ЭЛЕКТРОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
ELECTRIC PUMP UNIT

Предлагаемое изобретение относится к космической технике, в частности к герметичным электронасосным агрегатам (ЭНА) для систем терморегулирования космических аппаратов.
Известны конструкции герметичных электронасосов (см. стр.4-6 книги: С. В.Поклонов. Асинхронные двигатели герметичных электронасосов. Ленинград, Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1987), в которых выполнен экран статора из немагнитной стали, имеющий относительно высокое удельное электрическое сопротивление и герметически отделяющий полость статора от рабочей жидкости с применением приваривания концов (краев) экрана на массивные детали торцевых зон статора.
3
Недостаток указанного электронасоса заключается в низком коэффициенте полезного действия (КПД) и большой его массе. Причина этого то, что экран статора выполнен из стали, как и корпус электронасоса, которые герметично соединены между собой сваркой. Для сравнения приведем удельные плотности стали и алюминия (из сплава которого АМг6 изготавливаются ЭНА для космических аппаратов), равные соответственно 7800 и 2700 кг/м .
КПД работы электродвигателя прототипа снижен за счет больших токов Фуко, возникающих в стальном экране статора при перемагничивании его магнитопровода, что приводит к превращению значительной части потребляемой электроэнергии в бесполезное тепло.
В настоящее время в СТР КА применяются малорасходные электронасосы (см. стр.3-4, 20 6-9, 16-20 книги: Краев М.В., Лукин В.А., Овсянников Б.В. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. М.: Машиностроение, 1985), которые предназначены для обеспечения циркуляции жидкого теплоносителя в замкнутых гидравлических контурах систем терморегулирования космических аппаратов при заданных расходах и напорах теплоносителя. В указанной книге описаны различные конструкции ЭНА.
Известен ЭНА, в котором статор герметично отделен от жидкости экранирующей гильзой (см. стр.17, рис.1.8. Схема электронасосного агрегата книги: Краев М.В., Лукин В.А., Овсянников Б.В. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. М.: Машиностроение, 1985).
Недостаток указанного ЭНА заключается в малом ресурсе, низкой надежности его работы, низком КПД и большой его массе, что исключает возможность его применения на современных КА со сроком активного существования 10-15 лет. Причины указанных недостатков заключаются в следующем. Герметичность корпуса ЭНА выполнена с применением резиновой герметизирующей прокладки, а не с помощью сварки (см. рис.1.8 между позициями 2 и 3 на стр.17 книги: Краев М.В., Лукин В.А., Овсянников Б.В. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. М.: Машиностроение, 1985).
В качестве прототипа выбран ЭНА (RU 2290540), содержащий корпус насоса и корпус электродвигателя, выполненные из алюминиевого сплава, например АМг6, и герметично соединенные при помощи сварки, электродвигатель со статором и ротором, установленным на подшипниках качения с контролируемым датчиком его положения и герметично отделенный от статора при помощи немагнитной экранирующей гильзы; связь корпуса электродвигателя с экранирующей гильзой осуществлена с помощью слоистой биметаллической втулки, состоящей из титанового и алюминиевого сплавов, причем титановая часть приварена к экранирующей гильзе, а алюминиевая - к корпусу электродвигателя. Экранирующая гильза выполнена из титанового сплава, например ВТ14.
Прототип не обладает достаточно высокими коэффициентом полезного действия (КПД), надежностью и легкостью. Причины этому:
- ротор и вал ротора вращаются вхолостую, не обеспечивая дополнительную прокачку жидкости, что ухудшает КПД ЭНА, увеличивает его массу;
- подшипники качения работают в застойной жидкостной зоне, в которой не исключается накопление неблагоприятных отработок от подвижных элементов, что снижает надежность их работы;
- подшипники не разгружены от осевого усилия со стороны рабочего колеса с лопастями, взаимодействующими с потоком жидкости в осевом направлении, что снижает надежность работы подшипников.
Задачи изобретения: повышение КПД, надежности, уменьшение массы.
