Методическое пособие 817

Рис. 2. Место падения составляющей части ракетоносителя после запуска

Из табл. 1 видно, что наиболее экологичным топливом являются жидкий водород и жидкий кислород. Они оба и их продукты сгорания не токсичны. Но топливо не всегда является экологичным и эффективным одновременно. Так, если рассматривать жидкий водород, он имеет низкую плотность, следовательно, занимает большой объем, а также очень взрывоопасен при смешении с воздухом. Одним из самых удобных видов топлива являются керосин + жидкий кислород. Такая пара обладает малой токсичностью и хорошей эффективностью, что очень выгодно с экономической точки зрения.

Основной экологический государственный документ аэрокосмической отрасли устанавливает ряд правил для устройства, его безопасной эксплуатации, охраны труда и пожарной безопасности при испытательном комплексе жидкостных ракетных двигателей.

Самыми опасными и вредными производственными факторами являются:

•Взрывоопасность многих компонентов ракетного топлива в смеси с другими компонентами;

•Работа всего оборудования под давлением, выше атмосферного;

•Наличие в компонентах ракетного топлива вредных веществ;

•Понижение концентрации кислорода в атмосфере, что часто приводило к асфиксии работников.

Топливо, как продукт общественного труда, должно обладать сложным комплексным свойством, как экологическая чистота. Под таким свойством топлива следует понимать состояние горючего, при котором оно оказывает минимально допустимое воздействие на окружающую среду или не оказывает вообще, а также не создает угрозу жизни людей, флоре и фауне.

Работа с топливом в жидкостном ракетном двигателе является сложным процессом. Топливо требует должного технического обслуживания, хранения и транспортировки для предотвращения выбросов в атмосферу химических веществ, опасных для жизни окружающей среды и смешения компонентов, сопровождающихся взрывом.

В ракетном двигателе топливо может гореть по-разному. Горение (или окисление) топлива – это химическая реакция окисления, которая сопровожда-

280

ется выделением тепла. А именно как будет протекать реакция зависит от того, сколько того или иного компонента вступит в реакцию [1, 3, 5, 9].

Аварийные ситуации при испытании ракетного топлива связаны с задержкой смешения компонентов горючего и окислителя рис. 3. Это происходит из-за того, что в процессе воспламенения участвует большое количество смеси. Поэтому, чтобы исключить возможность взрыва необходимо налаживать минимальное время задержки выброса.

Рис. 3. Возможные развития событий на испытательных площадках ракетостроения

Исходя из условий, в которых будет проводиться испытание, необходимо выбрать тип поджигающего устройства, метод зажигания и определить его параметры. Так же необходимо обеспечить безопасность и надежность.

В процессе испытания двигателя и его агрегатов используют малогабаритные пирозапалы, имеющие для воспламенения смеси в среднем время горения 11 с и температуру факела около 1100-1200 К. Основным недостатком таких испытаний является одноразовость действий. Для того, чтобы произвести заново испытание необходимо установить новый пирозапал.

Расположение поджигающего устройства относительно зоны смешения в основном зависит от параметров устройства, но воспламенение смеси непосредственно производится за выходным сечение сопла. Это позволяет уменьшить участие водорода при начальном воспламенении в смеси.

На рис. 4 представлены схемы установки поджигающего устройства для воспламенения выбросов.

281

Рис. 4. Схемы установки поджигающего устройства:

а, б – однократного включения; в – многократного включения; 1 – камера; 2 – пирозапалы; 3 – кольцо со штативом; 4 – поджигающее устройство – многократного

включения

Мы рассмотрели условия воспламенения смеси. Но самым опасным является наличие источника инициирования, который может привести к детонации смеси. Ниже для сравнения пределов воспламенения и детонации топливных пар приведена табл. 2.

Таблица 2

Так же к самым опасным факторам при испытаниях и эксплуатации ракетных двигателей относится разгерметизация топливной системы [2, 3, 4, 8]. Поэтому соответствующие испытания обязательно должны проводиться с выполнением всех специальных мероприятий по безопасности. Баки в двигательной установке должны быть упрочнены, а двигатель должен быть отделен от баков защитной плитой. Должна обеспечиваться дистанционная заправочная операция, полное удаление людей от опасной зоны (их укрывают в бункере во время испытания).

