автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка герметичного вихревого насосного агрегата

На правах рукописи

ЛЕВОЧКИН ПЕТР СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ГЕРМЕТИЧНОГО ВИХРЕВОГО НАСОСНОГО

АГРЕГАТА

Специальность 05 07 05 «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003059376

Работа выполнена в ОАО «НПО Энергомаш им академика В П Глушко»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Кандидат технических наук Е Н Ромасенко

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В И Петров

Доктор технических наук, профессор кафедры 202 МАИ (ГТУ) С Ф Тимушев

КБ Химавтоматики г Воронеж

Защита состоится «J^/>> MQ f? 2007г в часов на заседании диссертационного совета ОАО «НПО Энергомаш им академика В П Глушко», по адресу 141400 Московская обл , г Химки, ул Бурденко, д 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НПО Энергомаш им академика В П Глушко»

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу 141400, Московская обл, г Химки, ул Бурденко, д 1 ОАО «НПО Энергомаш им академика В П Глушко»

Автореферат разослан » ^^_2007г

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Г Л Лиознов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В ракетно-космической и авиационной технике нашли широкое применение малорасходные насосы (МЫ) (V < 300 10"бм3/с) Здесь применяются всевозможные типы насосов от объёмных (в системах охлаждения и масляных системах) до лопастных и роторных (в питательных установках различных энергетических систем) Требования к ним могут кардинально отличаться, но остаются общие, характерные для всех типов насосов, такие как

- обеспечение заданных параметров напора и расхода при

максимальном КПД,

- увеличенный ресурс работы,

- полная герметичность насоса,

- высокая надежность,

- минимальные габариты, осевые или радиальные,

- минимально возможная масса,

- технологичность и минимальная стоимость

Малорасходные насосы значительно отличаются от высокорасходных не только размерами, но и конструкцией основных узлов Частота вращения их ротора определяется типом привода и зависит от заданного непрерывного ресурса работы, который может исчисляться от десятков минут до нескольких лет без профилактики и ремонтов

На практике модернизация различных энергетических систем в авиации и космонавтике решает следующие задачи

- увеличение ресурса работы системы,

- повышение ее надежности,

- улучшение массогабаритных характеристик,

- улучшение энергетических характеристик

Одним из наиболее важных участков любой энергетической системы являются агрегаты подачи топлива При экспериментальной отработке современных ракетных двигателей до 70% времени затрачивается на доводку ТНА, поэтому модернизация этих агрегатов является актуальной задачей Одним из направлений ее решения является применение динамических, в частности, вихревых насосов, вместо традиционных центробежных насосов

Вихревые насосы (ВН) (см рис 1) относят к динамическим насосам, рабочий процесс в которых основан на многократной передаче энергии лопатками рабочего колеса потоку жидкости Основу рабочего процесса в вихревом насосе составляет образование продольного вихря, которое происходит из-за разности центробежных сил, действующих на жидкость в рабочем колесе и канале Вихревые насосы применяют при необходимости создать большой напор (до 250 м) при малой подаче (до 12 л/с) Они занимают пограничное положение между насосами объемного и динамического типа и удачно дополняют группу центробежных насосов и часто имеют лучшие энергетические характеристики в области малых подач ( п8 = 2,5 - 20 ) (см рис 2)

/^А

А-А

Рис 1 Принципиальная схема вихревого насоса закрытого типа с открытым боковым каналом 1 -Входной патрубок, 2 -выходной патрубок, 3 - боковой канал полукруглого сечения, 4 - рабочее колесо

По сравнению с центробежными насосами вихревой насос компактнее, имеет напор в 3-9 раз больше, при тех же размерах и той же частоте вращения, конструкция его проще и дешевле

Рис 2 Зависимость кпд насоса от коэффициента быстроходности 1- центробежные (парциальные), 2 - дисковые насосы, 3 - центробежные насосы, 4 - вихревые насосы

Для обоснования актуальности применения ВН при модернизации авиационных и космических систем рассмотрим перспективы применения насосов вихревого типа в различных системах

В ракетно-космической технике для обеспечения энергией ракет и космических модулей применяют энергетические установки - бортовые источники питания (БИП) (см рис 3), которые, для получения электроэнергии, используют принцип ЖРД с открытой схемой Топливные насосы БИП имеют высокие числа оборотов (30000-40000 об/мин), высокое давление на выходе (20 10б—40 10б Па), но ввиду малых расходов (0,05 10"3—0,1 10"3 м3/с), их коэффициент быстроходности лежит в пределах п5=10-30, поэтому достаточно часто для подачи топлива в газогенератор применяют вихревые насосы

Рис 3 Принципиальная схема жидкокомпонентного бортового источника питания

1-бак горючего, 2-бак окислителя, 3-насос окислителя, 4-турбина, 5-насос горючего, 6-газогенератор, 7-регулятор чисел оборотов турбины, 8-электрогенератор, 9-редуктор,10-стабилизатор напряжения, 11-регулятор соотношения компонентов, 12-регулятор расхода окислителя, 13-пиростартер, 14-шаробаллон наддува баков, 15-электропневмоклапан, 16-редуктор

Вихревые насосы, в области потребных в БИП подач, имеют ряд преимуществ перед центробежными

- расход топлива в БИП лежит в их оптимальном рабочем диапазоне,

- они обладают более высоким напором, то есть вихревые насосы, при заданных величинах потребного давления, можно выполнить меньше по диаметральным размерам или уменьшить угловую скорость вращения насоса И то и другое приводит к уменьшению массы агрегата

В разработке Центра Келдыша по созданию высокоэффективной солнечной энергодвигательной установки с тягой 102-390 Н, для перспективного тягово-энергетического модуля, для межорбитальных полетов, в качестве двигателя предлагается использовать солнечную тепловую двигательную установку с электронагревным тепловым аккумулятором-теплообменником и многорежимным двигателем, способным работать как тепловой ракетный двигатель на горячем водороде, и как ЖРД с дожиганием горячего водорода с кислородом Насосные агрегаты системы подачи компонентов топлива должны обеспечивать подачу водорода в тепловой аккумулятор и жидкого кислорода в двигатель с расходом 13 10"3-65 10"3 кг/с и напором 170-300 м Коэффициент быстроходности таких насосов находится в пределах от 2 до 4, что делает оптимальным применение насосов вихревого типа вместо выбранных поршневых насосов Применение ВН позволит получить выигрыш по габаритно-массовым характеристикам и увеличит ресурс работы

При начальном проектировании в НПО Энергомаш ЖРД РД123 одним из вариантов проработки насоса горючего второй ступени основного ТНА был именно насос вихревого типа, как идеально соответствующий по своим параметрам режимам работы (см рис 4) В современных условиях применение данной конструкции (центробежно-вихревого насоса) позволило бы существенно уменьшить массу насоса горючего, т к ввиду большой напорности вихревого насоса значительно уменьшатся габариты насоса Конечно такой эффект для маршевых двигателей первой ступени ракетоносителей не существенен из-за низкой доли мощности второй ступени насоса горючего в общем балансе мощностей ТНА, но для двигателей второй и третьей ступени, выполненных по такой же схеме, такая модернизация может существенным образом сказаться на улучшении массовых характеристик всей ракеты

Для модернизации топливной системы двигателей военных вертолетов подачу топлива в главный насос целесообразно осуществлять без бакового насоса, что заставляет искать пути создания экономичных самовсасывающих

&

Рис 4 Применение ВН в ТНА ЖРД

насосов динамического типа Для решения поставленной задачи предлагается применять вихревые насосы, обладающие более высоким коэффициентом напора, КПД (при п,=2,5-20) по сравнению с центробежными насосами, и обладающих самовсасывающей способностью

