RU2594941C1 - Electro-thermal micromotor - Google Patents
Electro-thermal micromotor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2594941C1 RU2594941C1 RU2015113138/06A RU2015113138A RU2594941C1 RU 2594941 C1 RU2594941 C1 RU 2594941C1 RU 2015113138/06 A RU2015113138/06 A RU 2015113138/06A RU 2015113138 A RU2015113138 A RU 2015113138A RU 2594941 C1 RU2594941 C1 RU 2594941C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cylindrical
- nozzle
- micromotor
- chamber
- glass
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к космической технике, а именно к электротермическим микродвигателям, входящим в состав двигательных установок микротяги, устанавливаемых на спутники малой массы для решения задач орбитального маневрирования.The invention relates to space technology, and in particular to electrothermal micromotors that are part of microprobe propulsion systems installed on small-mass satellites to solve problems of orbital maneuvering.
При разработке и создании современных спутников различного назначения (навигационных, гидрометеорологических, дистанционного зондирования Земли, научно-образовательных и др.) актуальной задачей является обеспечение орбитального маневрирования путем реализации заданного запаса характеристической скорости. Эффективным способом решения задач орбитального маневрирования является использование двигательных установок микротяги, в которых реактивная тяга создается электротермическими микродвигателями. При этом величина реактивной тяги составляет не более 0.02-0.05 Н (2-5 гс).In the development and creation of modern satellites for various purposes (navigation, hydrometeorological, remote sensing of the Earth, scientific and educational, etc.), the urgent task is to ensure orbital maneuvering by implementing a given margin of characteristic speed. An effective way to solve the problems of orbital maneuvering is to use microtractive propulsion systems in which jet thrust is created by electrothermal micromotors. In this case, the value of jet thrust is not more than 0.02-0.05 N (2-5 gs).
В настоящее время как в России, так и за рубежом созданы различные образцы двигателей микротяги, среди которых электротермические (электронагревательные) микродвигатели являются наиболее простыми и отработанными. Создание реактивной микротяги в электротермических микродвигателях осуществляется посредством подвода энергии к нагревательному элементу, размещенному в микродвигателе, прокачиванием рабочего тела вдоль «горячих» поверхностей микродвигателя, на которых происходит испарение и нагрев рабочего тела, и выброс нагретого газа через реактивное сопло (сопло Лаваля).At present, both in Russia and abroad, various models of microtractive engines have been created, among which electrothermal (electric heating) micromotors are the simplest and most developed. The creation of reactive microtractors in electrothermal micromotors is carried out by supplying energy to a heating element located in the micromotor, pumping the working fluid along the “hot” surfaces of the micromotor, on which the working fluid is evaporated and heated, and heated gas is ejected through the jet nozzle (Laval nozzle).
Эффективность микродвигателя в первую очередь определяется величиной его удельной тяги, которая напрямую зависит от величины нагрева газообразного топлива на входе в реактивное сопло, которая при фиксированном энергопотреблении зависит от конструктивного исполнения микродвигателя и его массы. Кроме того, при серийном производстве существенную роль играет технологичность микродвигателя и его ремонтопригодность.The efficiency of a micromotor is primarily determined by the value of its specific thrust, which directly depends on the amount of heating of gaseous fuel at the inlet of the jet nozzle, which, with a fixed energy consumption, depends on the design of the micromotor and its mass. In addition, in mass production, an important role is played by the manufacturability of the micromotor and its maintainability.
Известен микродвигатель по патенту RU 2332583, МПК F02K 9/68, опубл. 27.08.2008 г. Данный микродвигатель содержит трубопровод подачи рабочего тела (например, аммиака), основной и резервный нагревательные элементы с токовыводами, основную и резервную термопару с токовыводами, газовод с коническим соплом, внутренний и наружный корпусы, систему закрутки газового потока рабочего тела, систему герметизации токовыводов нагревательных элементов и термопар в виде термостойкого герметика.Known micromotor according to patent RU 2332583, IPC F02K 9/68, publ. August 27, 2008. This micromotor contains a working fluid supply pipe (for example, ammonia), a primary and backup heating elements with current outputs, a primary and backup thermocouple with current outputs, a gas duct with a conical nozzle, an inner and an outer case, a swirl system for the gas flow of the working fluid, sealing system for current leads of heating elements and thermocouples in the form of heat-resistant sealant.
Недостатками данного микродвигателя является низкий удельный импульс тяги, сложная технология сборки, низкая ремонтопригодность из-за:The disadvantages of this micromotor are low specific impulse of thrust, complex assembly technology, low maintainability due to:
- применения конического сопла;- application of a conical nozzle;
- неэффективной системы закрутки газового сопла, выполненной в виде наклонных газоподводящих прорезей на цилиндрическом буртике;- ineffective swirling system of the gas nozzle, made in the form of inclined gas supply slots on a cylindrical flange;
- значительной массы микродвигателя за счет наличия корпуса, закрывающего токовыводы нагревательных элементов и термопар;- a significant mass of the micromotor due to the presence of a housing that closes the current leads of the heating elements and thermocouples;
- трудоемкая и нетехнологичная герметизация мест выхода токовыводов нагревательных элементов и термопар микродвигателя термостойким герметиком из-за наличия конструктивных труднодоступных мест герметизации;- laborious and low-tech sealing of exit points of current leads of heating elements and thermocouples of a micromotor with heat-resistant sealant due to the presence of structurally inaccessible places of sealing;
- невозможность замены вышедших из строя термопар без полной разборки микродвигателя с удалением застывшего герметика, приводящей к выходу из строя нагревательных элементов и некоторых конструктивных элементов микродвигателя.- the impossibility of replacing failed thermocouples without completely disassembling the micromotor with the removal of the hardened sealant, leading to failure of the heating elements and some structural elements of the micromotor.
