Способ испытаний на ресурс центробежного электронасосного агрегата системы терморегулирования космического аппарата

Способ испытаний на ресурс центробежного электронасосного агрегата системы терморегулирования космического аппарата

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение, созданное авторами в порядке выполнения служебного задания, относится к космической технике, в частности к электронасосным агрегатам (ЭНА) систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА).

В настоящее время для обеспечения циркуляции теплоносителя в жидкостных трактах СТР КА с длительным сроком эксплуатации на орбите (около 15 лет) широко применяются центробежные ЭНА со спиральным сборником и с электродвигателем на шарикоподшипниках и установленным на его валу центробежным колесом с разгрузочными отверстиями на его ведомом диске (см. страницы книг: Краев М.В., Лукин В.А., Овсянников Б.В. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. - М.: Машиностроение, 1985 - страницы: 15 (первый, второй, третий абзацы сверху), 16 (четвертый абзац сверху), 17 (рис.1.8), 20 (рис.1.12), 99 (последний абзац), 100 (первый абзац сверху), 101 (второй абзац сверху) [1]; Чиняев И.А. Лопастые насосы. Справочное пособие. - Л.: Машиностроение, 1973 - страницы: 45 (третий абзац сверху), 67 (последний абзац), 68 (первый, второй, третий абзацы и рисунки 42, 43) [2]).

Для применения вновь созданного ЭНА на борту КА, в частности, должна быть подтверждена его гарантийная наработка (например, в течение не менее 15 лет) специальными ресурсными испытаниями.

Так как, если проводить ресурсные испытания ЭНА в обычном, номинальном режиме, то вновь созданный ЭНА может морально устареть к моменту подтверждения его гарантийной наработки, и согласно ГОСТ 23.205-79 [3] допускается проведение ускоренных ресурсных испытаний с периодическим форсированием режима.

Анализ опыта изготовления и испытаний на ресурс ЭНА в номинальном режиме и эксплуатации их на КА с длительными сроками эксплуатации на орбите показал, что основные выходные характеристики ЭНА, применяемых в составе различных КА разработки нашего предприятия, подача (расход) и напор теплоносителя, ток потребления при допустимых режимах работы ЭНА с течением продолжительного (в течение нескольких лет) времени практически (в пределах точности измерений) не изменяются, и отказ ЭНА в реальности происходит скачком - в течение нескольких минут: скачком уменьшается подача и напор, увеличивается ток потребления, а затем через несколько минут выходит из строя электродвигатель.

Кроме того, для обеспечения форсированных ресурсных испытаний ЭНА согласно [3] необходимо изготовить сложнейший стенд, содержащий холодильную и нагревательную системы и специальную систему автоматического управления и проведения ускоренных ресурсных испытаний ЭНА по известному способу, что потребует существенно повышенных экономических затрат.

Таким образом, известный способ ускоренных испытаний [3] для подтверждения гарантийной наработки ЭНА, применяемого в составе КА, не может быть использован, т.к. не представляется возможным предсказать продолжительность его ресурсных испытаний.

Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является используемый в предыдущих разработках нашего предприятия способ испытаний на ресурс центробежного ЭНА СТР КА [4], включающий предварительное автономное ускоренное испытание электродвигателя, осуществляемого его поставщиком (субподрядчиком) (например, согласно модели Аррениуса - см. страницу 322 (абзацы сверху: третий, четвертый, пятый) книги: Глудкин О.П., Черняев В.Н. Технология испытания микроэлементов радио-электронной аппаратуры и интегральных микросхем: учебное пособие для ВУЗов. - М.: Энергия, 1980 [4]), а затем - испытания ЭНА в номинальном режиме при нормальных условиях для подтверждения гарантийной наработки, главным образом, наиболее слабых элементов ЭНА - шарикоподшипников с продолжительностью ресурсных испытаний, равной гарантийной наработке.

Как было указано выше, существенным недостатком известного способа испытаний на ресурс ЭНА является неопределенность продолжительности вышеуказанных испытаний и эти испытания проводятся до отказа ЭНА или не менее требуемой гарантийной наработки, что неприемлемо, когда требуется подтвердить наработку в течение 15 лет.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленного существенного недостатка.

