Some units spacecraft balancing

Texto integral

178 Авиационная и ракетно-коамическая техника Введение. В космических аппаратах (КА), к которым относятся как средства выведения на орбиту и функционирования в космосе - двигатели, так и искусственные спутники различного назначения, имеются детали, узлы и агрегаты, работающие в режиме вращения, а следовательно, испытывающие воздействие центробежных сил. И в случае неуравновешенности материала, из которых они изготовлены, или комплектующих деталей относительно оси вращения, в процессе эксплуатации соответствующих объектов они могут выйти из строя в результате дисбаланса, что может нарушить рабочий режим или даже привести к выходу из строя КА. В настоящей работе в качестве примеров предотвращения негативных последствий дисбаланса объектов КА рассмотрены технологии балансировки: а) вращающихся деталей тур-бонасосного агрегата (ТНА) жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) [1]; б) электронасосного агрегата (ЭНА) КА, предназначенного для обеспечения регламентных температурных режимов КА [2]. В ЖРД подача компонентов топлива - окислителя и горючего - в камеру сгорания осуществляется насосами, которые приводятся во вращение газовой турбиной. В совокупности насосы с газовой турбиной образуют единый энергетический узел - ТНА, являющийся одним из основных агрегатов ракетного двигателя [3; 4]. Такие объекты изучения выбраны не случайно, а в связи с тем, что ЖРД разных ступеней, а следовательно, и ротор с расположенными на нем рабочими колесами (РК) ТНА (рис. 1), работают максимум десятки секунд/минут либо непрерывно, либо в циклическом режиме при высокой частоте вращения, например в составе РД-0120 (рис. 1) - до 50 000 об/мин [5]. Имеются разработки ТНА с частотой вращения ротора свыше 100 000 об/мин [6], что в еще большей степени повышает требования к качеству комплектующих деталей. Что касается ЭНА, то они должны обеспечивать температурный режим искусственных спутников значительно более длительное время - вплоть до 15 лет [7]. а б в Рис. 1. Ротор турбонасосного агрегата ЖРД РД-0120 [5] (а); рабочие колеса (б, в) Повышение качества рабочих колес. РК ТНА представляют собой цельнолитые диски с открытыми (рис. 1, б) или закрытыми (рис. 1, в) радиально расположенными лопатками сложной криволинейной формы. РК изготовляют методом литья по выплавляемым моделям [8] из жаропрочных сплавов на никелевой основе [9]. Технология изготовления РК относится к способу изготовления деталей литьем по выплавляемым моделям и укрупненно включает в себя изготовление из легкоплавких материалов (парафиновостеариновая смесь и др.) модели будущей отливки (так называемая выплавляемая модель), изготовление по этой модели литейной керамической формы, выплавление из керамической формы модельной массы, т. е. изготовление литейной формы - оболочки, и заполнение ее сплавом. После отрезки литниково-питающей системы (ЛПС) от отливки ее подвергают многоступенчатому контролю, начиная от визуального осмотра и вплоть до рентгенопросвечивания. Ввиду того, что к качеству РК предъявляются высокие требования, происходит их значительная отбраковка на каждой контрольной операции в результате выявления целого ряда дефектов [10], и к тем, которые могут повлиять на дисбаланс детали, относятся пустоты в виде раковин газового и усадочного происхождения, а также ликвации сплава и качество поверхности оболочки. Применение «простых» технологических мероприятий не во всех случаях приводило к положительным результатам, что, по-видимому, можно объяснить незнанием всех факторов, определяющих качество отливок, в связи с чем был выполнен ряд исследований по повышению качества РК. С целью установления причин возникновения дефектов и принятия мер по их предотвращению, было проведено исследование с применением метода экспертных оценок [11], основанного на априорном выявлении значения («веса») влияния отдельных факторов на возникновение тех или иных дефектов, что определяли на основании опыта специалистов, накопленного ими в предшествующей деятельности. В результате выполненного исследования было установлено, что на 8 выявляемых дефектов, среди которых фигурировали и дефекты типа пустот, предположительно влияет 21 фактор [12]. На основании обработки полученных данных была разработана