Кроме рассмотренного применения вихревых насосов в авиационно-космических системах отдельно стоит проблема, характерная для других отраслей промышленности, таких как химическая, пищевая и др Эта проблема разработки надежного малорасходного динамического насоса с параметрами, близкими к насосам объемного типа Она продиктована особенностями производственного цикла и содержит дополнительные требования по обеспечению коррозионной стойкости, повышению ресурса и обеспечению экологических норм, вплоть до полной герметичности насоса

Все вышесказанное показывает, что разработка динамического вихревого насоса с параметрами, близкими к насосам объемного типа является актуальной научно-технической задачей Помимо этого научный интерес представляет поиск надежных методик расчета малорасходных ВН, путей оптимизации их проточной части для повышения энергетических характеристик, а также возможность расширения диапазона работы

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является создание высокоэффективного герметичного малорасходного насосного агрегата с приводом вихревого насоса от электродвигателя через магнитную муфту

В соответствии с поставленной целью задачами настоящего исследования являются:

1 Разработка конструкции полностью герметичного малорасходного вихревого насоса с коэффициентом быстроходности п5 = 4

2 Проведение экспериментального исследования спроектированного насоса для определения влияния особенностей конструкции на его характеристики

3 На основе анализа результатов экспериментов необходимо сформулировать и решить задачи по уточнению методик расчета и проектирования малорасходных вихревых насосов

4 Разработать рекомендации по повышению энергетических характеристик вихревых насосов

5 Разработка конструкции магнитной муфты на постоянных магнитах для передачи крутящего момента с вала электродвигателя на ротор вихревого насоса

6 Проведение испытания ВНА для подтверждения характеристик ВН, устойчивого запуска магнитной муфты, а также провести ресурсные испытания агрегата

Научная новизна. В ходе проведенного исследования были получены следующие основные результаты

• сформулированы и подтверждены требования к расчету и проектированию малорасходных вихревых насосов,

• разработана методика выбора оптимального значения торцевого зазора между рабочим колесом и корпусом ВН для конкретной конструкции насоса,

• разработан алгоритм расчета рабочего канала вихревого насоса переменного сечения

• разработан полностью герметичный малорасходный вихревой насосный агрегат, включающий в себя вихревой насос с П5 = 4,

• решена задача по расчету и разработке магнитной муфты, а также по определению условий для ее надежной работы,

Достоверность результатов исследования Разработанная методика расчета рабочего канала переменного сечения вихревого насоса подтверждена численным моделированием и последующим сопоставлением полученных результатов математического эксперимента с результатами натурных испытаний агрегата

Практическая значимость данной работы состоит

• в разработке полностью герметичного и, следовательно, экологически чистого малорасходного вихревого насосного агрегата с возможностью перекачивания любых агрессивных и сильно токсичных жидкостей,

• в выработке рекомендаций по расчету и проектированию малорасходных вихревых насосов с низким п3,

• в разработке методики расчета рабочего канала переменного сечения для улучшения энергетических характеристик вихревого насоса

• в выработке рекомендаций для обеспечения устойчивого запуска магнитной муфты, используемой для передачи крутящего момента от вала привода на ротор насоса,

Реализация результатов работы. Разработанный в ОАО «НПО Энерго-маш им. академика В П Глушко» герметичный вихревой насосный агрегат (см рис 5) используется для подачи компонентов в камеру сгорания установки по сжиганию продуктов полимерного производства в АО «Каустик» г Стерлитамак

Рис, 5, Общий вид герметичного вихре но го насосного агрегата.

Результаты экспериментально-теоретических исследований, методики расчета вихревых насосов используются специалистами ОАО «Энергомаш» им. академика В.П.Глушко» в непосредственной работе и при руководстве курсовыми и дипломными проектами студентов МАИ (ГТУ) им. Серго Орджоникидзе.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

-на XXV Российской школе по проблемам науки и технологий к XXXV уральском семинаре по механике и процессам управления, посвященных 60-летию Победы. ЮУрГУ г. Миасс 2005г;

-на XXXI академических чтениях по космонавтике (Москва, 30 январи - 1 февраля 2007г.),

Личное участие. Все основные результаты работы, изложенные в выводах, получены лично автором. Результаты, полученные другими исследователями, а также результаты совместных исследований, отмечены по тексту или снабжены сносками на соответствующий источник.

Публикации. Автором, по теме диссертации, опубликованы 5 научных работ. Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах составляет не менее 70%.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации 130 страниц. Библиография составляет 28 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, излагаются цели и задачи диссертационной работы

В первой главе раскрывается состояние вопроса, и рассматриваются известные методики расчета вихревых насосов и гипотезы течения жидкости в вихревых насосах, такие как

- методика Б И Находкина основанная на гипотезе возникновения продольных и поперечных вихрей Опыты, проведенные Б И Находкиным, показывают, что передача энергии в ВН, в основном, происходит продольными вихрями На основании испытаний различных вариантов модельных и промышленных образцов вихревых насосов Б И Находкин получил обширный статистический материал и предложил схему расчета вихревого насоса, основанную на гипотезе о независимости коэффициента напора, создаваемого на единицу длины проточной части насоса, от радиуса, на котором расположена проточная часть

- большая работа по разработке методик расчета и проектированию вихревых насосов проведена во ВНИИгидромаше В В Шаумяном, который дополнил методику Находкина, распространив ее на В Н закрытого типа

- О В Байбаков сделал попытку предложить полностью теоретический метод расчета ВН Им выведена теоретическая зависимость напора ВН от его основных геометрических параметров, но, поскольку, это уравнение содержит эмпирические коэффициенты, зависящие от распределения скоростей по поперечному сечению проточной части колеса и бокового канала, получаемые экспериментально, широкого распространения эта методика не получила

- в КБ «Южное» (Украина) Г А Горбенко разработана методика для расчета ВН закрытого типа с двусторонним подводом, использующаяся для проектирования ВН БИП современных ракетоносителей и космических модулей,

- также рассмотрены методики Н Н Купряшина и В Г Коваленко, С С Руднева, Герда Грабова, Г Иверсена, В Шмидхена и Г Энгельса, М Шимосаки, В Вильсона, М Сантала, Я Олрича, К Пфлейдерера и А Райта не нашедшие широкого распространения, из-за узкого диапазона параметров насосов для которых они справедливы,

Из анализа литературы, можно сделать следующие выводы

- все известные методы проектирования ВН не дают однозначных рекомендаций по выбору основных геометрических параметров насоса, и различие в них может достигать до 50%,

- все расчеты ВН основаны на применении эмпирических коэффициентов, следовательно, имеют ограниченное распространение,

- основная масса экспериментальных исследований и теоретических расчетов проведены для насосов с ns =10-30, и практически отсутствуют работающие агрегаты в области коэффициентов быстроходности ns < 8,

- сравнительно мало рекомендаций по выбору оптимальной и обеспечению постоянной, при работе ВН, величины торцевого зазора между рабочим колесом и корпусом

Работы по разработке малорасходного герметичного вихревого насосного агрегата (ВНА) велись в НПО Энергомаш в 1993-1996гг в рамках конверсионной программы по созданию энергетической установки для огневого обезвреживания ядовитых отходов полимерного производства Заказчиком работ выступило АО «Каустик» г Стерлитамак

Далее в работе проведен подробный анализ этапов выбора оптимального типа насоса, удовлетворяющего заданным требованиям по гидравлическим параметрам (см табл 1) Дополнительно исследовано влияние свойств жидкости на тип насоса По результатам проведенного анализа оптимальным, для заданных данных, был признан вихревой тип насоса

Таблица 1

N п/п Название параметра Обозначение Размерность Значение

1 Массовый расход т Кг/с 0,28

2 Плотность при 1=+20°С Р Кг/м3 1,265 10+3

3 Кинематическая вязкость V Нс/м2 751 10"9

4 Давление на входе РВх Кгс/м2 2 10"

5 Давление на выходе р 1 вых Кгс/м2 20 10"

