Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,006

ENERGY FEASIBILITY OF INCREASING THE NUMBER OF STEPS IN SMALL CENTRIFUGAL MACHINE ELECTRIC PUMP

Bobkov A.V. 1
1 State educational institutional of higher professional educational "Komsomolsk-nа-Amure state technical university", Komsomolsk-on-Amur
The possibility of improving the efficiency of small centrifugal Electropump units by reducing the friction losses of the rotor. The latter is divided into two parts: the drive portion and pump portion of the rotor. The peculiarity of small centrifugal Electropump units is the commensurability of both sides of the rotor diameter, and the absorption of the drive rotor in the working fluid. By analyzing the balance of friction loss is shown the feasibility of reducing the losses of the pump rotor. For it is proposed that the transition from one version to the multistage design of the unit. This transition is accompanied by a decrease in the diameter of the impeller with a corresponding reduction of friction losses. Parametric result of the proposed solutions will increase the coefficient of specific speed of each stage, which is also a positive impact on the coefficient of efficiency of the unit.
many steps
friction
losses
electric pump unit
centrifugal
small-sized
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/dрк растёт, а утечки рабочего тела через щелевое уплотнение закрытого рабочего колеса (РК) возрастают (приняты обозначения: Δ - зазор уплотнения, dрк - 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 NΣ в электроприводе МЦЭНА складываются из нескольких составляющих [8]:

а,

где Nст - потери в стали якоря от гистерезиса и вихревых токов; Nтр - потери трения; Nм - потери в меди обмоток; Nд - 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  Nтр.р, входящие в состав потерь трения, становятся повышенными:

а,

где Nтр.п - потери трения в подшипниках.

Потери трения Nтр.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 а и приводной частях а 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 а=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 р=0.844. Таким образом, на насосную часть ротора приходится наибольшая часть потерь трения.

pic

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

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

Рассмотрим динамику снижения f 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 dрк 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 ns=67 до ns =112 и во втором случае до ns =152. Относительная величина потерь трения в насосной части ротора g 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 f=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.