Расчет системы охлаждения спутника и малорасходного насоса для нее

- коэффициент теплоотдачи;

- поверхность теплообмена.

    Коэффициент теплоотдачи зависит от характера  течения, его скорости и от параметров вентилятора. Выбор проектных параметров вентилятора, к которым относится весовой расход G и напор которой зависит от скорости течения в отсеке ( Р).

    Величина  расхода газа  G  выбирается из условия обеспечения определенной краткости смен газа в отсеке, равной отношению объема газа в отсеке к объемному расходу вентилятора и условия обеспечения определенного значения коэффициентов теплоотдачи на приборах и тепловоспринимающей поверхности. Учитывая, что интересующие нас параметры теплообмена взаимосвязаны , зависит от скорости течения, скорость течения зависит от расхода и конструкции вентиляционного канала, а от скорости течения и конструкции каналов зависит   электрическая мощность, потребляемая от вентилятора(N_вент).

    Расчет аэродинамических потерь в приборном отсеке проводится для фиксированного значения расхода и при рабочем давлении газовой среды. В общем виде аэродинамические потери записываются выражением:

где - коэффициент потерь, определяемый по справочникам гидравлики для каждого участка вентиляционного канала с учетом поворотов, трения, сужения и расширения потоков.

    При децентрализованном методе теплового  обеспечения для отдельных приборов возможно использование вентиляции, аналогично рассмотренной, однако   это вызовет достаточно большие массовые затраты. Как правило, теплопередача от элементов радиоэлектронной аппаратуры к стенкам прибора, часть которых при данном методе используется в качестве радиационных поверхностей, осуществляется путем теплопроводности и излучения, т.е. при конструировании прибора, тепловое обеспечение которого должно проводиться индивидуально, необходимо предусматривать специальные тепловоды, развитие поверхности для излучения отдельных тепловыделяющих элементов (радиаторы мощных триодов и т.п.). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. СПЕЦ. ЧАСТЬ

  3.1 Основные параметры  и состав насосной  системы терморегулирования 

   Малорасходные насосы могут быть рассчитаны на очень  высокий ресурс работы, исчисляемый годами, например, насосы системы терморегулирования различных космических аппаратов. Возможна и кратковременная работа насосов, исчисляемая часами, например, при работе в бортовой авиационной системе или минутами для создания импульса тяги в космической двигательной установке. Выбор типа и конструкции насоса будет определяться параметрами системы, для которой он проектируется, т.е. для заданного расхода V рабочего тела и напора Н.

   Рассмотрим  для примера работу насоса в системе  терморегулирования, широко применяемой в космической технике. Работа такой системы основана на отводе тепла с помощью жидкого теплоносителя. Схема одной из них приведена на рис. 1.1. Весь гермоотсек закрыт теплоизоляцией ("шубой") 6. Тепло от приборов 7 снимается потоком газа, создаваемым вентилятором 1, и направляется в специальный теплообменник 2, представляющий собой набор трубок, по которым движется с помощью малорасходного насоса 3 теплоноситель. Газ, обдувая трубки, передает свое тепло этому теплоносителю, направляемому далее по гидромагистрали на радиационную поверхность 4, расположенную на какой-либо части космического аппарата, но изолированную тем или иным способом от корпуса гермоотсека. Проходя по системе трубок по радиационной поверхности, теплоноситель отдает ей свое тепло, которое затем излучается в космос. Если в результате охлаждения температура в гермоотсеке становится низкой, специальный датчик 8 подает сигнал перепускному клапану 5, который начинает направлять теплоноситель в обход теплообменника. Когда повышение температуры приборов достигает определенного уровня, по сигналу того же датчика перепускной клапан направляет теплоноситель в теплообменник — начинается отвод тепла из гермоотсека.

   Уровень температуры и точность ее поддержания  решающим образом влияют на выбор системы терморегулирования, тип теплоносителя и параметры насоса. Например, для рассматриваемой системы при использовании в качестве теплоносителя воды, которая охлаждается в излучателе от 50° до 15°С и движется по контуру его со скоростью с- 1 м/с, величина подачи насоса составит не более 200 см³/с с напором, обеспечивающим прокачку теплоносителя по магистралям контура с минимальным энергопотреблением. В наиболее общем случае задача выбора параметров насоса решается из условия обеспечения минимальных габаритов и массы системы (часто с учетом излучателя).

