Расчет системы охлаждения спутника и малорасходного насоса для нее

Спектр  давления на выходе из насоса является сплошным в диапазоне частот 80...2 250 Гц с достаточно равномерным распределением амплитуд. 
 
 

3.   Особенности работы  автономной СТР

 

Состав  с основные параметры нагнетателей системы. 

    Широкое использование малорасходных нагнетателей жидкости и газа не позволяет четко систематизировать их по применению в той или иной системе. Они могут быть рассчитаны как на очень высокий ресурс работы,  исчисляемый годами (стационарные или космические СТР), так и на кратковременный период, исчисляемый минутами.

    Таким образом, выбор и проектирование нагнетателя определяются параметрами системы, в которой он выполняет свои функции. Основная из них - обеспечение подачи рабочего тела с заданным расходом V и напором Н. Рассмотрим параметры нагнетателя на примере активной системы терморегулирования. В замкнутой автономной теплоэнергетической системе выделяется тепловой поток Q_вн, извне подводится Q_нор , сам объект излучает в окружающее пространство Q_изл . Уравнение теплового балансе в общем виде

где  m_{i ,} c_{i ,} T_i  - масса, удельная теплоемкость и температура i -го элемента.

    Величина  внутреннего теплового потока оценивается  по затратам мощности в узлах аппарата и зависит от программы роботы оборудования, энергоустановок и системы управления объектом. Наибольшее количество тепла выделяется радиоэлектронной аппаратурой, элементами энергетических и двигательных установок. Отвод тепла излучением от поверхности площадью F со степенью черноты оценивают в первом приближении по уравнению Стефана-Больцмана:

    

,

где - универсальная постоянная ( = 5,67 •10^-8 Вт/м² К⁴);  

Т - температура  излучаемой поверхности, К.

    Уровень температуры в системе теплоотвода  различный, например, 20 °С в системах работы особо точных приборов и 800 °С в энергетических установках. Он оказывает решающее влияние на выбор системы, тип теплоносителя и параметры нагнетателя. Основными эксплуатационными характеристиками автономных систем считаются энергопотребление, отводимая мощность, ресурс работы, ее габариты и масса. По трем главным требованиям к системе (точности поддержания температуры, экономичности и   ресурсу работы) выбирается способ охлаждения, при котором тепло отводится за пределы объекта с помощью газообразных или жидких теплоносителей. При этом температурный режим поддерживается путем включения специальных агрегатов, регулирующих перенос, сбор, перераспределение и передачу тепла, а распределение тепловых потоков внутри объекта обеспечивается насосами или вентиляторами, подающими теплоноситель по контуру. 

      

   Принципиальная схема газожидкостной  системы терморегулирования:

1 - компенсационный  бачок; 2 - гидронасос; 3,4 - клапаны; 5 - радиатор--излучатель; 6 - охлаждаемый прибор; 9 - вентилятор; 8 – теплообменник. 

    Нагнетатели жидкости - центробежные или шестеренчатые  насосы, как правило, дублированы, объединены с клапаном перепуска в единый корпус и называются гидроблоком. Жидкость подается в теплообменник, откуда тепло, снятое о приборов, подводится к радиатору-излучателю и сбрасывается за пределы охлаждаемого контура. Тепло из газового тракта охлаждения отводит вентилятор, подающий воздух через контейнер с прибором на газожидкостный теплообменник. Регулирование расхода жидкости по всей магистрали системы осуществляется с помощью системы датчиков, регуляторов и клапанов. Для стабилизации объема жидкости предусмотрен компенсационный бачок.

    По  параметрам проектируемой системы  рассчитывают расход и напор нагнетателя, тип теплоносителя выбирают с учетом эксплуатационных характеристик объекта. Применение насосов и  вентиляторов позволяет создать активную СТР с расходом рабочего тела у вентилятора до 200 л/с (0,258 кг/с), у насоса до 0,15 л/с (0,1...0,15 кг/с). Величина напора зависит от компоновки магистрали подачи и ее гидравлического сопротивления

     H = h₂-h₁

где  h₂  - полный напор на выходе из нагнетателя; h₁   - напор на входе в нагнетатель.

