Малоразмерные центробежные электронасосные агрегаты (МЦЭНА) широко используются в системах жизнеобеспечения летательных аппаратов [1, 2, 3, 4, 9] и системах искусственного кровообращения [6, 7]. Особенностью МЦЭНА является пониженный уровень кпд агрегата, причина которого заключается в малоразмерности последнего. Снижение абсолютных размеров рабочих органов не сопровождается аналогичным изменением радиальных и осевых зазоров в щелевых уплотнениях и пазухах проточной части агрегата. В результате, относительный радиальный зазор уплотнения Δ/d_рк растёт, а утечки рабочего тела через щелевое уплотнение закрытого рабочего колеса (РК) возрастают (приняты обозначения: Δ - зазор уплотнения, d_рк - диаметр рабочего колеса). В МЦЭНА систем искусственного кровообращения, как правило, применяют полуоткрытое или открытое рабочее колесо. В этом случае при миниатюризации агрегата увеличивается относительный осевой зазор между РК и корпусом, сопровождаемый ростом перетекания рабочего тела из одного межлопаточного канала в другой через торцевую поверхность лопаток. Второй основной причиной падения кпд являются увеличенные потери на трение ротора агрегата о рабочее тело из-за того, что диаметральные размеры насосной и приводной части ротора становятся соизмеримыми.

В настоящей статье рассматривается возможность снижения потерь трения о ротор с помощью увеличения числа ступеней агрегата.

Суммарные потери мощности N_Σ в электроприводе МЦЭНА складываются из нескольких составляющих [8]:

,

где N_ст - потери в стали якоря от гистерезиса и вихревых токов; N_тр - потери трения; N_м - потери в меди обмоток; N_д - добавочные потери при нагрузке.

Статор и ротор приводов МЦЭНА разделены экранирующей гильзой, что даёт возможность погружения ротора в рабочее тело (РТ) [5]. Из-за этого потери трения ротора о рабочее тело  N_тр.р, входящие в состав потерь трения, становятся повышенными:

,

где N_тр.п - потери трения в подшипниках.

Потери трения N_тр.р на роторе зависят от вида поверхности вращения и складываются из 2-х составляющих: потерь трения о торцовые и потерь трения о цилиндрические поверхности ротора. В МЦЭНА первый вид потерь является преобладающим для насосной части, а второй вид - для приводной части ротора, см. рис. 1.

Для рационализации конструкции ротора МЦЭНА необходимо отдельно оценивать потери мощности от трения на насосной  и приводной частях  ротора.

В качестве примера оценки соотношения между указанными видами исследуем баланс потерь трения в МЦЭНА с параметрами: напор Н=60 Дж/кг; расход рабочего тела =140×10^-6 м³/c и число оборотов n=6000 об/мин; зазор Δ=0.3×10^-3 м; вязкость рабочего тела ν=0.7×10^-6 м²/с; плотность рабочего тела r=691 кг/м³; скорость течения рабочего тела в зазоре между ротором и корпусом V=15×10^-6 м³/с. Расчётное значение удельного веса потерь в насосной части ротора, включающей элемент с наибольшим диаметром - рабочее колесо (РК), в рассматриваемом МЦЭНА составит =0.844. Таким образом, на насосную часть ротора приходится наибольшая часть потерь трения.

Рис. 1. Структурное деление ротора МЦЭНА: I - насосная часть ротора; II - приводная часть ротора

Каким же образом уменьшить величину ? Зависимость ~ , указывает на целесообразность снижения диаметральных размеров ротора , в частности, диаметра d_рк с помощью увеличения числа ступеней МЦЭНА. Такое конструктивное решение приведёт к уменьшению диаметра РК d_рк каждой ступени.

Рассмотрим динамику снижения  при увеличении числа ступеней МЦЭНА до 2-х и до 3-х, считая, что коэффициент напора каждой ступени будет оставаться неизменным, равным ¯H=0.587.

Расчёты показывают, что при переходе от одно- к двухступенчатому варианту диаметр d_рк уменьшается с 32×10^-3 м до 23×10^-3 м, а в трехступенчатом МЦЭНА - до 19×10^-3 м. Коэффициент быстроходности ступени вырастет, соответственно, с n_s=67 до n_s =112 и во втором случае до n_s =152. Относительная величина потерь трения в насосной части ротора  при увеличении числа ступеней снижается до 0.677 в 2-х ступенчатом варианте МЦЭНА и до 0.549 в 3-х ступенчатом варианте МЦЭНА, соответственно, на 20 % и 35 % по сравнению с исходным уровнем =0.844. Такие изменения параметров МЦЭНА являются приемлемыми с технологической точки зрения и положительными - с энергетической точки зрения.

Рассмотренный вариант оптимизации конструкции ротора МЦЭНА с целью снижения потерь трения основан на предположении о независимости коэффициента напора от числа ступеней. На самом деле, такая зависимость существует. Коэффициент напора снижается с ростом числа ступеней и уменьшением диаметра РК. Однако одновременно растёт коэффициент быстроходности каждой ступени, а соответственно, гидравлический кпд. Кроме того, снижение напора каждой ступени сопровождается уменьшением перепада давления на щелевом уплотнении и ростом объёмного кпд. Получается многофакторный энергетический баланс потерь, требующий экспериментальной проверки оптимальности предлагаемого решения.

Изложенный способ снижения потерь трения в МЦЭНА приемлем и для других лопаточных машин малой мощности, например, компрессоров или вентиляторов аэрокосмического назначения, радиальные размеры ротора приводной и нагнетательной частей которых соизмеримы. Его реализация позволяет снизить потери трения о ротор и уменьшить мощность, потребляемую агрегатом.

Рецензенты:

Евстигнеев А. И., д.т.н., профессор, проректор по НР, ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» Комсомольск-на-Амуре, г. Комсомольск-на-Амуре.

Феоктистов С. И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Технология самолётостроения» ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» Комсомольск-на-Амуре, г. Комсомольск-на-Амуре.