3258

В качестве опор ротора использованы шарикоподшипники. Охлаждение шарикоподшипников осуществляется расходом рабочего тела. Между опорами ротора выполнены три узла модельного уплотнения, состоящие из полуподвижных колец 5, поджимной втулки 6 и резьбовой гайки 7. Модельное рабочее колесо и два полуподвижных кольца образуют уплотнительный зазор, одно полуподвижное кольцо поджато к торцу корпуса, другое к торцу резьбовой гайки, образуя торцовые стыки, при помощи поджимной втулки. Поджимная втулка состоит из двух частей, которые распираются в осевом направлении пружинами.

1 – гидробак; 2 – фильтр тонкой фильтрации; 3 – вентиль запорный; 4 – питающий насос; 5 – откачивающий насос; 6 – расходомер; 7 – исследуемый имитатор; 8 – вихретоковый преобразователь частоты вращения; 9 – электродвигатель; 10 –датчик перемещения; 11 – датчик давления; 12 – датчик температуры;

13 – датчик вибрации

Рис. 1. Гидравлическая схема стенда

100

1 – ротор; 2 – шарикоподшипник; 3 – корпус имитатора; 4 – модельное рабочее колесо; 5 – полуподвижное кольцо; 6 – поджимная втулка; 7 – резьбовая гайка;

8 – манжета; 9 – уплотнения Рис. 2. Конструктивная схема имитатора

Для оценки условий работы и определения характеристик модельного уплотнения предусмотрено измерение давления, расходов, температур, виброускорений и перемещений. Схема расположения измерительных приборов на имитаторе приведена на рис.1. Система управления экспериментальной установки состоит из контроллера, работающего автономно. Операции контроллера разбиты на компоненты, каждый из которых отвечает за конкретную задачу во всем приложении.

Эксперименты выполняются согласно составленным планам, которые определяли режимы работы установки и число опытов. Обработка результатов, проводимая с применением математических методов, позволяет получить графические и аналитические зависимости, дает возможность математического описания процесса и его математическое моделирование, разработать стратегии поиска оптимального режима, оптимальных условий протекания процесса.

Выводы. Установка на модельных режимах и средах позволяет исследовать влияние уплотнений и их параметров, включая зазор, перепад давления, частоту вращения, на динамические характеристики роторов, получать амплитуды колебания

101

поверхностей вала, нагрузки на его опоры и траектории движения, контролировать возможное касание роторных и статорных поверхностей уплотнения.

Литература

1.Геращенко Б.И. Динамика закритических роторов лопаточных машин / Геращенко Б.И. //Динамика закритических роторов лопаточных машин М.: Компания Спутник+, 2000. –250с.

2.Иванов А.В. Турбонасосные агрегаты кислородноводородных ЖРД: монография / А.В. Иванов // Воронеж: ГОУВПО “Воронежский государственный технический университет”, 2011. – 283с.

3.Иванов А.В. Некоторые вопросы проектирования уплотнений с полуподвижными кольцами для насосов ТНА / А.В. Иванов // Разработка, производство и эксплуатация турбо–, электронасосных агрегатов и систем на их основе: труды I Международной научно-технической конференции "СИНТ'01". – Воронеж: ООО РИФ "Кварта", 2001.–С. 236 – 238.

4.Дмитренко А.И. Совершенствование уплотнений с полуподвижными кольцами для проточной части насосов ТНА ЖРД / А.И. Дмитренко, А.В. Иванов, А.Г. Кравченко // Научнотехнический юбилейный сборник. КБ химавтоматики. – ИПФ

"Воронеж", 2001.–С. 357 – 363.

УДК 681.518.54

ЦИКЛ ИСПЫТАНИЙ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ КЛАПАНА ПУСКА МЕМБРАННОГО ТИПА

М.Н. Коробкин, студент

А.В. Иванов, КБХА, ведущий конструктор,

Прежде чем ЖРД в составе ракетоносителя отправится в полет, он должен пройти целый ряд испытаний, подтверждающих его пригодность для выполнения поставленных задач. В результате

102

проведенных исследований получают информацию о техническом состоянии и о степени надежности двигателя.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт эксплуатации всех типов ракетоносителей, степень негерметичности ЖРД и двигательных установок существенно влияет на их надежность. Причинами, определяющими высокие требования к герметичности изделий, являются взрыво- и пожароопасность, которые возникают при истечении компонентов топлива. Поэтому наиболее ответственными для ЖРД считаются испытания на герметичность. Герметичность – свойство изделия или его элементов, исключающее проникновение через них газообразных и жидких веществ.

