ЭЛЕКТРОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
ELECTRICALLY DRIVEN PUMP UNIT

Предполагаемое изобретение относится к машиностроению, а именно к герметичным электронасосным агрегатам (в дальнейшем ЭНА), преимущественно систем терморегулирования космических аппаратов (в дальнейшем СТР КА). В различных областях машиностроения остро стоит проблема перекачивания агрессивных, токсичных, пожароопасных, радиоактивных, парфюмерных жидкостей, где требуется высокая герметизация внутренней полости насоса.
Известен крупногабаритный центробежный промышленный насос для аммиака (см. http://www.ena.ru/catalog/list.php?SID=22) в камеру торцевого уплотнения которого подается затворная жидкость из бачка и конструкция которого по этой причине не приемлема для применения в СТР КА. Кроме того, температура перекачиваемого аммиака от -45°С до -10°С, что также неприемлемо для СТР КА, где температура жидкости может быть порядка плюс 30°С.
Известны конструкции герметичных электронасосов (см. стр.4-6 книги: С. В. Поклонов. Асинхронные двигатели герметичных электронасосов. Ленинград. Энергоатомиздат., Ленинградское отделение. 1987). Данные устройства имеют экран статора, отделяющий статор электродвигателя от полости ротора, расположенного в рабочей жидкости. Недостатком электронасосов на базе указанного электродвигателя является наличие ротора, расположенного в рабочей жидкости, сравнительно больших габаритов с относительно малыми зазорами, вызывающими при вращении повышенные потери на трение пропорциональные скорости вращения. Кроме того, материалы, применяемые при изготовлении ротора и оптимальные с точки зрения электрической машины, зачастую оказываются не стойкими в агрессивных средах, таких, например, как аммиак, применяемый в СТР КА с двухфазными контурами (далее ДФК).
В настоящее время в СТР КА для малоагрессивного теплоносителя типа изооктан применяются ЭНА (см. стр.3-4, 6-9, 16-20 книги: Краев М.В., Лукин В.А., Овсянников Б.В. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. М.: Машиностроение, 1985), которые обеспечивают циркуляцию теплоносителей в замкнутых контурах СТР КА с заданным расходом и напором, но относительно малым кпд по вышеуказанным недостаткам ротора электрической машины, расположенного в рабочей жидкости и имеющего повышенные потери на трение о жидкость.
th
Известен ЭНА для СТР с ДФК применяемый в наземном оборудовании с малоагрессивным (фреон 113) и малоэффективным теплоносителем из-за нестойкости некоторых материалов, например меди, в высокоэффективном теплоносителе аммиаке (см. сборник HEAT PIPE TECHNOLOGY Theory and Applications, Proceedings of The 7International heat Pipe Symposium, Jeju, Korea, October 12-16, 2003, стр.216, 217). ЭНА имеет затопленный ротор с вышеуказанными недостатками.
Известен также ЭНА, который содержит корпус насоса, корпус электродвигателя, выполненные из алюминиевого сплава АМг6 и герметично соединенные корпусной сваркой, рабочее колесо, подшипники качения, датчик положения ротора с магнитом, экранирующую гильзу статора, выполненную из немагнитного материала (титанового сплава), герметично соединенную сваркой с корпусом электродвигателя посредством слоистой биметаллической втулки, выполненной из алюминиевого сплава снаружи со стороны корпуса электродвигателя и из титанового сплава изнутри со стороны экранирующей гильзы (см. патент Российской Федерации № 2290540 C1, MHK F 04 D 13/06, F04D 29/02). Несмотря на более высокий кпд по сравнению с известными аналогами благодаря подбору материалов, например гильзы из титанового сплава, ЭНА имеет затопленный ротор электрической машины и, соответственно, повышенные потери на трение и необходимость применения материалов ротора электрической машины в первую очередь стойких в агрессивных средах и не оптимальных по электрическим характеристикам.