    Уравнение представим в виде статической и  динамической составляющих величин напора

    Величина  давления на входе в насос зависит  от необходимого кавитационного запаса

    Значение  выбирают по условию обеспечения работы насоса без кавитации при любых заданных отклонениях параметров системы. Кавитационные качества насоса принято характеризовать кавитационным коэффициентом быстроходности:

    

где - угловая скорость, рад/с; V - расход, м³/с; - напор на входе в насос, при котором происходит срыв его работы, Дж/кг;

    Давление  на выходе нагнетателя определяют как

    Р₂=Р₁+

Рс,

где Рс - гидравлическое сопротивление замкнутой системы от выхода из нагнетателя до входного сечения в него, которое включает в себя сумму сопротивлений всех элементов системы, кроме нагнетателя:

Рс стремятся получить минимальной, обеспечивая течение рабочего тела по контуру магистрали с малыми потерями, исключая, по возможности, регулирующую аппаратуру и участки с высокими гидросопротивлениями. Для нагнетателей газа (вентиляторов) средняя величина Рс составляет 0,0003...0,001 МПa, для насосов - 0,01...О,05 МПа.

    Малые напоры малорасходнкх нагнетателей обусловливают низ-кий уровень  потребляемой мощности (N = 5...30 Вт);

    

где - КПД нагнетателя, значение которого изменяется в широких пределах и часто имеет низкий уровень (0,3...0,5).

    Широко  применяются малорасходные нагнетатели  с высоким давлением на выходе. Например, в системе подачи двигателя  малой тяги американского межорбитального транспортного аппарата (МТА) расход компонентов топлива изменялся от 130 до 380 см3/с при давлении подачи Р_вых 1,3 МПа, потребляемой мощности 4 кВт.

    Общие требования к агрегатам проектируемой  системы в полной мере относятся и к нагнетателям. Так, насос в системе подачи должен обеспечивать заданные напор и расход при максимальном КПД, требуемом ресурсе и минимальной стоимости изготовления. К автономным нагнетателям предъявляется ряд специальных требований; полная надежность в течение установленного срока непрерывной работы с возможностью резервирования блоками; полная герметичность нагнетателя, привода и всей системы в целом, особенно когда трудно, а порой невозможно восполнить потери рабочей среды; высокое совершенство гидравлических и энергетических параметров; компактность осевых либо радиальных габаритов; минимально возможная масса; технологичность и низкая себестоимость, которые оцениваются в совокупности для всей проектируемой системы.

    Возможно  применение многих типов нагнетателей жидкости различных принципа действия и конструктивного оформления, обеспечивающих заданные расход и напор. В качестве нагнетателей газа, обладающих высокими эксплуатационными характеристикам по напору и расходу рабочего тела, в автономных системах широко применяются осевые насосы-вентиляторы. 

2.4  Выбор типа малорасходных нагнетателей и их привода 

    Требования  к автономным системам, особенно учитывающие  ресурс работы блока подачи, тип привода или способ передачи энергии в поток рабочей жидкости, предопределяют конструкцию нагнетателя. При этом необходимо получить высокий КПД преобразований подводимой энергии в энергию движущегося потока жидкости или газа.

    Перспективными  являются нагнетатели без подвижных  частей, электроимпульсные, электрогидродинамические, термоэлектрические и т.п. Ресурс их работы может достигать большой величины ввиду отсутствия подвижных элементов. Из большого количества типов нагнетателей жидкости с подвитыми элементами лопаточные (центробежные) насосы с прямым приводом от электродвигателя наиболее полно отвечают всем требованиям. Малорасходные лопаточные насосы имеют низкий коэффициент быстроходности:

    

где - угловая скорость вращения ротора, рад/с;  V - расход, м³/с; Н - напор, Дж/кг.