   В авиационных системах широко используются насосные агрегаты с подачей рабочего тела (50 ... 150) -10^-6 м³/с при сравнительно невысоком напоре (не более 200 ... 250 Дж/кг), малыми кавитационными запасами давления на входе, с ресурсом в десятки и сотни часов.

   Общие требования к агрегатам авиационной  или космической системы в полной мере относятся и к насосам. Так, насос в системе подачи должен обеспечивать заданные напор и расход при максимальном КПД, при заданном ресурсе и минимальной стоимости изготовления. Однако к МН предъявляются и специальные требования:

— высокая  надежность в пределах установленного срока непрерывной работы с возможностью резервирования блоками;

— полная герметичность насоса и всей системы в целом, особенно при работе с высоким ресурсом;

—  высокое  совершенство гидравлических и энергетических параметров;

— минимальные  габариты, либо осевые, либо радиальные;

— минимально возможная масса;

— технологичность и минимальная себестоимость, которые оценивают- ся в совокупности для всей проектируемой системы.

   В практике применяются различные  по принципу действия и конструктивному исполнению насосы, обеспечивающие заданные малые величины расходов с широким диапазоном создаваемых напоров. В каждой проектируемой системе  тот или иной тип насоса должен выбираться

исходя  из конкретных требований, предъявляемых  к системе, особенно

по ресурсу  непрерывной работы. 

   3.2 Конструктивная схема  малорасходных насосов  с электроприводом  

   Малорасходные насосы с приводом от электродвигателя постоянного тока, как правило, выполняются  герметичными и имеют высокий  ресурс работы, Герметизация ЭНА достигается применением моноблочной конструкции, в которой крыльчатка насоса устанавливается на выходной конец вала электродвигателя. Наиболее перспективными являются бесконтактные двигатели постоянного тока с коллектором в виде   статического   полупроводникового   коммутатора,  что  обеспечивает работу двигателя без   скользящего контакта, а следовательно, без присущих ему недостатков. При работе полупроводниковый коммутатор включает ток в соответствующие секции обмотки якоря 5, располагаемого неподвижно на статоре. Возбуждение осуществляется постоянными магнитами, закрепленными на роторе 6. Управление коммутатором производится датчиками 8, смонтированными на статоре и получающими сигнал о положении ротора от управляющего магнита, смонтированного на роторе. Отсутствие скользящих контактов между ротором и статором позволяет выполнить бесконтактный двигатель постоянного тока с экраном на статоре.

   Коммутатор  двигателя монтируется в  виде отдельного блока, соединяемого с двигателем электрическим разъемом.

   Особенностью  конструкции герметических электронасосов является отсутствие в них концевых уплотнений, при этом элементы ротора насоса и электродвигателя с подшипниками находятся в потоке рабочей жидкости. 
 

   Схема электронасосного агрегата на гидродинамических  опорах: 1 - рабочее колесо насоса;  2 — корпус насоса; 3 - щелевое уплотнение на борту колеса; 4 - упорная гидродинамическая пята; 5 - гидродинамические радиальные опоры; 6 — обмотка статора; 7 — ротор; 8 — экранирующая гильза статора; 9 —датчик положения ротора 
 
 

   После выхода из центробежного колеса часть  жидкости в виде утечек через щелевое уплотнение по буртам колеса и боковой пазухе насоса попадает во внутренние полости электродвигателя, ограниченные герметизирующей гильзой 7. При этом расход жидкости в основном определяется параметрами щелевого уплотнения и гидравлически связан с перепадом давления на отверстиях в ведущем диске колеса насоса. Величина этого перепада выбирается из условия разгрузки ротора ЭНА от осевой силы и необходимой величины расходного течения циркулирующей жидкости в полостях подшипников качения 4. Подшипники 4 охлаждаются и смазываются основной рабочей жидкостью, что необходимо учитывать при выборе их материалов. Ресурс работы ЭНА, выполненного по рассмотренной схеме, ограничивается ресурсом опор ротора.

