Способ испытаний герметичного многоступенчатого центробежного электронасоса Российский патент 2025 года по МПК F04B51/00 F04D13/06 F04D29/41 

Изобретение относится к области космической техники и предназначено для использования при испытаниях герметичного многоступенчатого центробежного электронасоса в процессе создания систем терморегулирования (СТР), например, мощных космических аппаратов (КА) с энергопотреблением более 25 кВт.

Из опыта эксплуатации центробежных электронасосов - электронасосных агрегатов (ЭНА) известно, что одним из основных негативных факторов, сокращающих ресурс ЭНА являются возникающие в процессе его работы вибрации. Поэтому, например, в процессе различных испытаний ЭНА, в том числе на ресурс, в земных условиях виброактивность ЭНА должна быть такой же (близкой), что и при работе ЭНА в составе штатной эксплуатации КА в невесомости.

Из опыта разработки центробежных электронасосов - электронасосных агрегатов (ЭНА СТР КА) на гидродинамических опорах скольжения известно (см. Краев М.В., Лукин В.А., Овсянников Б.В. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. М.: «Машиностроение», 1985 : строки 3-7 сверху на странице 109) [1] , что особенностью указанных гидродинамических опор является их низкая нагруженность радиальными силами вследствие невесомости и других факторов - это приводит к неустойчивому положению слабонагруженного вала (ротора) и возможны колебания его в зазорах в радиальных направлениях с ударами о поверхности скольжения и созданием повышенных вибраций в условиях работы ЭНА в невесомости. В то же время, как показывает анализ работы ЭНА в земных условиях, когда ось вращения ротора параллельна уровню Земли, такие вибрации ЭНА сведены к минимуму в результате сложения радиальных сил c силой притяжения, в частности ротора, Земли.

Проведенный авторами анализ научно-технической литературы и источников патентной информации показал, что в настоящее время не известно, как в процессе различных испытаний, в том числе на ресурс ЭНА, например, ЭНА по патенту RU №2791265 [2], воспроизводить возникновение вибраций из-за неуравновешенности ротора, близким к вибрациям, возникающим в ЭНА при эксплуатации его в составе КА в невесомости, то есть неизвестна степень достоверности доказательства способности безотказно работать в течение не менее требуемой продолжительности работы в космических условиях невесомости испытаниями, например, на ресурс, в наземных условиях. Следует отметить, что более совершенствованный вариант ЭНА типа [2], предложенный авторами, свободен от колебаний ротора в направлении продольной оси в результате разработки конструкции с минимально возможной осевой силой, что обуславливает минимальные вибрации в этом направлении.

Патент RU №2791265 принят за прототип, задачей которого является увеличение (обеспечение длительного) ресурса герметичного многоступенчатого центробежного электронасоса (ЭНА), работающего в составе СТР КА в условиях невесомости.

Для заявленного изобретения выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: способ испытаний герметичного многоступенчатого центробежного электронасоса системы терморегулирования космического аппарата, включающий проведение наземных ресурсных испытаний с контролем рабочих параметров согласно существующим требованиям достоверность обеспечения длительного ресурса ЭНА в невесомости, исключив при этом влияние силы земного притяжения на вращающийся ротор ЭНА.

Исключение отрицательного влияния земного притяжения при наземных испытаниях в прототипе и в заявленном изобретении должно обеспечиваться следующим образом:

- ЭНА при испытаниях на ресурс устанавливают вертикально, например, вход ЭНА - снизу, выход ЭНА - сверху: в этом случае ротор работающего ЭНА колеблется в радиальном направлении, так как на него в радиальном направлении воздействие силы земного притяжения отсутствует (как и в невесомости);

- как показано в описании заявленного (на основе [2]) изобретения, из-за наличия зазора между радиальной кольцевой плоской поверхностью скольжения радиально-упорного подшипника первой ступени и диском (ведущим) колеса первой ступени воздействие силы земного притяжения во входной ступени ЭНА в осевом направлении на ротор отсутствует, а воздействие силы земного притяжения в осевом направлении в выходной ступени уменьшает возникающую при работе ЭНА в невесомости величину осевой силы (например, 0,25 кгс) на вес ротора (например, 0,11 кгс);

- следовательно, при наземных испытаниях ЭНА на ресурс для исключения влияния земного притяжения в осевом направлении необходимо периодически через равные промежутки времени испытаний поменять положение ЭНА в вертикальном положении, и произойдет взаимная компенсация величины осевых сил, обусловленных земным притяжением, в выходной ступени ЭНА - воздействие силы земного притяжения в осевом направлении в выходной ступени увеличивает возникающую в невесомости величину осевой силы на вес ротора, а воздействие силы земного притяжения во входной ступени ЭНА в осевом направлении на ротор, как и раньше из-за наличия зазора, отсутствует при работе ротора ЭНА.

