ЭЛЕКТРОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
ELECTRIC PUMP UNIT

Изобретение относится к машиностроительной гидравлике и может быть использовано в составе систем терморегулирования изделий космической и авиационной техники.
Известен электронасосный агрегат (ЭНА), содержащий электродвигатель с валом, выступающим с каждого торца электродвигателя, рабочие колеса, установленные на каждом из концов вала, и две стойки, присоединенные к фланцам электродвигателя, причем в стойках выполнены центральные расточки для размещения рабочих колес, входы и выходы которых соответственно объединены аксиальными трубопроводами (патент Российской федерации №2089754 по кл. F04D13/06, 1997 г.). Недостатком такого ЭНА являются значительные радиальные габариты из-за наличия двух аксиальных трубопроводов.
Этого недостатка лишен ЭНА, содержащий электродвигатель с корпусом в виде кругового цилиндра с фланцами с каждого из двух его торцев, а также сквозным валом, выступающим с каждого торца корпуса, стойки, каждая из которых присоединена к каждому фланцу корпуса соответственно, рабочие колеса, установленные на каждом из концов вала, и размещенные в центральной расточке каждой стойки, входные и выходные полости которых соответственно объединены посредством входного и выходного аксиальных по отношению к корпусу электродвигателя трубопроводов в виде кругового цилиндра, (патент Российской федерации №2136969 по кл. F04D13/06, 1999 г.), выбранный в качестве прототипа. Один из аксиальных трубопроводов размещен внутри другого, что позволило сократить радиальные габариты.
Недостатком такого ЭНА является значительная температура корпуса его электродвигателя при работе. Тепло, выделямое в корпусе электродвигателя, снимается с него в основном за счет теплопередачи на торцы электродвигателя, омываемые перекачиваемой этим ЭНА жидкостью, далее уносится этой жидкостью в радиатор системы терморегулирования, где происходит охлаждение жидкости, которая в дальнейшем вновь перекачивается на вход ЭНА. Поскольку основное тепловыделение происходит в статоре электродвигателя, через обмотки которого протекает рабочий ток, то тепло с этих обмоток снимается корпусом электродвигателя, и передается на торцы электродвигателя, проходя значительную длину, что не позволяет добиться эффективного теплосъема и передачи тепла жидкости. Поскольку ЭНА предназначен для изделий космической техники, естественная конвекция в герметичных отсеках отсутствует из-за невесомости, а в негерметичных - отсутствием в них атмосферы. Теплоизлучение корпуса электродвигателя происходит, однако при сравнительно низкой (с точки зрения излучения) температуре корпуса оно незначительно. Вследствие недостаточно эффективного теплосъема корпус электродвигателя нагревается до достаточно высокой температуры, что снижает его ресурс за счет ускоренного старения изоляции витков обмоток электродвигателя. Также высокая температура корпуса электродвигателя представляет опасность для экипажа космического летательного аппарата из-за возможности ожога.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является снижение температуры корпуса электродвигателя ЭНА при его работе и повышение безопасности оператора.
Этот результат достигается за счет того, что в известном электронасосном агрегате, содержащем электродвигатель с корпусом в виде кругового цилиндра с фланцами с каждого из двух его торцев, а также сквозным валом, выступающим с каждого торца корпуса, стойки, каждая из которых присоединена к каждому фланцу корпуса соответственно, рабочие колеса, установленные на каждом из концов вала, и размещенные в центральной расточке каждой стойки, входные и выходные полости которых соответственно объединены посредством входного и выходного аксиальных по отношению к корпусу электродвигателя трубопроводов в виде кругового цилиндра, согласно изобретению, между цилиндрическими поверхностями корпуса и одного из трубопроводов размещен теплоотвод, собранный из первой и второй секций, стянутых друг с другом резьбовыми деталями, при этом каждая из секций теплоотвода выполнена в виде цилиндра, имеющего одну плоскую грань боковой поверхности, с противоположной плоской грани стороны в каждой из секций выполнен вырез постоянного радиуса, при этом радиус выреза первой и второй секций теплоотвода соответственно равен радиусу цилиндрических поверхностей корпуса и ближайшего к второй секции теплоотвода трубопровода, обе секции теплоотвода контактируют друг с другом своими плоскими гранями, поверхность выреза первой секции теплоотвода охватывает цилиндрическую поверхность корпуса контактируя с ней, а поверхность выреза второй секции теплоотвода охватывает цилиндрическую поверхность ближайшего к ней трубопровода и контактирует с ней, при этом оси стягивающих секции теплоотвода резьбовых деталей размещены на пересечениях плоскости, параллельной плоским граням первой и второй секций теплоотвода, с плоскостями, перпендикулярными оси корпуса электродвигателя, на поверхности первой и второй секций теплоотвода, контактирующие друг с другом, а также с корпусом и трубопроводом, нанесена теплопроводящая паста.
