ЭЛЕКТРОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
ELECTRIC PUMP UNIT

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах терморегулирования изделий космической техники.
Известен электронасосный агрегат (ЭНА), содержащий установленный в корпусе электродвигатель, корпус насоса, в котором расположены рабочие колеса, установленные на валу электродвигателя, втулки с расточками для размещения рабочих колес и диафрагмы между втулками, при этом выход каждой предыдущей ступени связан каналом с входом последующей [Малюшенко В.В. Динамические насосы. М.: Машиностроение, 1984, с.51, рис.131].
Недостатком такого ЭНА является невозможность ремонта на борту космического летательного аппарата (КЛА) в случае отказа или выработки ресурса электродвигателя и невозможность его замены.
Этого недостатка лишен ЭНА, содержащий металлический корпус, снабженный входным и выходным патрубками, установленный на корпусе бесконтактный электродвигатель постоянного тока с выполненным заодно с ним электронным коммутатором, размещенные на валу электродвигателя рабочие колеса, установленный снаружи бесконтактного электродвигателя постоянного тока присоединенный к корпусу металлический герметизирующий кожух, на котором размещен электрический соединитель, присоединенный посредством проводов двух полюсов питания к электронному коммутатору [А.В. Бобков. «Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов». Владивосток, Дальнаука, 2003, стр.209, рис.7.17], выбранный в качестве прототипа.
Недостатком этого ЭНА является невозможность экономичного регулирования его параметров (расход и напор). Эти параметры определяются гидравлическими характеристиками ЭНА и гидравлической сети, в которую он подключен. В современных КЛА (космических кораблях, модулях орбитальных станций) используется ряд систем с ЭНА, требующих применения ЭНА с различными характеристиками. В то же время ряд электродвигателей, используемых в ЭНА КЛА, характеризуется достаточно большой разницей в мощности, не всегда позволяющей получить требуемые характеристики ЭНА при хорошем кпд. Например, механическая мощность выпускаемых бесконтактных электродвигателей постоянного тока серии БК-2 составляет следующие величины: 1, 4, 6, 10, 25, 40 Вт. Поскольку электродвигатели для ЭНА КЛА являются специальными - применяются только бесконтактные двигатели с электронным коммутатором, позволяющие получить большой ресурс вследствие отсутствия коллекторно-щеточного узла, при этом к самой конструкции электродвигателя предъявляются жесткие требования к вибропрочности и виброустойчивости, устойчивости к ударным воздействиям и т.п. - то применять в космической технике другие электродвигатели, выпускаемые электротехнической промышленностью, не представляется возможным. Потому при потребной механической мощности электродвигателя ЭНА, например, в 30 Вт конструктор вынужден выбирать электродвигатель из существующего ряда мощностью 40 Вт либо получать «переразмеренный» ЭНА с большим, чем необходимо, электропотреблением и большими, чем требуется, параметрами. В случае, если требуется точная гидравлическая характеристика на требуемую мощность, можно либо ввести в конструкцию ЭНА дроссель, что снижает кпд ЭНА и не уменьшает электропотребление, либо уменьшать диаметры колес «переразмеренного» ЭНА путем их обточки, что сопровождается такими же недостатками. Известный же путь регулирования изменением частоты вращения реализуем при помощи прибора, осуществляющего, например, широтно-импульсную модуляцию подаваемого на ЭНА напряжения, что требует введения в состав КЛА этого прибора, т.е. увеличивает массу КЛА и снижает полезный объем внутри него, а также ведет к усложнению и так достаточно сложной в настоящее время электросхемы КЛА и его удорожанию.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является обеспечение возможности экономичного регулирования параметров ЭНА.