Таким образом, технической задачей заявленного изобретения является повышение достоверности данных различных наземных испытаний, в том числе на ресурс, ЭНА, созданного на основе прототипа, предназначенного для использования в составе КА в невесомости.

Поставленная авторами задача решается способом испытаний герметичного многоступенчатого центробежного электронасоса системы терморегулирования космического аппарата, включающим проведение ресурсных испытаний с контролем рабочих параметров, при этом в процессе испытаний электронасос устанавливают на испытательный стенд вертикально периодически в течение одинакового промежутка времени испытаний продольной осью ротора электродвигателя с установленными на его валу центробежными колесами, обеспечивая нахождение выхода из электронасоса сверху, а входа в электронасос снизу, затем устанавливают наоборот.

Принципиальная схема испытаний ЭНА КА изображена на фиг.1.

Способ испытаний многоступенчатого центробежного электронасоса - электронасосного агрегата, предназначенного для применения в составе космического аппарата, подвергающегося в процессе создания различным испытаниям, например, ресурсным испытаниям, с контролем рабочих параметров, в том числе виброактивности ЭНА при работе в невесомости в составе СТР КА, заключается в следующем:

1. В конструкции изготовленного ЭНА исключены недостатки прототипа [2], влияющие отрицательно на работоспособность и, следовательно, на ресурс: в изготовленном ЭНА осевая сила, обусловленная гидродинамическими нагрузками при работе ротора (имеющего, например, вес 0,11 кгс), действующая как в невесомости, так и в земных условиях, направлена по продольной оси от выходной ступени в сторону входной ступени и равна 0,25 кгс. Следовательно, в наземных условиях, если ЭНА продольной осью установлен вертикально и выходная ступень сверху, при испытаниях эта сила (0,25 кгс) увеличивается на вес ротора (плюс 0,11 кгс), а если ЭНА установлен вертикально и выходная ступень снизу, при испытаниях эта сила (0,25 кгс) уменьшается на вес ротора (минус 0,11 кгс). При этом из-за наличия зазора между радиальной кольцевой плоской поверхностью скольжения радиально-упорного подшипника первой ступени и диском (ведущим) колеса первой ступени воздействие силы земного притяжения во входной ступени ЭНА в осевом направлении на ротор отсутствует, то есть равна нулю, независимо от расположения входной ступени. Входная ступень расположена снизу или сверху. Следовательно, как следует из вышеизложенного, при наземных испытаниях ЭНА на ресурс для исключения влияния земного притяжения в осевом направлении необходимо периодически через равные промежутки времени испытаний поменять положение ЭНА в вертикальном положении, и произойдет взаимная компенсация величин осевых сил и имитируется невесомость.

2. В процессе проведения ускоренных ресурсных испытаний ЭНА для прогнозирования полного ресурса работы ЭНА в условиях невесомости необходимо знать:

- каков стабильный коэффициент ускорения испытаний - K (с погрешностью не более 5%, так как на первых циклах коэффициент ускорения изменяется не стабильно и в дальнейшем изменяется незначительно);

- каково время окончания нестабильных величин коэффициентов ускорения - 3T;

- каково время последующих двух циклов испытаний со стабильными коэффициентами ускорения испытаний - 2T;

- какова принятая продолжительность цикла испытаний -T;

- каково суммарное количество циклов испытаний со стабильными коэффициентами ускорения для обеспечения полного ресурса работы ЭНА в невесомости в течение 15 лет (131400 часов) - n.

3. Анализ источников информации по этой тематике показал, что значения параметров, указанных в п.2 определяются на основе данных изобретения SU 1817200 [3].

На основе [3] параметры, приведенные в п.2, имеют следующие значения:

K = 10, 3T = 1200 часов, 2T = 800 часов, T = 400 часов, 0,5T = 200 часов.

4. Таким образом, последовательность и параметры предложенного способа испытаний герметичного многоступенчатого центробежного электронасоса на ресурс, как следует из вышеприведенного анализа в п.п.1-3, таковы:

4.1. Начало испытаний ЭНА на ресурс:

- устанавливают и закрепляют ЭНА (1), имеющий выход из ЭНА (1.1) и вход в ЭНА (1.2), изготовленный согласно [2] с учетом предложенных авторами улучшений конструкции, прикрепляют к соответствующему технологическому приспособлению (2) продольной осью вертикально к уровню Земли (3), обеспечив нахождение выхода из электронасоса сверху;

- присоединяют герметично к входу и выходу патрубки гидравлического стенда;

- собирают электрическую схему включения в работу и измерения рабочих параметров (в том числе виброактивности ротора) ЭНА в процессе испытаний на ресурс.

