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]:
,
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:
,
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 
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 dрк с помощью увеличения числа ступеней МЦЭНА. Такое конструктивное решение приведёт к уменьшению диаметра РК dрк 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 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 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.