На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения ЭНА, продольный разрез, на фиг. 2 - то же, вид слева, на фиг. 3 - то же, разрез по А-А (электродвигатель условно показан нерассеченным), на фиг. 4 и 5 приведены расчетные схемы, иллюстрирующие работу устройства.
Электронасосный агрегат содержит электродвигатель 1 с корпусом 2 в виде кругового цилиндра с фланцами 3 и 4 с каждого из двух его торцев 5, а также сквозным валом 6, выступающим с каждого торца 5 корпуса 2. ЭНА также содержит стойки 7 и 8, каждая из которых присоединена к каждому фланцу 3 и 4 корпуса 2 электродвигателя 1 соответственно. На каждом из концов вала 6 установлены рабочие колеса 9 и 10, размещенные в центральных расточках 11 и 12 стоек 7 и 8 соответственно. Входные 13 и 14 и выходные 15 и 16 полости стоек 7 и 8 соответственно объединены посредством входного 17 и выходного 18 аксиальных по отношению к корпусу 2 электродвигателя 1 трубопроводов в виде кругового цилиндра. Входной трубопровод 17 размещен внутри выходного трубопровода 18. Соединения выходного трубопровода 18 со стойками 7 и 8 уплотнены эластомерными кольцами 19, а электродвигателя 1 со стойками 7 и 8 уплотнены эластомерными кольцами 20. На стойке 7 выполнены входной 21 и выходной 22 патрубки. Фланцы 3 и 4 корпуса 2 электродвигателя 1 присоединены к стойкам 7 и 8 соответственно посредством винтов 23. Между цилиндрической поверхностью 24 корпуса 2 и цилиндрической поверхностью 25 одного из трубопроводов (в данном примере конкретного исполнения - выходного трубопровода 18) размещен теплоотвод 26, собранный из первой 27 и второй 28 секций. Вывод электропроводов от обмоток электродвигателя 1 осуществляется через выходящий из корпуса 2 кабель 29. В центральных расточках 11 и 12 размещены улитки 30 и 31 соответственно. Первая 27 и вторая 28 секции стянуты друг с другом резьбовыми деталями - тремя винтами 32, оси которых лежат в плоскостях Б, В и Г, перпендикулярных оси корпуса 2 электродвигателя 1. Каждая из секций теплоотвода 26 выполнена в виде цилиндра, т.е. тела, ограниченного цилиндрической поверхностью и двумя параллельными плоскостями, пересекающими ее. Цилиндрическая поверхность - поверхность, образуемая движением прямой (образующей), перемещающейся параллельно самой себе и пересекающей данную линию - направляющую (Математическая энциклопедия: Гл. ред. И.М. Виноградов, т.5 - М., «Советская энциклопедия», 1984, стр. 819, статья «Цилиндрическая поверхность»). Каждая из секций 27 и 28 имеет одну плоскую грань боковой поверхности -33 и 34 соответственно, с противоположной плоской грани стороны в каждой из секций 27 и 28 выполнен вырез 35 и 36 соответственно постоянного радиуса. Радиус выреза 35 первой 27 и выреза 36 второй 28 секций теплоотвода 26 соответственно равен радиусу R цилиндрической поверхности 24 корпуса 2 и радиусу г ближайшего к второй 28 секции теплоотвода 26 трубопровода (в данном примере - выходного трубопровода 18). Обе секции 27 и 28 теплоотвода 26 контактируют друг с другом своими плоскими гранями 33 и 34. Поверхность выреза 35 первой 27 секции теплоотвода 26 охватывает цилиндрическую поверхность 24 корпуса 2 контактируя с ней. Поверхность выреза 36 второй 28 секции теплоотвода 26 охватывает цилиндрическую поверхность 25 ближайшего к ней трубопровода 18 и контактирует с ней. Оси 37 стягивающих секции теплоотвода 26 резьбовых деталей - винтов 32 - размещены на пересечениях плоскости Д, параллельной плоским граням 33 и 34 первой 27 и второй 28 секций теплоотвода 26, с плоскостями, Б, В и Г, перпендикулярными оси корпуса 2 электродвигателя 1. На поверхности плоских граней 33 и 34 первой 27 и второй 28 секций теплоотвода 26, контактирующие друг с другом, а также на поверхности