняемых программ. Решение выполняемых задач определяет необходимость дальнейшего совершенствования теории процессов, протекающих в системах подач ракетно-космических модулей, что повышает качество проектирования, ускоряет отработку и сдачу более современных систем ракетно-космической техники в эксплуатацию.

Важнейшим условием нормальной работы агрегатов космического летательного аппарата является непрерывность подачи компонентов. Непрерывность подачи компонентов может быть нарушена при наличии газовых пузырей в топливноподающих магистралях, например, при запуске в условиях невесомости или вследствие временного оголения заборного устройства, при манёвре летательного аппарата. Исключить это можно при использовании сил поверхностного натяжения /46а/, однако этот способ не находит широкого распространения ввиду влияния на расположение газового пузыря самых разнообразных факторов /36, 37, 38, 39, 40, 41, 46/. Для разграничения газовой и жидкостной фаз успешно применяется механические разделители. Механические разделители можно условно разделить на два больших класса: эластичные (неметаллические) и металлические. Неметаллические разделители выполняются из пластических материалов, стойких к компонентам, ассортимент которых ограничен /46,47, 73,74/. При кажущейся простоте схемы /1,2,3,28,43/ они достаточно сложны в реальном конструктивном исполнении. При небольшом перепаде, давление между газовой подушкой и жидким компонентом, положение разделителя, а следовательно и жидкого компонента, может быть строго определено только при дополнении разделителя специально сконструированными приспособлениями. Дополнительные детали необходимы также для сбора компонента и надёжной подачи его к заборной горловине. Форма эластичного разделителя в расправ

- 6 - ' ленном состоянии должна соответствовать форме бака, поэтому раскрой материала для последующей сварки оболочки или сшивание чехла может быть сложным даже для простой формы бака. Увеличение размера разделителя или уменьшение его может привести к прекращению подачи компонента- /86/.

Процесс снаряжения топливного бака эластичным разделителем и последующая заправка бака топливом сложны. Во время заправки и при испытаниях могут появиться дефекты, перебои дренирования, ложная негерметичность /88/. Плёночные материалы, применяемые в настоящее время, не гарантируют работу в течении длительного времени. По этим причинам несколько более распространены металлические разделители /90/. Они, в большинстве своём, строго определяют положение жидкости в любой момент работы, гарантирует долговечность при контакте с компонентами, разнообразны по своей конструкции. Металлический разделитель выполнен, например, в конструкции космического летательного аппарата "Полет-1" 1963 г., пилотируемой орбитальной станции "Алмаз", а также в баках 0714, 0707, Б. 82. НО: 00 двигательных установок. В работе они надежны. Однако вопросы их конструирования требуют дополнительного изучения.

Исследования по этому направлению были начаты нами по заказу организации НПО ПМ, некоторые работы проводились совместно с ГИПХом. Работы проводились по заказу организации КЕМ, КБ Арсенал. Основная часть работ выполнена по заказу предприяпия НИИ МАШ на основании решения ГКСМ СССР по ВПК от 24.09.86 N 355.

Автор выражает глубокую признательность д.т.н., проф., зав. каф. САА, академику, Засл. деят.н.т. России Краеву М. В., д. т.н., проф., зав. каф. КТУ, чл.кор. ТАН Тунакову А. П., к.т.н., доцентам Краснопееву Б.Г., Автономову Н.Н., сделавшим ряд ценных замечаний, при просмотре рукописи. Автор приносит благодарность инженерам Панину С.С., Тетериной Н.Г., Кошкареву А.И., Сущеву А.В., Капустину Г.В., Мясникову С. П.

Автор благодарит доцентов Чернышова В.Н., Назарова В.П. и Журавлева В.Ю. за деловую критику в процессе формирования и обсуждения данной работы. Автор благодарит токаря-давиловщи-ка Силаичева А.С., который выполнил большинство экспериментальных разделителей.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ расстояние от оси симметрии разделителя до центра кривизны образующей; абсолютная деформация; коэффициент в линейной зависимости;

- диаметр параллельных сечений; -работа;

- расстояние; модуль Юнга; поверхность;

- интенсивность скоростей деформации;

- расстояние между одноимёнными точками вывернутой части разделителя при его перемещении;

- тангенс угла наклона образующей конуса;

-длина меридиана разделителя;

- расстояние по меридиану в зоне перекатывания; расстояние от серединной поверхности; давление;

- радиус'кривизны поверхности; радиус зоны перекатывания;

- расстояние от плоскости перекатывания до центра невывернутой зоны;

- расстояние по меридиану в зоне перекатывания; параметр Стьюдента; работа; скорость; объём;

- поверхностная нагрузка; -координата;

- значение измеряемого параметра; ■ '• • • координата;

- предельная погрешность измерения; толщина разделителя; относительные деформации; скорость деформации; угловая координата в зоне перекатывания;

- напряжение нормальное;

- среднее квадратичное отклонение; напряжение касательное; текущий угол выворачивания; площадь; угловая скорость.