6 Число оборотов вала насоса п Об/мин 3000

7 Диаметр стыкуемых магистралей D мм 12

Во второй главе проводится расчет проточной части вихревого насоса по методике Б И Находкина (см табл 2) Приведен расчет магнитной муфты на постоянных магнитах и приведено описание конструкции вихревого насоса (см рис 6) и магнитной муфты (см рис 7)

Рис 6 Вихревой насос 1-корпус, 2-экран, 3 - ротор, 4 - рабочее колесо, 5 — ведомая полумуфта, 6 - подшипник,7 - Штуцер подвода, 8 - штуцер отвода, 9-крышка, 10-диск разгрузочный

Таблица 2

Параметры вихревого насоса

№ п/п Наименование Обозначе ние Размер ность Значение

1 Напор насоса Н м 163

2 Объемный расход V м3/с 0,285 10"3

3 Частота вращения ротора п об/мин 2900

4 Коэффициент быстроходности п5 - 3,92

5 Коэффициент напора н„ - 14,76

6 Радиус центра тяжести канала Кцт мм 49,8

7 Диаметр канала мм 11,4

8 Число лопаток Пдоп - 27

9 Длина перемычки на радиусе Яцт к мм 33,9

10 КПД (принято в первом приближении) л 0,22

11 Мощность насоса Мр кВт 2,6

Вихревой насос (рис 6) состоит из корпуса 1, экрана 2, ротора 3 с закрепленным на нем рабочим колесом 4 и ведомой полумуфты 5, а так же гидродинамического подшипника 6, полная герметичность насоса обеспечивается тонкостенным экраном 2 Смазка и охлаждение подшипника, осуществляется подачей перекачиваемой жидкости, отбираемой с выхода из рабочего колеса, которая, по сверлению в корпусе прокачивается через подшипник, и перепускается во входную магистраль Постоянный осевой зазор (Е=0,02-0,04) мм между корпусом и рабочим колесом и уравновешивание осевой силы, возникающей на подшипнике, обеспечиваются применением автомата разгрузки осевых сил (АРУ) Он состоит из щели постоянного сечения (образованной кольцами подшипника) и управляющей щели переменного сечения Ж (образованной ротором и диском разгрузочным 10)

Рис 7 Конструкция магнитной муфты 1- ведущая полумуфта, 2- ведомая полумуфта, 3- экран

Для обеспечения привода ротора насоса при условии его полной герметичности разработана конструкция синхронной переменно-полюсной магнитной муфты на постоянных магнитах (см рис 7) В качестве магнитного материала был выбран магнитный сплав на основе неодима-железа-бора с коэрцитивной силой >18кЭ Магниты ведомой полумуфты 2 образуют многогранник и опираются внутренними гранями на стальной магнитопровод Их смежные стороны соприкасаются друг с другом Магниты ведущей полумуфты 1 образуют разомкнутый многогранник Магниты закреплены в магнитопроводах с помощью клеевого соединения

Схема герметичного малорасходного вихревого насосного агрегата представлена на рис 8 Он состоит из вихревого герметичного насоса 1, магнитной муфты 2 и электродвигателя 3

Рис 8 Принципиальная схема герметичной малорасходной вихревой установки с

магнитной муфтой

Электродвигатель передает крутящий момент на ведущую полумуфту с помощью шпоночного соединения Ведущая полумуфта приводит во вращение ведомую полумуфту и через штифтовое соединение ротор насоса Регулирование частоты вращения агрегата и обеспечение устойчивого запуска магнитной муфты осуществляется регулированием оборотов электродвигателя с помощью частотного регулятора частоты переменного тока

По результатам расчета был спроектирован, изготовлен и поставлен на испытания опытный образец вихревого насосного агрегата

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования разработанного агрегата и доводки вихревого насоса В НПО Энергомаш был спроектирован и изготовлен специальный стенд, который позволил снимать энергетические (напорную и КПД) характеристики насоса в широком диапазоне расходов, снимать кавитационную характеристику, определяя срывной кавитационный запас насоса (в том числе и при различных величинах расхода через насос), проводить ресурсные испытания по определению работоспособности, как насоса отдельно, так и агрегата в целом, как при непрерывном длительном, так и при циклическом

2

3

использовании Насосный агрегат прошел полный цикл доводочных испытаний, подтвердив свои рабочие качества и надежность

В процессе доводки были проведены экспериментальные исследования

- по определению влияния особенностей конструкции на характеристики ВН,

- по определению влияния торцевого зазора между рабочим колесом и корпусом ВН на его напор

Поправочный коэффициент для напора ВН Суть методики Б И Находкина, по которой был рассчитан ВН, заключается в построении схемы расчета, основанной на законах подобия, справедливых для всех гидравлических машин Коэффициентом подобия при расчете ВН является коэффициент быстроходности п5

Недостатком этой методики является то, что она не учитывает влияния на характеристики особенностей конструкции ВН, поэтому расчет с ее использованием недостаточно точен

Напорная (рабочая) и кавитационая характеристики насоса, полученные при первых испытаниях, представлены на рис 9

Рис 9 Напорная и кавитационная характеристики ВН при первых испытаниях

По рабочей характеристике при Ун= 0,285 10"3 м3/с напор насоса составляет Нн«43 м, что в 3,8 раза меньше требуемого Анализ причин, по которым насос не выдает требуемые расчетные параметры, показал, что причиной пониженного напора могут являться неучтенные при расчете геометрии насоса расходы, отбираемые на смазку и охлаждение гидродинамического подшипника, и работу АРУ Для подтверждения данного предположения было решено провести эксперимент, доработав насос, уменьшив диаметр перепускных отверстий (тем самым, уменьшив расход утечек) и в таком виде провести повторное испытание насоса Рис 10 Напорная характери- Результаты данного испытания стика доработанного ВН представлены на рис 10 и в сравнении с

исходными характеристиками (см рис 9) можно судить об эффекте доработки Как видно, по рабочей характеристике при номинальном расходе Ун =0,285 10"3 м3/с и рвх=2,5 105Па насос имеет напор Нн=170 м, что соответствует заданным параметрам

Так как подобное изменение конструкции не всегда возможно и может привести к появлению конструктивных недостатков (в нашем случае это уменьшение расхода для работы и охлаждения гидродинамического подшипника), необходимо на этапе проектирования насоса учитывать возможное снижение напора насоса, связанное с утечками, которые в малорасходных насосах, могут достигать до 70% Анализ результатов испытаний насоса показал, что на этапе проектирования ВН за расчетную величину напора следует принимать напор, равный Нрасч = к Нтз,где к - поправочный коэффициент, определяемый после предварительной конструкторской проработки по величине утечек закольцованных внутри насоса В первом приближении

коэффициент к рекомендуется определять по формуле к = 1 + Для

/ Уной

разработанной конструкции ВН к=1,4

Нн, Дж/кг.