Поставленная цель достигается тем, что способ испытаний на ресурс центробежного электронасосного агрегата системы терморегулирования космического аппарата, со спиральным отводом и с электродвигателем на шарикоподшипниках и установленным на его валу центробежным колесом с разгрузочными отверстиями на его ведущем диске, включает в себя предварительные автономные ускоренные испытания на ресурс электродвигателя, а затем после сборки ЭНА ресурсные испытания электронасосного агрегата проводят при подаче теплоносителя, более оптимальной подачи, установив его осью вращения вала электродвигателя с центробежным колесом параллельно поверхности Земли с одновременным совмещением направления силы тяжести ротора с валом электродвигателя и центробежного колеса с направлением радиальной силы от неуравновешенности давления в спиральном отводе, в течение продолжительности времени

где τ_{рес.исп.} - продолжительность ресурсных испытаний электронасосного агрегата, ч;

τ_{гар.нар.} - гарантийная наработка электронасосного агрегата, равная не менее требуемому сроку эксплуатации космического аппарата на орбите, ч;

P_{р.эксп. на_орб.} - наибольшая радиальная нагрузка (суммарная нагрузка за счет сил, возникающих из-за дисбаланса ротора электродвигателя и центробежного колеса и от неуравновешенности давления в спиральном отводе работающего электронасосного агрегата), действующая на конкретный шарикоподшипник в условиях эксплуатации электронасосного агрегата на орбите, H;

P_{p.рес.исп.} - наибольшая радиальная нагрузка (суммарная нагрузка за счет сил, возникающих из-за дисбаланса ротора электродвигателя и центробежного колеса и от неуравновешенности давления в спиральном отводе работающего электронасосного агрегата плюс за счет сил тяжести ротора с валом и центробежного колеса), действующая на конкретный шарикоподшипник в условиях наземных ресурсных испытаний электронасосного агрегата, H, что и является по мнению авторов существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.

В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом способе испытаний на ресурс центробежного ЭНА СТР КА.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема проведения испытаний ЭНА на ресурс согласно предложенному авторами техническому решению, на фиг.2 изображена принципиальная схема проведения испытаний ЭНА на ресурс, когда требования предложенного авторами технического решения не удовлетворяются.

Предложенный способ испытаний на ресурс центробежного ЭНА СТР КА включает в себя следующую последовательность операций (см. фиг.1):

- субподрядчик изготавливает электродвигатель и подтверждает его гарантийную наработку ускоренными испытаниями на ресурс;

- после этого субподрядчик изготавливает новый электродвигатель 1, аналогичный выдержавшему ускоренные испытания на ресурс, способный выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации на него;

- разработчик ЭНА изготавливает комплектующие ЭНА: корпус 2 ЭНА со спиральным отводом 2.1; центробежное колесо 3: при этом на ведущем диске 3.1 согласно [1] выполняют соответствующие разгрузочные отверстия 3.1.1 (с определенными диаметром отверстий и количеством отверстий) для обеспечения уравновешивания осевой силы, возникающей при работе ЭНА (для вновь разработанного ЭНА с подачей 120 см³/с и напором 60 кПа количество равномерно и равноудалено расположенных от оси вращения центробежного колеса разгрузочных отверстий диаметром 1 мм равно 6);

- разработчик ЭНА изготавливает его с применением вышеуказанного полученного от субподрядчика электродвигателя 1 и вышеуказанных комплектующих с проведением необходимого объема приемо-сдаточных испытаний;

- согласно [2] определяют величину и направление (согласно [2] угол равен 300°) действия радиальной силы, действующей на центробежное колесо 3, - F_C.O. от неуравновешенности давления в спиральном отводе 2.1;

- по данным дисбаланса ротора 1.2 электродвигателя 1 и центробежного колеса 3 (определяются при изготовлении) вычисляют величину неуравновешенной силы от дисбаланса ротора 1.2 и центробежного колеса 3 (пренебрежимо мало);

- определяют суммарную величину сил от веса ротора 1.2 и вала 1.1 электродвигателя 1 и центробежного колеса 3 - F_T.;

- определяют величину наибольшей радиальной нагрузки - P_{р.рес.исп.} при ресурсных испытаниях ЭНА, действующей на конкретный шарикоподшипник в условиях эксплуатации ЭНА, возникающей из-за дисбаланса ротора 1.2 и центробежного колеса 3 и от неуравновешенности давления в спиральном отводе 2.1 работающего ЭНА плюс за счет сил тяжести ротора 1.2 с валом 1.1 и центробежного колеса 3 (для вновь разработанного вышеуказанного ЭНА максимальная суммарная нагрузка на шарикоподшипник вблизи центробежного колеса 3 равна 2,6 H);

- определяют величину наибольшей радиальной нагрузки, действующей на конкретный шарикоподшипник в условиях эксплуатации ЭНА на орбите, возникающей из-за дисбаланса ротора 1.2 и центробежного колеса 3 и от неуравновешенности давления с спиральном отводе 2.1 - P_{р.эксп на орб.} (для вновь разработанного ЭНА максимальная суммарная нагрузка на шарикоподшипник, расположенный вблизи центробежного колеса 3, в условиях эксплуатации на орбите равна 1,47 H) (на фиг.1 и 2: R₁ и R₂ - реакции в опорах от P_{р.рес.исп.} и P'_{р.рес.исп.});