конструкция ЛПС, характеризующаяся наличием шаровой прибыли со щелевым подводом в нее металла (рис. 2.) [13]. Такая форма прибыли обладает наибольшей эффективностью в отношении питания - подвода жидкого металла к кристаллизующимся объемам отливки [14], что объясняется ее минимальной поверхностью охлаждения, т. е. минимально возможной потерей металлом тепла. Функция вертикальной щелевой ЛПС заключается в исключении возможного разрушения оболочки в результате динамического воздействия струи металла при заливке. В нижней части стояка ЛПС было устроено ответвление для гашения удара первой порции струи заливаемого металла. Такое устройство ЛПС предотвратило возникновение таких дефектов, как недолив 179 Вестник СибГАУ. 2014. N 3(55) лопаток, межлопаточные прорывы керамической формы (на что положительно повлияло и повышение качества оболочек [15]), усадочные рыхлоты, трещины, надрывы, газовые раковины и др. Б-Б 0 05 б Рис. 2. Чертеж разработанной ЛПС (а), отливка РК с ЛПС по рис. 2, а (б) Повышение качества литейной формы (оболочки). Качество поверхности металлических деталей, включая и отливки, отвечает за целый ряд рабочих характеристик механизмов, в состав которых они входят. Что касается РК, то качество, чистота их поверхности определяет массовую производительность ТНА. При этом качество поверхности дисков зависит от состава модельной массы, применяющейся для изготовления выплавляемых моделей - прототипов будущей отливки. В настоящей работе с применением указанного выше метода математического планирования эксперимента [16], при реализации которого в качестве параметра оптимизации были приняты прочностные показатели, проведено исследование по разработке нового состава модельной массы. Это связано с тем, что содержащийся в ее стандартном составе стеарин (стеарин + парафин в соотношении 50/50), взаимодействует со связующим (гидролизованный раствор этилсиликата), образуя на поверхности модели неровности, шероховатости и другие дефекты, которые передаются поверхностям отливок. Кроме того, стандартный состав обладает низкой теплопроводностью, что приводит к деформации моделей при нарушении температурного режима их хранения и, как следствие, к нарушению геометрии отливок, что может привести к их дисбалансу в процессе работы. Разработанная модельная масса [15; 17] (60 % парафина, 17 % буроугольного воска и 23 % пчелиного воска) характеризуется повышенными свойствами (первая цифра - стандартная масса, вторая - разработанная: временное сопротивление на изгиб стизг - 50/100 МПа; временное сопротивление разрушению ств - 10/28 МПа; температура каплепадения - 47,0/79,5 °С; содержание золы - 0,04/0 %; теплостойкость до 35-40 °С), которые обеспечивают получение отливок с чистотой поверхности требуемого качества. Разработанные мероприятия в виде применения измененной ЛПС и новой модельной массы обеспечили 100%-ную годность отливок по рентгеновскому контролю и уменьшили в 2,5-3 раза отсев на других контрольных операциях при одновременном уменьшении расхода дорогостоящего сплава до 3-х кг на одну отливку. При этом была использована технология электрошлакового переплава отделенного от отливок диска ЛПС, что позволило получать металл повышенного качества, предоставляя возможность его использования взамен первичной шихты, что также дает экономический эффект. Балансировка вращающихся деталей ТНА. В связи с тем, что ТНА играет определяющую роль в обеспечении безаварийной работы ЖРД, а следовательно, и КА, балансировке вращающихся деталей и узлов этого агрегата придается первостепенное значение. Устройство для балансировки и технология подробно описаны, например, в совместной публикации [18] специалистов ракетно-космической отрасли -российского ОАО «Конструкторское бюро химавто-матики В. С. Рачука» (Rachuk V.S. - генеральный директор, генеральный конструктор ОАО «КБХА») и американской фирмы Pratt-Whitney Rocketdyne (Buser M. и Minick A.). Существует достаточно большое количество патентов для проведения балансировки роторов ТНА ЖРД. К ним относится, например, патент РФ № 2204739 [19], ценность которого заключается в том, что его авторы являются специалистами ОАО «КБХА». Согласно работе [6], написанной специалистами ракетно-космической отрасли, в производстве ТНА применяется два вида балансировки