-Нн.Дж/кг

Влияние величины торцевого зазора между рабочим колесом и корпусом на напор ВН

Известно большое влияние величины торцевого зазора между рабочим

колесом и корпусом в ВН на его напор Особенно существенна эта проблема при разработке ВН с низкими значениями коэффициента быстроходности (п5<10) Поэтому в насосе была заложена возможность конструктивного изменения

величины торцевого зазора и был поставлен эксперимент, в результате которого удалось определить, что ВН обеспечивал требуемые параметры (см табл 2) при величинах торцевого зазора 5Т=0,02-0,03 мм При невыполнении условия обеспечения малых торцевых зазоров можно или не получить заданные параметры, или иметь большой разброс напоров насоса (рис 11) Попытка оценить это влияние с помощью имеющихся

Ун*10"8, ма/с

Рис 11 Влияние величины торцевого зазора на напои ВН

(ДН/Н*) 100%

15=0 04 ш* /

' V г ✓

V' /

ч/

т/ ■ — Данные Б'йбако**

У • Герметичный нкос

• Выбор ммр* 01 при

проектировании

15=0 02 м> |

литературных данных показала довольно узкии диапазон совпадения методики определения падения напора в зависимости от величины торцевого зазора, предлагаемой О В Байбаковым (рис 12) с экспериментальными данными (в диапазоне зазоров от 0,02-0,04 мм) Поэтому на основании проведенных экспериментов было предложено уточнение методики введением предварительной оценки утечек q, через различные элементы насоса (АРУ, гидродинамический подшипник и лабиринтные уплотнения) и сравнении их с величиной утечек qт через торцевой зазор 8Т при различных его значениях

Экспериментально установлено следующее, что если - Чт<я„ т е величина утечек определяется торцевым зазором между РК и корпусом, поведение и параметры ВН соответствуют расчетным (рис 11, характеристика ВН при 5Т=0,02 0,03 мм),

Рис 12 График выбора величины торцевого зазора

- ят>я„ т е величина утечек определяется элементами гидравлического тракта насоса, а не торцевым зазором между РК и корпусом 8Т, насос работает устойчиво, но реализуется напор меньше расчетного (рис 11, характеристика ВЫ при 5Т=0,07-0,075 мм),

Предложенное уточнение методики не показывает влияния величины зазора 5т на характеристики насоса, но выполнение условие Чт<я, при работе насоса позволяет на этапе проектирования конструктивно выбрать величину зазора между рабочим колесом и корпусом, и позволяет гарантировано обеспечить достижение расчетных параметров при стабильной работе насоса Гистерезис напорной характеристики и.»» _ _ При проведении

экспериментальных работ по определению влияния величины торцевого зазора на напор ВН было обнаружено такое поведение насоса, при котором его рабочая характеристика, снятая при прямом и обратном ходе по расходу, не совпадали Такая характеристика представлена на рис 13 По аналогии с гистерезисом магнитного поля ферромагнетиков такое поведение характеристики насоса было названо гистерезисом напорной характеристики Это явление не описано в литературе по характеристикам ВН и крайне нежелательно, так как не позволяет четко реализовать заданные параметры, и вызывает проблемы с регулировкой режимов и стабильностью работы насоса

После всестороннего анализа результатов эксперимента нами была предложена следующая картина поведения насоса при снятии напорной характеристики . ,. 8г —

Рис 13 Гистерезис напорной характеристики ВН

Положительное направление осевой силы Ун —> Рис 14 Гидравлическая схема утечек при работе ВН

ВЫХОД ЮВВСОС

Допустим, что рабочая характеристика снимается, начиная с большего расхода в сторону его уменьшения (прямой ход) С уменьшением расхода растет напор насоса, а, следовательно, и осевая сила Гидравлическая схема насоса (см рис 14) такова, что давление в полости 2 (на первой половине канала) больше, чем в полости 1, это вызывает уменьшение торцевого зазора 5Т за счет податливости опоры До тех пор пока утечки определяются зазором между кольцами гидростатического подшипника (0,05 мм), рост напора

насоса с уменьшением расхода должен быть плавным Как только в результате роста Ун торцевой зазор 8Т уменьшится настолько, что расход qГl будет определяться гидравлической

характеристикой торцевой щели, должен измениться и характер зависимости Н = фн), так как напор насоса будет определяться не только расходом через насос, но и величиной расхода зависящей от торцевого зазора 5Т Поскольку уменьшение расхода qrl, связанное с уменьшением зазора 8Т, увеличивает напор и, следовательно, осевую силу, которая еще сильнее деформирует рабочее колесо и уменьшает зазор 5Т, (положительная обратная связь), следует ожидать резкого возрастания напора с уменьшением расхода

Рис 15 Расположение следов касания на корпусе после испытаний

Появляющаяся петля гистерезиса на рабочей характеристике может быть объяснена тем, что положительная обратная связь по зазору 5Т стремится поддерживать величину торцевого зазора постоянной при уменьшении осевой силы Ун на роторе При сборке насоса величина торцевого зазора 8Т выдерживалась в пределах 0,03 0,07 мм При работе (снятии рабочих характеристик) возможно касание и износ торцевой поверхности рабочего колеса о корпус, что приводит к увеличению зазора 5Т в сравнении со сборочным

Внешний вид характеристикам рис 13) и результаты осмотра материальной части после разборки насоса (см рис 15) подтвердили справедливость описанной картины поведения насоса

Из вышесказанного следует, что для повышения надежности конструкции, исключения резких забросов напора при снятии рабочей характеристики и появления петли гистерезиса наряду с известными мероприятиями, такими

как. двусторонний подвод рабочей жидкости к колесу, подбор материалов РК и корпуса, допускающих контакт при работе, применение АРУ необходимо, при проектировании внедрять мероприятия, повышающие жесткость конструкции для уменьшения величин упругой деформации рабочего колеса и корпуса насоса

Анализ результатов проведенных экспериментов позволил выработать рекомендации по уточнению имеющихся методик расчета и проектирования ВН, которые позволяют

- учитывать в расчете снижение напора, связанное с дополнительными утечками, вызванными конструктивными особенностями насоса,

- учитывать в расчете влияние торцевого зазора 5Т между рабочим колесом и корпусом на геометрию рабочего канала,

- улучшить форму напорной характеристики применив конструктивные мероприятия, повышающие жесткость рабочего колеса и корпуса ВН,

В четвертой главе обосновываются рекомендации по повышению энергетических характеристик ВН за счет профилирования рабочего канала, приводится методика расчета рабочего канала ВН переменного сечения, а также приведен алгоритм проверки эффективности данной методики с помощью современных методов численного моделирования

Известно, что наиболее энергетически выгодной формой канала ВН является канал полукруглого сечения, создающий наименьшее сопротивление образованию продольного вихря В результате испытаний разработанного ВН получен КПД г|„=0,19—0,21 Данное значение является достаточным для насосов с такими параметрами (см табл 2), но низким по сравнению с насосами объемного типа Поэтому весьма перспективным направлением развития теории расчета и проектирования малорасходных вихревых насосов является разработка методики оптимизации проточной части ВН основанная на уменьшении сопротивления образованию продольного вихря с целью увеличения напора и кпд насоса

Оптимизация формы проточной части рабочего канала ВН

В главе 3 было показано большое влияние утечек в торцевом зазоре ВН на характеристики насоса Поэтому именно исследованию влияния утечек на параметры течения в канале насоса было посвящено основное направление теоретических исследований

Рядом авторов показано, что рост давления в рабочем канале ВН имеет линейную зависимость по длине канала от входа насоса к его выходу (рис 16) р

1 I Г**

Рис 16 Эпюра распределения давления по рабочему каналу ВН

1,2 — полости выравнивающие эпюру давления

Проточная часть ВН представлена на рис 17 На периферии и у ступицы рабочего колеса имеются две полости (1 и 2), выполненные в виде проточек, которые выравнивают давление и снижают величину радиальной и осевой сил, действующих на рабочее колесо Давление в проточках принимается одинаковым и равным Р1=Р2=Рср=(Рвых+Рвх)/2

При сравнении эгаор давлений внутри рабочего канала с эпюрами давлений на периферии и у ступицы рабочего колеса (рис 18) можно видеть, что при работе насоса к перекачиваемой жидкости 0Н в секторе 1 (ф=Ьп/2Я я/2) добавляются расходы qrl и цг2 (см рис 19), а в секторе 2 происходит обратное перетекание утечек и qr2) из рабочего канала в дренаж насоса Таким образом, расход, перекачиваемый колесом, растет от р,„ на входе в насос до середины длины канала, где достигает своего максимума (?тах, и уменьшается до <3„ к выходу из насоса