Известен микродвигатель по патенту RU 2442011, МПК F02K 9/68, опубл. 10.02.2012 г., являющийся усовершенствованием микродвигателя по патенту RU 2332583 и обладающий повышенной удельной тягой за счет использования профилированного сопла взамен конического. Данный микродвигатель взят за прототип.Known micromotor according to patent RU 2442011, IPC F02K 9/68, publ. 02/10/2012, which is an improvement of the micromotor according to patent RU 2332583 and having increased specific thrust due to the use of a profiled nozzle instead of a conical one. This micromotor is taken as a prototype.
Микродвигатель по прототипу содержит цилиндрический газовод с системой подачи в него газофицированного топлива и с двумя цилиндрическими фланцами, расположенными на его наружной части с отступом от его торцов, размещенный внутри цилиндрического стакана с цилиндрическим буртиком в районе дна так, что свободный торец газовода уперт в дно цилиндрического стакана, длина которого выбрана из условия утопания противоположного цилиндрического фланца относительно открытого торца стакана, расположенные снаружи газовода между цилиндрическими фланцами электрические нагревательные элементы, причем внутренний диаметр стакана равен наружному диаметру цилиндрических фланцев газовода, камеру в виде стакана, по внутреннему диаметру контактирующую с цилиндрическим буртиком стакана и с его открытым торцом по внутренней поверхности дна, в котором выполнено отверстие для размещения сопла Лаваля, соединенного с газоводом, которое выполнено в виде выступающего фланца с цилиндрическим буртиком, на внутренней поверхности которого нарезана резьба, при этом сопло Лаваля выполнено профилированным, на наружной части которого выполнена аналогичная резьба, оканчивающаяся буртиком, при помощи которой сопло Лаваля ввинчено в выступающий фланец, причем торец сопла Лаваля выполнен конической формы и контактирует с конической поверхностью, выполненной на торце газовода, при этом цилиндрические буртики камеры и сопла Лаваля соединены сваркой.The prototype micromotor contains a cylindrical gas duct with a gas supply system for gasified fuel and with two cylindrical flanges located on its outer part indented from its ends, located inside a cylindrical cup with a cylindrical shoulder in the bottom area so that the free end of the gas duct is abutted in the bottom of the cylindrical a cup, the length of which is selected from the condition of immersion of the opposite cylindrical flange relative to the open end of the cup, located outside the gas duct between the cylindrical and flanges, electric heating elements, and the inner diameter of the glass is equal to the outer diameter of the cylindrical flanges of the gas duct, a chamber in the form of a glass, in inner diameter in contact with the cylindrical collar of the glass and with its open end on the inner surface of the bottom, in which a hole is made to accommodate a Laval nozzle connected with a gas duct, which is made in the form of a protruding flange with a cylindrical collar, on the inner surface of which a thread is cut, while the Laval nozzle is made about orthopedic, on the outside of which a similar thread is made, ending with a shoulder, by means of which the Laval nozzle is screwed into the protruding flange, the end of the Laval nozzle made in a conical shape and in contact with a conical surface made at the end of the gas duct, while the cylindrical flanges of the chamber and the Laval nozzle are connected by welding.
Чувствительные элементы термопар размещены в газоводе и их токоподводящие части через отверстия в дне стакана вместе с токовыводами нагревательных элементов выведены наружу через торец камеры.Sensitive elements of thermocouples are placed in the gas duct and their current-carrying parts through openings in the bottom of the glass together with the current leads of the heating elements are brought out through the end of the chamber.
Трубопровод подачи газообразного топлива в микродвигатель также расположен со стороны торца камеры.The pipeline for supplying gaseous fuel to the micromotor is also located on the side of the chamber end.
К торцу камеры присоединен корпус в виде цилиндрических точеных и фрезерованных деталей, закрывающий токовыводы термопар, токовыводы нагревательных элементов и трубопровод подачи газообразного топлива.A housing in the form of cylindrical turned and milled parts is attached to the end of the chamber, which closes the current leads of thermocouples, the current leads of the heating elements, and the gaseous fuel supply pipe.
Торцевая полость корпуса и часть закрывающего токовыводы и трубопровод корпуса заполнены термостойким герметиком для герметизации микродвигателя.The end cavity of the housing and part of the closing current leads and the housing pipeline are filled with heat-resistant sealant to seal the micromotor.
Завихритель газового потока выполнен в виде наклонных газоподводящих прорезей на цилиндрическом буртике цилиндрического стакана.The swirl of the gas stream is made in the form of inclined gas supply slots on the cylindrical flange of the cylindrical glass.
