Libmonster ID: UA-1796

 Автор: К. В. ФРОЛОВ, B. C. РАЧУК, Н. А. МАХУТОВ, М. А. РУДИС

Академик К. В. ФРОЛОВ, директор Института машиноведения (ИМАШ) им. А. А. Благонравова РАН, доктор технических наук B. C. РАЧУК, генеральный конструктор Конструкторского бюро химавтоматики, член-корреспондент РАН Н. А. МАХУТОВ, заведующий отделом ИМАШ РАН, доктор технических наук М. А. РУДИС, заведующий отделом КБ химавтоматики

Наиболее значимая разработка последних лет Конструкторского бюро химавтоматики (Воронеж) - самый мощный в стране кислородно- водородный двигатель РД-0120 с тягой 2000 кН, который использовали в качестве маршевого для второй ступени универсального ракетно- космического комплекса "Энергия-Буран".

стр. 4


Значения рабочих параметров РД-0120 (давление в камере, температура в газогенераторе, скорость истечения газа из сопла и вращения турбины турбо- насосного агрегата, габаритные размеры) достаточно велики. Соответственно уровень напряжений в его элементах, особенно связанных с подачей топлива, - в турбине, водородном насосе высокого давления, камере и т.д. - существенно выше, чем у большинства отечественных и зарубежных аналогов. Поэтому создатели двигателя важное значение придавали обеспечению надежности и прочности его узлов и деталей.

В ходе решения поставленной проблемы воронежцы наладили тесное сотрудничество с Институтом машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, имеющим богатый опыт в разработке расчетных и экспериментальных методов механики деформируемого тела, повышения прочности и ресурса машин и оборудования различного назначения.

Один из наиболее нагруженных элементов РД-0120 - рабочее колесо водородного насоса высокого давления. Оно представляет собой сложную геометрическую конструкцию и предназначено для функционирования с окружной скоростью до 600 м/с при криогенной температуре и высоких статических и динамических нагрузках. Изготавливают такие изделия из титанового сплава с 5% алюминия и 2,5% магния с использованием методов порошковой металлургии и изостатического прессования. В конструкции этих важных элементов заложены решения, обеспечивающие их прочность.

Технологические испытания с целью подтверждения работоспособности колес проводили для каждого из них в отдельности при комнатной температуре. При этом им задавали скорость, на 3 - 7% превышавшую рабочую. Разрушающую частоту вращения определяли на криогенном разгонном стенде. Согласно расчетам и экспериментам, данный показатель существенно зависит от пластичности материала. Вот почему очень важно, чтобы последняя была одинаковой в разных зонах колеса и сохраняла высокое значение при температуре жидкого водорода (20 К). Этот вопрос удалось решить за счет выбора материала и технологии изготовления, благодаря чему разрушающая частота вращения оказалась достаточной для обеспечения необходимой надежности и запаса статической прочности.

Справились мы и с такой проблемой, как усталостное разрушение крыльчаток, возникающее из-за пульсации давления и зависящее от конструкции колес. Положительный результат дали переход на порошковую технологию и некоторые усовершенствования конструктивных форм в местах сопряжения лопаток и дисков.

Особого внимания заслуживают вопросы повышения долговечности лопаток рабочего колеса турбины второй ступени. Конструктивно они представляют собой одно целое с диском и бандажом * , выполнены из жаропрочного никелевого сплава, содержащего 7% вольфрама, 15 - кобальта и 3% молибдена, с использованием методов порошковой металлургии. Кроме того, для обеспечения долговечности крыльчатки увеличили число лопаток, радиус их закругления, толщину покрывного диска, а также применили порошковую (гранульную) технологию. Статическая прочность рабочего колеса достаточна для всех режимов эксплуатации двигателя, что подтвердили испытания на разгонном стенде.


* Бандаж - здесь металлический пояс, соединяющий концы лопаток турбины для увеличения их прочности и уменьшения вибрации и износа (прим. ред.).

стр. 5


Однако при циклической работе РД-0120 на режимах, превышающих номинальные, в зонах корневого сечения лопаток и их соединения с бандажом, ближе к выходным кромкам, местные напряжения оказались больше предела текучести * материала. Поэтому здесь возникали трещины, причем, как показали расчеты, уже после 5 - 6 циклов нагружения.

Сверх того, на лопатки воздействует и пульсация давления. Переменные напряжения от нее относительно невелики, но при частоте порядка 20 000 Гц суммарное число циклов нагружения доходит до 10 7 - 10 8 . В результате может наступить усталостное разрушение лопаток. Увеличить их живучесть удалось благодаря перераспределению напряжений за счет подрезки бандажа над выходными кромками и утолщению последних. Это снизило концентрацию напряжений на 20%.

Еще один серьезный аспект обеспечения надежной работы РД-0120 - выбор конструкционных материалов. Главными критериями здесь служили их деформационная способность и поведение в среде водорода, находящегося под высоким давлением, при криогенной, комнатной и повышенной температурах. Конструкторское бюро химавтоматики совместно с Институтом машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Физико-механическим институтом Национальной академии наук Украины и др. учреждениями исследовали стойкость в таких условиях ряда металлов и сплавов. Установлены закономерности их деформирования и водородного охрупчивания ** ,


* Текучесть - свойство сред пластически или вязко деформироваться под действием механических напряжений (прим. ред.).

** Водородное охрупчивание - повышение склонности материалов к хрупкому разрушению под действием водорода (прим. ред.).

стр. 6


Расчетные напряжения в лопатке турбины.

которые следует учитывать при проектировании элементов конструкции двигателя.