Проведенный анализ патентных и научно-технических источников информации показал, что наиболее близким по технической сути (прототипом) для предлагаемого технического решения является электронасосный агрегат, сущность которого раскрыта в изобретении US 5066200. Данный центробежный насос предназначен для перекачки агрессивных и/или коррозийных материалов. ЭНА содержит корпус насоса со входом и выходом, корпус электродвигателя со статором и ротором, приводной вал насоса на опорах; магнитную сборку в виде втулки несущей магниты, размещенные таким образом, чтобы находиться в отношении противостояния с магнитами, прикрепленными к радиально-расходящейся несущей одного из концов приводного вала насоса, с расположенной между магнитами втулки и насадки герметичной стенкой; приводной вал двигателя, средства сцепления для соединения вала двигателя с валом насоса; кожух, расположенный между корпусом двигателя и корпусом насоса и герметично к ним крепящийся; герметичный резервуар для хранения жидкости.
Данное устройство является сложным конструкционно и состоит из большого числа деталей, что определяет увеличение веса и снижение надежности, что неприемлемо в условиях работы космических аппартов.
Целью предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а также увеличение КПД и улучшение эксплуатационных характеристик.
Поставленная цель достигается за счет того, что в электронасосном агрегате, содержащем корпус насоса с входом и выходом, корпус электродвигателя со статором и ротором, дополнительный ротор насоса на опорах; магнитную муфту, предназначенную для передачи вращения от двигателя дополнительному ротору насоса, магниты которой размещены противоположно относительно находящейся между ними герметичной тонкостенной гильзы, ротор электродвигателя выполнен в виде раструба со стороны тонкостенной гильзы с установленным на нем постоянным магнитом магнитной муфты, взаимодействующим с постоянным магнитом, закрепленным на дополнительном роторе насоса, внутри тонкостенной гильзы, выполненной заодно с корпусом насоса. При этом рекомендуется со стороны входа корпуса насоса выполнить подпятник, например, гидродинамический; на дополнительном роторе со стороны входа выполнить коническую выемку, сопряженную с шариком шариковой опоры корпуса насоса; снаружи тонкостенную гильзу снабдить центрирующей поверхностью, сопрягаемой с поверхностью неподвижной оси насоса; постоянные магниты на раструбе ротора электродвигателя и на дополнительном роторе насоса установить со смещением в осевом направлении; корпус электродвигателя соединить с корпусом насоса с помощью установленной неподвижно оси и гайки.
Предложенное устройство поясняется чертежом, на котором показан ЭНА, включающий следующие элементы.
Бесконтактный электродвигатель постоянного тока со статором 1 и ротором 2, который выполнен в виде раструба 3 со стороны тонкостенной гильзы 8; на внутренней стороне раструба 3 установлен постоянный магнит 5, взаимодействующий с дополнительно установленным постоянным магнитом 6, закрепленным на дополнительном роторе 7 рабочего колеса 4 лабиринтно-винтового насоса (ЛВН) внутри герметичной части ЭНА.
Герметичная часть ЭНА заключена в тонкостенную гильзу 8, выполненную заодно с корпусом 9 ЛВН. Данная конструкция включает в себя:
- постоянный магнит 6;
- гидродинамические опоры 10 и 11;
- упорный подпятник 12 (например, гидродинамический), выполненный со стороны входа корпуса ЛВН 9;
- рабочее колесо 4 лабиринтно-винтового насоса;
- штуцера входа (впуска) и выхода (выпуска) рабочего теплоносителя 13 и 14 соответственно.
Гильза 8 ЭНА точно совмещена с неподвижной осью 17 ЛВН по центрирующей поверхности 15. Благодаря этому «эксцентриситет» между магнитами 5 и 6 снижается до минимума, что снижает радиальную нагрузку на гидродинамические опоры 10 и 11.
ЭНА содержит неподвижный корпус электродвигателя 16 с осью 17 и опорами 18.
Неподвижный корпус 16 соединен с корпусом 9 ЛВН с помощью установленной неподвижно на последнем оси 17 и гайки 19.
Теплоноситель поступает к штуцеру входа 13, через штуцер выхода 14 покидает ЭНА, имея расход и повышенное давление.
