Оптимизация конструкции электронасосных агрегатов для повышения эффективности теплоотвода

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОТРАБОТКА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

УДК 629.09:629.78

А. А. Логанов

Научно-производственное объединение прикладной механики им. акад. М. Ф. Решетнёва

Железногорск

М. И. Соколов

Сибирский федеральный университет, Железногорский филиал

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОНАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООТВОДА

Предложены методы повышения эффективности малорасходных электронасосных агрегатов модуля служебных систем. Проанализированы результаты испытаний различных вариантов таких агрегатов, вводятся соотношения геометрических параметров элементов конструкции, обеспечивающие наибольшую эффективность системы терморегулирования. Повышение эффективности электронасосных агрегатов за счет организации течения жидкости в рабочем колесе позволяет значительно увеличить их ресурс без применения подшипниковых опор повышенной грузоподъемности.

Введение. Важнейшей частью космических аппаратов (КА) различного назначения являются системы жизнеобеспечения, от работоспособности которых во многом зависит, сможет КА выполнять заданные функции в течение всего срока активного существования или нет. Для обеспечения циркуляции жидкого теплоносителя в активной системе терморегулирования (СТР) используются малорасходные электронасосные агрегаты (ЭНА). Использование активной жидкостной системы в настоящее время обусловлено тем, что в современных пассивных устройствах обеспечения теплового режима — контурных тепловых трубах (КТТ) — затраты энергии на предпусковой подогрев сопоставимы с потребляемой мощностью ЭНА [1].

Фактически возможность применения активной системы терморегулирования ограничена эффективностью ЭНА. При превышении значения мощности полезной нагрузки КА в 5400 Вт экономичность бортового ЭНА становится одним из условий, от которого существенно зависят функциональные возможности КА в целом. При повышении мощности КА свыше 8000 Вт из-за почти двукратного увеличения длины трубопровода значительно (в 2—3 раза) возрастает перепад давления, который должен быть обеспечен ЭНА, вследствие чего снижается КПД агрегата. Опыт показывает, что при двукратном увеличении перепада давления

нагрузка на ротор ЭНА увеличивается втрое. Такое повышение мощности аппаратуры спутника практически сводит к нулю существовавшие при мощности до 3500 Вт как минимум двукратные расчетные запасы по ресурсу ЭНА. Таким образом, основным условием обеспечения теплоотвода от приборов КА в течение всего срока активного существования (12 лет и более) для спутников повышенной мощности становится ресурс ЭНА, а именно — долговечность подшипниковых опор электродвигателя (ЭД). Из-за увеличения нагрузок качественно изменяется ситуация с обеспечением ресурса ЭНА и становится актуальной задача снижения нагрузок на подшипники за счет повышения эффективности конструкции. Наиболее полно эффективность конструкции ЭНА отражает его КПД.

Фактическое значение КПД рассчитывается по формуле [2]

Пф = 0ЛР/

где Q — объемный расход рабочей жидкости при наиболее экономичном режиме, м /с; ЛР — перепад давления рабочей жидкости (РЖ), обеспечиваемый ЭНА, Па; М — момент на валу двигателя, Нм; ш — угловая скорость двигателя, с-1.

В работе [2] приведена формула Риппа для расчета оптимального КПД ЭНА различной быстроходности с учетом масштабного фактора

( ^0,2 Пр = 1 - (1 - 0,265^) 150

Апр ;

где параметр быстроходности [1]

п = 193 з ^ •

Г15 н0,75' ^

.01пр — приведенный диаметр входа в рабочее колесо (РК) [2]

Апр = 4,5-103-3ЩП,

п — скорость вращения РК, мин1, параметр Н — напор ЭНА в расчетном режиме, Дж/кг.

Подставив в (2) значение пв, вычисленное с помощью (3), нетрудно убедиться, что повышение напора ЭНА при расчетном режиме Н при прочих неизменных условиях приводит к снижению КПД ЭНА. КПД всегда меньше единицы. В случае с ЭНА это означает, в частности, что значение напора, измеряемое между входом и выходом, в действительности всегда ниже, чем напор, фактически существующий внутри ЭНА (1), большим значениям которого соответствуют более высокие нагрузки, воздействующие на элементы его конструкции, в том числе на подшипниковые опоры. Следовательно, увеличение мощности элементов КА, сопровождающееся возрастанием необходимого напора ЭНА, ужесточает требования к ресурсу ЭНА и одновременно ухудшает условия достижения требуемого ресурса. Повышение ресурса подшипниковых опор за счет применения подшипников большего размера увеличивает габариты и массу электродвигателей и всего ЭНА в целом, что неприемлемо для использования в КА.

Цель исследования. В настоящей работе оценивается возможность сохранения рабочего ресурса ЭНА при значительном увеличении перепада давления. Так как компенсация увеличения нагрузки за счет применения более грузоподъемных подшипников возможна в ограниченных пределах, то необходимо снижать нагрузки за счет повышения КПД ЭНА. Относительное снижение нагрузки на опоры будет пропорциональным относительному приращению КПД.

