автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка и внедрение методики и инженерной программы создания оптимальных конструкций электромагнитных клапанов жидкостных ракетных двигателей

На правах рукописи

005053313

ТЕЛЕНКОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДИКИ И ИНЖЕНЕРНОЙ ПРОГРАММЫ СОЗДАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КЛАПАНОВ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.07.05 «Тепловые, электроракетные двигатели и энергетические установки летательных аппаратов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

11 ОПТ 2012

Химки - 20

005053313

Работа выполнена в ОАО «НПО Энергомаш им. академика В.П.Глушко» Научный руководитель:

Доктор технических наук Б.М. Громыко

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук К.П. Денисов

Кандидат технических наук В.П. Базаев

Ведущая организация:

ФГУП «НИЦ РКП»

Защита состоится « 201 Ег. в /Г часов на заседании

диссертационного совета ОАО «НПО Энергомаш

им. академика В.П. Глушко», по адресу: 141401, Московская обл., г. Химки-1, ул. Бурденко, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 141401, Московская обл., г. Химки-1, ул. Бурденко, д.1, ОАО «НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко», учёному секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан « 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук Г.Л. Лиознов

Принятые сокращения

ЖРД - жидкостной ракетный двигатель;

ЭГК — электрогидроклапан;

ЭПК - электропневмоклапан;

ЭК - электроклапан;

ЭМ - электромагнит;

РН - ракеты-носитель;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертации. Проблема создания оптимальных конструкций электромагнитных клапанов актуальна для многих сфер народного хозяйства. Развитие техники характеризуется увеличением мощности, повышением давлений, применяемых для приводных механизмов, уменьшением габаритов и массы агрегатов. Для решения новых задач необходимо создание усовершенствованных конструкций электромагнитных клапанов, имеющих оптимальное сочетание параметров (высокое давление рабочего тела, быстродействие, минимальное потребление тока), высокую надежность, технологичность при минимальной стоимости.

Создание современных ЖРД ставит аналогичные задачи перед разработчиками электромагнитных клапанов, которые в жидкостном ракетном двигателе используются для различных целей:

- как топливные клапаны для подачи основных компонентов в камеры сгорания (для ЖРД низкой и средней тяги);

- для подачи управляющего газа при приведении в действие основных клапанов ЖРД (для ЖРД средней и большой тяги);

- для вспомогательных нужд (предпусковых и послепусковых продувок, при эжектировании (создании разряжения) полостей двигателя перед заправкой их компонентом); для наддува пусковых устройств и др.

Электромагнитные клапаны являются одними из основных агрегатов двигателя, обеспечивающие его многоразовое использование, позволяющие существенно сократить затраты на отработку двигателя путем многократных испытаний его на огневом стенде без съема и переборок, а также они являются одними из важнейших элементов для создания систем управления ЖРД многоразового применения.

Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка методики и инженерной программы проектирования оптимальных конструкций электромагнитных клапанов, предназначенных для ЖРД большой мощности и их внедрение в современные ЖРД. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• Исследование конструкций электромагнитных клапанов, применяемых в ЖРД, выявление недостатков и обоснование актуальности разработки клапанов новой конструкции.

• Разработка методических рекомендаций и критериев оптимальности конструкции электромагнитных клапанов ЖРД.

• Разработка методики и инженерной программы расчета электромагнита постоянного тока.

• Проектирование электромагнитных клапанов с учетом разработанных критериев оптимальности конструкции.

• Разработка конструкторской документации и экспериментальная проверка электромагнитных клапанов для подтверждения обеспечения предъявляемых к ним требований.

• Анализ полученных экспериментальных данных и сравнение их с расчетными значениями.

• Внедрение оптимизированных электромагнитных клапанов (ЭПК новой конструкции) в современный ЖРД (двигатель РД191) и оценка эффективности внедрения ЭПК.

Научная новизна диссертации заключается в том, что разработаны методические рекомендации и критерии оптимальности конструкции электромагнитных клапанов ЖРД, направленные на повышение их быстродействия, улучшение габаритно-массовых характеристик. Разработаны также методика и инженерная программа расчета электромагнита постоянного тока на персональном компьютере, основанная на обобщении экспериментальных данных и систематизации имеющихся знаний по расчету ЭМ. Разработанная автором методика расчета ЭМ постоянного тока применима к расчету ЭМ различного назначения. В качестве примера в диссертации приведено применении указанной методики для длинноходовых электромагнитов, работающих на постоянном или выпрямленном токе. Применяя на практике разработанные принципы проектирования и методику расчета ЭМ, спроектированы оригинальные конструкция ЭПК и ЭГК для ЖРД большой тяги. Достоверность результатов работы подтверждается:

• хорошей сходимостью проектных, расчетных и экспериментальных данных;

• применением фундаментальных исследований, а также положений отраслевого стандарта и численного моделирования при составлении методики и инженерной программы расчета электромагнита постоянного тока;

• проведением комплекса успешных испытаний разработанных ЭПК (как автономных, так и в составе ЖРД) с использованием для испытаний аттестованной аппаратуры и квалифицированного персонала.

Научная и практическая значимость диссертации состоит в том, что сформулированы методические рекомендации и основные критерии оптимальности электромагнитных клапанов ЖРД, а также разработана методика и программа инженерного расчета электромагнитов постоянного тока. Применяя на практике методические рекомендации и программу инженерного расчета, разработаны и успешно используются электропневмоклапаны двигателя РД191, которые по сравнению с ЭПК, применяемыми ранее, являются значительно более быстродействующими, легкими, технологичными; также разработан и прошел экспериментальную проверку на первых образцах двигателя РД191 электрогидроклапан золотникового типа, входящий в состав цифровых агрегатов регулирования, работающий в боль-

шом диапазоне давлений рабочей жидкости от 0 до ЮООкгс/ем2 с высоким быстродействием.

Найденное в процессе разработки решение конструкции первого каскада усилителя ЭПК имеет значительные преимущества и позволило существенно увеличить быстродействие ЭПК, уменьшить массу и габариты ЭМ.

Реализация работы. Работа выполнялась в течение ~ 30 лет в процессе разработки в НПО Энергомаш ЖРД различного назначения, а также в процессе разработок по конверсии по темам: молочный и масляный сепаратор; газовые горелки различной мощности; установка по утилизации мусора; автоматика для управления газоплотной заслонки для теплоэлектроцентрали и др. Прогнозируется применение методик и инженерной программы расчета ЭМ при разработках электромагнитных клапанов вновь создаваемых ЖРД и объектов народного хозяйства. Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Сформулированы методические рекомендации и основные критерии оптимальности электромагнитных клапанов ЖРД; разработана методика и программа инженерного расчета электромагнитов постоянного тока, включая расчет ЭМ с усложненным профилем обмотки. Методические рекомендации и программа расчета ЭМ апробированы при разработке электропневмоклапанов для двигателя РД191 и др.

2. Разработаны и внедрены: ЭПК двигателей РД120, РД170, РД171М, РД180; электроклапан для посадочной ступени "ЭУ 530", ЭПК для рабочего газа с криогенной температурой, а также ЭГК и ЭПК для нескольких разработок по конверсии (для молочного и масляного сепараторов, газовых и жидкостных горелок и др.).

3. Разработана оригинальная конструкция первого каскада усилителя ЭПК, имеющая ряд существенных преимуществ. Конструкция первого каскада усилителя ЭПК защищена патентом на полезную модель.

4. Разработана документация на ЭПК двигателя РД191; на базе унифицированной конструкции усилителя первого каскада ЭПК разработана также документация на блок электроклапанов для управления агрегатами креновых сопел (АКС) РН "Ангара".