Эксплуатация микродвигателя по прототипу в реальных двигательных установках микротяги показала его эффективность. Вместе с тем выявлен ряд недостатков.The operation of the micromotor according to the prototype in real propulsion systems of the microtractor showed its effectiveness. However, a number of shortcomings were identified.
Наличие защитного корпуса, включающего в себя цилиндрические детали, получаемые токарной и фрезерной механической обработкой, и закрывающие токовыводы термопар, токовыводы нагревательных элементов и трубопровод подачи газообразного топлива, приводит к увеличению теплоемкости конструкции вследствие увеличения прогреваемой массы микродвигателя.The presence of a protective casing, which includes cylindrical parts obtained by turning and milling machining, and closing the current leads of thermocouples, the current leads of the heating elements and the gaseous fuel supply pipe, leads to an increase in the heat capacity of the structure due to an increase in the heated mass of the micromotor.
В этой связи снижается нагрев рабочего тела и, как следствие, удельный импульс тяги микродвигателя.In this regard, the heating of the working fluid and, as a result, the specific impulse of the micromotor thrust are reduced.
Кроме того, выполнение завихрителя газового потока в виде наклонных газоподводящих прорезей на цилиндрическом буртике цилиндрического стакана обладает низкой эффективностью закрутки газового потока. Это также снижает величину нагрева рабочего тела и, как следствие, удельный импульс тяги микродвигателя.In addition, the implementation of the swirl gas stream in the form of inclined gas supply slots on the cylindrical flange of the cylindrical glass has a low efficiency swirling the gas stream. It also reduces the amount of heating of the working fluid and, as a consequence, the specific impulse of the micromotor thrust.
Анализ вопросов серийного изготовления микродвигателя выявил «слабые» производственные места микродвигателя. Так, технология использования термостойкого герметика для герметизации микродвигателя, изготавливаемого на основе термостойкого клея, включает послойное нанесение герметика в герметизируемую полость с поэтапной сушкой с поднятием температуры сушки на каждом из этапов. В процессе сушки необходимо постоянно уминать герметик в герметизируемой полости из-за его вспучивания для получения сплошной герметизирующей среды без пор. Весь цикл герметизации микродвигателя занимает до 10 дней.An analysis of the serial production of the micromotor revealed the "weak" manufacturing locations of the micromotor. So, the technology of using heat-resistant sealant for sealing a micromotor, made on the basis of heat-resistant adhesive, includes layer-by-layer application of sealant in a sealed cavity with step-by-step drying with an increase in the drying temperature at each stage. During the drying process, it is necessary to constantly crush the sealant in the cavity to be sealed due to its expansion to obtain a continuous sealing medium without pores. The entire sealing cycle of the micromotor takes up to 10 days.
Наличие в герметизируемой полости микродвигателя токовыводов термопар и нагревательных элементов, а также трубопровода подачи газообразного топлива приводит к появлению конструктивных застойных зон, в которых герметик в процессе сушки содержит поры, приводящие к появлению негерметичности микродвигателя.The presence in the sealed cavity of the micromotor of current leads of thermocouples and heating elements, as well as the pipeline for supplying gaseous fuel, leads to the appearance of constructive stagnant zones in which the sealant during the drying process contains pores, which lead to leakage of the micromotor.
Кроме того, окончательная герметизация микродвигателя осуществляется при пристыкованном защитном корпусе, еще более затрудняющем процесс нанесения герметика в конструктивные застойные зоны.In addition, the final sealing of the micromotor is carried out with a docked protective case, which further complicates the process of applying sealant to structural stagnant zones.
При неудачной герметизации микродвигателя, выявляемой при испытаниях собранного микродвигателя на герметичность, необходимо удалять затвердевший герметик, что приводит к однозначному повреждению термопар, проволочных нагревательных элементов, а зачастую керамических трубок и корпусных деталей. В этом случае необходимо заново собирать микродвигатель с заменой поврежденных элементов и его герметизировать, что является существенным недостатком.In case of unsuccessful sealing of the micromotor detected during the leak test of the assembled micromotor, it is necessary to remove the hardened sealant, which leads to unambiguous damage to thermocouples, wire heating elements, and often ceramic tubes and body parts. In this case, it is necessary to reassemble the micromotor with the replacement of damaged elements and seal it, which is a significant drawback.
В случае выхода из строя термопары при испытаниях собранного микродвигателя процедура ее замены также связана с удалением герметика и с полной переборкой микродвигателя.In the event of failure of the thermocouple during testing of the assembled micromotor, the procedure for its replacement is also associated with the removal of sealant and with the complete overhaul of the micromotor.
При переборке микродвигателя также выходят из строя нагревательные элементы, часть керамических трубок. Кроме того, возможно повреждение и корпусных деталей. Это также является существенным недостатком.When the micromotor is reassembled, the heating elements, part of the ceramic tubes, also fail. In addition, damage to body parts is possible. This is also a significant drawback.