В настоящее время разработаны эффективные методы, которые позволяют снизить экологическую нагрузку на окружающую среду. Например, поглотители нейтрализуют пары окислителя, а дожигание горючего в специальных аппаратах помогает очистить выбросы от газообразных примесей.

Нет возможности рассмотреть эту проблему со всех сторон, так как многое еще не изучено. Но уже и так понятно, что возникают огромные сложности с утилизацией компонентов жидкостных ракетных топлив, которые отрицательно влияют на нашу планету.

282

Литература

1. Винокуров, И. В. Определение контрольных точек расхода топлива с учетом температурных эффектов [Текст] / И. В. Винокуров, Д А. Сыромятников, И. М. Винокурова // Фи- зико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения. ФГБОУ ВПО ВГТУ, Выпуск 15, 12 ноября. Воронеж. 2013. с. 52-58.

2.Винокуров, И. В. Влияние природы топлива на скорость анодно-анионной активации металла в топливных баках [Текст] / И. В. Винокуров, И. М. Винокурова, И. Г. Дроздов

//Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения. ФГБОУ ВПО ВГТУ, Выпуск 15, 12 ноября. Воронеж. 2013.

3.Винокурова И. М. Топлива и рабочие процессы в авиационных и ракетных двигателях: курс лекций: учеб. пос. / И.М. Винокурова // Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014. Ч. 1. 235 с.

4.Подакин, Н. А. Изучение особенностей выбора топливных компонентов в АРД [Текст] / Н. А. Подакин, М. А. Курбатов, И. М. Винокурова // Авиакосмические технологии (АКТ-2017): тр. XVII междунар. науч.-технич. конф. и школы молодых ученых, аспирантов и студентов.-Воронеж: ООО Фирма «Элист»; 2017. -С. 122-124.

5.Винокурова, И. М. Изучение перспективности углеродосодержащих топлив для ракетоносителей [Текст] / В. С. Носова, И. В. Винокуров, И.М. Винокурова // Химия, новые материалы, химические технологии: межвуз. сб. науч. тр. – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2018. – Вып. 9. – с. 118-123.

6.Винокурова, И. М. Исследование свойств углеводородных топлив для ракетоносителей [Текст]/ И. М. Винокурова, В. С. Носова // Стратегии исследования в естественных и технических науках: сб. науч. тр. матер. Межд. науч.-практ. конф. 28 июня 2018 г., - Белгород:

ООО Агентство перспективных научных исследований (АПНИ), 2018. С. 110-114.

7.Винокурова И. М. Свойства растворов электролитов и неэлектролитов, гидролиз солей: учеб. пособие / И. М. Винокурова. Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017. 156 с.

8.Винокурова, И. М. Свойства основных конструкционных металлов: учеб. пос. / И. М. Винокурова // Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012. 252 с.

9.Чаркин, Д. В. Оценка и сравнение эффективности ракетного топлива “жидкий кислород + керосин” по параметрическим характеристикам [Текст]/ Д. В. Чаркин, И. М. Винокурова // Авиакосмические технологии (АКТ-2020). тр. XXI Междунар. научно-технической конф. и школы молодых ученых, аспирантов и студентов. Воронежский государственный технический университет. Воронеж, 2020. С. 238-241.

10.Глебов С. Е. Особенности формирования кумулятивных струй [Текст] / Глебов С. Е., Винокурова И. М. // Авиакосмические технологии (АКТ-2020). тр. XXI Междунар. науч- но-технической конф. и школы молодых ученых, аспирантов и студентов. Воронежский государственный технический университет. Воронеж, 2020. С. 6-9.

Воронежский государственный технический университет

A. D. Bogdanova, I. L. Vasiliev, I. M. Vinokurova

INDUSTRIAL ENVIRONMENTAL SAFETY WHEN WORKING WITH FUEL

IN A LIQUID ROCKET ENGINE

The article deals with the issue of industrial ecology and safety. They are related to issues of safety and working conditions. In addition, attention is paid to the aspects of working with rocket fuel, as well as the conditions of ignition or spontaneous combustion of fuel, the danger of depressurization of the fuel system.