5. Проведена экспериментальная отработка ЭПК двигателя РД191, блока электроклапанов для АКС РН "Ангара" и ЭГК для цифровых агрегатов регулирования.

6. ЭПК и блок электроклапанов, успешно прошли экспериментальную отработку, внедрены на двигатель РД191 и на агрегаты креновых сопел РН "Ангара".

Публикации

Автором по теме диссертации опубликовано 5 научных работ; получено 2 патента на полезную модель и 3 патента на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из списка условных обозначений, введения, семи глав, заключения и списка литературы. Она содержит 152 страницы основного текста, 125 рисунков, 5 таблиц, список литературы, включающий 51 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение содержит общую характеристику диссертационной работы. Сформулированы цель и задачи, обоснована актуальность темы, научная новизна, практическая значимость и достоверность полученных результатов. Отмечены направления реализации диссертации и личный вклад автора.

В первой главе обоснована необходимость решения задачи разработки электромагнитных клапанов для ЖРД. Рассмотрены виды и принципы работы ЭМ клапанов, применяемых в ЖРД, проведен анализ конструкций электромагнитных клапанов, используемых в отрасли, включая элетропневмоклапаны для мощных ЖРД разработки НПО Энергомаш; проведен обзор материалов патентных исследований.

Рис. 1. Схема двигателя РД180 А, Б, В, Г - блоки ЭПК, Д - ЭПК выключения двигателя

В системах управления ЖРД электромагнитные клапаны используются как в качестве главных клапанов, например, топливные клапаны в двигателях малой тяги, так и в качестве управляющих агрегатов, обеспечивающих приведение в дейст-

вие главных клапанов и других устройств с помощью подвода к ним энергии сжатого газа (азота или гелия) с высоким давлением.

В качестве преобразователей используется электромагнит постоянного тока, который получает электропитание от аккумуляторной батареи и преобразует поданную команду в перемещение якоря ЭМ, обеспечивая работу распределительного устройства, которое занимает, как правило, два крайних положения: одно при включенном ЭМ, другое при выключенном ЭМ. На этом принципе основано управление процессами запуска и останова мощных ЖРД. Пример построения схемы управления мощным ЖРД приведен на рис. 1.

На рис. 2 приведена типичная конструкция ЭПК двигателей РД120, РД170, РД180. ЭПК имеет 2 крайних положения: выключенное (приведенное на рисунке), при этом вход в ЭПК отделен основным клапаном 2 от выхода, выход из ЭПК сообщен с дренажем; включенное - при подаче напряжения на электромагнит якорь 4 перемещает разгрузочный клапан 5 первого каскада усилителя вниз, перекрывая канал подвода сжатого газа в управляющую полость А и одновременно сообщает ее с дренажем 1 через дренажный канал. Используя энергию сжатого газа, основной клапан 2 и, жестко связанный с ним дренажный клапан 3 второго каскада усилителя, перемещаются вправо, обеспечивая сообщение входа ЭПК с выходом и одновременное разобщение полости выхода от дренажа ЭПК. При выключении ЭПК его затворы возвращаются в исходное положение.

Особенностями систем подачи топлива двигателей мощных ЖРД являются высокие давления в магистралях (до 1000кгс/см2), большие скорости и расходы компонентов. Для управления такими магистралями требуются быстродействующие ЭПК, работающие на сжатом газе высокого давления (до 230 кгс/см2).

Быстродействие ЭПК особенно необходимо при запуске двигателя, когда должна соблюдаться строгая временная последовательность подачи компонентов в основные агрегаты двигателя.

В первой главе также рассмотрены ЭПК, разработанные с участием автора, для использования в составе двигателей РД120, РД170, РД171 применительно к условиям многократного использования ЖРД. Для обеспечения многоразовости комплекса Энергия-Буран агрегаты автоматики двигателя должны были иметь значительный ресурс срабатываний. Для ЭПК ресурс составлял до 400 срабатываний. Высокая надежность ЭПК, особенно при включении, должна гарантировать увод носителя со старта.

Увеличения ресурса ЭПК было достигнуто уменьшением нагрузок на нижнее уплотнение разгрузочного клапана при включении электромагнита, для чего в узел якоря ЭМ введено демпфирующее устройство (фрагмент на рис.2).

Б - демпфирующее устройство

Рис.2. Электропневмоклапан двигателя РД170 1 - электромагнит; 2 - основной клапан; 3 - дренажный клапан; 4 -якорь; 5 - разгрузочный клапан; 6 - пружина демпфирующего устройства; 7 - упор; А - управляющая полость

Дренаж

Дренажі

Для увеличения надежности срабатывания ЭГЖ при включении применено дублирование тех ЭПК, чья работа определяет запуск и вывод двигателя на номинальный режим, а также обеспечивает выключение двигателя. Схема и общий вид ЭПК приведены на рис.3. Работоспособность ЭПК при отказе одного из электромагнитов обеспечивается шариковым блокировочным устройством. В настоящее время ЭПК этой конструкции используются на двигателе РД171М.

Для уменьшения объема доводочных работ двигатель РД180 разрабатывался с максимальным заимствованием конструктивных решений, зарекомендовавших себя на двигателях РД120, РД170, РД171, в том числе и по ЭПК. С целью упрощения конструкции двигателя в целом (уменьшение количества трубопроводов, соединительных узлов), автором разработано два блока, объединяющих несколько ЭПК и пневмоклапанов.

На рис.4 приведен общий вид блока клапанов гелиевой системы двигателя.

Выхоа ♦ А

Дренаж

Выход | Вход |

Схема ЭПК

ПерБаО коскод усилителя

Блокировочное успройстбо [увеличено)

Рис.3. ЭПК двигателя РД171М с дублированными ЭМ 1- упор, 2, 5- шарик, 3- корпус, 4- толкатель, 6- упор, 7- основной затвор, 8-дренажный затвор, 9- гайка, 10- штуцер, 11, 18- электромагнит, 12- седло, 13- разгрузочный клапан, 17- седло, 19- корпус

Рис. 4. Блок клапанов гелиевой системы двигателя РД180

В конце главы сделаны выводы по состоянию разработки электромагнитных клапанов для ЖРД и о необходимости создания быстродействующих, надежных, многоразовых ЭПК для ЖРД.

Во второй главе изложены общие положения, принципы и особенности конструкции клапанов с электромагнитами постоянного тока, необходимые для понимания процессов их работы, а также путей оптимизации электромагнитных клапанов. Рассмотрен рабочий цикл электромагнитного клапана непрямого действия, проведен анализ составляющих времени его срабатывания, показано влияние плотности тока в обмотке и запаса по тяговому усилию в ЭМ на быстродействие.

На рисунке 5 приведено характерное поведение параметров ЭПК непрямого действия.

Зое 1 / ^бх

0уст

Т.&КЛІ

Отр ----- У гчз

ТвклП у

/

Момент подачи/ ТЪклупр

команда Т сраб. бкл

Рис. 5. Характерное поведение параметров ЭПК непрямого действия

Время срабатывания ЭПК (время от момента подачи напряжения до момента завершения движения основных затворов) определяется следующим образом:

Т-сраб.вкл. Твкл I "Ь Твкл ц + ^вкл.упр

где Тсраб.вкл - время срабатывания ЭПК при включении; твклл - время срабатывания I каскада усилителя ЭПК (время срабатывания электромагнита); твкл.ц - время движения основных затворов ЭПК; твкл.упр - время снижения давления в управляющей полости до начала движения основных затворов;

В диссертационной работе основное внимание уделено путям уменьшения первой составляющей этого выражения, а именно: показано влияние плотности тока и запаса по току трогания на время срабатывания ЭМ.