Так, наибольшее влияние при комнатной температуре газообразный водород оказывает на пластические и прочностные характеристики материалов (относительное поперечное сужение, разрушающее напряжение), малоцикловую усталость, скорость распространения трещин. Водородное же охрупчивание сильнее всего проявляется при 173 - 473 К. Причем его опасность существенно выше в элементах сложной пространственной формы и зонах концентрации напряжений, поскольку с увеличением нагрузок здесь пластичность материала снижается в 2 - 10 раз.

Испытания на растяжение показали: в среде газообразного водорода при высоком давлении и температурах, близких к комнатным, прочность и пластичность сплавов на основе железа и никеля заметно уменьшаются. Многие из них подвержены значительному водородному охрупчиванию.

Наши изыскания позволили наметить меры по предотвращению этого процесса. Прежде всего при проектировании деталей двигателей необходимо исключить зоны пластических деформаций и другие интенсивные концентраторы напряжений. Целесообразно использовать сплавы, невосприимчивые к водородному охрупчиванию, а также защитные покрытия из не подверженных ему металлов (медь, серебро, золото). Эффективность этих рекомендаций проверена на практике. Долговечность конструкций двигателя существенно выросла после нанесения покрытий из меди на корпусные элементы агрегатов подачи топлива и применения в зонах сварных соединений коллекторов камеры наплавок из сталей, стойких в среде газообразного водорода.

Его влияние на характеристики конструкционных материалов проявляется в том, что при определенных давлении и температуре он переносится в металл - концентрация водорода в нем увеличивается. Осуществляется названный процесс как по диффузионному, так и по дислокационному механизму при пластической деформации. Причем важную роль играют уровень и градиент (вектор перепада) напряжений, а также время.

На основе экспериментальных и теоретических данных мы получили уравнения: для зависимости пластичности материала от давления, температуры, коэффициента диффузии, времени и т.д.; для гидростатического напряжения в зоне концентратора; анализа упрочнения материала. Используя указанные соотношения и такую характеристику, как истинное сопротивление материала разрыву в среде водорода, можно определить величины предельных нагрузок, которым подвергаются элементы двигателя на стадии возникновения разрушения.

Все перечисленные уравнения и модели легли в основу методики расчетов прочности и долговечности конструкций РД-0120, контактирующих с газообразным водородом, и позволили провести теоретическое обоснование их работоспособности. Результаты испытаний и практического использования двигателя подтвердили правильность этой методики.

В настоящее время мы проводим работы по моделированию исчерпания ресурса РД-0120 с учетом основных механизмов повреждения и достижения предельных состояний. Это позволит повысить точность расчетов прочности, ресурса и риска эксплуатации кислородно-водородных двигателей новых поколений.


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Проблемы-Поиск-Решения-КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫЕ-ДВИГАТЕЛИ-ДЛЯ-РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ-КОМПЛЕКСОВ

Similar publications: LUkraine LWorld Y G


Publisher:

Григорий ГалушкоContacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/Galushko

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

Проблемы. Поиск. Решения. КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 18.06.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Проблемы-Поиск-Решения-КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫЕ-ДВИГАТЕЛИ-ДЛЯ-РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ-КОМПЛЕКСОВ (date of access: 06.02.2025).

Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Publisher
Григорий Галушко
Portland, United States
582 views rating
18.06.2014 (3886 days ago)
0 subscribers
Rating
0 votes
Related Articles
ТРУДНЫЕ ВОПРОСЫ. СВЕТЛАНА АЛЕКСИЕВИЧ: "МЫ - ЛЮДИ ЛАГЕРНОГО СОЗНАНИЯ"
19 hours ago · From Україна Онлайн
FORMS OF CLASS STRUGGLE OF THE PEASANT-COSSACK MASSES OF UKRAINE IN THE XVIII CENTURY
Catalog: История 
5 days ago · From Denys Reznikov
G. I. MARAKHOV. SOCIO-POLITICAL STRUGGLE IN UKRAINE IN THE 50S-60S OF THE XIX CENTURY
8 days ago · From Denys Reznikov
ESSAYS ON THE HISTORY OF TRADE UNIONS OF THE UKRAINIAN SSR
8 days ago · From Denys Reznikov
K. A. KHMELEVSKY, S. K. KHMELEVSKY. STORM OVER THE QUIET DON. HISTORICAL ESSAY ON THE CIVIL WAR ON THE DON
8 days ago · From Denys Reznikov
"УКРАЇНСЬКИЙ ІСТОРИЧНИЙ ЖУРНАЛ" - ДЕСЯТЬ РОКІВ У МЕРЕЖІ
Catalog: История 
9 days ago · From Україна Онлайн
INTERNATIONAL COMMISSION ON THE HISTORY OF THE OCTOBER REVOLUTION
Catalog: История 
12 days ago · From Denys Reznikov
UKRAINIAN CHRONICLES
13 days ago · From Denys Reznikov
RABOCHY VOPROS ' ON THE PAGES OF THE REVOLUTIONARY PRESS OF 1905-1907
13 days ago · From Denys Reznikov
BUDGET STUDIES OF WORKERS IN PRE-REVOLUTIONARY RUSSIA
15 days ago · From Denys Reznikov

New publications:

Popular with readers:

News from other countries:

ELIBRARY.COM.UA - Digital Library of Ukraine

Create your author's collection of articles, books, author's works, biographies, photographic documents, files. Save forever your author's legacy in digital form. Click here to register as an author.
Library Partners

Проблемы. Поиск. Решения. КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
 

Editorial Contacts
Chat for Authors: UA LIVE: We are in social networks:

About · News · For Advertisers

Digital Library of Ukraine ® All rights reserved.
2009-2025, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of affiliates, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. Once you register, you have more than 100 tools at your disposal to build your own author collection. It's free: it was, it is, and it always will be.

Download app for Android