Voronezh State Technical University

283

УДК 621.74

Т. И. Сушко, Р. Ш. Караев, И. И. Чернышев

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ОТЛИВКИ С ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИМИ РИГЕЛЯМИ ПОСРЕДСТВОМ

КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

В статье представлен пример оптимизации технологического процесса изготовления стальной отливки «Корпус» при литье в песчано-глинистые формы с экзотермическими ригелями посредством СКМ LVM Flow с уменьшением производственных затрат на этапах проектирования литниковой системы и повышением основного параметра процесса - технологического выхода годного.

Современные предприятия машиностроения применяют технологии, учитывающие рациональное использование ресурсов, в том числе и энергетических. Создание системы учета и контроля ресурсов, внедрение систем автоматизированного производства, компьютерного моделирования технологических процессов, позволяет снижать удельные энергозатраты, время на проектирование, разработку производства отливок и себестоимость выпускаемой продукции. Поэтому эффективное использование ресурсов остается актуальной задачей современного литейного производства, потребляющего около 70 % вырабатываемой электроэнергии. Наибольшие затраты в литейном производстве (около 30 % жидкой стали) расходуется на прибыли и литниково-питающие системы (ЛПС), для стальных крупногабаритных отливок. После выбивки из опоки их отрезают от детали и направляют на переплавку, в результате чего технологический выход годного (ТВГ) значительно уменьшается, а себестоимость отливок растет. Такое положение является как следствием несовершенства систем питания отливок, так и сложностью связанной с разработкой новых, так как в большинстве случаев предприятия используют типовые литниковые системы. Экономия энергии в данном случае возможна за счет оптимизации конструкций ЛПС, выбора оптимальных технологий из числа возможных для данного способа литья и типа сплава, возможностей самого предприятия. Данный подход к этой проблеме позволяет существенно снизить материальные и энергетические затраты на получение годных отливок, угар в процессах плавки и заливки, время на проектирование и доводку технологии посредством компьютерного моделирования процессов затвердевания с анализом гидродинамических, тепловых граничных условий при заливке, с максимально возможным в рамках заданного вида литья ТВГ. Например, для снижения расхода сплава при литье в песчано-глинистые формы (ПГФ) на литейных заводах мира в настоящее время применяют самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) - это технология изготовления отливок с обогревом прибылей экзотермическими вставками, ригелями толщиной от 0,5 до 3,5 мм, который позволяет снизить коэффициент металлоемкости форм для крупногабаритных стальных отливок в диапазоне от 10 до 40 %, а в некоторых случаях и на 50 % за счет уменьшения размеров прибылей. ТВГ при таком способе литья увеличивается до 90 %. Про-

284

изводителями экзотермич еских ригелей на сегодняшний день являются страны Турции, Китая, Великобри тании, Финляндии, Чехии и др., см еси соответствуют экологическим требовани ям и нормам Евросоюза и являются безопасными для рабочих цеха. Средняя те мпература горения такой смеси на сегодняшний день порядка 2100 К, а теплотв орная способность 2900 кДж/кг и вы ше. Способ литья с СВС рекомендуется для отливок из всех видов сплавов самого разнообразного назначения [1]. Процесс я вляется энерго и ресурсосберегающим и активно внедряется на литейных завод ах г. Воронежа.

Цель работы - опти мизация процесса изготовления стальной отливки "Корпус " при литье в П ГФ с экзотермическими ригелями п осредством СКМ LVM Flow и уменьшение м производственных затрат на этапах проектирования и плавки. Для достижения поставленной цели сформулиров аны направления работы: разработка систем питания отливки при литье в ПГФ с элементами обогрева, создание трехмерных моделей отливки и систем ее питания; моделирование процесса затверде вания отливки с экзотермическими ригелями, расчет ТВГ. Деталь «Корпус» (ри с. 1) необходимо отлить из стали 35ХМЛ ГОСТ 97788, массой 36,4 кг, разме рами Ø235 × Ø114 × 266 мм. Эта с таль согласно [2] применяется для изготовл ения ответственных деталей, к ко торым предъявляются требования по прочности и вязкости, так как они экс плуатируются под действием повышенных с татических и динамических нагрузок и требующих повышенной твердости.

Риc. 1. Деталь «Корпус»

ЛПС с системой мас сивных прибылей устанавливают н а термических узлах отливки, которые в да нном случае располагаются в сечени ях d2 и d3, рис. 2. Масса отливки с прибыля ми до использования технологии СВ С составляет 65,5 кг (производственные дан ные), трехмерная модель представлена на рис. 3,а.