Целью заявляемого микродвигателя является повышение удельного импульса тяги за счет повышения температуры рабочего тела путем снижения массы конструкции и гарантированной закрутки рабочего тела при протекании внутри микродвигателя, упрощение технологии сборки и повышение качества герметизации за счет обеспечения доступа к местам герметизации микродвигателя, обеспечение ремонтопригодности с сохранением нагревательных элементов и корпусных деталей в процессе переборки микродвигателя при неисправности термопары.The purpose of the inventive micromotor is to increase the specific impulse of thrust by increasing the temperature of the working fluid by reducing the mass of the structure and guaranteed twisting of the working fluid when flowing inside the micromotor, simplifying assembly technology and improving the quality of sealing by providing access to the sealing locations of the micromotor, ensuring maintainability while maintaining heating elements and body parts during the process of a micromotor bulkhead in case of a thermocouple malfunction.
Указанный технический результат достигается тем, что микродвигатель, содержит цилиндрический газовод с трубопроводом подачи в него газофицированного топлива с двумя цилиндрическими фланцами, расположенными на его наружной части с отступом от его торцов, размещенный внутри цилиндрического стакана в районе дна так, что свободный торец газовода уперт в дно цилиндрического стакана, длина которого выбрана из условия утопания противоположного цилиндрического фланца относительно открытого торца стакана и на котором на наружной поверхности выполнен завихритель, расположенные снаружи газовода между цилиндрическими фланцами проволочные электрические нагревательные элементы в двухканальных керамических трубках с выводом токоподводящих частей нагревательных элементов в трубках через пазы во фланце и отверстия в дне стакана, причем внутренний диаметр стакана равен наружному диаметру цилиндрических фланцев газовода, камеру в виде стакана, расположенную с зазором относительно цилиндрического стакана, в дне которого выполнено отверстие для размещения сопла Лаваля в виде выступающего фланца, на внутренней поверхности которого нарезана резьба, при этом на наружной части сопла выполнена аналогичная резьба, при помощи которой сопло ввинчено в выступающий фланец, причем торец сопла выполнен конической формы и контактирует с конической поверхностью, выполненной на торце газовода, термопары, чувствительные элементы которых размещены в микродвигателе, а токовыводы выведены наружу, термостойкий герметик, нанесенный в районе выхода токовыводов термопар и нагревательных элементов, при этом цилиндрический стакан выполнен с цилиндрическим насадком стакана большего диаметра в направлении от его дна и выхода токоподводящих частей нагревательных элементов, определяющего зазор между стаканом и камерой, на наружной поверхности которого выполнена резьба, при помощи которой стакан закреплен в камере при помощи ответной резьбы на внутренней поверхности камеры, и на наружной поверхности камеры со стороны выхода токовыводов нагревательных элементов при помощи резьбового соединения соосно установлен цилиндрический корпус, при этом токовыводы нагревательных элементов за пределами цилиндрического корпуса закреплены при помощи керамических трубок на кронштейне, соединенном с камерой микродвигателя с обеспечением доступа к внутренней полости цилиндрического насадка и корпуса, чувствительные элементы термопар игольчатого типа размещены в цилиндрическом стакане вблизи критического сечения сопла посредством отверстий в цилиндрическом фланце газовода и в дне стакана камеры, и токовыводы термопар через полость, образованную выступающим фланцем крепления сопла и цилиндрическим насадком камеры, выполненным на камере вокруг фланца установки сопла, торец которого расположен за фланцем установки сопла, проложены вдоль камеры микродвигателя и закреплены на кронштейне, причем термостойкий герметик нанесен в полости, образованной цилиндрическим насадком большего диаметра, камерой и цилиндрическим корпусом, а также в полости, образованной цилиндрическим насадком, дном, фланцем крепления сопла и соплом, при этом завихритель выполнен в виде полости, образованной поверхностями винтовой пружины, расположенной в зазоре между стаканом и камерой и контактирующей с внутренней поверхностью камеры и наружной гладкой поверхностью цилиндрического стакана и ориентирующей газовый поток в направлении к соплу, при этом на входе в полость завихрителя в боковой поверхности камеры выполнен входной патрубок, соединенный с трубопроводом подачи газофицированного топлива.The specified technical result is achieved in that the micromotor contains a cylindrical gas duct with a gas supply line for gas-fired fuel with two cylindrical flanges located on its outer part indented from its ends, located inside the cylindrical glass in the bottom region so that the free end of the gas duct is abutted the bottom of the cylindrical glass, the length of which is selected from the condition of immersion of the opposite cylindrical flange relative to the open end of the glass and on which on the outer surface and a swirl was made, located on the outside of the gas duct between the cylindrical flanges, electric wire heating elements in two-channel ceramic tubes with the output of the current-carrying parts of the heating elements in the tubes through grooves in the flange and openings in the bottom of the glass, the inner diameter of the glass being equal to the outer diameter of the cylindrical gas duct flanges, the chamber in the form glass, located with a gap relative to the cylindrical glass, in the bottom of which a hole is made to accommodate the Laval nozzle in the form protruding flange, on the inner surface of which a thread is cut, while on the outer part of the nozzle a similar thread is made, by means of which the nozzle is screwed into the protruding flange, the nozzle end being conical in shape and in contact with the conical surface made at the end of the gas duct, thermocouples, sensitive elements which are located in the micromotor, and the current leads are brought out, heat-resistant sealant applied in the area of the output of