вырезов 35 и 36, контактирующие с корпусом 2 и трубопроводом 18, нанесена теплопроводящая паста (условно выделена на фиг. 3 толстой штриховой линией). На фиг. 4 показана расчетная схема в положении деталей устройства при минимально (с учетом допусков) возможном межосевом расстоянии С между корпусом 2 и трубопроводом 18, на фиг. 5 показана расчетная схема в положении деталей устройства при максимально (с учетом допусков) возможном межосевом расстоянии D между корпусом 2 и трубопроводом 18. Величина Е (фиг.5) - относительное смещение секций 27 и 28 по сравнению с положением, показанном на фиг. 4.
Электронасосный агрегат работает следующим образом: при вращении вала 6 электродвигателя 1 его вращение передается на рабочие колеса 9 и 10. Рабочая жидкость проходит через входной патрубок 21 (движение жидкости показано стрелками) и поступает во входную полость 13 стойки 7, а также через входной трубопровод 17 - во входную полость 14 стойки 8. Далее жидкость под действием рабочих колес 9 и 10 поступает выходные 15 и 16 полости стоек 7 и 8, оттуда - в кольцевое пространство между трубопроводами 17 и 18, и далее - в выходной патрубок 22 и гидросистему, которую питает ЭНА (на иллюстрации не показана). При работе электродвигателя 1 тепло с его обмоток снимается корпусом электродвигателя, и незначительная его часть передается на торцы 5 электродвигателя 1. Благодаря наличию теплоотвода 26 значительная часть выделяемого электродвигателем тепла передается с цилиндрической поверхности 24 корпуса 2 через секции 27 и 28 теплоотвода на цилиндрическую поверхность 25 ближайшего к секции 28 трубопровода 18, где далее тепло передается протекающей через кольцевое пространство между трубопроводами 17 и 18 жидкости и уносится с ней в радиатор системы терморегулирования (не показан), где происходит охлаждение жидкости, которая в дальнейшем вновь перекачивается на вход ЭНА. При этом эффективность теплосъема через теплоотвод 26 обеспечивается следующими факторами: незначительное (по сравнению с расстоянием от центра корпуса 2 до торцев 5 электродвигателя 1, через которое тепло передается к жидкости в прототипе) расстояние между корпусом 2 и трубопроводом 18, значительное сечение секций 27 и 28 в плоскости, перпендикулярной тепловому потоку от поверхности 24 к поверхности 25, а также равенство геометрических размеров радиусов выреза 35 первой 27 и выреза 36 второй 28 секций теплоотвода 26 соответственно радиусу R цилиндрической поверхности 24 корпуса 2 и радиусу г ближайшего к второй 28 секции теплоотвода 26 трубопровода (в данном примере - выходного трубопровода 18), и плоскостной контакт плоских граней 33 и 34 секций 27 и 28 теплоотвода 26. Поскольку поверхности 24 и 25 являются поверхностями круговых цилиндров, а боковые поверхности секций 27 и 28 являются поверхностями криволинейных цилиндров, то между поверхностями 24 и поверхностью выреза 35, гранями 33 и 34, поверхностью выреза 36 и поверхностью 25 существует не точечный, не линейный, а поверхностный контакт значительной площади, что обеспечивает эффективность теплопередачи. Разумеется, полного совпадения указанных поверхностей быть не может из-за обязательного наличия допусков на размеры деталей, но это компенсируется тем, что на поверхностях плоских граней 33 и 34 первой 27 и второй 28 секций теплоотвода 26, контактирующих друг с другом, а также на поверхностях вырезов 35 и 36, контактирующих с корпусом 2 и трубопроводом 18, нанесена теплопроводящая паста, заполняющая незначительные промежутки между указанными поверхностями. Применение теплопроводящих паст (герметиков) для теплопередачи хорошо известно в технике - например, герметик Эласил-137-42. Материал для секций 27 и 28 следует выбирать