Этот результат достигается за счет того, что в известном электронасосном агрегате, содержащем металлический корпус, снабженный входным и выходным патрубками, установленный на корпусе бесконтактный электродвигатель постоянного тока с выполненным заодно с ним электронным коммутатором, размещенные на валу электродвигателя рабочие колеса, установленный снаружи бесконтактного электродвигателя постоянного тока присоединенный к корпусу металлический герметизирующий кожух, на котором размещен электрический соединитель, присоединенный посредством проводов двух полюсов питания к электронному коммутатору, согласно изобретению между проводами одного из двух полюсов питания и электронным коммутатором последовательно установлена группа из n (n=2, 3 и т.д.) параллельно соединенных резисторов, связанных посредством высокотеплопроводных материалов с герметизирующим кожухом и размещенных внутри него.
На фиг.1 приведен пример конкретного выполнения дублированного ЭНА, продольный разрез, на фиг.2 - то же, вид А, на фиг.3 - электрическая схема соединений электрического соединителя с электронным коммутатором бесконтактного электродвигателя постоянного тока ЭНА.
Электронасосный агрегат, применяемый в системе терморегулирования КЛА, содержит металлический корпус 1, снабженный входным 2 и выходным 3 патрубками, установленный на корпусе 1 бесконтактный электродвигатель постоянного тока 4 с выполненным заодно с ним электронным коммутатором 5. На валу электродвигателя 4 размещено рабочее колесо 6. Снаружи бесконтактного электродвигателя постоянного тока 4 установлен присоединенный винтами 7 к корпусу 1 металлический герметизирующий кожух 8, на котором размещен электрический соединитель 9, присоединенный посредством проводов 10 и 11 двух полюсов питания соответственно к электронному коммутатору 5. Между проводами 11 одного из двух полюсов питания и электронным коммутатором 5 последовательно установлена группа из n (n=2, 3 и т.д., в данном примере конкретного исполнения n=2) параллельно соединенных резисторов 12, связанных посредством высокотеплопроводных материалов с герметизирующим кожухом 8 и размещенных внутри него. Резисторы 12 - в данном примере типа С5-47 - установлены на дне кожуха 8 посредством винтов 13. Параллельное соединение резисторов 12 выполнено проводами-перемычками 14.
ЭНА работает следующим образом: при подаче напряжения на электрический соединитель 9 напряжение через провода 10 от «плюса» питания и провода 11 и группу резисторов 12 поступает на электронный коммутатор 5 электродвигателя 4. Ротор электродвигателя 4 вращает установленное на его валу рабочее колесо 6. Жидкость из гидравлической сети (не показана) через входной патрубок 2 поступает на вход и далее на периферию рабочего колеса 6, оттуда - в выходной патрубок 3 и в гидравлическую сеть (не показана). Поскольку постоянное напряжение, поступающее на коммутатор 5, меньше постоянного напряжения питания, поступающего на электрический соединитель 9 (это напряжение от аккумуляторной батареи космического корабля или стабилизированное напряжения системы электроснабжения орбитальной станции), на величину падения напряжения на группе параллельно соединенных резисторов 12, то электродвигатель 4 развивает меньшую мощность (и, соответственно, ЭНА создает меньший напор и расход), чем при подключении коммутатора к электрическому соединителю непосредственно (как в прототипе). Естественно, при этом на группе резисторов, поскольку через них протекает ток, выделяется тепло, которое необходимо снимать во избежание перегрева ЭНА - на космических объектах из-за невесомости отсутствует естественная конвекция, а теплопроводность воздуха вокруг резисторов весьма мала, так же, как мало и тепловое излучение при допустимой температуре эксплуатации резисторов. Однако, т.к. резисторы связаны посредством высокотеплопроводных материалов с герметизирующим кожухом 8 - в данном примере резисторы типа С5-47 связаны с кожухом посредством своих корпусов, сконструированных специально для отвода тепла на свою опорную поверхность - то выделяющееся на резисторах 12 тепло передается путем теплопроводности на металлический, т.е. высокотеплопроводный, кожух 8 и с него - на металлический корпус 1, в т.ч. и на патрубки 2 и 3. Поскольку через эти патрубки непосредственно протекает поток перекачиваемой ЭНА жидкости, указанное тепло передается путем теплопроводности на эту жидкость, которая дальше протекает через теплообменник системы терморегулирования, где излишнее тепло (выделившееся на резисторах) вместе с основным, снимаемым системой терморегулирования и во много раз превосходящим выделившееся на резисторах, сбрасывается с радиатора системы в космическое пространство. В данном примере резисторы установлены непосредственно на кожухе 8, однако, для повышения технологичности электрического монтажа и сборки они могут быть установлены на промежуточной детали, т.е. связаны посредством высокотеплопроводных материалов с герметизирующим кожухом. Также могут быть использованы резисторы других конструкций, без опорных площадок, но с использованием, например, теплопроводящих паст. Расположение резисторов внутри кожуха позволяет защитить их от внешних воздействий и не меняем схемы подключения ЭНА в КЛА. Установка (n=2, 3 и т.д.) параллельно соединенных резисторов вместо одного необходима для обеспечения надежности ЭНА - в случае выхода из строя одного резистора из группы увеличивается сопротивление группы оставшихся параллельно соединенных резисторов, что приводит к некоторому снижению протекающего через электродвигатель тока и незначительному снижению гидравлических параметров, что допустимо на небольшой промежуток времени до замены отказавшего насоса на резервный, имеющийся в ЗИП. В случае же, если резистор был бы всего один, его отказ равносилен полному отказу ЭНА. Речь ведется о проводах, поскольку один провод в цепях питания агрегатов космической техники из тех же соображений надежности практически никогда не применяется. Не смотря на то, что заявлены (как обобщение) колеса, в приведенном примере рабочее колесо одно. Очевидно, что количество рабочих колес к механизму работы изобретения не относится, а выбирается известными инженерными методами исходя из требуемых параметров ЭНА. В разрабатываемом в данное время ЭНА использованы следующие конкретные элементы: электродвигатель БК-2624 (потребляемый номинальный ток 1,7 А при напряжении питания 27 В, развиваемая механическая мощность 25 Вт, потребляемая электрическая мощность 45,9 Вт [1]) соединен с электрическим соединителем через группу резисторов с общим сопротивлением 1,26 Ом (значение подобрано экспериментально при проливках ЭНА на гидравлическом стенде, на котором устанавливались заданные техническим заданием напор и расход). За счет такого соединения ток, протекающий через электродвигатель, снизился до значения 1,43 А - т.е. потребляемая мощность снизилась до 38,1 Вт. При этом мощность, выделяемая на группе резисторов - т.е. бесполезно теряющаяся - составила 2,6 Вт, а полезная, развиваемая ЭНА, составила 38,1-2,6=35,5 [Вт]. Однако при использовании ЭНА по схеме прототипа с дросселированием или обточкой колес до получения упомянутых гидравлических параметров потребляемая при этом электрическая мощность практически бы не изменилась, а использование в конструкции ЭНА электродвигателя ближайшего меньшего типоразмера (БК-2524 с механической мощностью 10 Вт) не позволяет получить заданные техническим заданием напор и расход. Таким образом, использование изобретения позволило, не меняя конструкцию гидравлического тракта и рабочих колес ЭНА и применяемого электродвигателя, снизить электропотребление ЭНА на заданных гидравлических параметрах на
(45,9-38,1)/45,9*100%=17%.
В результате использования изобретения обеспечивается возможность экономичного регулирования параметров ЭНА, снижается электропотребление ЭНА без изменения конструкции его гидравлического тракта и рабочих колес. Заявленное изобретение ценно для изделий космической техники, характеризующихся ограниченными ресурсами систем электроснабжения.
Литература
1. Отраслевой стандарт ОСТ В 16 0.515.054-80. Электродвигатели постоянного тока бесконтактные серии БК-1, БК-2. Технические условия.
2. К. Пфлейдерер. «Лопаточные машины для жидкостей и газов», государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, М., 1960, стр.478.
3. М.П. Калинушкин. «Насосы и вентиляторы», М., «Высшая школа», 1987, стр.125.