В настоящей статье исследуется возможность повышения КПД ЭНА за счет выявления критичных элементов конструкции при анализе результатов испытаний различных вариантов ЭНА как применяемых в эксплуатируемых КА, так и экспериментальных.

Постановка задачи. На основе анализа результатов испытаний различных ЭНА разной эффективности необходимо:

— выявить элементы конструкции, геометрические параметры которых вносят решающий вклад в эффективность ЭНА;

— получить зависимость для оценки эффективности конструкции с учетом вклада в нее геометрических параметров этих критичных элементов.

В данном случае эффективность понимается как сочетание максимально достижимого КПД и минимальной расчетной нагрузки на конструкцию. На рис. 1 приведены значения Пф (квадраты) и пР (треугольники).

п А

0,7

0,6

0,5

0,4

30 40 50 60 70 п,, о.е.

Рис. 1

Для некоторых ЭНА значения КПД, вычисленные по формуле (1), оказались выше расчетных, определенных по (2), что может быть обусловлено принципиальными отличиями конструкции рассматриваемых ЭНА от стандартных индустриальных. Необходимо определить, каким образом конструкция РК этих ЭНА влияет на их КПД, и выявить зависимость КПД от определяющего конструктивного параметра в случае, если повышение эффективности связано со снижением нагрузки на РК и на опоры электродвигателя. Величина нагрузки определяется разностью сил давления, обусловленной распределением давления РЖ на боковые поверхности колеса. На рис. 2 приведены схема РК ЭНА 1417-0 [2] и распределение давления по радиусу с учетом геометрических особенностей торцевого зазора (здесь сплошной линией обозначен контур распределения давления при использовании дополнительного уплотнения; пунктиром — контур без дополнительного уплотнения).

Анализ экспериментальных данных. Более высокое по сравнению с расчетом по выражению (2) экспериментально определенное значение КПД (см. рис. 1) в одном из случаев может быть объяснено с помощью рис. 2, из него видно, что применение дополнительного уплотнения позволяет снизить напор перед щелевым уплотнением у входа в РК. Эта конструктивная особенность способствует значительному снижению объемных потерь [2]

0 = |^л/2я .

Здесь | — коэффициент расхода в уплотнении, £ — площадь просвета в щелевом уплотнении, Н — напор перед уплотнением, Дж/кг.

Благодаря уменьшению объемных потерь РЖ снижаются и потери давления.

4 1

- 4 * >

т ♦ ♦ ¡1 1 1

\ и 1 1

4

^ !

й ь

Как следует из распределения давления РЖ на боковые поверхности РК (см. рис. 2), повышение КПД за счет дополнительного уплотнения вследствие изменения профиля давления может увеличить нагрузку на подшипниковые опоры электродвигателя. Соответственно дополнительное уплотнение, по крайней мере, не позволит снизить нагрузку на конструкцию.

¿¿¿/у

/

РК у

Рис. 2

Вторая причина превышения результатов эксперимента по сравнению с расчетными по выражению (2) состоит в специфике применения рассматриваемых вариантов ЭНА в составе бортовой системы терморегулирования космических аппаратов. В жидкостных системах охлаждения космических аппаратов поддерживается постоянное избыточное давление, полностью исключающее риск возникновения кавитации [3]. Обычно ЭНА для наземного использования проектируются с расчетом на то, что при входе в насос статическое давление РЖ должно быть не ниже атмосферного. Применительно к конструкции индустриальных ЭНА это заключается в завышении диаметра входного всасывающего патрубка с целью снижения скорости потока РЖ на входе в РК [2].

Для оценки возможностей повышения КПД ЭНА за счет исключения ограничений по условиям кавитации введем безразмерное отношение, сопоставляющее углу установки лопасти в 1л расчетный угол потока на входе в РК,

в1 =

аг^

где радиальная составляющая средней скорости потока в межлопастном канале РК на входе в лопаточный аппарат [3]

VI = 0/(тсАЬО,

П1 и Ь1 — соответственно диаметр и ширина лопасти на входе в РК.

Окружная составляющая средней скорости потока в межлопастном канале РК на входе в лопаточный аппарат определяется по формуле

и1 = Аш/2,

где ш — угловая скорость рабочего колеса, с-1.

В таблице приведены значения А, в 1, фактического КПД, рассчитанного по выражению

для десяти вариантов ЭНА (с электродвигателями) с самым высоким КПД для своего расчетного режима.