с достаточной теплопроводностью, но этого можно добиться методами обычного проектирования - например, алюминиевые сплавы обладают хорошим сочетанием достаточно высокой теплопроводности и низкой плотности, что предпочтительно для изделий космической техники. Также для закрепления секций 27 и 28 служат резьбовые детали - три винта 32, оси которых размещены на пересечениях плоскости Д, параллельной плоским граням 33 и 34 первой 27 и второй 28 секций теплоотвода26, с плоскостями, Б, В и Г, перпендикулярными оси корпуса 2 электродвигателя 1. Стягивание секций 27 и 28 друг с другом винтами 32 приводит к их смещению из среднего положения (фиг. 4) к конечному, показанному на фиг. 5, что увеличивает межосевое расстояние между центрами вырезов 35 и 36. На фиг. 3 и 4 показана идеальная ситуация, когда минимально возможное межосевое расстояние С между поверхностями 24 и 25 равно межосевому расстоянию вырезов 35 и 36, в этом случае центры поверхностей 24, 25 и поверхностей вырезов 35, 36 расположены на одной прямой (условно считаем, для иллюстрации, что остальные размеры выполнены точно, без допусков, чтобы проще пояснить работу устройства). В случае, показанном на фиг. 5, межосевое расстояние D между поверхностями 24 и 25 выполнено максимально возможным (из-за наличия допусков). Расстояние же между центрами вырезов 35 и 36, измеренное в плоскости, перпендикулярной граням 33 и 34, осталось равным С (мы приняли, что размеры корпуса 2, трубопровода 18 и секций 27, 28 выполнены идеально точно). Для обеспечения неразрывности контакта между поверхностями 24 и поверхностью выреза 35, гранями 33 и 34, поверхностью выреза 36 и поверхностью 25 трубопровода 18 необходимо сместить секции 27 и 28 друг относительно друга в направлении осей винтов 32 (в вертикальном направлении по фиг. 5) на величину Е. По теореме Пифагора, из рассмотрения фиг. 5, следует
Например, если С=49,9 мм, a D=50,1 мм (при достаточно грубом допуске на размер, равном ±0,1 мм), величина Е составит 4,47 мм. При стягивании секций 27 и 28 на такую величину будет обеспечен надежный контакт между поверхностями, через которые осуществляется теплоотвод от поверхности 24 к поверхности 25, а также фиксация секций 27 и 28 между трубопроводом 18 и корпусом 2 электродвигателя 1 без использования каких-либо иных крепежных деталей, кроме упомянутых винтов 32. При выводе величины Е мы не учитывали допуски на диаметры поверхностей 24 и 25 и на размеры секций 27 и 28, но методами обычного инженерного расчета, не требующими изобретательской деятельности, они также могут быть учтены, просто формула не будет столь наглядной для пояснения работы устройства. Указанное в прототипе положение одного из аксиальных трубопроводов внутри другого не является обязательным для реализации, теплоотвод можно осуществлять от поверхности корпуса к любому трубопроводу, исходя из известных законов теплопередачи.
В результате использования изобретения достигается существенное снижение температуры корпуса электродвигателя ЭНА при его работе за счет увеличения эффективности отвода тепла от электродвигателя. Так, в опытном образце ЭНА применение заявленного теплоотвода привело к снижению температуры корпуса электродвигателя на величину от 15 до 20 градусов Цельсия по сравнению с работой того же ЭНА без установленного теплопровода. Также достигнуто повышение безопасности оператора при работе с ЭНА - снижена вероятность ожога при случайном касании работающего ЭНА. Вышеуказанные преимущества ЭНА позволяют рекомендовать заявленное изобретение к внедрению в изделиях космической техники, особенно учитывая тенденцию к повышению мощности ЭНА, применяемых в современных системах терморегулирования изделий космической техники.