航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计毕业论文.doc

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文献综述与开题报告航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计

本科生毕业论文（设计）

题目航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计

姓名与学号吴科扬3020911013

指导教师吴大转

年级与专业过程装备与控制工程0201

所在学院材料与化学工程学院

本科生毕业论文（设计）任务书

一、题目：

二、指导教师对毕业论文（设计）的进度安排及任务要求：

起讫日期200年月日至200年月日

指导教师（签名）职称

三、系或研究所审核意见:

负责人（签名）年月日

目录

摘要 1

ABSTRACT 2

第1章　绪论 3

1.1课题背景与意义 3

1.2研究现状 4

1.2.1航天小流量泵的定义和应用 4

1.2.2离心泵的结构和水力设计方法 5

1.2.3屏蔽泵的特点、历史与发展现状 7

第2章　泵的水力设计 10

2.1叶轮的水力计算 10

2.2涡室的水力计算 13

2.3叶轮木模图的绘制 14

2.4涡室木模图的绘制 18

第3章　轴系的设计计算 20

3.1轴承的选择 20

3.2轴的设计 21

3.3轴的校核 22

3.4轴承的校核 26

第4章　泵体的设计计算 28

4.1屏蔽套的设计计算 28

4.2电机定子套的设计 29

4.3底座的设计 29

第5章　关于屏蔽泵的可靠性专题 32

5.1屏蔽泵的失效原因及对策 32

5.2屏蔽泵的安全监测和保护装置 36

第6章　总结与展望 37

6.1总结 37

6.2展望 38

致谢 39

参考文献 40

13

摘要

本文介绍了航空航天用小流量泵的研究背景和屏蔽泵的结构原理，介绍了离心式叶轮的水力设计方法，同时也分析了屏蔽泵的可靠性因素。

在以上基础之上，设计了一台用于航空航天生命保障系统的微型屏蔽式离心泵，该泵的叶轮和涡室采用了传统的速度系数法进行设计计算，轴系创新性的采用了滚动轴承＋内循环的形式，屏蔽套、定子、定子套等结构参照模型泵进行了设计。

该泵的总体尺寸很小，叶轮直径仅为20mm左右，整体尺寸也仅为10余厘米，总重量在700g左右。

关键词：

微型泵；屏蔽泵；设计

Abstract

Thearticleintroducedthebackgroundoflow-fluxpumpforspaceflightuseandthestructureofcannedmotorpump.Introducedthewaterpowerdesignmethodofcentrifugalpump.Ialsoanalysedthereliabilityofcannedmotorpump.

Baseonabovestudy,Idesignedaminicentrifugalcannedmotorpumpforlifeprotectionsystem,Theimpellerandvortexchamberisdesignedbytraditionalvelocitycoefficientmethod.Theshaftsystemusethecreativerollingbearingandinsidecyclesystem,Theshieldingsheath,stator,sheathstatoraredesignedinreferenceofthemodelpump.

　　Thedimensionofthispumpisverysmall.Thediameteroftheimpellisabout20mm,Itslengthisabout10cms,andhasaweightofabout700g.

KeyWords:

MiniPump;CannedMotorpump;Design

第1章　1绪论

1.1课题背景与意义

神六的成功增加了我们国家整体实力，同时反映了我们民族的事业繁荣向上，极大地增强了民族的凝聚力和向心力。

神六的成功也标志着我国航空航天产业的重大突破，标志着在某些关键技术上的长远进步。

图11-1宇航服基本结构示意图

凡是看过相关纪录片或者图片的人一定对宇航员身上那一层厚厚的宇航服印象深刻，宇航服对于一个宇航员来说至关重要，它不再仅仅是传统意义上避寒遮羞的衣物了，同时它也集成了宇航员在太空飞行中必需的生命维持系统，一件宇航服都必须要严格符合这样的要求：

首先要有良好的保暖性能，无论是在高温环境或低温环境，都能使宇航员保持恒温舒适的环境，这主要依靠宇航服中的水循环和风扇系统完成；第二，封闭性能要好，在宇航服中需要充气加压，保持一个大气压强的环境；第三，要求具有防宇宙射线辐射，经受微小陨石打击的能力；最后还要灵活机动，重量要轻，以利于宇航员的行走。

除了这些，还要求防火、防胀、防变形，外观还要美观。

宇航服的基本结构介绍如图1所示。

在宇航服中保持舒适的生存环境主要依靠控制宇航服内的温度，宇航服内的热量需要通过液态热载体带走，从而实现温度调节。

其中，实现热力循环的关键部件就是小流量的微型高速离心泵，由于航天系统部件不但对尺寸有着严格限制，而且对能耗也提出非常高的要求，因此，提高微型高速离心泵效率、减少功耗成为该类特种泵设计的重要任务之一。

例如，在宇航服中，冷却水循环系统是必不可少的生命保障系统之一，由于整个宇航服提供的能量非常有限，并且要求各部件具有高寿命，因此采用特殊结构提高微型高速离心泵的效率和可靠性具有非同寻常的意义。

本毕业设计题目就是针对宇航服中的该微型高速离心泵的。

　　以前我国在宇航服中使用的微型泵基本依靠进口，这是我们首次设计该种泵的模型，该项目的成功将为开展实验，优化制造加工工艺等打下基础，同时也为进一步优化模型提供了条件。