Постоянная времени электромагнита определяется из выражения:

где С0 - магнитная проводимость рабочего зазора, 1(0 - количество ампер витков обмотки, - плотность тока, р - удельное сопротивление обмоточного провода, I ср - длина среднего витка обмотки.

Время срабатывания при заданной намагничивающей силе обмотки будет тем меньше, чем большая плотность тока будет допущена в обмотке. Значительное изменение времени срабатывания электромагнита происходит при изменении коэф-

фициента запаса по току трогания от Кз=1 до Кз=2 (см.рис.36); в быстродействующих электромагнитах , как правило, Кз>2".

При этом К = ^ > гДе 3' установившееся значение тока в обмотке; J тр-Зтр

значение тока в момент трогания якоря ЭМ.

Временная характеристика ЭМ имеет следующий вид (рис.6).

Временная характеристика

(по Сотскову)

-^цв/Т -Ггр/Т ^р/Т

КЗ

Рис. 6 Зависимость времени срабатывания ЭМ от коэффициента запаса

по току трогания

В заключительной части главы сформулированы методические рекомендации, которыми необходимо руководствоваться при разработке электромагнитных клапанов для ЖРД:

- выбор оптимальной схемы агрегата в зависимости от условий его работы, например: прямого действия при небольших проходных сечениях проточной части клапана, невысоких давлениях рабочего тела; непрямого действия с использованием энергии рабочего тела для преодоления усилий, возникающих на затворах при значительных проходных сечениях проточной части клапана, при высоких давлениях рабочего тела;

- для агрегатов непрямого действия - уменьшение объемов управляющих полостей, величин перемещения затворов;

- уменьшение потребных усилий, величин перемещений разгрузочных клапанов усилителей первых каскадов;

- обеспечение оптимального запаса по току трогания;

- увеличение плотности тока в обмотке ЭМ;

- использованию материалов с наилучшими магнитными свойствами, качественных обмоточных проводов и т.п;

- проводение комплексных расчетов с определением характеристик ЭМ, быстродействия устройства и т.п.

В третьей главе представлена методика и программа инженерного расчета электромагнита постоянного тока разработанные автором, которые позволяют определить основные параметры ЭМ, его силовую характеристику, нагрев обмотки, определить быстродействие срабатывания ЭМ. Расчет можно производить для нескольких моделей ЭМ. Методика и программа инженерного расчета ЭМ постоянного тока разработаны автором на основе положений отраслевого стандарта по расчету электромагнитов. Алгоритм расчета ЭМ изменен и дополнен с учетом следующего:

• для расчета магнитной проводимости рабочего зазора и тяги ЭМ используются уточненные зависимости, приведенные в технической литературе;

• на основе экспериментальных дангых скорректирован расчет мощности теплового потока, передаваемого ЭМ в окружающую среду;

• дополнительно введен расчет температуры обмотки для ЭМ кратковременного включения;

• с учетом фактических данных изменен коэффициент укладки обмоточного провода;

• в расчете быстродействия ЭМ учтено влияние вихревых токов;

• введена модернизированная модель ЭМ с дополнительной частью обмотки (рис.7), расположенной в проточке сердечника; дополнительная часть обмотки позволяет при тех же габаритах ЭМ повысить намагничивающую силу обмотки и увеличить тягу ЭМ; предложенная автором модернизиро-

ванная модель ЭМ защищена патентом; 2 3 4

часть обмотки и, (11, А1 — размеры модели, используе-

мые в расчете ЭМ

Рис.7. Модернизированная модель ЭМ

1 - сердечник, 2 - кожух, 3 - обмотка, 4 - немагнитная вставка, 5 — фланец, 6 - якорь

• алгоритм доработан для проведения расчета ЭМ на персональном компьютере.

В расчете ЭМ используются формулы:

Определение намагничивающей силы обмотки

и I

^ = J(o = —co ■, Я = Я20(1 + аД/);Я20 = р20-; со = Ку ■ 1к-кк!й1 ■

Я Бпр

где: намагничивающая сила обмотки; J—ток в обмотке; со - число витков обмотки; и — напряжение питания ЭМ; 7? - сопротивление обмотки; К2о — сопротивление обмотки, приведенное к 20°С; а — температурный коэффициент сопротивления обмоточного провода обмотки; Л/=/-20; р2о-удельное сопротивление обмоточного провода, £ - длина обмоточного провода, Бпр - площадь сечения обмоточного провода, Ку - коэффициент укладки; - длина обмотки; кк - высота об-мотки\clnp - диаметр обмоточного провода по изоляции.

Определение тягового усилия

0 = 5,1 • 10-8 • F2 — ; п = НШ; Я = /(Д/); В1 = ^ с15 £7

где: 0 - тяга электромагнита; Од - магнитная проводимость рабочего зазора; § — рабочий зазор; Л' — потери намагничивающей силы; Ш — напряженность магнитного поля; I i - длина участка магнитопровода; Ш — магнитная индукция; Рб - магнитный поток; к — коэффициент рассеяния магнитного потока; площадь ьго участка магнитопровода

Определение температуры нагрева обмотки

Ст • тт + С , • т , + к-Ск-т ( г ^

гг1 т и5 из . .

1т =-Л - ¡у

кп-Б '

\-е Тт

V

где: Тт -постоянная времени нагрева электромагнита; Ст - удельная теплоемкость проводника ЭМ; т„ - масса проводника; Сиз — удельная теплоемкость изоляции; тш - масса изоляции; к - коэффициент теплопроводности материала магнитопровода, Ск — удельная теплоемкость материала магнитопровода;^« - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ЭМ; 5- площадь наружной поверхности ЭМ.

Определение быстродействия ЭМ

„ Ь вЗ- (О .

Т = — =-и = ^

Я Я

2 ( _г\

\-е'т

\

:Тт = Т + ТЬ = у/Т-, у/ = 1,1 н-1,3 1 ,

(тр = ц/ -Т • 2,3^—^— ;кЗ = — И У &\-кЗ Зу

Где: Т — постоянная времени ЭМ без учета влияния вихревых токов; Ь — индуктивность ЭМ, Од - магнитная проводимость рабочего зазора; со - число витков обмотки; Я — сопротивление обмотки; Зу - установившееся значение тока в обмотке;

Тт - постоянная времени ЭМ; ТЬ - часть постоянной времени ЭМ, учитывающая влияние вихревых токов; /тр - время трогания ЭМ; кз - коэффициент запаса ЭМ по току трогания.

В процессе расчета ЭМ можно варьировать различными магнитомягкими материалами, как всего магнитопровода, так и отдельных его участков. Как наиболее применяемые, в программу расчета ЭМ заложены магнитные свойства следующих сплавов: сплава с высоким уровнем магнитных свойств -49КФ, достаточно недорогой электротехнической стали Э10 и нержавеющего сплава 16Х. Магнитные свойства материалов приведены на рис. 8. Расчет электромагнита проводится при неблагоприятных сочетаниях факторов (высокой температуры окружающей среды, минимального напряжения питания, максимальной нагрузки от рабочего давления).

В результате расчета определяются геометрические параметры ЭМ, намагничивающая сила обмотки, тяговые характеристики, температура нагрева обмотки, быстродействие ЭМ, индуктивность и др. Расчет ведется в диалоговом режиме с уточнением размеров магнитопровода, обмоточных данных и т.п. На рис.9 приведено сравнение расчетных и экспериментальных значений тяги разработанного автором электромагнита.