    Изменение n_s в насосах с уровнем расхода (5,..15)10^-5 м³/с определяется в основном угловой скоростью и напетом. Отмечается повышенная доля гидравлических, дисковых, расходных и механических потерь энергии, величины которых не пересчитываются по законам подобия. Их удельный вес в общем энергобалансе может составлять до 70% от потребляемой мощности насосе. Каналы в голосах центробежных насосов низкой быстроходности выполняются узкими и длинными, со струйным течением жидкости. При этом перераспределяется характер гидравлических потерь в колесе: доля потерь энергии уменьшается на вихреобразование и увеличивается на трение по длине канала.

    Ширина  проточной части центробежного  колеса с низкой быстроходностью при расчете получается малой, иногда менее 1 мм на выходе. С учетом толщины пограничного слоя ширину колеса существенно увеличивают, что приводит к высокой степени диффузорности к возрастанию доли потерь из-за отрывных зон на выходе из колеса. Дисковое трение о жидкость приводит к возрастанию напора насоса, величина которого зависит от гидродинамики в боковом пазухе и отводящем устройстве. Таким обрезом, напор центробежного малорасходного насоса определяется преимущественно кинематикой потока жидкости на выходе из колеса. Его величину для регулируемого диапазона работы гидравлической системы   по расходу определяют по зависимости

    

    При изменении частоты вращения ротора центробежного насо-са внешние механические потери (в подшипниках, манжетах, уплотнениях и др.) не подчиняются законам подобия, и КПД насоса с достаточной степенью точности рассчитывают по уравнению

    

    Отличительная особенность канальных или парциальных  центробежных насосов состоит в том, что проходное сечение их рабочих колес выполняют в виде профилированных каналов с числом Z. Проходное сечение всех каналов занимает часть меридионального сечения рабочего колеса, что характеризует его степень парциальности

    

где   а₂   - длина канала колеса на наружном диаметре D₂ при постоянном значении ширины канала b₂  .

    Оптимум КПД канальных насосов по сравнению  с обычными центробежными находится в области меньших расходов. Центробежные насосы хорошо регулируются по расходу с сохранением на всех режимах высокого КПД ( = 0,75.,.0,90). У канальных (парциальных) насосов КПД несколько ниже (до 0,6).

    Работа  вихревых насосов основана на передаче энергии лопатками рабочего колеса потоку жидкости. Внутренний радиус лопаток  может быть меньше или равным внутреннему  радиусу канала, образованного корпусом насоса. Вихревые насосы применяют при малых подачах и высоких напорах. Они удачно дополняют центробежные, по сравнению с которыми имеют лучшие энергетические параметры в области низких расходов о оптимальными условиями работы   при коэффициенте быстроходности

n_S = 4...40. В таком диапазоне n_S вихревые насосы обеспечивают напор в два-пять раз выше, чем центробежные. Однако их антикавитационные характеристики невелики, C_СРВ не превышает 400 ед., что ограничивает скорость вращения вала.

    Разработка  первых автономных систем терморегулирования была связана с разовыми средствами ввода объекта в эксплуатацию и базировалась на применении объемных шестеренчатых насосов, низкий ресурс которых обусловлен наличием малых торцовых зазоров (до 0,05 км) и износом опор шестерен. Применение данных насосов целесообразно в системе, где требуется реверсирование потока жидкости.

Различают блоки подача с приводом, осуществляющим вращение или перемещение механического рабочего органа и без подвижных частей. В качестве привода используются электрический двигатель с частотой вращения ротор от 300 до I000 рад/с -электронасосный агрегат (ЭНА), газовая турбина - турбонасосный агрегат (ТНА) с =1000 рад/с. Отметим, что ЭНА и ТНА необходимо четко разделить по сроку непрерывной работы. Несмотря на простоту, ресурс работы ТНА ограничен запасами рабочего тела.