Снижение потерь трения в электронасосных агрегатах космических аппаратов

СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ТРЕНИЯ В ЭЛЕКТРОНАСОСНЫХ  
АГРЕГАТАХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

 

А.В. Бобков

Рассматривается возможность  снижения роторных потерь в  
электронасосных агрегатах космических аппаратов за счёт увеличения числа ступеней насоса

 

Центробежные электронасосные агрегаты (ЭНА) малой мощности (N£300 Вт) обеспечивают циркуляцию жидкого теплоносителя по замкнутым контурам системы терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА). На ЭНА приходится заметная часть энергопотребления аппарата. Например, мощность свыше 3-х десятков ЭНА орбитальной станции "Мир" составляла около одного кВт [1]. Снижение энергопотребления ЭНА, является актуальной проблемой совершенствования систем терморегулирования КА.

Приводами ЭНА СТР служат разработанные  в НПП ВНИИЭМ бесконтактные электродвигатели постоянного тока с числом оборотов вала (3...10)×10³ об/мин.

Суммарные потери мощности N_å в электроприводе ЭНА складываются из нескольких составляющих [2]:

, (1)

где - потери в стали якоря от гистерезиса и вихревых токов; - потери трения; - потери в меди обмоток; - добавочные потери при нагрузке.

Статор и ротор приводов ЭНА  КА разделены экранирующей гильзой, что даёт возможность погружения ротора в жидкий теплоноситель, рис. 1. Из-за этого потери трения ротора о теплоноситель , входящие в состав потерь трения становятся повышенными:

, (2)

где - потери трения в подшипниках.

ЭНА КА относятся к миниатюрным нагнетателям, в которых диаметральные размеры насосной и приводной части ротора соизмеримы. Потери трения на роторе зависят от вида поверхности вращения и складываются из 2-х составляющих: потерь трения о торцовые и потерь трения о цилиндрические поверхности ротора. В ЭНА первый вид потерь является преобладающим для насосной части, а второй вид для приводной части ротора, см. рис. 2.

Для рационализации конструкции ротора ЭНА необходимо отдельно оценивать потери мощности от трения на насосной и приводной частях ротора.

В качестве примера, иллюстрирующего  возможности оптимизации конструкции  ротора, исследуем баланс потерь трения в ЭНА с электродвигателем ДБ-9 и параметрами: напором Н=60 Дж/кг; расходом теплоносителя =140×10^-6 м³/c и числом оборотов n=6000 об/мин.

На  рис. 1 ротор условно разделён на 11 фрагментов, различающихся функциональным назначением и геометрией. Мощность означает потери на 1-м участке ротора , мощность оценивает сумму потерь на остальных 10-ти участках , где - потери трения на i-м фрагменте ротора. Суммарные потери будут равны:

. (3)

Величина мощности потерь трения на каждом фрагменте ротора определится по формуле [2, 3]:

, (4)

где - коэффициент трения, зависящий от числа Рейнольдса в зоне i -го фрагмента ротора; r - плотность теплоносителя; n - число оборотов ротора; - диаметр i-го фрагмента ротора; - длина i-го фрагмента ротора.

Число Рейнольдса находится по формуле:

, (5)

где D - радиальный зазор; v - скорость жидкости в зазоре между ротором и корпусом; - окружная скорость i-го фрагмента ротора; n - коэффициент кинематической вязкости жидкости.

Приняв значения параметров: D=0.3×10^-3 м; n=0.7×10^-6 м²/с; r=691 кг/м³; v=15×10^-6 м³/с, получим, что удельный вес потерь в насосной части ротора, включающей элемент с наибольшим диаметром - рабочее колесо (РК), в рассматриваемом ЭНА составит =0.844. Таким образом, на насосную часть ротора приходится наибольшая часть потерь трения.

Зависимость (4), содержащая пропорциональность ~ , указывает на целесообразность снижения диаметральных размеров ротора, в частности, основного элемента насосной части - РК.

Одним из конструктивных приёмов уменьшения диаметра РК является реализация принципа многоступенчатости ЭНА. Параметрическим следствием многоступенчатости становится рост коэффициента быстроходности каждой ступени .

Рассмотрим возможность снижения путём увеличения числа ступеней ЭНА СТР до 2-х и 3-х, считая, что коэффициент напора каждой ступени будет оставаться неизменным, =0.587.

При переходе в ЭНА от одно к  двухступенчатому варианту должен уменьшиться с 32×10^-3 м до 23×10^-3 м, а в трехступенчатом ЭНА до 19×10^-3 м (см. табл.). Коэффициент быстроходности ступени вырастает, соответственно, с =67 до =112 и =152. Такие изменения параметров ЭНА являются приемлемыми с технологической и положительными с энергетической точек зрения.

На  рис.3 представлена диаграмма изменения  относительной величины потерь трения в насосной части ротора при увеличении числа ступеней. Величина снижается до 0.677 в 2-х ступенчатом варианте ЭНА и до 0.549 в 3-х ступенчатом ЭНА, соответственно, на 20% и 35% по сравнению с исходным уровнем =0.844.

Рис. 4 иллюстрирует диаграмму изменения  потерь трения , приведённых к полезной мощности ЭНА . Рост числа ступеней, сопровождаемое уменьшением радиальных габаритов РК, позволяет существенно снизить указанный вид потерь (почти в 3 раза для 3-х ступенчатого варианта), приближая их уровень к показателям полноразмерных общепромышленных ЭНА.

Рассмотренный способ снижения потерь трения о ротор  ЭНА приемлем и для других лопаточных машин малой мощности, например, компрессоров или вентиляторов аэрокосмического назначения, радиальные размеры приводной и нагнетательной частей ротора которых соизмеримы. Его реализация позволяет снизить потери трения о ротор и уменьшить мощность, потребляемую агрегатом.

 

Литература

1. Вейнберг Д. М., Верещагин В.П., Мирошник О.М. и др. Уникальные  электромеханические бортовые системы орбитальной космической станции "Мир". - М.: Наука, 2001. - 55 с.

2. Буренин В.В., Гаевик Д.В., Дронов  В.П. и др. Конструкция и эксплуатация центробежных герметичных насосов. - М.: Машиностроение, 1977. - 152 с.

3. Лабораторный курс гидравлики, насосов и гидропередач / Под ред.  С.С. Руднева и Л.Г. Подвиза. - М.: Машиностроение, 1974. - 416 с.