2000

4000

Н, А/м

Рис. 8. Магнитные характеристики используемых материалов

Тяговые характеристики ЭМ, и=24В, 1=20 гр.С

0.6 0.8

Рис.9. Сравнение расчетных и экспериментальных значений тяги

В следующей части главы приведены основные моменты работы, проведенной совместно с МВТУ им. Баумана по расчету тяги электромагнита с использованием программы АИБУБ методом конечных элементов. На рис 10, 11 показаны этапы создания рабочей модели ЭМ. На рис.12 приведен фрагмент расчетной сетки в области рабочего зазора, показывающий возможности программы по расчету сложной конфигурации магнитопровода, например, с радиусным притуплением якоря. На рис. 13 показано распределение вектора магнитной индукции в электромагните,

позволяющее судить о потерях намагничивающеи силы на разных участках магни-топровода.

Рис.11. Трехмерная модель электромагнита

Рис.10. Геометрия унифицированного электромагнита

В выводах отмечается удовлетворительная сходимость результатов расчета тяговых усилий, как методом конечных элементов, так и по программе инженерного расчета с экспериментальными данными.

В главе 4 рассмотрены электромагнитные клапаны современных и перспективных двигателей, разработанные автором.

Рис.12. Фрагмент расчётной сетки конечно-элементной модели в области рабочего воздушного зазора.

Рис.13. Распределение вектора магнитной индукции В

Электроклапан, для управления топливными клапанами посадочного двигателя (рис.14).

Для увеличения быстродействия и снижения массы клапана применено:

• увеличенние плотности тока в обмотке до 24 А/мм2 (это возможно, учитывая небольшое время включения ЭК);

• выполнение магнитопровода из сплава 49КФ с высоким уровнем магнитной индукции;

• выполнение намагничивающей обмотки с дополнительной частью, расположенной в проточке сердечника;

• уменьшение пятна контакта клапанов по уплотнительной поверхности за счет перехода с резинового на фторопластовый уплотнитель;

• выполнение изоляции каркаса катушки от обмоточного провода в виде электроизоляционного фторопластового покрытия толщиной 0,1.. .0,15 мм;

Это позволило создать быстродействующий ЭК небольших габаритов с условным проходным сечением в зоне уплотнителя клапана около 2мм, для рабочего давления газа - 80кгс/см2.

Рис.14. ЭПК энергоустановки "530" 1 - якорь, 2 - крышка, 3 - пружина, 4 - электроразъем, 5 - толкатель, 6 - сердечник, 7, 8 - клапан, 9 - пружина, 10 - кольцо, 11 - крышка, 12 — корпус, 13 - пылезащитное кольцо, 14 - гайка, 15 - кожух, 16 - заполнитель, 17 - обмотка, 18 — немагнитная вставка, 19 - фланец

ЭПК для рабочего газа с криогенной температурой (рис.15).

Электропневмоклапан разработан для двигателя «Вулкан» по контракту с французской фирмой. По схеме имеет два выхода к потребителю, сообщающиеся поочередно с входом или с дренажем и предназначен, как для управления агрегатами автоматики, так и для продувок полостей двигателя, Электромагнит имеет две независимые обмотки; с1у=8мм; рабочее давление - 50...90 кгс/см2; ресурс ЭПК -5000 срабатываний; напряжение питания ЭМ — 50В постоянного тока; масса — 2кгс. Из-за низкой температуры рабочего газа все уплотнения, как подвижные, так и неподвижные, выполнены металлическими.

Ваход-2\ | Выход-1

Рис. 15. Четырехходовой электропневмоклапан для рабочего газа с криогенной температурой

:А- золотники второго каскада усилителя с металлическими уплотнениями; Б- подвижное металлическое уплотнение; В- управляющая полость ;Г- первый каскад усилителя ЭПК (уплотнение клапанов по седлам -металл по металлу); Е, Д- обмотки; Ж- соединительный канал

В первом каскаде усилителя электропневмоклапана используется система из двух разгрузочных клапанов, что дает возможность снизить потребное усилие электромагнита из-за отсутствия загромождения толкателем зоны контакта клапана с седлом. При этом размер уплотнительной поверхности для металлических затворов значительно меньше, чем для затворов с эластичным уплотнителем, что также снижает потребное тяговое усилие ЭМ. Ресурс электроклапана - 5000 срабатываний.

Новый ЭПК для двигателя РД191 (рис.16)

Практически все принципы проектирования малогабаритного, быстродействующего ЭПК были реализованы в полной мере при разработке нового ЭПК примененного на двигателе РД191.

• Для новых ЭПК разработана конструкция I каскада усилителя с использованием двух металлических клапанов (по аналогии с ЭПК для рабочего газа с криогенной температурой), что позволило существенно уменьшить потребное усилие и ход якоря электромагнита. На данную конструкцию I каскада усилителя получен патент.

• Уменьшен объем управляющей полости и размеры основных затворов ЭПК.

• Увеличена плотность тока в обмотке ЭМ (в 1,5 раза - по сравнению с ЭПК двигателя РД170).

• Увеличен коэффициент запаса по току трогания (до 2,7 вместо 1,2 у ЭПК двигателя РД170).

В сравнении с ЭПК, двигателя РД170, новые ЭПК имеют существенно меньшие габариты; быстродействие ЭПК увеличилось в 5 - 6 раз.

На рис.16, 17, 18 приведены общие виды и некоторые данные нового ЭПК и его электромагнита, а также сравнение габаритов ЭПК с габаритами ЭПК двигателя РД170. На рис.21 приведен график поведения давления в управляющих полостях клапанов окислителя двигателей РД180 (для управления клапаном используется ЭПК на базе конструкции ЭПК двигателя РД170) и РД191(для управления клапаном используется новый ЭПК), из которого видны преимущества нового ЭПК в быстродействии.

Д/кнаж

Выход | | Вход

Рис.16. Общий вид нового ЭПК

Время срабатывания

ЭПК.....................0,01...0,02с

Габариты...............77х 101x33,5

Масса.......................... 1,0кг

Контур ЭПК дЬиготеля РД170

Контур ЬноВь разроботонного ЭПК

4

и "ч

4

Рис.17. Электромагнит нового ЭПК Коэффициент запаса, Кз = 2,74; Плотность тока в

Обмотке....................16,2А/мм2;

Время срабатывания ЭМ...........................< 0,015с

Рис.18 Сравнение габаритов нового ЭПК с ЭПК двигателя РД170

Рис. 19.Поведение управляющего давления в клапанах окислителя двигателей РД180 и РД191

Рупр РД180

ВыхоЗ-2

Блок электроклапанов для управления соплами крена РН Ангара (рис.20)

Используя новый электромагнит и конструкцию I каскада усилителя нового ЭПК, автором разработан блок электроклапанов, с помощью которого управляется агрегат креновых сопел РН Ангара, работающий на горячем окислительном газе высокого давления с температурой до 500°С. Быстродействие электроклапанов при включении и выключении - не более 0,01с. На рис.20, 21 приведены общий вид блока электроклапанов и фотография агрегата креновых сопел.