ост
ном
ост
В момент раскрутки шариковая опора 20 на входе корпуса ЛВН вращается и взаимодействует с конической частью (выемкой) 21 дополнительного ротора 7. Затем при возрастании скорости вращения момент в шариковой опоре 20, как известно, возрастает по кубической зависимости от скорости вращения вала n. В предложенном устройстве при скорости вращения n=n момент трения в шариковой опоре 20 превышает момент трения в подпятнике 12, шарик шариковой опоры 20 останавливается, и работает только гидродинамический подпятник 12. Номинальная скорость вращения n дополнительного ротора 7 больше скорости остановки n шарика шариковой опоры 20. Постоянные магниты 5 и 6 смещаются в осевом направлении на расстояние ±δ, тем самым создавая усилие в осевом направлении разгружая или нагружая определенным усилием подпятник 12. Таким образом, предложенный ЭНА имеет оптимизированную электрическую часть в виде бесконтактного электродвигателя постоянного тока с «сухим» ротором 2, многофазной обмоткой статора 22, датчиком положения ротора 23 и обмоткой датчика положения ротора 24. Полупроводниковый коммутатор ППК не показан.
ЭНА работает следующим образом.
При подаче напряжения на ППК по сигналу датчика положения ротора 23 с обмоткой датчика положения ротора 24 происходит коммутация соответствующего транзисторного ключа ППК и соответствующей обмотки статора 22, затем следующей обмотки статора 22. В примере конкретного осуществления предлагаемого изобретения обмотка статора 22 была трехфазной. Коммутацией в ППК поочередно обмоток статора 22 создается вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с постоянным магнитом 5 ротора 2, приводит его во вращение. Через синхронную муфту в виде постоянных магнитов 5 и 6 вращение передается на дополнительный ротор 7 с рабочим колесом 4 лабиринтно-винтового насоса. Рабочее колесо 4 ЛВН при вращении засасывает теплоноситель через штуцер входа 13 и выпускает через штуцер выхода 14. На корпусе 9 имеется обратная винтовая нарезка.
ном
2
Номинальная скорость вращения дополнительного ротора 7 поддерживалась на уровне n=5800 об/мин. При наружном диаметре рабочего колеса 4 ЛВН, равном 22 мм, расход аммиака был равен 40 г/сек, а напор 1,8 кг/см, что требовалось для СТР КА с ДФК. Смещение δ в осевом направлении постоянных магнитов 5 и 6 относительно друг друга составило 1 мм, что обеспечило устойчивую работу ЭНА.
При эксплуатации на орбите в невесомости рабочее колесо 4 ЛВН с корпусом 9 представляет собой третью гидродинамическую опору, расположенную между двумя радиальными опорами 10 и 11 дополнительного ротора 7, который имеет сравнительно небольшие размеры и соответственно небольшие гидравлические потери и высокий кпд ЭНА.
Благодаря третьей опоре обеспечена устойчивая работа в невесомости.
ост
При n=1800 об/мин шарик шариковой опоры 20 останавливался. Явление полускоростного вихря не наблюдалось, что подтверждено испытаниями ЭНА в вертикальном положении (электродвигатель сверху). Внутри герметичной части гильзы 8 все материалы деталей подобраны совместимыми с агрессивной жидкостью аммиак, и эти детали не являются частями электрической машины, которая оптимизирована по кпд с применением требуемых материалов для обеспечения высоких электрических характеристик. По сравнению с известными ЭНА кпд увеличен на 11%; улучшены эксплуатационные характеристики за счет ремонтопригодности.
Предложенная конструкция ЭНА предполагает осевое усилие от рабочего колеса 4 ЛВН, действующее на дополнительный ротор 7 насосного агрегата и направленное в сторону «от двигателя». Осевое усилие может быть создано осевым сдвигом магнитов 5 и 6, образующих синхронную магнитную муфту, или компенсировано до нужной величины.
Используемые до настоящего времени электродвигатели с заполнением полости ротора хладоагентом имеют ряд существенных недостатков, в частности низкий кпд, определяемый вышеуказанными дополнительными потерями, а также эксплуатационные трудности, возникающие при замене электродвигателя в системе охлаждения КА при наземной отработке и особенно в космосе, в том числе в обитаемых КА.
Использование в качестве привода бесконтактного электродвигателя постоянного тока с «сухим» ротором позволяет обеспечить:
- регулирование частоты вращения в широких пределах;
- кпд на уровне 80%;
- необходимую гарантийную наработку.
Электронный блок управления двигателем может быть выполнен как во встроенном исполнении, так и раздельно от электропривода.
В настоящее время предложенный ЭНА проходит стадию испытаний.