вращающихся деталей и узлов этого агрегата. Статистическая - для центробежных и осевых колес, импеллеров, дисков турбин, зубчатых колес и других составных частей ротора в качестве предварительной. И заключается она в использовании комплекса технологических операций по определению места и установки балансировочных грузов с целью уменьшения главного вектора дисбалансов невращающегося ротора с определением массы балансировочного груза как методом подбора без пробных масс, так и с пробной массой. После 180 Авиационная и ракетно-коамическая техника статической проводится динамическая балансировка. Статическую балансировку ротора ТНА в сборе не проводят, так как при этом не выявляется моментная неуравновешенность ротора с деталями, распределенными в осевом направлении. Окончательная, динамическая, балансировка основана на установлении взаимосвязи реакций в опорах вращающегося ротора с дисбалансом масс и включает целый ряд операций, конечная цель которых заключается в определении положения и массы балансировочных грузов, в их установке (или удалении) на ротор с целью уменьшения дисбаланса до регламентируемого технической документацией. Для выполнения операций динамической балансировки применяются балансировочные станки, описание которых приведено в этой же монографии [6]. Балансировка электронасосных агрегатов. Для успешного выполнения задач, поставленных перед КА, требуется высокоточная информация по определению и прогнозированию параметров их орбит с целью корректировки в случае необходимости. Следует при этом отметить, что современные знания о гравитационном поле нашей планеты и о движении планет Солнечной системы позволяют с высокой точностью учитывать влияние гравитационных сил, действующих на КА [20]. Однако ошибки определения и прогнозирования параметров движения КА возникают, как правило, из-за неадекватного учета других возмущающих факторов, обусловленных работой бортовых систем КА, что связано с их конструктивными и функциональными особенностями [21]. К таким бортовым системам относятся и ЭНА, которые предназначены для обеспечения регламентных температурных режимов КА [2; 22; 23]. К этим агрегатам предъявляются достаточно жесткие требования по минимизации габаритов, а следовательно, и связанных с ними масс, а также по увеличению ресурса и КПД. В настоящее время в космическом машиностроении применяются высокоскоростные малорасходные ЭНА, которые характеризуются относительно низкими величинами подачи рабочей жидкости [24]. В частности, к таким агрегатам относится и агрегат, описанный в патенте РФ № 2290540 [25]. Причем, что отмечалось еще в 90-е гг. прошлого века в диссертационной работе одного из авторов указанного патента В. В. Двирного [26] и что оказалось актуальным и в наше время, основным фактором, влияющим на длительную непрерывную работу высокоскоростных малорасходных нагнетателей, является балансировка. ЭНА представляют собой электрические двигатели постоянного тока с бесщеточным коллектором в блоке с насосом и частотой вращения от 400 до 1000 рад/с. При низкой мощности и высоком ресурсе работы системы такой привод единственно приемлемый. Турбинный привод используется в системах с низким ресурсом работы. Рабочим телом турбины служит жидкость (гидротурбина) или воздух или продукты сгорания топлива (газовая турбина). Турбина с малой массой конструкции обеспечивает высокую мощность и угловую скорость при непосредственном соединении с ротором лопаточного насоса. При специальных компонентах топлива масса системы определяется временем ее работы. Турбины имеют высокую скорость вращения и подлежат тщательной балансировке. Так как малорасходные нагнетатели балансируют по виброскорости на частоте вращения, то этот параметр играет решающую роль при балансировке [20; 27]. Для балансировки малорасходных нагнетателей по виброскорости (виброскорость показывает максимальную скорость перемещения контролируемой точки оборудования в процессе ее прецессии, измеряется в мм/с) на частоте вращения определяются места установки вибродатчиков или люлек балансировочного станка. На рис. 3 [25] представлен разрез полуком-плекта ЭНА, который содержит электродвигатель 2, при этом ротор электродвигателя 7 находится в гильзе, которая через биметаллическую вставку 12 герметично соединена