Блок электроклапанов

Рис.21. Агрегат креновых сопел

Рис.20. Блок ЭК с блоком сопел

1,3- электромагнит, 2 - корпус, 4 - блок сопел

Тип ЭПК прямого действия нормально открытый, с дренажем

Диаметр условного проходного сечения 1 мм

Рабочий газ гелий

Давление рабочего газа 150 ... 230 кгс/см2

Температура рабочего газа от - 40 до +50°С

Напряжение питания постоянного тока 24. ..32 В

Потребляемый ток 0,795 А

Режим включения Повторно-кратковременный

Ресурс 100

Быстродействие при включении и выключении ЭМ не более 0.01 с

Масса блока 0,78 кг

Глава 5 посвящена экспериментальным исследованиям, в ней:

• приведены особенности автономных испытаний электромагнитных клапанов, включая проверки в условиях повышенной влажности окружающей среды, определение тяговых характеристик ЭМ, испытания на нагрев и охлаждение, определение индуктивности ЭМ, определение конструктивных запасов и

др-;

• проведено сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов;

• приведены некоторые результаты испытаний новых электромагнитных клапанов в составе двигателей.

В главе 6 рассматривается применение методики расчета электромагнита в конверсионных разработках, включая особенности расчета длинноходовых ЭМ. В качестве примера приведен электроклапан с длинноходовым ЭМ, разработанный автором для газовой горелки мощностью 340Квт (рис.22).

Рис. 22. Электроклапан для газовой горелки 1,2 — кольцо, 3 — трубка, 4 — вспомогательный затвор, 5 - пружина, 6 — основной затвор

Автором предлагается методика предварительного расчета длинноходового ЭМ постоянного тока с магнитным шунтом, основанная на практическом равенстве изменений энергии магнитного поля электромагнитов с шунтом и «эквивалентного» ЭМ с плоским стопом при переходе из выключенного во включенное положение. Сечения участков магнитопроводов эквивалентного электромагнита и ЭМ с шунтом принимаются равными за исключением участка расположения магнитного шунта, который в эквивалентном ЭМ заменяется участком с плоским стопом (рис. 23).

Магнитный шунт

4

Магнитный шцнт

Плоский стоп

Модель с магнитным шунтом

МоЗель с плоским стопом

Рис. 23. Модели ЭМ с шунтом и «эквивалентного» ЭМ

После проведения расчета тяговой характеристики эквивалентного ЭМ определяется площадь под тяговой характеристикой (рис. 24) (работа, которую может совершить эквивалентный ЭМ при перемещении якоря из начального положения до его упора в сердечник). Зазор (5Н) при начальном положении ЭМ принимается несколько большим по величине, чем потребный ход ЭМ с магнитным "шунтом".

О 0

где: Аэ - работа, которую может совершить эквивалентный ЭМ;

6Э — тяга эквивалентного ЭМ, рассчитанная по обычной методи-

ке;

8р - рабочий зазор; 5Н - начальный зазор.

§Р

5р Зн ЭМ с плоским стопом

ЭМ с магнитным шунтом

Рис. 24. К расчету тяговой характеристики

Практически такую же работу А может совершить и ЭМ с магнитным "шунтом", но имеющий наиболее оптимальную тяговую характеристику (рис.24).

Имея в качестве исходных данных величину рабочего хода 8р, можно определить рабочее усилие 0Р для ЭМ с магнитным "шунтом" (при этом задаемся также условием, что усилие 9р будет практически постоянным в пределах рабочего хода).

©р = кА/8р

Коэффициент к отражает снижение рабочего усилия из-за "неиспользуемой" работы и составляет по экспериментальной оценке ~ 0,65.

Глава 7 посвящена оценки эффективности внедрения ЭПК в двигатель РД191.Оценка эффективности внедрения ЭПК проводилась по следующим критериям:

- конструктивные параметры;

- унификация конструкции;

- габаритно-массовые характеристики;

- технологичность изготовления.

Заключение

1. Проведено исследование электромагнитов и электромагнитных механизмов, включая сравнительный анализ конструкций ЭМ и электроклапанов, применяемых в отрасли, а также глубокое изучение специальной технической литературы и материалов патентных исследований.

2. Разработаны методические рекомендации, используемые при проектировании, и создана программа инженерного расчета ЭМ постоянного тока, базирующая на фундаментальных законах и экспериментальных исследованиях и позволяющая проводить расчеты ЭМ, в том числе имеющие усложненный профиль обмотки. Электромагниты с усложненным профилем обмотки защищены патентом и имеют увеличенную тягу по сравнению с ЭМ с обычным профилем обмотки при одинаковых габаритах и могут быть применены в перспективных ЖРД.

3. Получена удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных данных при расчете ЭМ как по программе инженерного расчета так и с применением метода конечных элементов.

4. Проведена модернизация ЭПК двигателей РД120, РД170, РД171М, РД180 с повышением их надежности и ресурса.

5. С использованием методических рекомендаций и программы инженерного расчета ЭМ разработаны электроклапан для посадочной ступени ЭУ530 и ЭПК для рабочего газа с криогенной температурой.

6. Разработана и защищена патентом оригинальная конструкция первого каскада усилителя ЭПК с использование пилотных клапанов с уплотнением металл по металлу.

7. На базе конструкции первого каскада усилителя ЭПК и с использованием методических рекомендаций созданы и экспериментально проверены, и внедрены на двигателе РД191 и на АКС РН "Ангара" новые ЭПК и ЭК.

8. ЭПК новой конструкции позволили существенно уменьшить габариты пневмоблока двигателя РД191 при значительном увеличении быстродействия ЭПК.

9. Разработанная методика расчета ЭМ постоянного тока универсальна и позволяет применять ее, в том числе, для расчета длинноходовых электромагнитов постоянного или выпрямленного тока.

10. Созданы электрогидроклапаны и проведены их всесторонние испытания, в том числе в составе цифровых агрегатов регулирования на первых доводочных двигателях РД191. ЭГК имеют высокое быстродействие и работоспособны в большом диапазоне давлений рабочей жидкости - от 140 до 1000кгс/см2. ЭГК могут быть применены для гидравлических приводов перспективных ЖРД.

11. Разработаны несколько агрегатов по конверсии: электрогидроклапаны для масляного и молочного сепараторов, электроклапаны для газовых и жидкостной горелок и др.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ПРЕДСТАВЛЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Теленков A.A. Опыт применения металлических уплотнений для создания электроагрегатов, управляющих потоками сжатого газа с экстремальными параметрами, труды XII международной конференции HERVI-CON2008, С. 279-286.

2. Теленков A.A. Опыт разработки и создания оптимальных конструкций электропневмогидроклапанов, Конверсия в машиностроении, 2008.№2, С.42-47.

3. Гребнев М.Ю., Громыко Б.М., Кириллов A.B., Кириллов В.В., Начинов Д. С., Теленков A.A. Вопросы проектирования и экспериментальной отработки цифровых агрегатов регулирования ЖРД средней тяги // Труды НПО Энергомаш, М.: 2000, № 18, С. 429-438.

4. Громыко Б.М., Каторгин Б.И., Кириллов A.B., Кириллов В.В., Ко-шелев И.М., Лачинов Д.С., Семенов В.К, Теленков A.A., Иванов В.К. Патент на изобретение №2185652 Регулятор расхода жидкости, приоритет от 26.01.2000.

5. Теленков A.A. Опыт применения металлических уплотнений для создания электроагрегатов, управляющих потоками сжатого газа // Труды НПО Энергомаш, М.: 2008, № 24, С. 279-286.

6. Теленков A.A., Белова Н.И. Катушка электромагнита, предпочтительнее кольцевой формы. Патент на полезную модель №87287. Приоритет - 18.05.09.

7. Теленков A.A., Громыко Б.М., Кириллов В.В., Писарская Н.Т. Электромагнитный клапан. Патент на полезную модель №87236. Приоритет -31.03.09.

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Обоснование необходимости решения проблемы разработки электромагнитных клапанов для ЖРД.

1.1. Применение электромагнитных клапанов для ЖРД.