the thermocouple current leads and heating elements, while the cylindrical stack An is made with a cylindrical nozzle of a glass of a larger diameter in the direction from its bottom and the output of the current-carrying parts of the heating elements, which defines the gap between the glass and the chamber, on the outer surface of which a thread is made, by which the glass is fixed in the chamber by means of a reciprocal thread on the inner surface of the chamber, and on the outer surface of the chamber from the output side of the current outputs of the heating elements with a threaded connection, a cylindrical body is coaxially mounted, while the current outputs are heated The outside of the cylindrical casing is secured by ceramic tubes on the bracket connected to the micromotor chamber with access to the internal cavity of the cylindrical nozzle and the casing, the sensitive elements of needle-type thermocouples are placed in the cylindrical cup near the nozzle’s critical section through the holes in the cylindrical gas duct flange and the bottom of the chamber glass, and the thermocouple current leads through the cavity formed by the protruding nozzle mounting flange and cylindrical chamber adcom, made on the camera around the nozzle installation flange, the end of which is located behind the nozzle installation flange, are laid along the micromotor chamber and mounted on the bracket, and heat-resistant sealant is applied in the cavity formed by a cylindrical nozzle of a larger diameter, the camera and the cylindrical body, as well as in the cavity formed by a cylindrical nozzle, bottom, nozzle mounting flange and nozzle, while the swirl is made in the form of a cavity formed by the surfaces of a helical spring located in the gap do glass and the chamber and in contact with the inner surface of the chamber and the outer smooth surface of the cylindrical sleeve and the alignment direction of the gas flow in the nozzle, the inlet in the swirl chamber in the side surface of the chamber is formed inlet connected to a conduit supplying With gas fuel.
Заявляемый микродвигатель поясняется чертежами, на котором показано:The inventive micromotor is illustrated by drawings, which show:
- на фиг. 1 - общий вид микродвигателя в сборе;- in FIG. 1 - General view of the micromotor assembly;
- на фиг. 2 - вид на торец газовода со стороны сопла Лаваля;- in FIG. 2 - view of the end of the gas duct from the side of the Laval nozzle;
- на фиг. 3 - общий вид газовода;- in FIG. 3 - general view of the gas duct;
- на фиг. 4 - вид на торец газовода со стороны подвода газообразного топлива в газовод;- in FIG. 4 - view of the end of the gas duct from the side of the supply of gaseous fuel into the gas duct;
- на фиг. 5 - общий вид цилиндрического стакана;- in FIG. 5 is a general view of a cylindrical glass;
- на фиг. 6-7 - объемный вид микродвигателя (проволочные нагревательные элементы в керамических трубках условно не показаны);- in FIG. 6-7 is a three-dimensional view of a micromotor (wire heating elements in ceramic tubes are not conventionally shown);
- на фиг. 8 - объемный вид основных частей микродвигателя (проволочные нагревательные элементы условно не показаны);- in FIG. 8 is a three-dimensional view of the main parts of the micromotor (wire heating elements are conventionally not shown);
- на фиг. 9 - схема течения рабочего тела внутри микродвигателя.- in FIG. 9 is a diagram of the flow of the working fluid inside the micromotor.
Микродвигатель содержит газовод 1, газовая полость которого заканчивается съемным реактивным соплом 2. Газовод 1 выполнен с двумя цилиндрическими фланцами 3, 4, расположенными на его наружной части с отступом от его торцов. Газовод 1 размещен внутри цилиндрического стакана 5 в районе дна 6 так, что свободный торец газовода уперт в дно 6 стакана, а длина стакана выбрана из условия утопания противоположного цилиндрического фланца 3 относительно открытого торца стакана 5.The micromotor contains a
Снаружи газовода 1 между цилиндрическими фланцами 3, 4 расположены электрические нагревательные элементы 7 в двухканальных керамических трубках 8, например, в виде проволоки из нихрома, с выводом токоподводящих частей проволочных нагревательных элементов 7 в трубках 8 через пазы 9 во фланце 4 и отверстия 10 в дне 6 стакана 5.Outside the
Внутренний диаметр стакана 5 равен наружному диаметру цилиндрических фланцев 3, 4 газовода 1.The inner diameter of the
Камера микродвигателя цилиндрической формы расположена вокруг цилиндрического стакана 5 и содержит стакан 11 с дном 12, расположенным в районе сопла 2 за фланцем 3 газовода 1 по направлению к срезу сопла.The cylindrical micromotor chamber is located around the
В дне 12 выполнено отверстие для размещения сопла Лаваля в виде выступающего фланца 13, на внутренней поверхности которого нарезана резьба, при этом на наружной части сопла 2 выполнена аналогичная резьба, при помощи которой сопло ввинчено в выступающий фланец 13.In the
Стакан 11 содержит цилиндрический насадок камеры 14, выполненный на камере вокруг фланца 13 установки сопла 2 и расположенный за ним с зазором его торца относительно наружной поверхности сопла 2.The
Таким образом сформирована полость 15 вокруг резьбового соединения сопла 2 с фланцем 13.Thus, a
Торец сопла 2 выполнен конической формы и контактирует с конической поверхностью 16, выполненной на торце газовода 1, при этом полости газовода 1 и сопла 2 соединяются.The end face of the
На наружной поверхности стакана 11 между его торцами в районе дна 6 стакана 5 выполнен фланец 17 с винтами 18 для крепления частей микродвигателя и микродвигателя в составе двигательной установки. За фланцем 17 по направлению к токоподводящим частям нагревательных элементов 7 на стакане 11 выполнена наружная резьба 19.On the outer surface of the
Во фланце 17 выполнен также штуцер 20, полость которого соединена с внутренней полостью стакана 11, через который посредством приваренного трубопровода 21 подается рабочее тело.A fitting 20 is also made in the
Во фланцах 3, 4 выполнены отверстия 22, 23, а во фланце 3 выполнены пазы 24. Кроме того, в торцевой части газовода 1, контактирующего с в дном 6 цилиндрического стакана 5, выполнены прорези 25.
