ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ЭЛЕКТРОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
TWO-STAGE ELECTRICALLY DRIVEN PUMP UNIT

Изобретение относится к машиностроительной гидравлике и может быть использовано как электронасосный агрегат (ЭНА) в составе систем терморегулирования (СТР) самолетов и космических аппаратов (КА).
Известен многоступенчатый электронасосный агрегат (ЭНА), содержащий корпус, электродвигатель, три рабочих колеса и направляющие движениия жидкости устройства, размещенные между ними (Малюшенко В.В. Динамические насосы. - М.: Машиностроение, 1984, лист 49, рис. 124).
Недостатком этого ЭНА является секционная конструкция, что приводит к наличию большого числа уплотнений между внутренней полостью и атмосферой, повышению вероятности утечек жидкости, к снижению КПД, надежности, повышению массы.
Известен также ЭНА (патент RU №2042053), содержащий корпус с входным и выходным патрубками, установленную в нем и контактирующую с ним своей наружной цилиндрической поверхностью обойму, в расточке которой размещены электродвигатель и n (n=2) рабочих колес, а также контактирующие с ее внутренней цилиндрической поверхностью втулки с полостями для размещения рабочих колес и диафрагмы между втулками, расположенные в обойме n-1 переводных каналов, сообщающих выход каждого предыдущего и вход в каждое последующее рабочее колесо.
Недостатками указанного ЭНА являются: пониженные КПД, надежность, повышенная масса.
Причинами этого являются:
1. 3начительные радиальные габариты и масса ЭНА, вызванные значительной толщиной обоймы, которая складывается из глубины винтовой канавки и толщины стенки между дном канавки и расточкой обоймы. Первая составляющая определяется исходя из сечения винтовой канавки, которое, в свою очередь, определяется расходом ЭНА и соответственно не может быть произвольно уменьшено. Вторая составляющая определяется условием прочности детали при обработке, и ее величина также не может быть снижена более определенного значения, при достижении которого может начаться деформация материала обоймы при фрезеровании винтовой канавки.
2. Сложность конструкции, в том числе из-за наличия контроля зазоров между втулками, диафрагмой и рабочими колесами, который может быть осуществлен через отверстия в обойме, специально выполненные для этой цели.
В качестве прототипа выбран «Многоступенчатый электронасосный агрегат» (патент RU №2369777), содержащий корпус с входным и выходным патрубками, установленную в нем и контактирующую с ним своей наружной цилиндрической поверхностью обойму, в расточке которой размещены электродвигатель и n [n=2, 3 и т.д.] рабочих колес, а также контактирующие с ее внутренней цилиндрической поверхностью втулки с полостями для размещения рабочих колес и диафрагмы между втулками, расположенные в обойме n-1 переводных каналов, сообщающих выход каждого предыдущего и вход в каждое последующее рабочее колесо.
В прототипе переводные каналы выполнены в виде сквозных пазов между внутренней и наружной цилиндрическими поверхностями обоймы, в расточке выполнен упор для одной из крайних втулок, а фиксаторы углового положения выполнены в виде штифтов, размещенных во втулках, диафрагмах и упоре расточки обоймы, при этом штифты размещены внутри внутренней цилиндрической поверхности обоймы.
Недостаток прототипа заключается в недостаточно высокой надежности, низком КПД, в сложности устройства и повышенной массе (в том числе из-за применения в его составе двух втулок), недостаточно широкие условия применения.
Задачи предложенного технического решения: повышение надежности, увеличение КПД, упрощение конструкции, уменьшение массы, расширение условий применения ЭНА.
Задачи решаются за счет того, что двуступенчатый электронасосный агрегат (ЭНА), содержит входной и выходной патрубки; и два ЭНА, каждый из которых содержит электродвигатель с герметично разделенными корпусами из титана соответственно для ротора с его валом на подшипниках и статора, соединенного по периметру свободной частью корпуса с алюминиевым корпусом насоса, в корпусе которого на валу ротора электродвигателя закреплены последовательно втулка, левое и правое рабочие колеса, установленные в расточке обоймы; рабочие полости рабочих колес разделены вертикальной диафрагмой и содержат жидкостные переводные каналы, соединение корпуса статора электродвигателя и корпуса насоса выполнено герметично посредством монолитного переходного биметаллического кольца соответственно с титановой и алюминиевой сторонами; полость корпуса ротора электродвигателя выполнена сообщающейся с полостью рабочего колеса по жидкости через подшипники ротора; вертикальная диафрагма выполнена заодно с обоймой герметично по ее внешнему периметру; один переводной канал выполнен на участках обоймы и втулки и соединяет выход рабочей полости правого рабочего колеса и вход рабочей полости левого рабочего колеса, другой переводной канал выполнен на участках обоймы и корпуса ЭНА и соединяет выход рабочей полости левого рабочего колеса и выходной патрубок корпуса ЭНА; электронасосные агрегаты расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через входной патрубок, выходной патрубок и шарообразный обратный клапан, установленный на пересечении выходов переводных каналов электронасосных агрегатов с каналом выходного патрубка; подпружиненный с наружной стороны выходного патрубка корпус ЭНА выполнен в виде единой конструкции.
Предложенное решение - электронасосный агрегат представлен на чертеже - общий вид ЭНА в разрезе.
