4 Иробпемы. Паю. Решения
кисл ород но-водородн ы е
двигатели
для ракетно-космических
комплексов
Академик К.В. ФРОЛОВ,
директор Института машиноведения (ИМАШ) им. A.A. Благонравова РАН, доктор технических наук B.C. РАЧУК, генеральный конструктор Конструкторского бюро химавтоматики, член-корреспондент РАН H.A. 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».
te^sMM. Поиск. Решения 5
Модель рабочего колеса для исследования напряженно-деформированного состояния водородного насоса турбонасосного агрегата.
Значения рабочих параметров РД-0120 (давление в камере, температура в газогенераторе, скорость истечения газа из сопла и вращения турбины турбонасосного 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. A.A. 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 к 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 ра-
бочую. 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 1% 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.).
ttpfeMhl. ППИСК. PSflBäUS
Жидкостный ракетный двигатель РД-0120. Рабочее колесо водородного насоса
турбонасосного агрегата.
Однако при циклической работе РД-0120 на режимах, ходными кромками и утолщению последних. Это снизи-
превышающих номинальные, в зонах корневого сече- ло концентрацию напряжений на 20%.
ния лопаток и их соединения с бандажом, ближе к вы- Еще один серьезный аспект обеспечения надежной ра-
ходным кромкам, местные напряжения оказались боль- боты РД-0120 — выбор конструкционных материалов,
ше предела текучести* материала. Поэтому здесь возни- Главными критериями здесь служили их деформацион-
кали трещины, причем, как показали расчеты, уже после ная способность и поведение в среде водорода, находяще-
5—6 циклов нагружения. гося под высоким давлением, при криогенной, комнат-
Сверх того, на лопатки воздействует и пульсация дав- ной и повышенной температурах. Конструкторское бю-
ления. Переменные напряжения от нее относительно ро химавтоматики совместно с Институтом машинове-
невелики, но при частоте порядка 20 ООО Гц суммарное дения им. A.A. Благонравова РАН, Физико-механичес-
число циклов нагружения доходит до 10 -10". В резуль- ким институтом Национальной академии наук Украи-
тате может наступить усталостное разрушение лопаток. ны и др. учреждениями исследовали стойкость в таких ус-
Увеличить их живучесть удалось благодаря перераспре- ловиях ряда металлов и сплавов. Установлены закономер-
делению напряжений за счет подрезки бандажа над вы- ности их деформирования и водородного охрупчивания*,
* Текучесть — свойство сред пластически или вязко дефор- * Водородное охрупчивание — повышение склонности ма-
миро-ваться под действием механических напряжений териалов к хрупкому разрушению под действием водорода
{прим. ред.). (прим. ред.).
шВяеиы. Поиск. Решения 7
хЮМПа 79.57 70.81 62.05 53.29 44.53 35.77 27.01 18.25 9.491 0.7308
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 дав-
лении 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.
Иллюстрации предоставлены авторами
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.