   В настоящее время изготавливаются  экранированные бесколлекторные двигатели постоянного тока мощностью от 1 до 250 Вт и более с частотой вращения ротора от 3000 ... 10000 об/мин. КПД этих двигателей находится в пределах 43 ... 80%, причем меньшие значения КПД соответствуют двигателям с малой величиной мощности и начиная с N > 10 Вт КПД двигателей составляет не менее 70%. Срок непрерывной работы таких двигателей зависит от скорости вращения ротора и колеблется от 5000 до 10 000 ч, что определяется только ресурсом подшипниковых опор. Ресурс электродвигателя можно существенно (в несколько раз) увеличить, обеспечивая особые условия работы: постановка в поток рабочей жидкости, разгрузка от осевых и радиальных сил, или поставив другие типы опор. Значительное увеличение ресурса со сложной циклограммой работы системы подачи можно обеспечить, используя гидродинамические опоры скольжения. На рис. приведена схема электронасосного агрегата на гидравлических опорах, которые обеспечивают запуск и работу насоса на всех режимах. Запуск может производится как в режиме сухого трения в гидродинамических опорах, так и с помощью вспомогательных подшипников качения, которые автоматически отключаются, когда момент трения в опорах качения становится больше, чем момент трения в опорах скольжения. От датчиков положения ротора 9 сигнал поступает на полупроводниковый коммутатор, и в обмотке 6 статора формируется вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем постоянного магнита ротора 7 и вызывает его вращение. При этом силу магнитного взаимодействия ротора и статора необходимо учитывать и использовать для обеспечения устойчивой работы ротора в гидродинамических опорах 5. Утечки жидкости по боковой пазухе между ведущими дисками колеса насоса через щелевое уплотнение 3 по борту колеса попадают во внутренние полости электродвигателя, ограниченные экранизирующей гильзой 8. Надежная работа насосного агрегата обеспечивается гидродинамическими радиальными опорами 5 и упорной пятой 4 при регламентированном расходном течении рабочей среды. Величина Перепада давления на отверстиях перепуска в диске колеса насоса будет определяться положением ротора в осевом направлении и величиной расхода по упорной пяте 4 и радиальным опорам 5. Применение гидродинамических опор в герметических ЭНА позволяет значительно (в 3 ... 5 раз) увеличить ресурс работы насосного агрегата и обеспечить сложную циклограмму работы насоса.

   Развитие  высокоресурсных малорасходных  систем подачи насоса идет в направлении  постоянного увеличения ресурса  при сложной циклограмме работы с многократными пусками и остановками, с паузами от нескольких минут до десятков часов, что и определяет применение в качестве основного привода электрического. 

   3.3 Разработка высокоресурсного  малорасходного нагнетателя  

   3.3.1 Общие положения

   Проблема  повышения долговечности малорасходных нагнетателей для сложных автономных информационных систем решается как резервированием элементов, так и повышением их надежности и ресурса. Резервирование приводит к росту массы и габаритов, усложнению управления. Повышение надежности отдельных элементов связано с увеличением сроков разработки, внедрения и стоимости. Для определенного технического уровня образцов автономных устройств разработаны оптимальные конструкции, базирующиеся на освоенной технологий.

   Рассматриваемые нами нагнетатели характеризуются сравнительно малыми массой вращающихся роторов (до 0,5 кг) и размерами опор, которые по результатам ресурсных испытаний и эксплуатации являются наиболее слабым звеном. В отечественной практике разработки высокоресурсных нагнетателей резкое повышение СНР обеспечивается и применением бесколлекторных электроприводов. В современных автономных нагнетателях механический износ наблюдается лишь в шарикоподшипниковых опорах электроприводов, он вызывает разрушение сепараторов, шариков,' выработку беговых дорожек и большого количества продуктов износа и заклинивание опор. Проверенный нами ресурс малорасходных вентиляторов и насосов на шарикоподшипниковых опорах составляет 6000-600ОО часов. Больше значения ОНP получены после тщательной балансировки нагрузки на ротор в сборе с электродвигателем, применение подшипников с проточной смазкой, селективного подбора шарикоподшипниковых опор по профилю беговых дорожек с помощью профилометра и ряда других мероприятий, уменьшающих механический износ.

    Проведенный анализ конструкций опор с заданными скоростями вращения и нагрузками на высокий ресурс показал, что возможности шарикоподшипниковых опор при высоких требованиях к долговечности исчерпаны. Этот вывод подтверждают результаты других исследователей. Дальнейшее повышение ресурса непрерывной работы нагнетателей связано с частичным или полным исключением механического износа посредством применения газовой и жидкостной смазки.