Максимальная величина расхода 0тах будет равна

(2тах +Чг1 +Чг2>г*е

- расход, втекающий в рабочий канал ВН со стороны внутреннего радиуса г,,

с/г2 - расход, втекающий в рабочий канал ВН со стороны внешнего радиуса

г2

Такое перемешивание жидкости в рабочем канале ВН при его работе повышает сопротивление образованию продольного вихря, так как скорость жидкости в канале меняется случайным образом, что и снижает эффективность рабочего процесса в ВН

Рис 18 Перетекание жидкости в рабочем канале ВН

тах

тах

Рис 19 Схема перетекания жидкости по длине рабочего канала ВН

Из вышеуказанного следует, что для обеспечения постоянства скорости в канале и снижения сопротивления образованию продольного вихря сечение рабочего канала ВН должно быть переменным

Определим для данной конструкции насоса расходы утечек в рабочий

канал

Расход утечек через торцевую щель

/2Др

сК

(1)

здесь

Ар — перепад давления на щели, р - плотность перекачиваемой жидкости, Г — площадь торцевой щели, ц - коэффициент расхода щели

Проинтегрировав (1) в пределах от <р{ = ^"/2 К Д° й = получим

з з^

2А За

(а— + Ь)2 -(аЬП- + Ь)2 2 211

где К = ц \— 5тг, |Р

Рассчитав с помощью уравнения (2) расходы утечек в рабочий канал со стороны меньшего Г1 и большего г2 радиусов, определим максимальный расход через рабочий канал ВН

Отах = Он +Яг1 +Чг2 (3)

Из условия равенства скоростей потока в сечениях ф( и ф2 определим значение потребного изменения площади рабочего канала ВН в сечении ф2

0_ F

= сош-г Ртах = ^

х , Чг1 + Яг2 Оном

(4)

где Р0 - площадь сечения рабочего канала ВН в сечении ф!

На рис 20 представлены развертки профилированного и стандартного рабочего канала ВН

А-А Развертка

Рис 20 Развертка рабочего канала ВН 1-имеющийся профиль, 2- профиль, с учетом перетекания жидкости по длине канала

Проведена оценка эффективности предложенных мероприятий с помощью современных систем численного моделирования В качестве базовой расчетной программы была выбрана программа 81агСО, которая зарекомендовала себя как надежная программа с высокой точностью инженерных расчетов

Моделирование проводилось по алгоритму расчета, отработанному и аттестованному на проточной части ВН традиционного сечения

По результатам моделирования определены напорные (см рис 21) и КПД характеристики (см рис 22) ВН с профилированным рабочим каналом, а также исследовано влияние утечек на характеристики ВН

Рис 21 Сравнение экспериментальных напорных характеристик с результатами математического моделирования

Как видно из рис 21 применение профилированного канала приводит к повышению напора ВН, причем наиболее это заметно для расходов (3>(2НОм Если экстраполировать результаты математического моделирования в область расходов С}<(2ном, то видно практически полное совпадение расчета и эксперимента, что еще раз подтверждает приемлемость выбранной математической модели Кроме этого можно отметить увеличение угла наклона напорной характеристики ВН к оси расхода, что положительно влияет на возможность его регулирования и, следовательно, расширение области применения насоса

На графике, (см рис 22), представлено сравнение КПД характеристик ВН при модельных испытаниях с результатами математического

моделирования Из графика видно, что применение в ВН рабочего канала переменного сечения повышает КПД насоса на «10-15 единиц

м.

Рис 22 Сравнение экспериментальной энергетической характеристики с результатами математического моделирования

Вид энергетических характеристик, полученных с помощью математического моделирования, с учетом перетекания жидкости по рабочему каналу совпадает с видом характеристик снятых при испытаниях Это подтверждает справедливость гипотезы о повышении энергетических характеристик ВН за счет оптимального профилирования рабочего канала насоса

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1 Разработана и экспериментально исследована конструкция малорасходного герметичного вихревого насоса с коэффициентом быстроходности 3,9

2 Уточнена методика расчета малорасходного ВН путем введения поправочного коэффициента для определения напора ВН с учетом утечек

3 Приведена методика выбора оптимальной величины торцевого зазора между рабочим колесом и корпусом с учетом конструктивных особенностей ВН

4 Для предотвращения резких изменений напора насоса при его работе, а так же для исключения появления петли гистерезиса на напорной характеристике ВН предложено при проектировании насоса вводить дополнительные конструктивные мероприятия, повышающие жесткость рабочего колеса и корпуса

5 Разработана методика профилирования рабочего канала ВН для повышения его энергетических характеристик Проверка разработанной методики, с помощью проведения численного эксперимента, подтвердила высокую эффективность предложенных мероприятий

6 Разработана конструкция магнитной муфты на постоянных магнитах для обеспечения передачи крутящего момента с вала электродвигателя на ротор насоса

7 На основании результатов работы создан и внедрен в промышленную энергоустановку полностью герметичный вихревой насосный агрегат с приводом от электродвигателя через магнитную муфту

Основное содержание и результаты диссертационной работы представлены в следующих публикациях:

1 Левочкин П С Разработка герметичного вихревого насосного агрегата с магнитной муфтой //Труды XXV Российской школы по проблемам науки и технологии XXXV Уральского семинара по механике и процессам управления / ЮУрГУ - г Миасс 2005г, с 374-377

2 Левочкин ПС, Ромасенко ЕН,Видишев В И, Голубков СБ Разработка и исследование малорасходной герметичной установки с вихревым насосом // Конверсия в машиностроении 2006г №1 стр 28-32

3 Левочкин ПС, Жданов ИЛ Некоторые особенности модернизирования авиационных и космических систем // Конверсия в машиностроении 2006г №1 стр 41-43

4 Левочкин ПС, Ромасенко Е Н ,Видишев В И, Голубков СБ Особенности расчета и проектирования вихревых насосов с низким коэффициентом быстроходности // Сборник трудов НПО Энергомаш №24 2006т ,с 228-244

5 Левочкин П С Разработка методики расчета рабочего канала вихревого насоса переменного сечения // Тезисы к докладам на XXXI академических чтениях по космонавтике / МГТУ им Н Э Баумана - Москва, 2006г

Условные обозначения и индексы.

Введение.

Глава 1. Современный взгляд на проблему разработки малорасходного герметичного насосного агрегата.

1.1 Анализ научно-технической литературы.

1.2.Выбор типа насоса.

1.2.1. Анализ данных представленных в техническом задании.

1.2.2. Влияние свойств перекачиваемой жидкости на выбор типа насоса.

Глава 2. Расчет и проектирование герметичного вихревого насосного агрегата (ВНА).

2.1. Расчет геометрии вихревого насоса.

2.2. Поверочный кавитационный расчет.

2.3. Разработка привода насоса.

2.3.1. Определение типа и требуемых характеристик привода насоса.

2.3.2. Постановка задачи и расчет магнитной ^ муфты.

2.3.3. Динамический расчет запуска насосного агрегата с магнитной муфтой.

2.3.4. Расчет потерь мощности на токи Фуко в ^ экране.

2.3.5. Расчетное определение геометрических параметров муфты.

2.4. Описание конструкции ВНА.

2.4.1. Описание конструкции вихревого насоса.

2.4.1.1. Расчет баланса осевых сил.

2.4.2. Описание конструкции магнитной муфты.

Глава 3. Экспериментальное исследование герметичного вихревого насосного агрегата.

3.1. Испытательный стенд.

3.2. Метод обработки результатов.

3.3. Результаты экспериментальных исследований вихревого насосного агрегата.

3.3.1. Поправочный коэффициент для напора вихревого насоса.

3.3.2. Влияние величины торцевого зазора между рабочим колесом и корпусом на напор вихревого насоса.

3.3.2. Гистерезис напорной характеристики.

Глава 4. Улучшение энергетических характеристик вихревого насоса.

4.1. Оптимизация формы рабочего канала вихревого насоса.