Задачи решены за счет того, что в предложенном ЭНА, содержащем выполненные из алюминиевого сплава, например АМг6, и герметично соединенные при помощи сварки корпус электродвигателя с дном и с установленными в нем статором и датчиком положения ротора, и корпус насоса с дном и с установленным в нем на подшипниках качения валом с ротором и с управляющим магнитом датчика положения ротора, корпусы выполнены герметично разделенными при помощи цилиндрической немагнитной экранирующей оболочки, выполненной из титанового сплава, например ВТ14, корпус электродвигателя соединен сваркой с одним торцевым периметром цилиндрической немагнитной экранирующей оболочки посредством его внутреннего фланца со стороны центробежного рабочего колеса, с закрепленными на нем лопастями, с помощью основной слоистой биметаллической втулки, состоящей из титанового и алюминиевого сплавов, причем титановый сплав приварен к одному торцевому периметру цилиндрической немагнитной экранирующей оболочки, а алюминиевый - к внутреннему фланцу корпуса электродвигателя, цилиндрическая экранирующая оболочка другим торцевым периметром с наружной стороны соединена сваркой с дном корпуса электродвигателя с помощью первой дополнительной слоистой биметаллической втулки, а с ее внутренней стороны - с дном корпуса насоса с помощью второй дополнительной слоистой биметаллической втулки, причем указанные соединения сваркой выполнены аналогично соединению с помощью основной слоистой биметаллической втулки своими титановыми и алюминиевыми сплавами соответственно с титановыми и алюминиевыми деталями электронасосного агрегата, центральная часть дна корпуса насоса выполнена с входным патрубком, соосным валу ротора и установленным с зазором между его внутренней торцевой поверхностью и торцевой поверхностью вала ротора, который выполнен в виде трубы с закрепленным на ее внутренней поверхности шнеком, а другая торцевая поверхность вала ротора по периметру трубы соединена сваркой с периметром центрального входа, выполненного в центробежном рабочем колесе электронасосного агрегата с его боковым выходом. Шнек выполнен многозаходным, например двухзаходным и с переменным шагом с уменьшением его по ходу движения жидкости.
Техническая суть предложенного устройства показана на чертеже (фиг.1), на котором представлен общий вид ЭНА в разрезе.
Предложенный электронасосный агрегат содержит выполненные из алюминиевого сплава, например АМг6, и герметично соединенные при помощи сварки корпус 1 электродвигателя с дном 2 и с установленными в нем статором 3 и датчиком положения 4 ротора 5, и корпус 6 насоса с дном 7 и с установленным в нем на подшипниках качения 8 валом 9 с ротором 5 и с управляющим магнитом 10 датчика положения 4 ротора 5. Корпусы 1 и 6 выполнены герметично разделенными при помощи цилиндрической немагнитной экранирующей оболочки 11, выполненной из титанового сплава, например ВТ14. Корпус 1 электродвигателя соединен сваркой с одним торцевым периметром 12 цилиндрической немагнитной экранирующей оболочки 11 посредством его внутреннего фланца 13 со стороны центробежного рабочего колеса 14, с закрепленными на нем лопастями 15, с помощью основной слоистой биметаллической втулки 16, состоящей из титанового и алюминиевого сплавов 17 и 18. Титановый сплав 17 приварен к одному торцевому периметру 12 цилиндрической немагнитной экранирующей оболочки 11, а алюминиевый 18 - к внутреннему фланцу 13 корпуса 1 электродвигателя. Цилиндрическая экранирующая оболочка 11 другим торцевым периметром 19 с наружной стороны соединена сваркой с дном 2 корпуса 1 электродвигателя с помощью первой дополнительной слоистой биметаллической втулки 20, а с ее внутренней стороны - с дном 7 корпуса насоса 6 с помощью второй дополнительной слоистой биметаллической втулки 21. Указанные соединения сваркой выполнены аналогично соединению с помощью основной слоистой биметаллической втулки 16 своими титановыми и алюминиевыми сплавами 22, 23 и 24, 25 соответственно с титановыми и алюминиевыми деталями 19, 27 электронасосного агрегата. Центральная часть дна 7 корпуса 6 насоса выполнена с входным патрубком 26, соосным валу 9 ротора 5 и установленным с зазором 27 между его внутренней торцевой поверхностью и торцевой поверхностью вала 9 ротора 5, который выполнен в виде трубы с закрепленным на ее внутренней поверхности шнеком 28, а другая торцевая поверхность 29 вала 9 ротора 5 по периметру трубы соединена сваркой 30 с периметром центрального входа, выполненного в центробежном рабочем колесе 14 электронасосного агрегата с его боковым выходом 31.