сваркой 11 с корпусом 2. Балансировку проводят до нанесения сварочного шва 3. Металл в тяжелом месте снимают высверливанием с одновременным отсосом стружки пылесосом. Съем металла производится со специального пояска рабочего колеса 4, который образует разгрузочную от осевых усилий камеру. Полукомплект ЭНА устанавливают на люльки балансировочного станка напротив переднего и заднего шарикоподшипника 5, находящихся между статорной обмоткой 10 и датчиком положения ротора 6, 8. Места установки отмечают краской. На эти же отметки устанавливают электродвигатель без крыльчатки для определения его виброскорости на частоте вращения. Рис. 3. Полукомплект ЭНА [25] Контроль виброскорости электродвигателей по результатам измерений вибраций на невращающихся частотах проводят по ГОСТ ИСО 108-16-1-97. Вибросостояние электродвигателей определяется в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно продольной оси по двум значительным составляющим вибрации, определяющим виброскорости между максимальным и минимальным значениями с последующим определением среднеквадратического значения вибрации. Среднеквадратичные значения вибраций на партии выбранных электродвигателей по вышеуказанной методике составили от 0,45 до 1,12 мм/с. 181 Вестник СибГАУ. 2014. N 3(55) Норма для балансировки ЭНА назначена таким образом, чтобы нагрузка на валу по виброскорости не превышала виброскорости самого электродвигателя на частоте вращения более чем на 10 %. Основное требование к ЭНА - получение длительного срока непрерывной работы (СНР) в орбитальных условиях, поэтому кроме воздействия на ЭНА несбалансированных масс необходимо учитывать и воздействие других факторов. В космосе, в условиях невесомости, радиальные нагрузки уменьшаются на массу ротора (порядка 200 г), при этом ресурс подшипников, подсчитанный по вышеуказанной методике, увеличивается примерно в два раза. Согласно принципам ускорения ресурсных испытаний не должны изменяться физические условия работы в режимах ускорений. Для ЭНА такая опасность имеется, поскольку при высоких скоростях вращения в поле сил тяжести шарики шарикоподшипников выходят на режим глиссирования. Для получения устойчивого движения шариков в невесомости в конструкциях электродвигателя, опоры смещают относительно цилиндрического маг-нитопровода в радиальном направлении на величину, равную 0,1-0,9 величины среднего воздушного зазора между статором и ротором, благодаря чему возникает сила одностороннего магнитного притяжения (меньше веса ротора), обеспечивающая устойчивую и надежную работу при отсутствии сил тяжести на орбите и вертикальном положении. Заключение. При балансировке ЭНА по виброскорости на частоте вращения электродвигатель с рабочим колесом помещают на две люльки по тем же меткам, что и при измерении виброскорости электродвигателя без рабочего колеса, и прижимают к люльке резиновыми бандажами. Люльки соединены ступенчатыми цилиндрическими тягами с индукционными датчиками, сигнал с которых поступает на усилитель и решающее устройство, которое на стрелочный прибор или монитор компьютера выводит значение виброскорости на частоте вращения. По метке на рабочем колесе с помощью стробоскопа определяют тяжелое место, которое оказывается внизу, и в этом месте с помощью боринструмента удаляют металл с отсосом стружки пылесосом. Такая методика хорошо зарекомендовала себя и подтверждена, например, успешной эксплуатацией телекоммуникационного космического аппарата SESAT - первого спутника, созданного ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетне-ва» для зарубежного оператора совместно с Thales Alenia Space [28] и запущенного в 2010 году, и приемлема для балансировки других КА.

Sobre autores

Genry Krushenko

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev; Institute of Computational Modeling of Siberian branch of Russian Academy of Sciences

Email: genry@icm.krasn.ru
octor of Engineering Sciences, professor of the Department of Aircraft engines; hief researcher

Vasilina Golovanova

Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation; FGUP “Development laboratory “Arsenal” named after M.V. Frunze”

Email: vasilin-a@rambler.ru
postgraduate student, leading engineer of the Department of special-purpose programmes

Bibliografia

Arquivos suplementares