Р ис. 2. Термические узлы в отливке

285

Трехмерное моделир ование копирует реальный технологический процесс изготовления детали и позволяет исправить ошибки в процесс е разработки конструкторской документац ии, а также видеть его «изнутри» [3]. Нами выбрана система автоматизирован ного проектирования, инженерного анализа и подготовки производства изделий любой сложности и назначения – SolidWorks, обладающий возможностям и оформления чертежей в ЕСКД. Изменение конструкции питания и приме нение экзотермических ригелей по нашим расчетам, позволяет увеличить ТВГ отливки «Корпус» от 55,5 до 68,11 %, что связано с оптимизацией системы пи тания, снижения расхода стали на металлозавалку и массу залитой формы. Из мененная конструкция ЛПС с технологией СВС показана на рис. 3,б, масса от ливки с ЛПС составила 53,3 кг, это значительно снижает нормы расхода осно вных и вспомогательных материалов по сравнению с первым вариантом литья.

Рис. 3 . Трехмерная модель отливки с ЛПС: а) по старой технологии; б) по технологии с СВС

Посредством программы LVM Flow [4] провели моделирование процессов затвердевания отливки при разных вариантах технологии. Г раничные условия выбирали такими: температура заливки – 1620 °С, в формовочная смесь ФС ПСС с начальной температурой 20 °С, формовка – ручная, размер ячейки 7,00 мм,– излучение в среду с температурой 20 °С, вид литья – гравитационное (заливка из ковша или печи), время заливки расплава в форму – 12 с. При этом в отливке заводского вариа нта выявили недопустимые дефекты в виде закрытой усадочной раковины, наличие микропористости в твердом те ле, что подтвердило проблему предприятия о браке в партиях деталей. Он, как правило, возникает из-за нарушения питан ия жидким сплавом термического узла отливки, в результате чего расплав зат вердевает без компенсации усадк и. Следовательно, система местных прибылей питания отливки не обеспечивала и качество отливки и приводит к значительным ресурсо- и энергопотерям, процент брака отливок возрастает от 1,5 до 5. Необходима ее оптимизация, кото рую мы провели в соответствии с рекоменда циями [5].

286

Рис. 4. Дефекты в отливке

Экзотермические ригели, установленные на прибыли ум еньшенных размеров по сравнению с типов ыми, позволили устранить образование усадочной раковины в отливке, (рис. 5), термические узлы затвердевали последовательно независимо друг от друга, а жидкий слав в них был при более высокой температуре с наивысшим процентным содержанием жидкой фазы. Соблюдался принцип направленного затвер девания и отсутствовал разрыв в пи тании из прибыли. Габариты прибылей умен ьшены, дефектов в теле отливки не наблюдается, повышение ТВГ на 13 % для ПГФ является отличным показате лем, входит в допустимый предел. При этом установка ригелей не требует н ового оборудования.

Рис. 5. Усадочные процессы в отливке с СВС

Литература

1.Инженерная экология/ Под ред. А. Н. Болдина и др. Учеб. пособие для вузов,- Брянск: Изд-во БГТУ, 2008.-315 с.

2.Сушко Т. И., Компь ютерное моделирование физического питания отливок CВС в литье по выплавляемым моделям [Текст]// Т. И. Сушко, В. В. Турищев, Т. В., Пашнева, С. В. Попов // Вестник Магнитогорского техн. университета им. Г. И. Носова. 2018. – Т.16. - № 1.

-С. 45-53.

3.Козлов Л. Я. Произво дство стальных отливок: учебник для вуз ов / Л. Я. Козлов, В. М. Колокольцев, К. Н. Вдовин, и др.; под ред. Л. Я. Козлова. – М.: МИСИС, 2003. – 352 с.Т.16. - № 1. - С. 45-53.

4.3D CAD Design S ofware SolidWorks [Электронный ресу рс]. Режим доступа: http://www.solidworks.ru (06.10.2018)

287

5. Сушко Т. И. Анализ причин брака при производстве стальных корпусных отливок посредством СКМ ЛП LVM Flow [Текст] // Т. И. Сушко, А. С. Леднев, Т. В. Пашнева, И. Г Руднева, // Вестник Магнитогорского техн. университета им. Г. И. Носова. -2012. - № 1(37).- C. 2629.