1.2. Виды и принципы работы электромагнитных клапанов, применяемых в пневмо-гидросистемах ЖРД.

1.3. Анализ электромагнитных клапанов, применяемых в отрасли.

1.4. Унифицированные ЭГПС предприятия НПО Энергомаш.

1.5. Развитие унифицированных ЭПК применительно к условиям 23 многократного использования ЖРД (в частности для двигателей РД120, РД170, РД171).

1.6. ЭПК двигателя РД180.

1.7. Обзор материалов патентных исследований.

1.8.Вывод ы.

Глава2. Разработка методических рекомендаций для проекти- 32 рования электромагнитных клапанов ЖРД.

2.1. Рабочий цикл электромагнитного клапана непрямого дейст- 32 вия.

2.2. Типы, основные параметры, принципы работы и характеристи- 33 ки электромагнитов.

2.3. Общие закономерности рабочего процесса электромагнита.

2.4. Влияние магнитных свойств материала магнитопровода на га- 44 бариты ЭМ.

2.5. Методические рекомендации для проектирования электромагнитных клапанов ЖРД.

Глава 3. Расчетные оценки и методики расчетов, используемые 46 при проектировании электромагнитных клапанов ЖРД.

3.1. Методика инженерного расчета электромагнита постоянного 47 тока.

3.2. Расчеты ЭМ с использованием метода конечных элемен- 81 тов.

Глава 4. Разработка электромагнитных клапанов современных и перспективных двигателей.

4.1. ЭПК для энергоустановки «530».

4.2. Опыт разработки ЭПК для рабочего газа с криогенной темпе- 94 ратурой.

4.3. Разработка ЭПК перспективных двигателей.

4.4. Электроклапаны АКС РН "Ангара".

4.5. ЭГК для цифровых агрегатов

Глава 5. Экспериментальные исследования электромагнитных 121 клапанов ЖРД.

5.1. Особенности автономных испытаний электромагнитных кла- 121 панов.

5.2. Экспериментальные исследования ЭПК перспективных двига- 124 телей.

5.3. Испытания блока электроклапанов АКС РН "Ангара".

5.4 Испытания ЭГК для цифровых агрегатов.

Глава 6. Особенности применения методики инженерного рас- 138 чета ЭМ в разработках по конверсии.

Глава 7. Эффективность внедрения новых ЭПК в двигатель

РД191.

Актуальность диссертации. Проблема создания оптимальных конструкций электромагнитных клапанов актуальна для многих сфер народного хозяйства. Электроуправляемые агрегаты применяются в транспортной, авиационной, химической и др. отраслях промышленности и имеют разнообразные конструктивные исполнения в зависимости от условий работы и предъявляемым к ним требованиям. Развитие техники характеризуется увеличением мощности, повышением давлений, применяемых для приводных механизмов, уменьшением габаритов и массы агрегатов автоматики. Для решения новых задач необходимо создание усовершенствованных конструкций электромагнитных клапанов, обеспечивающих оптимальное сочетание высоких параметров (высокое давление рабочего тела, быстродействие, минимальное потребление тока), надежности, технологичности и минимальной стоимости.

Создание современных ЖРД ставит аналогичные задачи перед разработчиками электромагнитных клапанов, которые в жидкостном ракетном двигателе могут использоваться для различных целей:

- как топливные клапаны для подачи основных компонентов в камеры сгорания (для ЖРД низкой и средней тяги);

- для подачи управляющего газа при приведении в действие основных клапанов ЖРД (для ЖРД средней и большой тяги);

- для вспомогательных нужд (предпусковых и послепусковых продувок, при эжектировании (создании разряжения) полостей двигателя перед заправкой их компонентом); для наддува пусковых устройств и др.

Электромагнитные клапаны являются одними аз основных агрегатов двигателя, обеспечивающие его многоразовое использование, позволяющие существенно сократить затраты на отработку двигателя путем многократных испытаний его на огневом стенде без съема и переборок, а такэ/се они являются одними из важнейших элементов для создания систем управления ЖРД многоразового применения.

Основными требованиями, предъявляемые к электромагнитным клапанам ЖРД являются:

- работоспособность в широком диапазоне давлений и температур рабочих тел;

- быстродействие;

- гарантии прочности и надежности, обеспечение потребного ресурса при статических и динамических нагрузках;

-обеспечение пожаровзрывобезопасности;

- минимальное потребление тока, защищенность от помех, обеспечение минимально возможного электромагнитного импульса при срабатывании;

- минимальные габаритно-массовые характеристики;

- технологичность в изготовлении;

- оптимальная стоимость.

Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка методики и инженерной программы проектирования оптимальных конструкций электромагнитных клапанов, предназначенных для ЖРД большой мощности и их внедрение в современные ЖРД.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи;

1. Исследование конструкций электромагнитных клапанов, применяемых в ЖРД, выявление недостатков их конструкций и обоснование актуальности разработки клапанов новой конструкции.

2. Разработка методических рекомендаций и критериев оптимальности конструкции электромагнитных клапанов ЖРД.

3. Разработка методики и инженерной программы расчета электромагнита постоянного тока.

4. Проектирование электромагнитных клапанов с учетом разработанных критериев оптимальности конструкции.

5. Разработка конструкторской документации и экспериментальная проверка электромагнитных клапанов для подтверждения обеспечения предъявляемых к ним требований.

6. Анализ полученных экспериментальных данных и сравнение их с расчетными значениями.

7. Внедрение оптимизированных электромагнитных клапанов (ЭПК новой конструкции) в современный ЖРД (двигатель РД191) и оценка эффективности внедрения ЭПК.

Научная новизна диссертации заключается в том, что разработаны методические рекомендации и критерии оптимальности конструкции электромагнитных клапанов ЖРД, направленные на повышение их быстродействия, улучшение габаритно-массовых характеристик; кроме того, разработаны методика и инженерная программа расчета электромагнита постоянного тока на ПК, основанные на обобщении экспериментальных данных и систематизации имеющихся знаний по расчету ЭМ. Разработанная автором методика расчета ЭМ постоянного тока применима к расчету ЭМ различного назначения. В качестве примера в диссертации рассмотрено применение указанной методики для длинноходовых электромагнитов, работающих на постоянном или выпрямленном токе. Применяя на практике разработанные принципы проектирования и методику расчета ЭМ, спроектированы оригинальные конструкция ЭПК и ЭГК для ЖРД большой тяги. Работа над диссертацией включала следующие этапы:

- постановка цели;

- проведение исследования существующих конструкций электромагнитных клапанов, применяемых в ЖРД;

- анализ материалов патентных исследований по электромагнитам и электромагнитным клапанам;

- разработка методических рекомендаций и критериев оптимальности конструкции электромагнитных клапанов;

- создание методики и проведение многопараметрических расчетов ЭМ постоянного тока;

- проектирование электромагнитных клапанов с использованием разработанных методических рекомендаций и критериев оптимальности;

- оценка эффективности внедрения нового ЭГЖ с точки зрения его быстродействия, габаритно-массовых характеристик, технологичности и экономичности изготовления;

- выпуск КД и изготовление опытных образцов электромагнитных клапанов;

- экспериментальная проверка опытных образцов электромагнитных клапанов;

- сравнение результатов испытаний с результатами расчетов;

- внедрение в ЖРД, анализ работы ЭГЖ новой конструкции в составе

ЖРД.