Кроме того, на торце стакана 5, контактирующего с дном 12 камеры, выполнены прорези 26.In addition, at the end of the
Цилиндрический стакан 5 выполнен с цилиндрическим насадком 27 большего диаметра в направлении от его дна и выхода токоподводящих частей нагревательных элементов, определяющего зазор между наружной поверхностью стакана 5 и внутренней поверхностью стакана 11 камеры, на наружной поверхности которой выполнена резьба 28, при помощи которой стакан закреплен в камере с помощью ответной резьбы на внутренней поверхности стакана 11.The
В зазоре между наружной поверхностью стакана 5 и внутренней поверхностью стакана 11 камеры расположен завихритель в виде пружины 29.In the gap between the outer surface of the
Чувствительные элементы игольчатых термопар 30 (две штуки, основная и резервная) через полость 15, отверстия 31 в дне 12, пазы 24 во фланце 4 заведены в полость стакана 5.Sensitive elements of needle thermocouples 30 (two pieces, the main and the backup) through the
Иглы термопар 30 проложены вдоль микродвигателя и через переходные муфты 32, соединяющие иглы термопар и токоподводящие кабели 33, при помощи двухканальных керамических трубок 34 жаропрочными нитками 35 закреплены с элементами пластинчатого кронштейна 36.The thermocouple needles 30 are laid along the micromotor and through the
Кронштейн 36 соединен с фланцем 17 винтами 18. При этом выступающие части винтов 18 используются как шпильки для крепления микродвигателя в составе двигательной установки.The
После установки термопар 30 полость 15 герметизируется термостойким герметиком 37. При этом обеспечивается как герметизация мест выхода чувствительных элементов термопар из дна 12, так и герметизация места выхода сопла 2 из фланца 13. Работа с нанесением герметика осуществляется через зазор между наружной поверхностью сопла 2 и насадком 14.After installing the
Выходы проволочных нагревательных элементов 7 в местах их соединения с токоподводящими металлическими трубками 38 загерметизированы термостойким герметиком 39 внутри цилиндрического насадка 40 с внутренней резьбой, соединенного со стаканом 11 при помощи резьбы 19. Работа с нанесением герметика осуществляется через торец насадка 40. Для крепления трубок 38 используются двухканальные керамические трубки 34, 41 и жаропрочные нитки 35.The outputs of the
Работа микродвигателя осуществляется следующим образом.The micromotor is as follows.
Перед подачей газообразного топлива в микродвигатель производится его разогрев включением основных (или резервных) нагревательных элементов 7. Возможно также включение нагревательных элементов 7 одновременно с подачей газообразного топлива. Расположение нагревательных элементов 7 в керамических трубках 8 обеспечивает надежную изоляцию от корпуса микродвигателя. При этом в торцах керамических трубок 8 проделаны соответствующие пропилы (фиг. 8), обеспечивающие утопание нагревательных элементов 7 в керамических трубках и исключение их контакта с металлическими элементами микродвигателя. Контроль температуры разогрева осуществляется термопарами 30, чувствительные элементы которых расположены в зоне расположения нагревательных элементов в полости цилиндрического стакана 5.Before supplying gaseous fuel to the micromotor, it is heated by turning on the main (or reserve)
Топливо микродвигателя (например, жидкий аммиак) предварительно газифицируется в испарителе двигательной установки и в газообразном виде подается в трубопровод 21 микродвигателя.The micromotor fuel (for example, liquid ammonia) is pre-gasified in the evaporator of the propulsion system and is supplied in gaseous form to the
Из трубопровода 21 через штуцер 20 газообразное топливо попадает в винтовую полость, образованную внутренней поверхностью стакана 11 камеры микродвигателя, внутренней поверхностью цилиндрического стакана 5 и контактирующего с ними винтового завихрителя в виде пружины 29.From the
Завихритель в виде пружины 29 обеспечивает вращательно-поступательное движение газообразного топлива в полости, увеличивая тем самым путь вокруг горячего корпуса стакана 5 и нагрев топлива.A swirl in the form of a
Далее газообразное топливо через прорези 26 в стакане 5 и отверстия 23 во фланце 3 газовода 1 попадает в полость, образованную стаканом 5, газоводом 1 и его фланцами 3, 4.Next, the gaseous fuel through the
В данной полости расположены нагревательные элементы 7 в двухканальных керамических трубках 8. Диаметр нагревательных элементов (например, проволоки из нихрома) меньше диаметра каналов в трубках 8. Плотность заполнения поперечного сечения данной полости составляет ≈67%. В этом случае газообразное топливо будет омывать горячие керамические трубки как снаружи, так и изнутри, проходя и по самим нагревательным элементам 7.In this cavity, the
Затем газообразное топливо через отверстия 22 во фланце 4 и прорези 25 у торца газовода 1 попадает в полость газовода 1 и истекает через реактивное сопло 2 (сопло Лаваля), создавая тягу с эффективностью (величиной удельного импульса тяги), в основном определяемой величиной нагрева истекаемого газообразного топлива.Then, the gaseous fuel through the
Токовыводы 38 выполнены в виде трубок из нержавеющей стали и их длина выбирается из условия наличия на их концах допустимой температуры для соединения токоподводящей кабельной сети путем пайки.The current leads 38 are made in the form of stainless steel tubes and their length is selected from the condition that there is an allowable temperature at their ends for connecting the current-supply cable network by soldering.