Верхние индексы вектор; кинематическая возможная величина. Нижние индексы

- внутренняя; временное;

- центральная; перекатывание;

- систематическая;

- серединная;

- центр вращения;

- наружная;

- нижняя;

1 - переменный--параметр; М - меридиан; ; п - нормаль к поверхности О - начальный;' П - параллель; S - текучесть; Т - тор; и - истинный;

2 - суммарный; изм - измеренный; отн - относительный; пер - переносный;

5.4. Выводы по разделу

1.При выводе теоретических зависимостей, описывающих процесс выворачивания разделителя, составлена модель этого процесса,

- 259 благодаря чему получились удобные расчетные зависимости* в конечном виде, ; не требующие вычисления дифференциальных уравнений.Модель все особенности реального разделителя и процесса его выворачивания не учитывает. В часности материал представляется идеально-пластичным, расстояние от оси симметрии до зоны перекатывания много большиы радиуса зоны перекатывания, а радиус зоны перенатывания больше толщины разделителя в этой зоне; толщина на протяжении зоны перенатывания постоянна и т.д.

2. Приблиление априорных формул к реальным, характеристикам процесса выворачивания осуществляется идентификацией. При идентификации важно учесть как можно больше параметров, даже дублирующих. В программе идентификации использовалась разработанная программа процесса выворачивания разделителя, как подпрограмма, определялись невязки измеренных величин; разница между действительной и теоретической величиной по отношению к действительной, определялось влияние на теоретические зависимости различных параметров. До идентификации величины невязок по радиусу зоны перекатывания определялись цифрами 0,1-0,6. После идентификации с учетом влияния угла деформируемой зоны с поправочным коэффициентом 0,5, невязки по этому параметру уложились в диапазон ±0,1. Величина невязок по давленю после идентификации укладываются в диапазон ±0,1, что с учетом механических характеристик материала достаточно хорошее совпадение.

3. Выведенная зависимость границ устойчивости достаточно хорошо согласуется с экспериментом при действии боковых перегрузок.

- 260

4. Сравнение о работами других авторов можно производить практически только по величине критического давления и в том случае, если известна форма разделителя. Наибольшее совпадение дает зависимость Залесова и наша. Зависимость Залесова дает заниженные•результаты. Наша зависимость располагается выше экспериментальной.

5. Вывернутую форму разделителя можно определить по зависимостям Залесова В.Н. и нашим. Форма Залесова предполагает большую начальную отбортовку и большие деформации материала для одного и того же подсчитанного разделителя. Исследования Северова Н.А. и Даева И.Ф. выполнены на основе известной конечной формы разделителя.

6. По методике Залесова В. Н., для выполнения постоянного перепада давления необходимо некоторое изменение толщины. Однако это изменение невелико и, вероятно, поэтому его не учитывают. По нашей методике по мере перемещения зоны выворачивания изменение толщины существенно (например, для бака диаметром ~ 400 изменение от 1,2 мм до 1,8 мм). Это накладывает отпечаток и на технологию изготовления - ротационный метод.

7. Основная задача оптимизации: в выделенном объеме разместить бак с наибольшим количеством компонента, с надежным разделением жидкой и газовой фазы в процессе хранения и выработки компонента. Использование объема бака должно- быть наибольшим, вес|сухого бака наименьшим. Выворачивание разделителя должно проходить без потери устойчивости при минимальных энергозатратах на вытеснение. ^Вытеснение должно -быть осесимметрично. Прй отсутствии специальной оговоренности наработу бака при боковых перегрузках. ■*■ .

В основном варианте проектирования за функцию цели принимается максимальный выделенный объем.