4.2. Оценка эффективности применения профилированного канала с помощью современных методов численного моделирования.

4.2.1. Алгоритм оценки.

4.2.2. Оценка эффекта.

Выводы.

Развитие авиационной и космической техники к настоящему моменту достигло некоего базисного уровня, когда рост качественных характеристик изделий или их тактические показатели улучшаются, в основном, не путем конструктивного или технологического прорыва, а за счет местной модернизации отдельных узлов и агрегатов, либо систем в целом, оставляя принцип действия неизменным. Это связано с множеством причин: появление рыночных отношений, вследствие изменения политического строя в стране;

- сокращение средств финансирования фундаментальных научных разработок;

- старение научных кадров;

- и т.п.

Все эти факторы позволили нашим потенциальным конкурентам, как из ближнего, так и дальнего зарубежья, уделяющим достаточно большое внимание развитию науки, достигнуть весомых результатов в таких отраслях техники, как авиация, космонавтика и др., в которых Россия до последнего времени оставалась лидером и, если так можно сказать, законодателем мод.

Но, несмотря на эти факторы, Россия по-прежнему обладает большим потенциалом научных и технологических разработок, задел которых был сделан в период с 1950-х до 1980 годов. Данные разработки и являются той основой для развития современной техники, которая обладает большим инструментарием, по сравнению с прошлым периодом.

Именно этот инструментарий, в лице современных электронно-вычислительных машин, обладающих большой производительностью, а также постоянно совершенствующихся программ расчета сложных процессов и позволяет дать идеям, рожденным многие годы назад, новую жизнь и применить их на практике.

В ракетно-космической и авиационной технике нашли широкое ft ч применение малорасходные насосы (МН) (Q< 300-10 см/с). Здесь применяются всевозможные типы насосов: от насосов объёмного типа в системах охлаждения и масляных системах, до лопастных и роторных, в питательных установках различных энергетических систем. Требования к ним могут кардинально отличаться, но остаются общие характерные для всех типов насосов:

- обеспечение заданных параметров напора и расхода при максимальном

КПД;

- высокий ресурс работы;

- полная герметичность насоса;

- высокая надежность;

- минимальные габариты, либо осевые, либо радиальные;

- минимально возможная масса;

- Технологичность и минимальная стоимость.

Кроме указанных требований отдельной графой могут стоять требования по коррозионной стойкости проточной части, способности работать на различных типах жидкости, а так же на смеси жидкости и газа.

Малорасходные насосы значительно отличаются от высокорасходных не только размерами, но и конструкцией основных узлов. Скорость вращения их ротора определяется типом привода и зависит от заданного непрерывного ресурса работы, который может исчисляться от десятков минут до нескольких лет без профилактики и ремонтов [6].

Особенности малорасходных насосов вызывают трудности при их проектировании, отработке и эксплуатации. Исследование процессов в них осложняется проблемами точного измерения малых расходов рабочей жидкости, малых крутящих моментов, малых осевых и радиальных усилий, величин давления, скорости в каналах малых размеров, которые не позволяют вводить датчики в поток. Из-за малых размеров становится значительным влияние технологических погрешностей.

Низкие числа Рейнольдса и большая величина относительной шероховатости обуславливают высокие относительные доли гидравлических, механических и расходных потерь. Удельный вес этих потерь может достигать до 70% от потребляемой мощности насоса.

На практике модернизация различных энергетических систем в авиации и космонавтике несет решение таких задач, как:

- - увеличение ресурса работы системы;

- - повышение ее надежности;

- - уменьшение массы.

Одним из наиболее важных участков любой энергетической системы являются агрегаты подачи. Для сравнения, при экспериментальной отработке современных ракетных двигателей до 70% времени используется на доводку ТНА, поэтому совершенствование этих агрегатов является актуальной задачей. Одним из направлений такой работы является применение динамических в частности вихревых насосов, вместо традиционных центробежных насосов.

По сравнению с центробежными насосами вихревой насос (ВН) компактнее, имеет напор в Зч-9 раз больше [6], при тех же размерах и той же частоте вращения, конструкция его проще и дешевле. Энергетические характеристики ВН в области малых подач выше, чем у остальных динамических насосов (см. рис.1) [6]. п

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

0 20 40 60 80 ns

Рис.1 Зависимость кпд насоса от коэффициента быстроходности: 1- центробежные (парциальные); 2 - дисковые насосы; 3 - центробежные насосы; 4 - вихревые насосы.

Для оценки возможностей этого направления модернизации авиационных и космических систем рассмотрим перспективы применения насосов вихревого типа в различных системах.

В ракетно-космической технике для обеспечения энергией ракет и космических модулей применяют энергетические установки - бортовые источники питания (БИЛ) [3,22] (см. рис.2), которые, для получения электроэнергии, используют принцип действия ЖРД без дожигания генераторного газа. Топливные насосы БИЛ имеют высокие числа оборотов (ЗОООО-йОООО об/мин), высокое давление на выходе (20-105-г40-105 Па), но ввиду малых расходов м /с), их коэффициент быстроходности лежит в пределах ns= 10-^30, поэтому достаточно часто для подачи топлива в газогенератор применяют вихревые насосы.

1-бак горючего; 2-бак окислителя; 3-насос окислителя; 4 -турбина; 5- насос горючего; 6-газогенератор; 7-регулятор чисел оборотов турбины; 8-электрогенератор; 9-редуктор; 10-стабилизатор напряжения; 11-регулятор соотношения компонентов; 12-регулятор расхода окислителя; 13-пиростартер; 14-шаробаллон наддува баков; 15-электропневмоклапан; 16-редуктор.

Вихревые насосы имеют ряд преимуществ перед центробежными:

- расход топлива в БИП лежит в их оптимальном рабочем диапазоне;

- они обладают более высоким коэффициентом напора, следовательно, вихревые насосы, при заданных величинах потребного давления, можно сделать меньше по диаметральным габаритам или уменьшить угловую скорость вращения насоса. И то и другое приводит к уменьшению массы агрегата.

Топливная система авиационных двигателей самолетов гражданской авиации включает в себя: насос низкого давления (ННД), насос высокого давления (НВД), пусковой насос (ПН). В газотурбинных двигателях (ГТД) гражданской авиации традиционные схемы НА содержат последовательно соединенные ННД шестеренного типа. Из-за того, что ресурс шестеренных насосов ограничен величиной 15000 ч, а современные центробежные насосы работают с ресурсом 30000 ч, то в данных установках целесообразно использовать НА на базе лопастных насосов. В проекте модернизации данной установки можно предложить в качестве ННД использовать оседиагональный насос, в качестве НВД - центробежный насос, а в качестве ПН - вихревой насос [3,21].

Топливная система авиационных двигателей самолетов военной авиации [3,21] (см. рис.З(а)) состоит из следующих основных узлов: в топливном баке 1 размещается баковый насос 2, который подает топливо в бустерный насос 6, и далее в главный топливный насос 3 двигателя 4. В данной схеме задачей бакового насоса является обеспечение бесперебойной работы главного насоса при изменении высоты и скорости полета.

Недостатком такой системы подачи является то, что, как показывает опыт эксплуатации двигателей, в случае структурного разрушения (попадания в трубопровод осколков снаряда или пули) и последующего разрыва напорного трубопровода 5 из него происходит выброс топлива с последующим возможным возникновением пожара.

К современным топливным системам военных двигателей предъявляется условие: подача топлива в главный насос без бакового насоса. Это принципиально новое требование, которое диктуется повышением живучести летательного аппарата. Насос, установленный и приводимый во вращение от двигателя, должен подавать топливо за счет возможности работы с высоким газосодержанием (см. рис.3 б)) (что относится к достоинствам вихревых насосов). В этом случае при повреждении магистрали, идущей от бака к насосу высокого давления, бустерный насос засасывает в магистраль воздух, и при этом не исключена подача топлива в двигатель. Двигатель продолжает работать на режиме глубокого дросселирования, а летательный аппарат способен выполнить маневр для посадки. Это значительно увеличивает безопасность и надежность всего летательного аппарата.