Конструкция составных элементов двигателей должна обеспечивать необходимую герметичность в течение заданного гарантийного срока. Например, конструкция клапанов, контактирующих с компонентом в течение определённого времени, должна исключать попадание в полость двигателей паров компонентов топлива выше допустимого уровня.

Изделие следует считать герметичным, если при его испытании с заданной чувствительностью утечка контрольного вещества не обнаружена или не превышает нормы, установленные конструкторской документацией. Чувствительность – это минимальный поток контрольного вещества, надежно регистрируемый конкретным методом испытаний. Проникновение вещества из герметизированного изделия через течи под действием перепада полного или парциального давления называется утечкой.

В зависимости от того, в какую полость происходит утечка, различают:

-внутреннююнегерметичность: утечка рабочего или контрольного вещества через различного типа соединения внутрь двигателя или его составных частей;

-наружную негерметичность: утечка рабочего или контрольного вещества через соединения и целый материал двигателя и его составных частей в окружающую среду.

Большинство испытаний на герметичность реализуются при заполнении объекта испытаний контрольным веществом, в состав которого входит индикаторное вещество. Прохождение

103

индикаторного вещества через течь обнаруживается каким-либо детектором (течеискателем).

Рис. 1.Клапан пуска мембранного типа

Контрольное вещество – газ, смесь газов или жидкость, заполняющие полости герметизированных сборочных единиц и деталей ракетно-космической техники при проведении испытаний на герметичность.

Индикаторное вещество – газ или жидкость, утечка которых регистрируется течеискателем.

Контрольные вещества получают, разбавляя индикаторные различными наполнителями, в первую очередь из экономии, так как они дороги и дефицитны.

Испытания на герметичность сборочных единиц проводят до нанесения лакокрасочных покрытий. Надежность испытаний во

104

многом определяется такими технологическими операциями, как очистка поверхностей объекта испытаний и сушка для удаления влаги из сквозных микронеплотностей.

В зависимости от условий реализации физического принципа детектирования и состояния контрольного вещества в объекте испытаний существуют различные методы испытания на герметичность.

Для проверки герметичности агрегатов и их составных частей применяются методы контроля герметичности воздухом и воздушно-гелиевой смесью (ВГС). В первом случае используются методы «аквариума», «обмыливания», «спада давления» и «мундштука», а во втором – метод «щупа» [1], [2].

Любой ЖРД состоит из множества агрегатов, каждый из которых подвергается испытанию на герметичность. Из ранее изложенного очевидно, что эта проверка очень важна и трудоемка, так как необходимо испытать каждый агрегат в отдельности, а лишь затем в составе двигателя (иногда применяется проверка и в составе сборочного узла). В зависимости от вида и назначения агрегата, применяются разные методы испытаний на герметичность.

Рассмотрим методику на примере испытаний клапана пуска мембранного типа (Рис.1), имеющего следующие характеристики: нормально закрытый, принудительного действия, предназначен для разделения полостей двигателя и изделия в процессе хранения и подготовки к пуску и сообщения полостей при запуске двигателя по команде от системы управления. Клапан устанавливается в магистрали подвода компонентов топлива в двигатель. Управление срабатыванием клапана – пневматическое.

Пусковой клапан окислителя состоит из корпуса входа 1, пружины 2, перемычки 3, мембраны 4, втулки 5, ножа 6, диафрагмы 7, штуцера 8, ребра 9, корпуса выхода 10.

К корпусу выхода приварены штуцер и диафрагма, которые образуют замкнутую герметичную полость для подвода управляющего газа.

В мембране, приваренной к корпусу входа, выштампованы гофры для увеличения ее жесткости и уменьшения вытяжки при опрессовках и при хранении изделия в заправленном состоянии.

105

Нож зафиксирован во втулке в исходном положении тремя штифтами. Для уменьшения усилия среза мембраны режущая кромка ножа выполнена волнистой. Поворотная пружина служит для удержания после срабатывания клапана лепестков мембраны в открытом положении в процессе запуска и работы двигателя.

Управляющее давление для срабатывания клапана подается через штуцер в полость под диафрагмой и прогибает ее. Диафрагма действует на нож, который при своем движении срезает три штифта, стопорящие нож, и прорезает мембрану по двум незамкнутым полуокружностям.

Давление компонента на входе в клапан и усилие пружины обеспечивают складывание мембраны вокруг ребра. Гофры и несрезанные участки мембраны препятствуют проскальзыванию мембраны между ребром и перемычкой после срабатывания клапана.