- на основании данных книги: Подшипники качения: Справочник - каталог. Под общей редакцией Р.В.Черневского и Р.В.Коросташевского. - М: Машиностроение, 1997 [5], страницы 211 (третий, четвертый, пятый, шестой абзацы сверху), 212 (первый, второй, третий абзацы сверху) определяют значение отношения

для вновь разработанного ЭНА

- ресурсные испытания электронасосного агрегата для подтверждения гарантийной наработки в условиях эксплуатации на орбите проводят при подаче теплоносителя, более (что согласно [2] обеспечивает более повышенную величину F_C.O., т.е. больший коэффициент ускорения ресурсных испытаний) оптимальной подачи, установив его осью вращения вала 1.1 электродвигателя 1 с центробежным колесом 3 параллельно поверхности Земли с одновременным совмещением направления силы тяжести ротора 1.2 с валом 1.1 электродвигателя 1 и центробежного колеса 3 (F_T) с направлением радиальной силы от неуравновешенности давления в спиральном отводе 2.1 (F_C.O.) в течение продолжительности времени

где τ_{рес.исп.} - продолжительность ресурсных испытаний электронасосного агрегата, ч;

τ_{гар.нар.} - гарантийная наработка электронасосного агрегата, равная не менее требуемому сроку эксплуатации космического аппарата на орбите, ч;

P_{р.эксп. на_орб.} - наибольшая радиальная нагрузка (суммарная нагрузка за счет сил, возникающих из-за дисбаланса ротора электродвигателя и центробежного колеса и от неуравновешенности давления в спиральном отводе работающего электронасосного агрегата), действующая на конкретный шарикоподшипник в условиях эксплуатации электронасосного агрегата на орбите, H;

P_{р.рес.исп.} - наибольшая радиальная нагрузка (суммарная нагрузка за счет сил, возникающих из-за дисбаланса ротора и центробежного колеса и от неуравновешенности давления в спиральном отводе работающего электронасосного агрегата плюс за счет сил тяжести ротора с валом электродвигателя и центробежного колеса), действующая на конкретный шарикоподшипник в условиях наземных ресурсных испытаний электронасосного агрегата, с периодическим контролем основных параметров ЭНА (подачи, напора, тока потребления) на соответствие требуемым нормам, Н.

Как показал анализ, для вновь разработанного ЭНА для подтверждения гарантийной наработки, равной 15 лет, продолжительность ресурсных испытаний согласно предложенному техническому решению равна 2,7 годам (коэффициент ускорения равен 5,555), т.е. достигается цель изобретения (на фиг.2 изображена принципиальная схема проведения испытаний ЭНА на ресурс, когда направление радиальной силы от неуравновешенности давления в спиральном отводе относительно поверхности Земли не соответствует требованиям предложенного технического решения: в этом случае, как видно из данных фиг.2, ускоренные ресурсные испытания ЭНА невозможно осуществить).

В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации на проведение ресурсных испытаний вновь созданного и изготавливаемого в настоящее время ЭНА, который будет применяться в составе СТР вновь разрабатываемого КА со сроком эксплуатации на орбите, равном не менее 15 лет.

Способ испытаний на ресурс центробежного электронасосного агрегата системы терморегулирования космического аппарата со спиральным отводом и с электродвигателем на шарикоподшипниках и установленным на его валу центробежным колесом с разгрузочными отверстиями на его ведущем диске, включающий предварительные автономные ускоренные испытания на ресурс электродвигателя, отличающийся тем, что ресурсные испытания электронасосного агрегата проводят, при подаче теплоносителя, большей оптимальной, установив ось вращения вала электродвигателя с центробежным колесом параллельно поверхности Земли, с одновременным совмещением направления сил тяжести ротора, вала электродвигателя и центробежного колеса с направлением радиальной силы от неуравновешенности давления в спиральном отводе, в течение времени где τ_{рес.исп.} - продолжительность ресурсных испытаний электронасосного агрегата, ч;τ_{гар.нар.} - гарантийная наработка электронасосного агрегата, не меньшая требуемого срока эксплуатации космического аппарата на орбите, ч;Р_{р.эксп.на_орб.} - наибольшая радиальная нагрузка (суммарная нагрузка от сил, возникающих из-за дисбаланса ротора электродвигателя и центробежного колеса и от неуравновешенности давления в спиральном отводе работающего электронасосного агрегата), действующая на конкретный шарикоподшипник в условиях эксплуатации электронасосного агрегата на орбите, Н;Р_{р.рес.исп.} - наибольшая радиальная нагрузка (суммарная нагрузка от сил, возникающих из-за дисбаланса ротора электродвигателя, центробежного колеса и от неуравновешенности давления в спиральном отводе работающего электронасосного агрегата, а также от сил тяжести ротора с валом и центробежного колеса), действующая на конкретный шарикоподшипник в условиях наземных ресурсных испытаний электронасосного агрегата, Н.