В процессе данной работы сформулированы методические рекомендации, используемые при проектировании, и основные критерии оптимальности электромагнитных клапанов ЖРД, разработаны методика и программа инженерного расчета электромагнитов постоянного тока, позволяющие в процессе проектирования электроагрегата проводить расчеты с определением основных параметров ЭМ (тяги, температуры нагрева обмотки, быстродействия, индуктивности и др). Кроме того, проведены расчеты тяговых характеристик электромагнитов с использованием метода конечных элементов. Показана хорошая сходимость результатов расчетов, проведенными различными методами с результатами экспериментальных исследований разработанных электромагнитов.

Спроектированы, рассчитаны и изготовлены электромагнитные клапаны, ранее не применявшиеся в ракетном двигателестроении. Проведена экспериментальная проверка электромагнитных клапанов, подтверждающая их быстродействие, работоспособность, герметичность, надежность , высокие конструктивные запасы.

ЭПК внедрены и успешно эксплуатируются в составе двигателя РД191 РН "Ангара".

Таким образом, сформулирована и достигнута цель по разработке методических подходов и инженерной программы проектирования оптимальных конструкций электромагнитных клапанов ЖРД. С использованием новых подходов и инженерной программы расчета разработаны ЭПК нового поколения. ЭПК внедрены на мощном двигателе РД191, что способствует дальнейшему развитию науки и техники ракетно-космического направления.

Достоверность результатов работы подтверждается:

• хорошей сходимостью проектных, расчетных и экспериментальных данных;

• применением фундаментальных исследований, а также положений отраслевого стандарта и численного моделирования при составлении методики и инженерной программы расчета электромагнита постоянного тока;

• проведением комплекса успешных испытаний разработанных ЭПК (как автономных, так и в составе ЖРД) с использованием для испытаний аттестованной аппаратуры и квалифицированного персонала.

Научная и практическая значимость диссертации состоит в том, что сформулированы методические рекомендации и основные критерии оптимальности электромагнитных клапанов ЖРД, а также разработаны методика и программа инженерного расчета электромагнитов постоянного тока. Применяя на практике методические рекомендации и программу инженерного расчета, разработаны и успешно эксплуатируются электропневмоклапаны двигателя РД191, которые по сравнению с ЭПК, применяемыми ранее, являются значительно более быстродействующими, легкими, технологичными и обладают рядом других преимуществ; кроме того, также разработан и прошел экспериментальную проверку на первых образцах двигателя РД191 электрогидроклапан золотникового типа, входящий в состав цифровых агрегатов регулирования, работающий в большом диапазоне давлений рабочей жидкости от 0 до 1000кгс/см" с высоким быстродействием.

Конструкция первого каскада усилителя нового ЭПК имеет значительные преимущества, что позволило существенно увеличить его быстродействие, уменьшить массу и габариты.

Разработанная автором методика расчета электромагнитов постоянного тока универсальна и позволяет применять ее при создании электромагнитов различного назначения. В качестве примера рассмотрено ее применение для расчета длинноходовых электромагнитов постоянного или выпрямленного тока, разработанных в процессе работ по конверсии.

Оценка эффективности разработанных ЭПК и ЭГК позволяет прогнозировать их внедрение в существующие и вновь создаваемые ЖРД, а также использование методических рекомендаций и методики расчета для разработки электромагнитных клапанов.

Таким образом, проведено научное обоснование и экспериментальное подтверждение результатов диссертационной работы, где были применены различные средства совершенствования и оптимизации процесса при создании электромагнитных клапанов ЖРД.

Реализация работы. Работа выполнялась в течение -30 лет в процессе разработки в НПО Энергомаш ЖРД различного назначения, а также в процессе разработок по конверсии по темам: молочный и масляный сепаратор; газовые горелки различной мощности; установка по утилизации мусора; автоматика для управления газоплотной заслонки для теплоэлектроцентрали и др. Прогнозируется применение методики и инженерной программы расчета ЭМ при разработках электромагнитных клапанов вновь создаваемых ЖРД и объектов народного хозяйства.

Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Сформулированы методические рекомендации и основные критерии оптимальности электромагнитных клапанов ЖРД, а также разработана методика и программа инженерного расчета электромагнитов постоянного тока, включая расчет ЭМ с усложненным профилем обмотки. Методические рекомендации и программа расчета ЭМ апробированы при разработке электропневмоклапанов для двигателя РД191 и др.

2. Разработаны и внедрены: ЭПК двигателей РД120, РД170, РД171М, РД180; электроклапан для посадочной ступени "ЭУ 530", ЭПК для рабочего газа с криогенной температурой, а также ЭГК и ЭПК для нескольких разработок по конверсии (для молочного и масляного сепараторов, газовых и жидкостных горелок и др.).

3. Разработана оригинальная конструкция первого каскада усилителя ЭПК, имеющая ряд существенных преимуществ. На конструкцию первого каскада усилителя ЭПК принято решение о выдаче патента на полезную модель.

4. Разработана документация на ЭПК двигателя РД191; на базе унифицированной конструкции усилителя первого каскада ЭПК разработана также документация на блок электроклапанов для управления агрегатами креновых сопел (АКС) РН "Ангара".

5. Проведена экспериментальная отработка ЭПК двигателя РД191, блока электроклапанов для АКС РН "Ангара" и ЭГК для цифровых агрегатов регулирования.

6. ЭПК и блок электроклапанов, прошедшие успешно экспериментальную отработку, внедрены на двигатель РД191 и на агрегаты креновых сопел РН "Ангара".

Заключение

1. Проведено исследование электромагнитов и электромагнитных механизмов, включая сравнительный анализ конструкций ЭМ и электроклапанов, применяемых в отрасли, а также глубокое изучение специальной технической литературы и материалов патентных исследований.

2. Разработаны методические рекомендации, используемые при проектировании, и создана программа инженерного расчета ЭМ постоянного тока, базирующая на фундаментальных законах и экспериментальных исследованиях и позволяющая проводить расчеты ЭМ, в том числе имеющие усложненный профиль обмотки. Электромагниты с усложненным профилем обмотки защищены патентом и имеют увеличенную тягу по сравнению с ЭМ с обычным профилем обмотки при одинаковых габаритах и могут быть применены в перспективных ЖРД.

3. Получена удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных данных при расчете ЭМ как по программе инженерного расчета так и с применением метода конечных элементов.

4. Проведена модернизация ЭПК двигателей РД120, РД170, РД171М, РД180 с повышением их надежности и ресурса.

5. С использованием методических рекомендаций и программы инженерного расчета ЭМ разработаны электроклапан для посадочной ступени ЭУ530 и ЭПК для рабочего газа с криогенной температурой.

6. Разработана и защищена патентом оригинальная конструкция первого каскада усилителя ЭПК с использованием принципа уплотнения пилотных клапанов - металл по металлу.

7. На базе конструкции первого каскада усилителя ЭПК и с использованием методических рекомендаций созданы и экспериментально проверены, и внедрены на двигателе РД191 и на АКС РН "Ангара" новые ЭПК и ЭК.

8. ЭПК новой конструкции позволили существенно уменьшить габариты и стоимость пневмоблока двигателя РД191 при значительном увеличении быстродействия ЭПК.

9. Разработанная методика расчета ЭМ постоянного тока универсальна и позволяет применять ее, в том числе, для расчета длинноходовых электромагнитов постоянного или выпрямленного тока.

10.Созданы электрогидроклапаны и проведены их всесторонние испытания, в том числе в составе цифровых агрегатов регулирования на первых доводочных двигателях РД191. ЭГК имеют высокое быстродействие и работоспособны в большом диапазоне давлений рабочей жидкости - от 140 до 1000кгс/см2. ЭГК могут быть применены для гидравлических приводов перспективных ЖРД.