Варьируемые параметры геометрии начальной формы разделителя: ' углы отдельных секций или их протяженность (сфера, тор,, конус), радиусы серединной; поверхности, координаты центров радиусов: и эпюра изменения толщин по длине меридиана разделителя. Функциональные ограничения: начальная форма разделителя не должна выходить за нижнюю ограничивающую поверхность, а вывернутая форма разделителя не должна выходить за верхнюю ограничивающую поверхность; для разных форм ограничивающих поверхностей (сфера, чечевица, месяц и т, д.); давление выворачивания на любом участке выворачивания не должно выходить !за заданные пределы; давление на участке выворачивания не ! должно быть меньше давления предыдущего участка; накопленный угол нормали к зоне перекатывания не должен превышать величины тс/2; при отсутствии специальной оговоренностй необходимо уменьшить эту величину на 0,10. 0,15.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана методология пластического деформирования материала диафрагмы-разделителя включающяя: а) форму, объем и протяженность зоны пластического де-( формирования материала и зон упругого деформирования для выворачивающихся диафрагм-разделителей из анализа статического расчета и экспериментальных данных; б) определены кинематически возможные скорости зоны ; перекатывания для различных схем процесса выворачивания" (выворачивание при.Положительной деформации параллели, выворачивание при отрицательной деформации параллели,, несимметричное выворачивание при действии боковой перегрузки) по однотипной схеме; в) на основе кинематически возможных скоростей определены: скорости перемещения повехности в пластической и упругой зонах, скорости деформаций по основным направлениям, зоны деформаций с наибольшими из деформаций по основным направлениям, интенсивности скоростей деформации в этих зонах; г) с использованием энергетического принципа, скоростей перемещения и интенсивности скоростей' деформаций определены основные характеристики процесса выворачивания: радиус зоны перекатывания, давление выворачивания от параметров, мен-якь щихся в процессе выворачивания (геометрических размеров, угла наклона образующей, толщины, механических характеристик материала).

2. На основании экспериментальных и теоретических иссле

- 263 дований процесса выворачивания диафрагм-разделителей определены: а) зависимости деформаций по основным направлениям от параметров, меняющихся в процессе выворачивания и соотношения между деформациями по основным направлениям в зависимости от схемы выворачивания (выворачивание при положительной деформации параллели, при отрицательной деформации параллели, при действии боковой перегрузки); б) причины ; и характер потери устойчивости диафрагмы-разделителя в зависимости от основных параметров, от вида нагрузки, от некоторых конструкторско-технологических факторов; в) скорректированы характеристики процесса выворачивания диафрагмы-разделителя методом идентификации с использованием матемтической модели процесса выворачивания; г) разработана методика и программа расчета диафрагмы-разделителя в составе топливного бака J1A.

3. Экспериментально исследовано влияние конструкторско-технологических факторов на процесс выворачивания диафрагмы-разделителя: , а) разнотолщинность на одной параллели; б) изменение толщины по меридиану на основные характеристики; в) положение сварного шва в сборке ложемент-диафрагма-раз делите ль; г) проплав в зону начальной отбортовки; д) механических характеристик и термообработки.

4. Разработано методологическое обоснование расчета выворачивающихся диафрагм-разделителей в составе топливного" бака: а) алгоритма расчета;

I жб) программу расчета.

5. По результатам исследований в НИИ Маш г. Н. Салда спроектирован двухкомпонентный топливный бак средних размеров Б82.100.00, для симметричного выворачивания, бак Б82.100.00Б - работающий при действии боковых перегрузок равных 50g. Оба двухкомпонентных бака запущены в серийное производство на ЗМЗ г.Златоуст. Замечаний со стороны военной приемки нет и не было.

В ГРЦ КБ им. : академика В. П. Макеева г. Миасс спроектирован, прошел все виды конструкторских испытаний большеразмер-ный двухкомпонентный бак с суммарной емкостью 570 л. Гарантийный. срок хранения 18 лет. Там.же разработан и изготовляется однокомпон|ентный бак емкостью 9 л, срок хранения 18 лет. Методикой [проектирования пользуются в КБ "Арсенал"'" г. С.-Петербурге при проектировании баков изделия 94Е,' в ГРКЦ "Салют" г. Москва. Результаты исследования были использованы при исследовании нештатной ситуации при работе баков, спроектированных в :КБ "Союз", выпускаемых серийно на ГП "Крас-машзавод" и нештатных ситуаций баков Б82.100.00. Результаты исследования внедрены в учебный процесс САА в курсе "Конструкция и проектирование летательных аппаратов" и в курсе теоретической механики.