Оценка эффективности ЭНА, работающих в бескавитационных режимах

№ Вариант ЭНА А, м Пц в1 Пф Пр Пф/Пр

1 1142-0 с РК 3420-300 (ДБ-9) 0,017 58,4 0,301 0,509 0,573 0,888

2 1115-(ДБ-9) 0,017 74,5 0,357 0,553 0,587 0,942

3 3420-0 (ДБ-9) 0,0165 60,2 0,477 0,628 0,652 0,963

4 1417-0 (БЭП-121) 0,016 45,8 0,154 0,562 0,496 1,133

5 1К.15 №1 0,014 67,2 1,088 0,66 0,646 1,022

6 1К.15 №2 0,014 68,6 1,063 0,63 0,651 0,968

7 1К.15 №3 0,014 64,6 0,993 0,61 0,632 0,965

8 1К.15 №4 0,014 37,4 0,396 0,44 0,455 0,967

9 1К.15 №5 0,014 40,8 0,544 0,57 0,489 1,166

10 1К.15 №6 0,014 47,6 0,670 0,63 0,536 1,175

Анализ данных таблицы показывает, что фактическое значение КПД в некоторых случаях в 1,133—1,175 раза превышает расчетное, вычисляемое по (2) для вариантов ЭНА, значения в 1 для которых находятся в пределах 0,55—0,67 (таблица, № 9 и 10; пример ЭНА 1417-0, № 4, был рассмотрен выше). Оба варианта принадлежат к группе элементов выборки с индексом 1К.15. Общая особенность всех вариантов ЭНА этой группы — малый диаметр П1, выполненный с учетом гарантированного отсутствия кавитации.

Для трех вариантов ЭНА значение в1 близко к единице, что соответствует случаю, когда угол установки лопасти примерно равен расчетному углу потока. Обнаруженный эффект повышения КПД в области значений в 1 е 0,55—0,67 объясняется снижением объемных потерь из-за уменьшения проходного сечения £ уплотнения (4). Другая возможная причина — данный диапазон значений в1 соответствует режиму течения с наименьшими потерями давления.

Более достоверная оценка общего качества конструкции ЭНА по результатам испытаний требует перехода от выражения (2) к формуле, более полно учитывающей особенности конструкции РК. Это достигается введением нового критерия эффективности с использованием поправочного коэффициента на бескавитационные условия работы Кбк, определяемого как отношение максимального фактического КПД (1), к КПД, рассчитанному по (2) на этом же режиме работы, т.е. при таком же значении п5.

Восстановление зависимости Кбк от показателя качества входа в РК въ выполненное по пяти лучшим ЭНА рассмотренной выборки, дало выражение

Кбк = -1,843в 3 + 2,67 в 2 - 0,75 в 1 +1,071.

Оценка достоверности аппроксимации Я = 0,989.

Зависимость поправочного коэффициента Кбк на условия входа от в1 отражена на рис. 3 (точки 1 соответствуют пяти наиболее эффективным ЭНА из таблицы; 2 — восстановленная зависимость для поправочного коэффициента Кбк).

В ходе работ был выявлен критичный с точки зрения эффективности элемент конструкции ЭНА — вход в РК. Вклад геометрических параметров этого элемента в эффективность отражают зависимости (5) и (6).

Для оценки эффективности конструкции ЭНА введен параметр „относительная эффективность" Ег:

Ег = Пф/(ПрКбк),

который не учитывает возможности повышения КПД ЭНА с помощью дополнительного уплотнения, так как его применение, как следует из рис. 2, приведет к повышению нагрузки на элементы конструкции ЭНА за счет увеличения разницы давлений на сторонах РК.

1,2 1

0,8

Из рис. 3 видно, что относительный прирост КПД, возможный при учете бескавитаци-онных условий работы ЭНА, может составить 20 % (^к тах=1,2). В соответствии с [5] расчетный ресурс шарикоподшипниковых опор обратно пропорционален третьей степени эквивалентной нагрузки. Следовательно, относительное приращение ресурса подшипниковых опор при увеличении КПД ЭНА (и соответственно при снижении нагрузки) в 1,2 раза достигает значения ~1,7.

Заключение. Повышение КПД малорасходных электронасосных агрегатов, применяемых в системах терморегулирования космических аппаратов, возможно за счет выбора наиболее эффективных значений диаметра входа в РК. Реализация выявленных резервов повышения эффективности ЭНА позволяет повысить их КПД в 1,2 раза. Такой прирост КПД, сопровождающийся снижением нагрузки на подшипниковые опоры, означает возможность без применения более грузоподъемных подшипников, и следовательно без повышения массы конструкции, увеличить ее расчетный ресурс в 1,7 раза.

2

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 в

Рис. 3

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Yun S., Wolf D., Kroliczek E. Design and Test Results of Multi-Evaporaor Heat Pipe // 29th Int. Conf. on Environmental Systems. 1999. SAE Paper № 1999-01-2051.

2. Васильцов О. А., Невелич В. Г. Герметичные электронасосы. Л.: Машиностроение, 1968. 260 с.

3. Альтшуль А. Д., Животовский Л. С., Иванов И. П. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1987. 413 с.

4. Кривченко Г. И. Насосы и гидротурбины. М.: Энергия, 1970. 448 с.

5. Подшипники качения. Динамическая расчетная грузоподъемность и расчетный ресурс (долговечность). ГОСТ 18855-94.

Рекомендована Поступила в редакцию

НПО ПМ 12.01.08 г.