Для двигателей авиации общего назначения (АОН) применение топливных систем на основе динамических насосов позволит увеличить надежность, межремонтный срок службы, что приведет к снижению стоимости летного часа самолетов, вертолетов и повысит финансовую выгоду за срок службы двигателя по сравнению с существующими двигателями.

Анализ перспективного развития космических энергетических систем (многолетняя работа на орбите космических станций) показывает необходимость модернизации вспомогательных систем (систем охлаждения, рециркуляционные системы и т.п.) космического аппарата для увеличения ресурса работы.

Место разрушения

Рис.3 а) Принципиальная схема топливной системы авиационных двигателей

Рис.3 б) Принципиальная схема топливной системы авиационных двигателей с самовсасывающим насосом

При начальном проектировании в НПО «Энергомаш» ЖРД РД123 одним из вариантов проработки насоса горючего второй ступени основного ТНА был именно насос вихревого типа, как идеально соответствующий по своим параметрам режимам работы (см. рис. 4). В современных условиях применение данной конструкции центробежно-вихревого насоса позволило бы существенно уменьшить массу насоса горючего, т.к. ввиду большего коэффициента напора вихревого насоса значительно уменьшатся габариты насоса. Конечно такой эффект для маршевых двигателей первой ступени ракетоносителей не существенен из-за низкой доли мощности второй ступени насоса горючего в общем балансе мощностей ТНА, но для двигателей второй и третьей ступеней, выполненных по такой же схеме, такая модернизация может существенным образом сказаться на улучшении массовых характеристик всей ракеты.

Рис 4. Применение вихревого насоса в качестве насоса горючего второй ступени ТНА ЖРД.

В разработке Центра Келдыша по созданию высокоэффективной солнечной энергодвигательной установки с тягой 102-г390 Н для перспективного тягово-энергетического модуля, для межорбитальных полетов, в качестве двигателя предлагается использовать солнечную тепловую двигательную установку с электронагревным тепловым аккумулятором-теплообменником и многорежимным двигателем, способным работать как тепловой ракетный двигатель на горячем водороде, и как ЖРД с дожиганием горячего водорода с кислородом. Насосные агрегаты системы подачи компонентов топлива должны обеспечивать подачу водорода в тепловой аккумулятор и жидкого кислорода в двигатель с расходом 13-10"3н-65-10"3 кг/с и напором 170-г300 м. Коэффициент быстроходности таких насосов находится в пределах от 2 до 4, что делает оптимальным применение насосов вихревого типа вместо выбранных поршневых насосов. Применение ВН позволит получить выигрыш по габаритно-массовым характеристикам и увеличит ресурс работы.

1 - бак водорода; 2 - электронасос водорода; 3 - компрессор; 4 - накопительная емкость; 5 - бак кислорода; 6 - электронасос кислорода; 7 - камера сгорания; 8 - фотоэлектрическая батарея;9 - электрохимическая аккумуляторная батарея; 10 - аппаратура преобразования-регулирования; 11 - электронагревный тепловой аккумулятор.

Применение вихревых насосов в ракетной и авиационной технике перспективно, т.к. вихревой насос имеет уникальные характеристики:

- коэффициент напора Я вихревого насоса может достигать 1,5*2 (на режимах оптимального КПД), в то время, как центробежные, диагональные и другие насосы имеют Н не превышающий 0,65*0,7.

- КПД вихревого насоса, в области низких значений коэффициента быстроходности (ид=4*20), согласно [6] (см. рис.1), выше КПД остальных динамических насосов.

- вихревой насос имеет возможность перехода от работы на однородном топливе к работе на топливе с большим газосодержанием;

- вихревой насос способен работать даже при сухом всасывании (входной трубопровод не залит);

- вихревой насос имеет низкий вес, малые габариты, низкую стоимость

В промышленности, вихревые насосы, используются для подачи легколетучих жидкостей (бензина, керосина, спирта) на автозаправщиках, например AT3-46123-012 и др., автоцистернах и стационарных раздаточных установках; на химических заводах и комбинатах, где требуется подавать малое количество жидкости при большом напоре; на установках коммунального хозяйства в качестве подпиточных; на передвижных моечных установках.

Отечественная промышленность выпускает вихревые насосы серий ВК, ВКС, ВКО, СВН, ЦБК, СЦЛ, и др. Зарубежные насосы на отечественном рынке представляют такие фирмы, как: Pedrollo, Saer, Speroni, Кра, Wilo и др.

Большинство из указанных насосов имеют коэффициент быстроходности более 10 и имеют ограниченное распространение из-за большого наклона напорной характеристики к оси расхода.

Суммируя вышеизложенное можно сказать, что одной из тенденций в повышении различных характеристик систем летательных аппаратов является замена насосов объемного типа на динамические насосы.

Кроме рассмотренного применения вихревых насосов в авиационно-космических системах отдельно стоит проблема, характерная для других отраслей промышленности, таких как химическая, пищевая и др. Эта проблема разработки надежного малорасходного динамического насоса с параметрами, близкими к насосам объемного типа. Она продиктована особенностями производственного цикла и содержит дополнительные требования по обеспечению коррозионной стойкости, повышению ресурса и обеспечению экологических норм, вплоть до полной герметичности насоса.

Все вышесказанное показывает, что разработка динамического вихревого насоса с параметрами, близкими к насосам объемного типа является актуальной научно-технической задачей. Помимо этого научный интерес представляет поиск надежных методик расчета малорасходных ВН, путей оптимизации их проточной части для повышения энергетических характеристик, а также возможность расширения диапазона работы.

В настоящее время вихревые насосы являются наименее изученными из всех нагнетательных устройств, что связано со сложностью течения жидкости в элементах вихревого насоса. Современное представление о картине течения жидкости в вихревом насосе не дает возможности разработать вихревой насос с КПД больше 40ч-50%. Ограничение широкого распространения в промышленности отчасти связано с отсутствием четких методик расчета.

Целью данной работы является создание высокоэффективного герметичного малорасходного вихревого насосного агрегата с приводом вихревого насоса от электродвигателя через магнитную муфту

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать конструкцию полностью герметичного малорасходного вихревого насоса с коэффициентом быстроходности ns = 4.

2. Провести экспериментальное исследование спроектированного насоса для определения влияния конструктивных особенностей на его характеристики.

3. На основе анализа результатов экспериментов сформулировать и решить задачи по уточнению методик расчета и проектирования малорасходных вихревых насосов.

4. Разработать рекомендации по повышению энергетических характеристик вихревых насосов.

5. Разработать конструкцию магнитной муфты на постоянных магнитах для передачи крутящего момента с вала электродвигателя на ротор вихревого насоса.

6. Провести испытания ВНА для подтверждения характеристик ВН, устойчивого запуска магнитной муфты, а также провести ресурсные испытания агрегата.

Научная новизна. В ходе проведенного исследования были получены следующие основные результаты:

1. сформулированы и подтверждены практически требования к расчету и проектированию малорасходных вихревых насосов;

2. разработан алгоритм расчета рабочего канала вихревого насоса переменного сечения.

3. разработан полностью герметичный малорасходный вихревой насосный агрегат, включающий в себя вихревой насос с ns = 4;

4. решена задача по расчету и разработке магнитной муфты, а также по определению условий для ее надежной работы;

Достоверность результатов исследования. Разработанная методика расчета рабочего канала переменного сечения вихревого насоса подтверждена численным моделированием и последующим сопоставлением полученных результатов с результатами испытания агрегата.