Шнек 28 выполнен многозаходным, например двухзаходным 32 и 33 и с переменным шагом 33 с уменьшением его по ходу движения жидкости. Это позволяет повысить эффективность создания напора при вращении шнека 28 посредством уменьшения его шага по ходу движения жидкости и уменьшения массы ускоряемой жидкости путем разделения на параллельные потоки и конечном счете обеспечить повышение КПД, уменьшение массы устройства в целом.
ЭНА выполнен с бесконтактным электродвигателем постоянного тока, с коллектором в виде статического полупроводникового коммутатора, что обеспечивает работу электродвигателя без скользящего контакта и позволяет выполнить его герметичным.
При работе полупроводниковый коммутатор (на чертеже не показан) включает ток в соответствующие обмотки статора 3, а возбуждение осуществляется постоянным магнитом 10, установленным на валу 9 ротора 5. Управление коммутатором производится датчиком положения 4 ротора 5, возбуждение которого осуществляется управляющим магнитом 10. В процессе работы ЭНА ротора 5 и подшипники качения 8 омываются жидкостью, что увеличивает ресурс их работы.
Применение экранирующей оболочки 11, выполненной из титанового сплава и герметично соединенной сваркой посредством слоистых биметаллических втулок 16, 20, 21, позволяет повышать КПД электродвигателя по сравнению с ранее применяемой экранирующей гильзой, выполненной из алюминия. Эффект получен за счет уменьшения толщины стенки экранирующей оболочки 11, а следовательно, и расстояния между статором 3 и ротором 5 электродвигателя (см. стр.5, пункт 1 книги: С. В. Поклонов. Асинхронные двигатели герметичных электронасосов. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1987), а также за счет уменьшения токов Фуко в ней. При этом снижена масса ЭНА за счет уменьшения массы статора и ротора, так как для их работы потребовалась меньшая потребляемая электрическая мощность, а значит, и электродвигатель с меньшей массой.
Особенностью ЭНА для космических аппаратов является то, что они выполняются малорасходными и при обеспечении абсолютной герметичности имеют увеличенные по длине проходные сечения для жидкости, снижающие их КПД, и поэтому вопрос об увеличении КПД является насущным, так как для агрегатов космических аппаратов всегда выставляются жесткие требования по минимизации энергопотребления и массы применяемых устройств.
Предложенный ЭНА работает следующим образом. При включении в работу ЭНА ротор 5, вал 9 со шнеком 28, рабочее центробежное колесо 14 с закрепленными на нем лопастями 15 начинают вращаться в сторону, например, как показано стрелкой. При этом под действием шнека 28 жидкость всасывается во входной патрубок 26, и далее под напором она подается на боковой выход 31 центробежного рабочего колеса 14 с закрепленными на нем лопастями 15, которые создают центробежное движение жидкости к боковому выходу 31.
В предложенном ЭНА цилиндрическая экранирующая оболочка 11 торцевым периметром 19 с наружной стороны соединена сваркой с дном 2 корпуса 1 электродвигателя с помощью первой дополнительной слоистой биметаллической втулки 20, а с ее внутренней стороны - с дном 7 корпуса 6 насоса с помощью второй дополнительной слоистой биметаллической втулки 21, указанные соединения сваркой выполнены аналогично соединению с помощью основной слоистой биметаллической втулки 16 своими титановыми 23, 22 и алюминиевыми 25, 24 сплавами, соответственно с титановыми и алюминиевыми деталями 19, 2 и 7 электронасосного агрегата, центральная часть дна 7 корпуса 6 насоса выполнена с входным патрубком 26, соосным валу 9 ротора 5 и установленным с зазором 27 между его внутренней торцевой поверхностью и торцевой поверхностью вала 9 ротора 5, который выполнен в виде трубы с закрепленным на ее внутренней поверхности шнеком 28, а другая торцевая поверхность вала 9 ротора 5 по периметру трубы жестко соединена с периметром центрального входа, выполненного в центробежном рабочем колесе 14 электронасосного агрегата, имеющего боковой выход 31. Это позволило повысить КПД ЭНА путем использования ранее непроизводительно вращающихся элементов (ротора с валом) для дополнительного прокачивания жидкости через ЭНА. Кроме того, дополнительно улучшены условия работы подшипников качения 8 путем обеспечения смывания их жидкостью. В прототипе они работали в застойной жидкостной полости, что приводило к накоплению неблагоприятных отработок для работы подшипников. Таким образом повышена надежность работы ЭНА.
Таким образом, в предложенном ЭНА достигнуто решение поставленных задач.
Предложенный ЭНА находится на стадии выпуска технического задания на отработку действующего образца.