CC BY
22УДК 621.671: 629.78.05
АНАЛИЗ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНАСОСНОГО АГРЕГАТА СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
А. А. Логанов, А. В. Леканов
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: loganov@iss-reshetnev.ru, lekan@iss-reshetnev.ru
Рассматривается проблема периодических пульсаций давления при работе электронасосного агрегата системы терморегулирования космических аппаратов с точки зрения влияния на вибрационную нагрузку.
Ключевые слова: центробежный насос, пульсации давления.
ANALISYS OF THE PRESSURE PULSATION OF ELECTRIC PUMP UNIT ON THE SPACECRAFT THERMAL CONTROL SYSTEM
А. А. Loganov, A. V. Lekanov
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: loganov@iss-reshetnev.ru, lekan@iss-reshetnev.ru
The article considers the problem of periodic pressure pulsation during the operation of the electric pump unit of thermal control system of space vehicles from the point of view of influence on the vibratory load.
Keywords: centrifugal pump, pressure pulsations.
Срок активного существования КА ограничивается надёжностью и ресурсом ключевых агрегатов, входящих в состав этих систем. Ключевым элементом активной жидкостной системы терморегулирования (СТР), обеспечивающей рабочий диапазон температуры оборудования большинства отечественных КА среднего и тяжелого классов, является электронасосный агрегат (ЭНА). Основным средством подтверждения способности электронасосного агрегата выполнить требования по ресурсу в настоящее время является вибрационная диагностика. Данное средство позволяет по результатам исследования спектра виброускорений выявить возможность преждевременного отказа. Имеются сложности с интерпретацией результатов регистрации вибрационной нагрузки в процессе функционирования электронасосного агрегата центробежного типа на нескольких характерных частотах. Не определена однозначно причина локальных максимумов на спектре вибраций на частотах прохождения лопастей рабочего колеса. На спектрах величина и характер таких локальных максимумов на частоте длинных лопастей и на частоте всех лопастей, включая такое же число коротких лопастей, в общем случае различаются. Имеется необходимость выяснить общую структуру пульсаций давления, установить форму и характер пульсаций давления на проблемных частотах, разработать средство оценки величины пульсаций.
Характерным отличием применяемых АО «ИСС» рабочих колёс центробежных насосов от исследуемых в абсолютном большинстве опубликованных современных научных работ является применение двух видов чередующихся лопастей, длинных и коротких.
Поэтому результаты, полученные в этих работах, не могут быть полностью приложимы к продукции АО «ИСС».
В качестве средства решения проблемы принят подход - на основе уточнённой физической картины процесса функционирования центробежного насоса описать особенности действия рабочих колёс, применяемых в АО «ИСС».
У исследуемого ЭНА РК имеет 6 длинных и 6 коротких лопастей, схема ЭНА и планы скоростей на выходе лопастей приведены на рис. 1.
Путь рабочей жидкости после прохождения РК насоса показан на рис. 1, б. Сначала в диффузоре повышается статическое давление за счёт расширения потока, после диффузора давление понижается последовательно в местных сопротивлениях: резкое расширение, плавный поворот, прохождение решётки направляющей седла клапана, второе резкое расширение, резкий поворот на клапане и резкое сужение потока.
Падение статического давления на местном сопротивлении пропорционально квадрату скорости жидкости, а значит, и квадрату объёмного расхода Q. Точно так же повышение статического давления в диффузоре после выхода из спирального отвода квадрату объёмного расхода Q.
Перепад давления на наружном радиусе РК вычисляется по формуле РК ДРРК определяется по формуле аналогично [1]
ДРрК = ДРэНА - ДРдиф + ДР1 м.сопр, (1)
где ДРЗНА - перепад давления между выходом и входом ЭНА, кПа; ДРдиф - приращение статического давления в диффузоре, кПа.
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
Значения -АРдиф и APi мсопр вычисляются по методикам [2]. Расчёт выполнен для частоты вращения РК 5840 об/мин.
Для получения средства оценки величины пульсаций, генерируемых на лопастях рабочего колеса, вводится величина - приведённый перепад давления. Данная величина введена на основании допущения, что величина пульсаций вследствие схода рабочей жидкости с лопастей определяется разностью приведённого перепада давления РК и перепада давления на наружном радиусе РК.
Приведённый перепад давления АРп для лопастей предлагается вычислять по формуле (2)
АРп = рю2(Л22 - ^!2)(1 - АН). (2)
здесь Я2 - наружный радиус РК, м; Я1 - радиус начала лопасти, м; АН - относительные потери напора на вихреобразование, в соответствии с [1]
АН = 0,3...0,36.
В исследуемом РК Я2 = 0,0218 м, R1 для длинных лопастей равен 0,085 м, для коротких лопастей. Результат расчёта АРРК, АРп для длинных и коротких лопастей при частоте вращения РК 5840 об/мин приведён на рис. 2.
Анализ рис. 1, а и рис. 2 показывает, что соотношение перепада давления для каждого вида лопастей и фактического перепада давления на рабочем колесе определяет угол схода струй рабочей жидкости с лопасти.
а б
Рис. 1. Планы скоростей рабочей жидкости при сходе с лопастей и часть гидротракта насоса после выхода из спирального отвода Уокр - окружная составляющая скорости при сходе с лопастей; Котн - касательная составляющая скорости; У - вектор суммарной скорости; 1 - диффузор; 2 - седло клапана; 3 - клапан
Рис. 2. Приведённый перепад давления для длинных и коротких лопастей и перепад давления на РК
Угол схода струи с длинных лопастей по отношению к касательной в точке схода всегда больше, чем угол схода с коротких лопастей. Если приведённый перепад давления для коротких лопастей ниже фактического перепада давления на рабочем колесе, то схода струй жидкости с коротких лопастей не происходит. Режим работы насоса, при котором перепад давления для коротких лопастей сравнивается и становится ниже фактического перепада давления на рабочем колесе, близок к эксплуатационному режиму электронасосных агрегатов АО ИСС.
Как следует из экспериментов, с учётом данных рис. 2, при нормальном уровне регистрируемой вибрационной нагрузки (значения виброскорости в пределах погрешности измерения) уровень пульсаций давления на одинаковых режимах функционирования ЭНА точно такой же, как при повышенном общем уровне вибрационной нагрузки.
Следовательно, при повышенном общем уровне регистрируемой вибрационной нагрузки пульсации давления не являются причиной пиков вибоускорений
на частоте прохождения лопастей при неизменной частоте вращения рабочего колеса. Это объясняется тем, что динамические воздействия от пульсаций давления однозначно определяются частотой вращения рабочего колеса и коэффициентом сопротивления гидравлического контура, в котором работает насос.
Библиографические ссылки
1. Gulich J. F. Centrifugal Pumps. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014. 998 р.
2. Идельчик Е. И. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М. : Машиностроение, 1992. 672 с.
References
1. Gulich F. Centrifugal Pumps. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014. 998 р.
2. Idelchik E. I. Hydraulic resistance handbook. Moskow, Mechanical engineering, 1992. 672 р.
© Логанов А. А., Леканов А. В., 2017