- гидравлические тракты ЭНА и гидравлического стенда вакууммируют и заполняют деаэрированным теплоносителем (ЛЗ-ТК-2);

- включают в работу ЭНА и продолжают работу в течение 1200 часов (в течение продолжительности трех циклов (см. [3]), когда коэффициент ускорения нестабилен) с периодическим контролем параметров (напряжения питания, частоты вращения ротора, напора, расхода, температуры и давления теплоносителя на входе в ЭНА), в том числе параметры виброактивности ротора (частоту, амплитуду, скорость и ускорение вибрации);

- выключают ЭНА и проводят анализ величин измеренных параметров, которые должны быть не хуже предусмотренных требований технических условий на ЭНА;

- продолжают ресурсные испытания: контролируют положение ЭНА, установленного, например, продольной осью вертикально, обеспечив нахождение выхода из электронасоса сверху. В этом положении при работе ЭНА сила земного притяжения (0,11 кгс) увеличивает величину осевой силы (0,25кгс), обусловленной гидродинамическими нагрузками при работе ротора в невесомости (то есть при испытаниях на ресурс суммарно имеем 0,25 + 0,11 = 0,36 кгс);

- включают в работу ЭНА: измеряют (контролируют) параметры, в том числе виброактивность ротора, после чего продолжают работу ЭНА в течение 200 часов (продолжительности половины цикла) и снова измеряют вышеуказанные параметры и выключают ЭНА;

- меняют положение ЭНА в вертикальном положении: ЭНА устанавливают продольной осью вертикально, обеспечив нахождение выхода из электронасоса снизу. В этом положении при работе ЭНА сила земного притяжения (0,11 кгс) уменьшает величину осевой силы (0,25кгс), обусловленной гидродинамическими нагрузками при работе ротора в невесомости (то есть при испытаниях на ресурс в этом случае суммарно имеем 0,25 - 0,11 = 0,13 кгс);

- включают в работу ЭНА: измеряют (контролируют) параметры, в том числе виброактивность ротора, после чего продолжают работу ЭНА в течение 200 часов (продолжительности половины цикла) и снова измеряют вышеуказанные параметры и выключают ЭНА.

Как видим из вышеизложенного, в процессе испытаний в течение двух смежных полуциклов, то есть в течение одного цикла, произошла взаимная компенсация величин осевых сил, обусловленных земным притяжением (плюс 0,11 кгс и минус 0,11 кгс), и имитируется полная невесомость при ресурсных испытаниях с постоянным коэффициентом ускорения испытаний ЭНА на ресурс (равен 10), установленного в вертикальном положении.

Продолжение ресурсных испытаний проводят до достижения продолжительности испытаний с постоянным коэффициентом ускорения, равным 10, эквивалентном 15 лет (131400 часам) натурной эксплуатации ЭНА в составе СТР космического аппарата в космосе, то есть в течение (как минимум) 131400 : 10 = 13140 часов (1,5 лет), что соответствует 13140 : 400 = 32,85 циклам испытаний ЭНА на ресурс. Следовательно, если в течение 1,5 лет ресурсных испытаний, согласно вышеописанному, ЭНА функционировал нормально, тогда можно утверждать, что в условиях невесомости в течение 15 лет ЭНА будет работать безотказно.

В результате проведенного анализа известной патентной и научно-технической литературы предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявленного изобретения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что и заявленный способ наземных испытаний, например, на ресурс ЭНА КА.

Таким образом, как следует из вышеизложенного, в результате испытаний ЭНА КА согласно предложенному авторами в условиях эксплуатации КА в космических условиях невесомости гарантируется высокая достоверность данных испытаний по обеспечению требуемой надежности в течение требуемого длительного (до 15-17 лет) срока эксплуатации ЭНА и, следовательно, КА на орбите, тем самым достигается задача предложенного авторами изобретения.

Изобретение относится к области космической техники и предназначено для использования при создании систем терморегулирования (СТР), например телекоммуникационных космических аппаратов (КА). Способ испытаний герметичного многоступенчатого центробежного электронасоса системы терморегулирования космического аппарата включает проведение ресурсных испытаний с контролем рабочих параметров, при этом в процессе испытаний электронасосный агрегат устанавливают на испытательный стенд вертикально периодически в течение одинакового промежутка времени испытаний продольной осью ротора электродвигателя с установленными на его валу центробежными колесами, обеспечивая нахождение выхода из электронасоса сверху, а выхода в электронасос снизу, затем устанавливают наоборот. Техническим результатом изобретения является повышение степени достоверности доказательства способности ЭНА безотказно работать в течение не менее требуемой продолжительности работы в космических условиях невесомости испытаниями на ресурс в наземных условиях. 1 ил.

Способ испытаний герметичного многоступенчатого центробежного электронасоса системы терморегулирования космического аппарата, включающий проведение ресурсных испытаний с контролем рабочих параметров, отличающийся тем, что в процессе испытаний электронасос устанавливают на испытательный стенд вертикально периодически в течение одинакового промежутка времени испытаний продольной осью ротора электродвигателя с установленными на его валу центробежными колесами, обеспечивая нахождение выхода из электронасоса сверху, а входа в электронасос снизу, затем устанавливают наоборот.