Установка микродвигателя в составе двигательной установки осуществляется через фланец 17 камеры микродвигателя. Вокруг камеры микродвигателя в составе двигательной установки для снижения тепловых потерь устанавливается многослойный теплозащитный кожух (на чертеже не показан).The installation of the micromotor as part of the propulsion system is carried out through the
Увеличение удельного импульса тяги, как основного показателя эффективности микродвигателя, во многом определяется температурой нагрева газообразного топлива и формой сопла.The increase in specific impulse of thrust, as the main indicator of the efficiency of a micromotor, is largely determined by the temperature of heating of gaseous fuel and the shape of the nozzle.
Температура нагрева газообразного топлива при заданной электрической мощности зависит от массовых характеристик микродвигателя.The heating temperature of gaseous fuel at a given electric power depends on the mass characteristics of the micromotor.
Оценим массовые характеристики микродвигателей по прототипу и заявляемому решению. При оценке будем иметь в виду, что отличия микродвигателей по массе обусловлены различными конструкциями токоподводящих частей микродвигателя (защитные кожуха для прототипа и кронштейн 36 для заявляемого решения).We estimate the mass characteristics of micromotors according to the prototype and the claimed solution. In the evaluation, we will bear in mind that the differences in the mass of the micromotors are due to the different designs of the current-carrying parts of the micromotor (protective casing for the prototype and
В реализованном образце микродвигателя по прототипу длина защитного кожуха составляет 35 мм, диаметр - 16 мм. Кроме того, имеются два боковых кожуха длиной 25 мм, диаметром 10 мм. Внутри данных кожухов размещены все токовыводы. Площадь кожухов составляет 3530 мм2. Примем эквивалентную толщину кожухов равной 0.8 мм. Тогда для металлических кожухов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т масса кожухов составит 21 г. Масса всего микродвигателя составляет 80 г.In the implemented prototype micromotor prototype, the length of the protective casing is 35 mm, the diameter is 16 mm. In addition, there are two side casings with a length of 25 mm and a diameter of 10 mm. Inside these enclosures are all current leads. The area of the casing is 3530 mm 2 . We take the equivalent thickness of the casing equal to 0.8 mm. Then, for metal casings made of stainless steel 12X18H10T, the mass of the casings will be 21 g. The mass of the entire micromotor is 80 g.
В заявляемом решении кронштейн 36 для крепления всех токовыводов выполнен фигурным и плоским. Его общая площадь с соблюдением основных габаритов кожухов по прототипу (длина 35 мм, общая ширина у торца микродвигателя 66 мм, ширина каждой полки 8 мм) составит 1100 мм2.In the claimed solution, the
Общая площадь кронштейна 36 более чем в три раза меньше площади кожухов по прототипу. При толщине кронштейна 0.8 мм его масса составит 6.4 г. Сокращение массы кожухов составит 69.5%, сокращение массы микродвигателя составит 18%.The total area of the
При использовании титановых сплавов для изготовления кожуха (кронштейна 36) сокращение массы микродвигателя составит 14%.When using titanium alloys for the manufacture of a casing (bracket 36), the micromotor mass reduction will be 14%.
Сокращение массы микродвигателя на (14-18)% приведет к увеличению удельного импульса тяги на 12-15% по сравнению с прототипом.A reduction in the mass of the micromotor by (14-18)% will lead to an increase in the specific impulse of thrust by 12-15% compared with the prototype.
Герметизация микродвигателя осуществляется нанесением специального герметика 37 в полость 15 и герметика 39 в полость цилиндрического насадка 40 со стороны открытого торца.The micromotor is sealed by applying a
Данные полости по сравнению с прототипом являются открытыми для нанесения и уплотнения герметика в процессе сушки, что обеспечивает высокое качество с получением сплошной (без пор) структуры герметика и, как следствие, высокую степень герметизации микродвигателя.Compared to the prototype, these cavities are open for applying and sealing the sealant during the drying process, which ensures high quality with obtaining a solid (without pores) sealant structure and, as a result, a high degree of sealing of the micromotor.