Практическая значимость данной работы состоит:

1. в разработке полностью герметичного и, следовательно, экологически чистого малорасходного вихревого насосного агрегата с возможностью перекачивания любых агрессивных и сильно токсичных жидкостей;

2. в выработке рекомендаций по расчету и проектированию малорасходных вихревых насосов с низким коэффициентом быстроходности ns;

3. в разработке методики расчета рабочего канала переменного сечения для улучшения энергетических характеристик вихревого насоса.

4. в выработке рекомендаций для обеспечения устойчивого запуска магнитной муфты, используемой для передачи крутящего момента от вала привода на ротор насоса;

Результаты работы доложены на:

1. XXV Российской школе по проблемам науки и технологий и XXXV уральском семинаре по механике и процессам управления посвященных 60-летию Победы. ЮУрГУ г.Миасс 2005г.

2. XXXI академических чтениях по космонавтике, посвященных 100-летию со дня рождения академика С.П.Королёва. МГТУ им. Н.Э.Баумана 30.01.07-02.02.07.

выводы

1. Разработана и экспериментально исследована конструкция малорасходного герметичного вихревого насоса с коэффициентом быстроходности 3,9.

2. Уточнена методика расчета малорасходного ВН путем введения поправочного коэффициента для определения напора ВН с учетом утечек.

3. Уточнена методика выбора оптимальной величины торцевого зазора между рабочим колесом и корпусом с учетом конструктивных особенностей ВН.

4. Для предотвращения резких изменений напора насоса при его работе, а так же для исключения появления петли гистерезиса на напорной характеристике ВН предложено при проектировании насоса вводить дополнительные конструктивные мероприятия, повышающие жесткость рабочего колеса и корпуса.

5. Разработана методика профилирования рабочего канала ВН для повышения его энергетических характеристик. Проверка разработанной методики с помощью современной системы автоматизированного проектирования (САПР) подтвердила высокую эффективность предложенных мероприятий.

6. Разработана конструкция магнитной муфты на постоянных магнитах для обеспечения передачи крутящего момента с вала электродвигателя на ротор насоса.

7. На основании результатов работы создан и внедрен в промышленную энергоустановку полностью герметичный вихревой насосный агрегат с приводом от электродвигателя через магнитную муфту.

1. Лёвочкии П.С. Разработка герметичного вихревого насосного агрегата с магнитной муфтой. //Труды XXV Российской школы по проблемам науки и технологии XXXV Уральского семинара по механике и процессам управления./. ЮУрГУ г. Миасс 2005г., с.374-377.

2. Лёвочкин П.С., Ромасенко Е.Н., Видишев В.И., Голубков С.Б. Разработка и исследование малорасходной герметичной установки с вихревым насосом.// Конверсия в машиностроении. 2006г. №1 стр. 2832.

3. Лёвочкин П.С., Жданов И.Л. Некоторые особенности модернизирования авиационных и космических систем.// Конверсия в машиностроении. 2006г. №1 стр. 41-43.

4. Лёвочкин П.С., Ромасенко Е.Н.,Видишев В.И., Голубков С.Б. Особенности расчета и проектирования вихревых насосов с низким коэффициентом быстроходности.// Сборник трудов НПО Энергомаш №24 2006г., с. 228-^244.

5. Лёвочкин П.С.Разработка методики расчета рабочего канала вихревого насоса переменного сечения.// Тезисы к докладам на XXXI академических чтениях по космонавтике./ МГТУ им. Н.Э.Баумана Москва, 2006г.

6. Краев М.В., Лукин В.А., Овсянников Б.В. Малорасходные насосы для авиационных и космических систем. М., Машиностроение, 1985, 128с.

7. Байбаков О.В. Вихревые гидравлические машины. М.: Машиностроение, 1981. - 197с., ил.

8. Руднев С.С. Основы рабочего процесса вихревых насосов. Труды ВНИИгидромаш, Вып. 43,1972г., с.3-ь9.

9. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М., «Машиностроение», 1971 г, стр.540+2 вклейки.

10. Ю.Байбаков О.В. К вопросу о разработке теоретических методов расчета вихревых насосов, Труды ВНИИгидромаш, Вып. 35,1965г., с.41*68.

11. П.Коваленко В.Г., Купряшин Н.Н. Современные конструкции вихревых и центробежно-вихревых насосов. Вестник машиностроения, 1958 №2, с. 10*16.

12. Купряшин Н.Н. Центробежно-вихревые насосы. Вестник машиностроения, 1952, №3, с. 24*27.

13. Коваленко В.Г., Купряшин Н.Н. Современное состояние теории и методов расчета вихревых насосов Вестник машиностроения, 1957 №4, с. 204-28.

14. Шаумян В.В. Некоторые рекомендации по расчету вихревых насосов. Труды ВНИИгидромаш, Вып. 42,1971г., с. 191*218

15. Находкин Б.И. Исследование работы вихревого насоса на воде. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к-та технических наук. 1951г., 13с. (МЭИ).

16. Спасский К.Н., Шаумян В.В. Новые насосы для малых подач и высоких напоров. М.: Машиностроение, 1973г., 159с.

17. Шаумян В.В. Исследование рабочего процесса центробежно-вихревого насоса. Труды ВНИИгидромаш, Вып. 37,1968г., с. 106*121.

18. Пфлейдерер К. Центробежные и пропеллерные насосы. Перевод со 2-го немецкого издания. НКТП СССР, 1937г., -496с.

19. Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. 4-е переработанное изд. М., Машиностроение, 1960г., 684с.

20. Вершинин И.М. Результаты испытаний вихревого насоса ВС-65А с приводом от двигателя внутреннего сгорания при работе на жидкостях различной вязкости. Известие высш. учебн. заведений. Нефть и газ. 1962г.,№5, с.89*93.

21. Жданов И.Л., Хаустов А.И. Применение вихревого насоса в системе подачи топлива двигателей летательных аппаратов.// Вестник МАИ, т.9, №1,2002г., с.51*58.

22. Tomita Y.,Yamazaki S., Sasahara Т. The scale Effect and Design Method of the regenerative pump with Non-Radial vanes // Bulletin of the JSME. Vol.16, №98, Aug., 1973.-pi 1764-1183.

23. Grabow G. Maschinenbautechnik, 1972, r.21, №3, p. 177-И21. / Влияние формы лопаток на характеристики вихревых насосов с боковым каналом и гидромуфт/.

24. Grabow G. Pumpen and Verdichter Informationen, 1973, №2, p. 41^-48 / Характеристики вихревых насосов с боковым каналом и лабиринтных насосов/.

25. Вирбушский И.М., Рекстин Ф.С., Шквар А.Я. Вихревые компрессоры. -JL: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1988. -271с.: ил.

26. Березюк Г.Т. Самовсасывающие вращательные насосы. Укрмашгиз, 1939г.,-136с.

27. Сологубов Д.Н. Герметичный центробежный насос для агрессивных сред. Труды II Международной научно-технической конференции «СИНТ'ОЗ» 2003г., с. 56-г57.

28. Ганзбург Л.Б., Федотов А.И. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов. Справочник. Л.; Машиностроение. Ленинградское отделение, 1980. -364с., ил.

29. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., «Машиностроение», 1975г.

30. Яворский Б.М., ДетлафА.А. Справочник по физике. М., «Наука», 1965г.

31. Кремер Р., Ноймайер Р. Центробежные насосы и ротационные объёмные насосы герметического исполнения. Доклад фирмы Ледерле (Германия). 1992г.

32. Адволоткин Н.П., Овчинников И.Е. Вентиляторные электродвигатели с постоянными магнитами (Электромеханическая часть). М., Информэлектро, Вып.1 (11),1986г.

33. Вишневский Н.Е., Глуханов Н.П., Ковалёв И.С. Машины и аппараты с герметичным электроприводом. Л., «Машиностроение» (Ленингр. Отд-ние),1977.256с.