12.2研究现状

21.2.1航天小流量泵的定义和应用

小流量泵的定义：

所谓小流量泵就是工作液体流量小于300cm3/s的泵，当其出口压力以很宽的范围变化时（0.1—0.5Mpa），它的功率一般小于5KW。

在航空航天系统中，有几种有可能应用的机械式小流量泵。

按照工作原理，它们可分为四种基本类型：

叶片式泵、容积式泵、摩擦泵和射流泵。

这里面我们主要研究叶轮式泵，液体在工作也轮中的流线可以处在平行于轴线的平面内——离心泵，也可以处于锥面上——混流泵，或者在柱面上——

轴流泵。

其中离心式叶片泵是航空与航天系统小流量泵的基本类型，它有以下优点：

1）在给定的小流量下，实际上能保证有任意的压头；

2）能在较高的角速度下工作；

3）质量较小；

4）外廓尺寸小；

5）由于不存在摩擦偶，因而能在腐蚀性介质中工作；

6）可方便地用电动机或涡轮传动。

在火箭航天技术中，广泛的应用着叶轮泵。

叶轮泵的工作轮就是泵的叶片或者沟槽，它可能是开式的，或者是闭式的，结构上与之类似的小流量输送组件也可工作于大流量主泵的系统中，它通常是用来完成密封任务的。

位于工作介质液流相对一侧的叶片起着动密封装置的作用。

在低比转速区域和高转速的情况下，带有离心式工作轮的叶片泵，效率是比较低的。

而且大部分能量损失产生于轮盘的摩擦。

小流量泵可能需要有很高的工作寿命（几年以上），例如，各种航天器热力调节系统的泵就是如此。

也可能是短时间工作的，如在航空工程的机上系统中，泵的工作寿命以小时记，而在航天工程的发动机装置中为产生推力冲量而工作的泵，寿命仅为几分钟。

选择何种类型与结构的泵，这要取决于系统的参数，即泵设计时所给定的工质流量V和压头H。

小流量泵在航空航天中主要用于热力调节系统中，例如宇航服或者密封舱的热力调节，有的也运用于燃料的运输或者太空实验中液体的输送。

我们研究的小流量泵是运用于宇航服上的热力调节系统，是其中很特殊的一种，它的特殊性体现在它的高转速，绝对无泄漏和高寿命，高转速是为了在达到额定流量和扬程的前提下尽量缩小泵的体积，绝对无泄漏是生命保障系统可靠性的要求，高寿命是考虑到航天服要进行多次的实验或者模拟，作为保证宇航员生命安全的屏障，保证足够长的使用周期是必需的，此外，该小流量泵通常一组两台一起工作，与一般高速泵不同的是，它不通过涡轮电机驱动，而是通过直流电机依靠电池驱动。

21.2.2离心泵的结构和水力设计方法

离心泵的结构要根据泵的设计参数，介质的性质，密封要求等综合考虑和确定。

泵的水力设计方法主要有三种：

速度系数法、相似换算法、其他设计方法。

长期以来由于理论研究方法不能精确的预测泵内流体的流动情况，因此泵的传统水力设计都基于长期积累的经验和实验的基础之上，速度系数法和相似换算法都是如此。

相似换算法属于计算离心式水泵叶轮几何参数的传统方法，它简单而可靠，其做法是选一台和要设计的泵相似的泵，对过流部分的全部尺寸进行放大或者缩小。

速度系数法也是一种传统方法。

这一方法是建立在对大量优秀水力模型统计基础上的相似计算法。

该方法以图表或经验公式提供了叶轮几何参数与其比转数之间的统计关系，由设计泵的比转数即可计算叶轮全部几何参数。

这一方法实际是对已有优秀产品的相似换算，因而使用该方法成败的关键，是设计人员所应用的统计公式和图表是否是性能先进的众多叶轮的特性的抽象与概括。

速度系数法和模型换算法在本质上是相同的，其差别在于模型换算是建立在一台相似泵基础上的设计，而速度系数法是建立在一系列相似泵基础上的设计。

也就是说，相似系数法是按相似的原理，利用统计系数计算过流部件的各部分尺寸。

为了提高设计效率，缩短设计时间，优化参数组合，最终达到提高泵的性能的目的，国内外的专家和学者先后开展了泵计算机辅助设计和优化设计的研究工作，泵水力设计软件正在逐步达到实用化水平。

早期的计算机辅助设计软件，大多是在DOS环境下开发的，主要是针对泵水力设计大量繁杂的计算绘型工作，按照常规的设计、计算、绘型和画图方法，利用计算机辅助计算和绘型速度快的特点，加快设计进度，缩短设计时间，进行多方案比较。

对其进行的优化参数组合研究，主要集中在叶轮轴面流道校核和绘制流线展开图两个方面，以采用传统的图解计算方法为主。

在叶轮轴面流道校核方面，以过流道面积（或轴面流速）变化规律光顺为目标，交替改变叶轮叶片轴面形状参数（叶轮前后盖板倾角、前盖板圆弧、后盖板圆弧等），达到较为直观的非劣解图示曲线；在流线展开图方面，以流线变化规律光顺为目标，交替改变流线形状参数（叶片进口角、叶片进口边、叶片出口角、包角等），达到流线光顺的较为直观的图示非劣解。

这两种优化过程具有局部的优化目标、局部的优化方法、局部的优化结果的特点。

在一般情况下，是相互独立的。

但如果流线的优化不能满足要