Введение к работе
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 (ЭГЖ 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 1000кгс/см2 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:
-
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.
-
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.).
-
Разработана оригинальная конструкция первого каскада усилителя ЭПК, имеющая ряд существенных преимуществ. Конструкция первого каскада усилителя ЭПК защищена патентом на полезную модель.
-
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".
-
Проведена экспериментальная отработка ЭПК двигателя РД191, блока электроклапанов для АКС РН "Ангара" и ЭГК для цифровых агрегатов регулирования.
-
ЭПК и блок электроклапанов, успешно прошли экспериментальную отработку, внедрены на двигатель РД191 и на агрегаты креновых сопел РН "Анга-ра".
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.