Предложенный ЭНА содержит с одной стороны электродвигатель с герметично разделенными корпусами 1, 2 из титана соответственно для ротора с его валом 3 на подшипниках и статора, соединенного по периметру свободной частью корпуса 2 с алюминиевым корпусом 4 ЭНА посредством монолитного переходного биметаллического кольца 19 соответственно с титановой и алюминиевой сторонами.
В корпусе насоса 4 на валу 3 ротора электродвигателя закреплены последовательно втулка 8, левое и правое рабочие колеса 9, 10, установленные в расточке обоймы 7. С другой стороны на поверхности корпуса 4 выполнены входной и выходной патрубки 5, 6. Рабочие полости 11, 12 рабочих колес 9, 10 соответственно, разделенные вертикальной диафрагмой 13, содержат жидкостные переводные каналы 14, 15. Канал 14 выполнен на участках обоймы 7 и втулки 8 и соединяет выход 16 полости 12 правого рабочего колеса 10 и вход 17 полости 11 левого рабочего колеса 9. Канал 15 выполнен на участках обоймы 7 и корпуса 4 насоса и соединяет выход 18 полости 11 левого рабочего колеса 9 и выходной патрубок 6 корпуса 4 насоса.
Поставленные задачи для предложенного ЭНА решены за счет того, что:
1. Диафрагма 13 выполнена заодно с обоймой 7 герметично по ее внешнему периметру (это позволило снизить непроизводительные перетекания жидкости внутри насоса из полости 11 рабочего колеса 9 в полость 12 рабочего колеса 10, повысить КПД ЭНА); нижний и верхний жидкостные переводные каналы 14, 15 выполнены в виде герметичных каналов соответственно в обойме 7 и втулке 8 (за счет этого обеспечено снижение непроизводительных перетеканий жидкости внутри насоса и тем самым повышение его КПД). Соединение корпуса 2 статора электродвигателя и корпуса 4 насоса выполнено герметично посредством монолитного переходного биметаллического кольца 19 соответственно с титановой и алюминиевой сторонами и герметичными по замкнутым периметрам сварочными швами 20, 21 соответственно по титану и алюминию (это позволило повысить герметичность ЭНА, его надежность, упростить конструкцию и снизить массу). Полость корпуса 1 ротора электродвигателя выполнена сообщающейся с полостью 11 рабочего колеса 9 по жидкости через подшипники ротора (это позволило повысить надежность работы подшипников за счет вращения их в жидкости).
2. Соосную стыковку отдельных каналов соответствующих деталей и формирование из них жидкостных переводных каналов 14, 15 осуществляют посредством вновь введенных штифтов 22, 23, которые изготовлены с большим диаметром по сравнению с диаметром указанных каналов и с их продольными осями, соосными соответствующим осям стыкуемых каналов. Это позволило обеспечить более плотные торцевые сопряжения жидкостных переводных каналов 14, 15, снизить непроизводительные перетекания жидкости внутри насоса и тем самым повысить его КПД; кроме того, обеспечить фиксацию углового положения втулки 8 относительно обоймы 7 и обоймы 7 относительно корпуса 4 насоса, повысить надежность ЭНА.
3. ЭНА выполнен с симметрично расположенным дополнительным (резервным) электронасосным агрегатом 24, конструктивно аналогичным основному ЭНА. При этом плоскость симметрии проходит через входной патрубок 5, выходной патрубок 6 и шарообразный обратный клапан 25, установленный на пересечении выходов переводных каналов 15, 26 основного и дополнительного агрегатов с каналом выходного патрубка 6. Выходной патрубок 6 выполнен общим для корпусов обоих электронасосных агрегатов, как и входной патрубок 5, а сами корпуса выполнены в виде единой конструкции. Это позволило конструктивно упростить устройство при решении задачи функциональной автономности работы того или иного ЭНА по обеспечению требуемой циркуляции жидкости в замкнутом контуре СТР КА, повысить его надежность, уменьшить массу агрегата.
Обратный клапан 25 устанавливают снаружи через выход выходного патрубка 6. Предварительно к клапану 25 закреплена одним концом пружина, другой конец которой закреплен в выемке, которая выполнена на внутренней боковой цилиндрической поверхности выходного патрубка 6.
Предложенный ЭНА работает следующим образом.
В процессе функционирования ЭНА в составе замкнутого жидкостного контура СТР КА жидкость (жидкостный теплоноситель) под напором, создаваемым одновременным вращением последовательно установленных рабочих колес 10, 9, поступает на входной патрубок 5, далее - на правое рабочее колесо 10 в его полости 12, с выхода 16 которой и через переходной канал 14 поступает на вход 17 полости 11 левого рабочего колеса 9 и далее через переходной канал 15 - на обратный клапан 25 и выходной патрубок 6 насоса. За счет последовательно установленных рабочих колес 10, 9 на одном валу 3 ЭНА создает расход жидкости с повышенным напором. Дополнительный ЭНА работает аналогично. С учетом полученных улучшенных характеристик ЭНА стало возможным расширение его применения в СТР КА как с жидкостным теплоносителем, так и с двухфазным (газожидкостным).
В настоящее время предложенное устройство находится на стадии выпуска конструкторской документации на действующий опытный образец с перспективой его внедрения на КА собственной разработки.