11.Разработаны несколько агрегатов по конверсии: электрогидроклапаны для масляного и молочного сепараторов, электроклапаны для газовых и жидкостной горелок и др.

1. . Харазов К.И. Электромагнитные устройства авиационной электроавтоматики //М.: Машиностроение, 1984-192с.

2. Решетников Е.М., Ю.А. Саблин и др. Электромеханические преобразователи гидравлических и газовых приводов // М,: Машиностроение, 1982.-144с.

3. Пеккер И.И. Физическое моделирование электромагнитных механизмов // М., Энергия, 1969. 64с.

4. Орлов Д.В. Электромагниты с замедлением // М., Энергия, 1970. 96с.

5. Рабинович. JI.B. Электроавтоматика авиационных электромеханических установок //М., Государственное издательство оборонной промышленности, 1957.-422с.

6. Теленков A.A. Опыт применения металлических уплотнений для создания электроагрегатов, управляющих потоками сжатого газа с экстремальными параметрами, труды XII международной конференции HER-VICON 2008, С. 279-286.

7. Полковников В.А. и др. Электропривод летательных аппаратов. Учебник для авиационных вузов//М., Машиностроение, 1990. 352с.

8. Гордон A.B., Сливинская А.Г., Электромагниты постоянного тока, М., Госэнергоиздат,1960. 446с.

9. Теленков A.A. Опыт разработки и создания оптимальных конструкций электропневмогидроклапанов Конверсия в машиностроении, 2008.№2, С.42-47.

10. Ротерс перевод с английского Гордона A.B., Сливинской А.Г. Электромагнитные механизмы. М., "Госэнергоиздат", 1949. 522с.

11. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты,М,"Энергия", 1972, 248с.

12. Гордон A.B., Сливинская А.Г. Электромагниты переменного тока. М,"Энергия", 1969, 200с.

13. Гордон A.B., Сливинская А.Г. Электромагниты со встроенными выпрямителями. М."Энергия",1970, 63с.

14. Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. М. Энергия, 1974, 240с.

15. Любчик М.И. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов. М,"Энергия", 1974, 392с

16. Михайлов О.П. и др. Электромагнитные устройства в станкостроении, М., Машиностроение, 1974, 184с.

17. ОСТ 92-9376-80 Электромагниты пневматических и гидравлических клапанов, методика расчета, 1980, 49с.

18. Березин В.Б и др. Электротехнические материалы. Справочник. 3-е издание, М., Энергоатомиздат, 1983, 504с.

19. Эдельман А.И. Топливные клапаны жидкостных ракетных двигателей, М., Машиностроение, 1970, 244с.

20. Пржиалковский А.Л., Щучинский С.Х. Электромагнитные клапаны, Ленинград, Машиностроение, 1967, 246с.

21. Теленков A.A., Фатов Б.Д., Кондранина Т.И. Техническая справка №РД 191.ТС.724-3-2000 // Результаты испытаний имитаторов разряда цифрового регулятора расхода горючего двигателя РД191, 5с с приложениями.

22. Чванов В.К., Громыко Б.М., Теленков A.A. и др. Отчет №754-2349 об автономных испытаниях электромагнитов.

23. Чванов В.К., Громыко Б.М., Теленков A.A. и др. Отчеты №7542402,2404,2442 об автономных испытаниях электропневмоклапанов двигателя РД191.

24. Афончин В.А., Дюжев Г.С. и др. Техинформации № 7542450,2452,2453,2454 о результатах дополнительных испытаний электропневмоклапанов двигателя РД191.

25. Чванов В.К., Громыко Б.М., Теленков A.A. и др. Отчеты №7542449,2452,2471 об автономных испытаниях блока ЭК РН "Ангара".

26. Каторгин Б.И., Громыко Б.М., Теленков A.A. и др. Отчет по результатам разработки и анализа вариантов электроклапанов по техническому заданию фирмы SEP (контракт №8). КБ Энергомаш, 1994.

27. Каторгин Б.И , Громыко Б.М., Теленков A.A. и др. Электроклапан 90.0200.0425.0000.00.0. Отчет по доводочным испытаниям (контракт №10 с фирмой SEP) КБ Энергомаш, 1996, 29с.

28. Павлов А.П., Братенков Ю.А., Фатов Б.Д., Титков А.И., Отчет №784-16-78/18-724-78.Патентнотехнические исследования. Конструктивные особенности электромагнитов постоянного тока, используемых в агрегатах автоматики. КБ Энергомаш, 1978. 126с

29. Гребнев М.Ю., Громыко Б.М., Кириллов A.B., Кириллов В.В., Лачинов Д.С., Теленков A.A. Вопросы проектирования и экспериментальной отработки цифровых агрегатов регулирования ЖРД средней тяги // Труды НПО Энергомаш, М.: 2000, № 18, С. 429-438.

30. Громыко Б.М., Каторгин Б.И., Кириллов A.B., Кириллов В.В., Кошелев И.М., Лачинов Д.С., Семенов В.И., Теленков A.A., Чванов В.К. Патент на изобретение №2185652 Регулятор расхода жидкости, приоритет от 26.01.2000.

31. Громыко Б.М., Каторгин Б.И., Кириллов A.B., Кириллов В.В., Лачинов Д.С., Семенов В.И., Теленков A.A., Чванов В.К. Патент на изобретение №2185651 Цифровой гидравлический дроссель, приоритет от 26.01.2000.

32. Теленков A.A. Опыт применения металлических уплотнений для создания электроагрегатов, управляющих потоками сжатого газа // Труды НПО Энергомаш, М.: 2008, № 24, С. 279-286.

33. Теленков A.A., Громыко Б.М., Кириллов В.В., Писарская Н.Т. Электромагнитный клапан. Патент на полезную модель №87236. Приоритет -31.03.09.

34. Теленков A.A., Белова Н.И. Катушка электромагнита, предпочтительнее кольцевой формы. Патент на полезную модель №87287. Приоритет -18.05.09.

35. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электромагнитное поле. -М.: Высш.шк., 1978. 231 с.

36. Арнополин А.Г. и Гнилицкий Б.С.Взрывобезопасное и взрывозащищен-ное электрооборудование. М.: Недра, 1973, 120с.

37. Билибин К.И. и др. Намоточные работы в производстве элементов электроавтоматики. Справочное пособие// Под ред. Е.А.Скороходова. М.: Энергия, 1972,217с.

38. Хольцбок В. Электромагнитные исполнительные органы для сервоклапа-нов. М. 1978, 17с.

39. Антонов В.Г. и др. Средства измерений магнитных параметров материалов. Л.: Энергоатомиздат, 1986, 216с.

40. Жеребцов И.П. Электрические и магнитные цепи. Основы электротехники. Л.: Энергоатомиздат, 1987, 256с.

41. Гладков А.З. Электроизоляционные лаки и компаунды. М.: Энергия, 1973, 248с.

42. Справочник по электротехническим материалам под ред. В.В.Пасынкова, Б.М.Тареева. М.: Энергоатомиздат, 1986

43. Андреева Е.Г., Ковалев В.З. Математическое моделирование электротехнических комплексов: Монография / Под общ. ред. Ковалева Ю.З,- Омск: Изд-во ОмГТУ, 1999. -172 с.

44. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М.: Наука: Гл.ред. физ.-мат. лит., 1970. 720 с.

45. Самарский A.A. Теория разностных схем. М.: Наука: Гл.ред. физ.-мат. лит., 1983.-616 с.

46. Балыгин И.Е. Электрические свойства твердых диэлектриков. Л.: Энергия, 1974, 191с.