1Военно-Воздушная Академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина, Воронеж

2Воронежский государственный технический университет

T. I. Sushko, R. Sh. Karaev, I. I. Chernyshev

OPTIMIZATION OF THE MANUFACTURING TECHNOLOGY OF STEEL CASTINGS WITH EXOTHERMIC CROSSBARS BY MEANS OF COMPUTER SIMULATION

The article presents an example of optimizing the technological process of manufacturing a steel casting «Housing» when casting in sand-clay molds with exothermic crossbars by means of LVM Flow SCM with a reduction in production costs at the design stages of the gating system and an increase in the main process parameter - the technological yield of the suitable one.

1Military Training and Research Center of the Air Force «Air Force Academy named after Professor N. E. Zhukovsky and Yu. A. Gagarin», Voronezh

2Voronezh State Technical University

УДК 621.35

С. Д. Винокуров1, Л. Н. Звягина2, В. Д. Винокуров1

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ ПОДХОД К УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ГЕНЕРАТОРОВ СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГИЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В статье рассмотрены проблемы усовершенствования генераторов средств обеспечения энергией воздушных судов применив надежные и экологически чистые топливных элементы.

Развитие авиационной техники характеризуется увеличением установленной мощности, обусловленной увеличением числа и мощности потребителей электрической энергии на воздушном судне (ВС), увеличением числа функций, выполнение которых связано с использованием электрической энергии. Это способствует развитию средств наземного обеспечения полетов, так как для обслуживания воздушных судов в наземных условиях должна использоваться техника, которая обеспечивала бы весь комплекс работ по техническому обслуживанию и предполетной подготовке с требуемыми параметрами.

Всевозрастающая роль авиации в военном деле требует новых подходов к созданию систем, обеспечивающих их энергией. Она необходима для

288

функционирования их бортового оборудования. Проверка и подготовка бортового оборудования ВС в наземных условиях обеспечивается наземными средствами и подается на борт ВС. Основным видом энергии является электрическая энергия в виде переменного и постоянного тока, которая производится и распределяется соответствующей системой электроснабжения (СЭС).

Внастоящее время для запуска авиационных двигателей и проверки систем электроснабжения ВС используют авиационные подвижные электроагрегаты с размещением специального оборудования на автомобильных базовых шасси. Такая компоновка делает их маневренными с возможностью самостоятельно перебазироваться на другой аэродром.

Анализ основных эксплуатационных характеристик электрических систем воздушных судов ФА, АА, ДА, ВТА, СА 4 поколения, их модификации [5] показал, что для обеспечения их бортовых приемников постоянным током достаточно 20–25 кВт, а максимальная мощность, потребляемая потребителями переменного тока достигает 100–120 кВА.

Внастоящее время на средствах обеспечения электрической энергии используют генераторы тока, основанные на принципах электромашинного преобразования механической энергии в электрическую. В системах постоянного тока широкое распространение получил генератор ПР-600×2, имеющий массу

550 кг и следующие характеристики: Uном=28,5 В, Iном= 600 А, Pном= 34 кВт. Анализ его характеристик показывает, что он способен питать бортовые потребители по постоянному току [6].

Генераторы переменного тока имеют большую мощность для питания потребителей переменного тока. На нескольких агрегатах имеется только один генератор переменного тока, а постоянный ток получается путем преобразования через выпрямительное устройство. У данного генератора достаточно мощности для питания всех потребителей электрической энергии.

Однако недостатком генератора является механический привод от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и, сравнивая его с другими источниками энергии, необходимо анализировать систему «ДВС-генератор».

Анализ потребных мощностей для каждого типа ВС показывает большой разброс их значений по постоянному и переменному току. Необходимо осуществлять выбор аэродромного подвижного агрегата для обслуживания определенного типа ВС в соответствии с его мощностью. При обслуживании ВС в наземных условиях одновременно все потребители не включаются, и ВС требует от СНО ОП лишь 10 % времени при максимальной мощности, в остальное время требуется 20 % максимальной мощности. Силовая установка, работает на максимальных оборотах весь цикл обслуживания, независимо от потребной мощности, что приводит к повышению эксплуатационных затрат.

Целесообразно использовать источники энергии с программируемыми значениями мощности, а в периоды времени, требующие повышенной мощности, использовать дополнительные устройства. Также концепция развития ЭГТ

289