В течение всего периода работы двигателя пружина и рабочее тело прижимают мембрану к ребру, что обеспечивает стабильное гидравлическое сопротивление клапана.

После изготовления клапан испытывают на общую герметичность воздухом методом «аквариума». Данный метод нашел широкое применение при изготовлении двигателей, так как он позволяет определять локальные утечки, как по соединениям, так и целому материалу.

Сущность метода заключается в создании избыточного давления в объекте испытаний, погружении его в жидкость, выдержке в течение определенного времени и осмотре поверхности испытываемого объекта на предмет образования пузырьков газа. Метод «аквариума» позволяет не только находить места течи, но и судить об их величине по скорости образования и размерам пузырей [3].

Принципиальная схема установки для испытаний на герметичность методом «аквариума» приведена на рис. 2.

Рассмотрение законов образования пузырей позволяет определить связь потока газа через течь с размерами и частотой их появления.

106

2 1

3 4

1 – пневмопульт; 2 – манометр; 3 – вентиль; 4 – емкость с жидкостью; 5 - испытываемое изделие; 6 – газовый пузырек в

месте течи

Рис. 2. Принципиальная схема установки для испытаний на герметичность методом «аквариума»

В самом деле, силы, приводящие к возникновению пузырька газа, должны преодолеть сопротивление всех сил, противодействующих этому образованию. Поэтому давление газа в пузырьке должно быть, по крайней мере, равно суммарному давлению на пузырек извне. Последнее складывается из атмосферного давления Рат, гидростатического давления жидкости Рг = ρgh (ρ – плотность жидкости,g – ускорение силы тяжести, h – высота столба жидкости) и капиллярного давления Рк = 4G/D, обусловленного поверхностным натяжением окружающего пузырек слоя жидкости (G – коэффициент поверхностного натяжения,D – диаметр пузырька). Внутреннее давление в пузырьке Рвн= Q τ/V создается потоком Q газа через течь, натекающим в объем V пузырька за время τ.

Равенство Рвн = Рк + Рг + Рат приводит к выражению для потока

107

=+ + ат ,

где нулевой индекс относит все величины к моменту отрыва пузырька, происходящего через время τ0 после начала его образования.

Оценка показывает, что первый и второй члены в вышеприведенном уравнении малы в сравнении с третьим, так что в реальных условиях испытаний поток газа через течь можно с достаточной точностью определить из уравнения

является мембрана, приваренная к корпусу. Она отделяет магистрали, заполненные горючим или окислителем, от загерметизированных полостей двигателя.

Обычно сварные швы и соединения на общей сборке испытываются на герметичность методом «щупа», сущность которого заключается в обследовании с помощью щупа-натекателя объекта испытаний, находящегося под избыточным давлением ВГС. Гелий при наличии негерметичности попадает в течеискатель, выносной пульт управления (ВПУ) которого фиксирует течь.

Принципиальная схема установки для испытания ВГС методом «щупа» приведена на рис. 3.

Чувствительность испытаний методом «щупа» определяется по формуле

=кт

кт

где – чувствительность испытаний, л·мкм рт.ст./с; кт – поток гелия от контрольной течи, л·мкм рт.ст./с; кт – ВПУ течеискателя от контрольной течи, мВ;

108

– минимальный достоверный отчет, равный утроенному уровню флюктуации фонового сигнала ВПУ, мВ.

Поток гелия через контрольную течь выбирается из условия

кт = (0,1− 10) доп

где кт – поток гелия через контрольную течь, л·мкм рт.ст./с; доп – допустимая утечка гелия по КД, л·мкмрт.ст./с.

8 6

7

1 – объект испытания; 2 – щуп-натекатель; 3 – вакуумный шланг; 4 – вакуум-метртермопарный; 5 – течеискатель;

6, 8 – вентиль; 7 – механический вакуумный насос Рис. 3. Принципиальная схема установки для испытания на герметичность ВГС методом «щупа»

ВГС методом «вакуумирования» испытываются мембраны входных клапанов. Принципиальная схема установки для испытания ВГС методом «щупа» приведена на рис. 4.

Сущность испытаний методом «вакуумирования» заключается в следующем: над поверхностью объекта испытаний создается разрежение с помощью откачных средств; контрольный газ под действием разности давлений проникает через течи испытуемого объекта в откачную полость, которая сообщается с течеискателем; по показанию ВПУ течеискателя судят о степени герметичности объекта испытаний.

Необходимую контрольную течь следует выбирать из условия

0,05 доп ≤ к.т ≤ 10 доп

109