При выходе из строя в процессе испытаний микродвигателя термопары, как наиболее «слабого» элемента, ее замена осуществляется удалением герметика 37 из полости 15. При этом все конструктивные элементы микродвигателя сохраняются. После замены термопары полость 15 вновь герметизируется.If the thermocouple micromotor, as the most “weak” element, fails during testing, it is replaced by removing the
Таким образом, по сравнению с прототипом:Thus, compared with the prototype:
- сокращается время ремонта и его стоимость за счет исключения повреждения конструктивных элементов микродвигателя в процессе ремонта;- reduced repair time and its cost by eliminating damage to the structural elements of the micromotor in the repair process;
- обеспечивается высокое качество герметизирующей композиции и герметичность микродвигателя за счет доступа к герметизируемым полостям.- high quality of the sealing composition and the tightness of the micromotor due to access to the sealed cavities are ensured.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015113138/06A RU2594941C1 (en) | 2015-04-09 | 2015-04-09 | Electro-thermal micromotor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015113138/06A RU2594941C1 (en) | 2015-04-09 | 2015-04-09 | Electro-thermal micromotor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2594941C1 true RU2594941C1 (en) | 2016-08-20 |
Family
ID=56697512
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015113138/06A RU2594941C1 (en) | 2015-04-09 | 2015-04-09 | Electro-thermal micromotor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2594941C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3128735A1 (en) * | 1981-07-21 | 1983-02-10 | Erno-Raumfahrttechnik Gmbh, 2800 Bremen | ENGINE, ESPECIALLY FOR SPACING BODIES |
| US4608821A (en) * | 1984-07-31 | 1986-09-02 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Heat exchanger for electrothermal devices |
| RU2332583C1 (en) * | 2007-02-13 | 2008-08-27 | ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ПОЛЕТ-ИНТЕР" (ЗАО "Полет-Интер") | Thermal-electric micro engine |
| RU2442011C1 (en) * | 2010-07-02 | 2012-02-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" (ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева") | Electric thermal micro engine |
| RU2454560C2 (en) * | 2007-02-05 | 2012-06-27 | Астриум Гмбх | Micro engine for position control, low-thrust engine incorporating said micro engines, and method of producing said micro engine |
-
2015
- 2015-04-09 RU RU2015113138/06A patent/RU2594941C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3128735A1 (en) * | 1981-07-21 | 1983-02-10 | Erno-Raumfahrttechnik Gmbh, 2800 Bremen | ENGINE, ESPECIALLY FOR SPACING BODIES |
| US4608821A (en) * | 1984-07-31 | 1986-09-02 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Heat exchanger for electrothermal devices |
| RU2454560C2 (en) * | 2007-02-05 | 2012-06-27 | Астриум Гмбх | Micro engine for position control, low-thrust engine incorporating said micro engines, and method of producing said micro engine |
| RU2332583C1 (en) * | 2007-02-13 | 2008-08-27 | ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ПОЛЕТ-ИНТЕР" (ЗАО "Полет-Интер") | Thermal-electric micro engine |
| RU2442011C1 (en) * | 2010-07-02 | 2012-02-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" (ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева") | Electric thermal micro engine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN204612822U (en) | Thermocouple assembly and the gas-turbine unit comprising it | |
| RU2594941C1 (en) | Electro-thermal micromotor | |
| US10416439B2 (en) | Boroscope sheath | |
| RU2677746C2 (en) | Fuel injector for turbomachine | |
| US20090078828A1 (en) | Anti-ice valve components and methods of coupling a valve assembly to a servo controller of anti-ice valve components | |
| RU2583486C2 (en) | Injector for turbomachine combustion chamber | |
| Blinov et al. | Design features and studies of ammonia electrothermal microthrusters with tubular heating elements for small space vehicles | |
| Trelewicz et al. | Heat flux measurements in a scramjet combustor using embedded direct-write sensors | |
| CN104111124A (en) | Anti-corrosion device of temperature element of high-pressure cylinder of steam turbine | |
| Bake et al. | Indirect noise generation in a high pressure turbine stage | |
| RU2332583C1 (en) | Thermal-electric micro engine | |
| Anderson | Investigation of approach flow parameters, scaling factors, and measurement accuracy for film cooling effectiveness and heat transfer coefficient measurements | |
| RU2442011C1 (en) | Electric thermal micro engine | |
| CN112943484A (en) | Experimental device for researching heat transfer influence of roughness on wall surface of spray pipe | |
| CN211374456U (en) | Probe device for testing high-temperature corrosion resistance of metal material on heating surface of boiler | |
| Theuerkauf | Heat exchanger design and testing for a 6-inch rotating detonation engine | |
| Scortecci et al. | Development of a pulsed arc heater for a hypersonic high enthalpy wind tunnel | |
| RU2577332C1 (en) | Three-phase electric arc plasma generator and method for start-up thereof | |
| KR101977892B1 (en) | Propulsion engine test system with cooling function | |
| Lubkoll et al. | Introduction to heat transfer test setup for the SCRAP receiver | |
| US10767864B2 (en) | Turbine cooled cooling air by tubular arrangement | |
| Alimohammadi et al. | Experimental validation of a CFD methodology for transitional flow heat transfer characteristics of a steady impinging jet | |
| CN109723572A (en) | A kind of impulse rocket cluster engine | |
| US11307100B2 (en) | Gas turbine exhaust thermocouple assembly | |
| CN110208318B (en) | Plasma ablation performance testing device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner |