ОСЕВОЙ ГЕРМЕТИЧНЫЙ ТОПЛИВОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ
AXIAL SEALED FUEL TRANSFER UNIT

Изобретение относится к области химического и авиационного машиностроения, авиадвигателестроения, насосостроения, и может быть использовано в авиационных системах перекачки и подкачки топлива летательного аппарата, системах жизнеобеспечения пассажирского самолета, системах термостабилизации для охлаждения или подогрева радиоэлектронного оборудования, для перекачки агрессивных жидкостей, в насосах с электроприводом для перекачки жидкостей и топлива между емкостями, топливными баками и подкачки топлива к иному агрегату, для выработки электроэнергии или для учета расхода жидких сред.
Основные требования к авиационным насосам: жесткое ограничение по весу и габаритам, удобство замены и ремонтопригодность, высокая надежность в процессе работы, возможность использовать разнообразное напряжение от постоянного 27 В до переменного 115/200 В с частотой тока 400 Гц, возможность работы на жидкостях с большим количеством растворенного воздуха, возможность работы в сложных кавитационных условиях и пожаробезопасность (топливо огнеопасно). Авиационные насосы должны работать в аварийных ситуациях, при исчезновении электропитания, при смене питающего напряжения.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является герметичный осевой электроприводный насосный агрегат (см. патент РФ №2519298, МПК F04D 3/00, 29/041, 13/06) содержащий внутреннюю полость, соединенную с магистралями всасывания и нагнетания, статор электропривода с торцевыми крышками, установленными со стороны всасывания и нагнетания с размещенными в них, соответственно, входным направляющим и спрямляющим аппаратами, и ротор электропривода с размещенным в нем рабочим колесом, причем вал ротора установлен на подшипниках в торцевых крышках статора. На торцах ротора выполнены цилиндрические расточки, образующие с соответствующими цилиндрическими поверхностями торцевых крышек статора электропривода гидравлически связанные щелевые уплотнения. Проходные сечения щелевых уплотнений равны.
К недостаткам данной конструкции относятся отсутствие надежной работы подшипников скольжения из-за возможного попадания твердых частиц из перекачиваемой жидкости. Также недостатком является малая площадь поверхности упорной части подшипников скольжения. Вследствие этого ограничивается напор, создаваемый электроприводным насосным агрегатом. При больших скоростях движения перекачиваемой жидкости на нагнетании может возникать эффект создания разрежения в щелевом уплотнении и увеличения осевого усилия. При работе насоса на жидкостях с высоким газосодержанием (с выделением газа на входе в насос и внутри при отрицательных перегрузках самолета давление на входе насос может падать до давления насыщенного пара для данной жидкости), а кавитационные качества сильно зависят от частоты вращения вала насоса. Увеличивается неуравновешенность осевых сил ротора электропривода, что снижает объемный КПД осевого насоса.
Так же недостатком данной конструкции является наличие статора из статорного железа для обмоток электродвигателя. Для авиации важен вес агрегата, а наличие статора значительно увеличивает вес электроприводного агрегата. Дополнительно затрачивается электроэнергия на перемагничивание полюсов статора при вращении магнитного поля, что ухудшает частотные характеристики и снижает энергетическую эффективность электропривода. Потери в статоре с обмотками ведут к нагреву статорного железа, что может привести к нагреву перекачиваемой среды, к перегреву и выходу из строя всего электропривода насосного агрегата.
С учетом изложенного, задачей настоящего изобретения является повышение безопасности полетов летательных аппаратов, повышение пожаробезопасности, надежности систем с агрегатами топливоперекачки летательных аппаратов в сложных кавитационных условиях, повышение надежности в аварийных ситуациях, снижение электропотребления, увеличение ресурса, улучшение ремонтопригодности, снижение стоимости изготовления, организация контроля процесса перекачки в прямом и обратном направлении для прогнозируемой работы агрегата и топливной системы на всех режимах.
Поставленная задача достигается тем, что осевой герметичный топливоперекачивающий агрегат, содержащий внутреннюю полость, соединенную с магистралями всасывания и нагнетания, статор электропривода с торцевыми крышками, установленными со стороны всасывания и нагнетания с размещенными в них, соответственно, входным направляющим и спрямляющим аппаратами, и ротор электропривода с размещенным в нем рабочим колесом, причем вал ротора установлен на подшипниках в торцевых крышках статора и на концах ротора выполнены цилиндрические расточки, образующие гидравлически связанные щелевые уплотнения равного проходного сечения, отличающийся тем, что внутренняя полость выполнена симметричной относительно плоскости перпендикулярной продольной оси агрегата, торцевые крышки имеют симметричную конструкцию, во внешней поверхности обода ротора, выполненного из немагнитного материала, набранного из отдельных рабочих колес, и охватывающем торцы лопастей рабочих колес с симметричным профилем, размещены симметрично не менее два ряда постоянных магнитов из материала высокой коэрцитивной силой, параллельно оси вращения ротора и формирующий ротор с явно выраженными полюсами, подшипники в торцевых крышках выполнены с керамическими шариками катящимися по опорным поверхностям обойм в виде граней обеспечивающих не менее двух точек контакта с керамическим шариком, входной направляющий и выходной спрямляющий аппарат имеют одинаковую симметричную конструкцию со встроенными датчиками давления, при этом корпус статора выполненный из немагнитного материала в средней части имеет датчик давления, а ротор, с лопатками рабочих колес, может вращаться в разные стороны с разной скоростью.
Технический результат - внутренняя полость выполнена симметричной относительно плоскости перпендикулярной продольной оси агрегата, торцевые крышки имеют симметричную конструкцию, во внешней поверхности обода ротора электропривода, выполненного из немагнитного материала, и набранного из отельных одинаковых рабочих колес, и охватывающем торцы лопастей рабочих колес с симметричным профилем, размещены симметрично не менее два ряда постоянных магнитов из материала высокой коэрцитивной силой, параллельных оси вращения ротора и формирующих ротор с явно выраженными полюсами, одинаковых торцевых крышек.
При этом отсутствует статор из шихтованного железа, реализуются наличие не менее трех датчиков давления перекачиваемой среды, организация возможности перекачки топлива в прямом и обратном направлении с одинаковыми характеристиками, контроля и плавного изменения производительности, реализуется возможность использовать сеть электроснабжения постоянного тока или переменного тока независимо от величины или постоянства частоты тока, снижение затрат электроэнергии и увеличения энергетической эффективности.
Так же становится возможным использовать агрегат в качестве насоса для перекачки агрессивных жидких сред, в качестве генератора электрического тока или расходомера в системе учета топлива на летательном аппарате или в системе учета технологического процесса, для измерения расхода и давления.
Для достижения указанных технических задач в осевом герметичном топливоперекачивающем агрегате, содержащем внутреннюю полость, соединенную с магистралями всасывания и нагнетания, с размещенными в них, соответственно, входным направляющим и спрямляющим аппаратами, и ротор электропривода с размещенным в нем рабочим колесом, вал которого установлен на подшипниках в торцевых крышках статора, имеющий на торцах ротора и статора щелевые уплотнения:
- отсутствует статор в виде набора пластин из шихтованной стали, что снижает массу, не затрачивается электроэнергия на нагрев и перемагничивание полюсов статора, позволяет снизить стоимость изготовления агрегата и повысить энергоэффективность;
- обмотки статора электродвигателя выполнены многофазными с воздушными сердечниками, залитыми в компаунд или полимерную смолу, в виде множества отдельных обмоток, выполненных из проводников, в котором отдельные обмотки наложены одна на другую внахлест и им придана такая форма, что образуется смещение в области, по меньшей мере двух противоположных углов для формирования обмотки электронно-коммутируемого двигателя, что позволяет реализовывать различные режимы работы электродвигателя, использование питающего напряжения постоянного тока или переменного тока с независимо от величины или постоянства частоты, изменять направление вращения ротора, изменять ток для изменения крутящего момента, повышает энергоэффективность, надежность и долговечность агрегата;
- корпус статора агрегата отделяет многофазные статорные обмотки от проточной гидравлической части, что предотвращает коррозию обмоток, повышает надежность и долговечность герметичного осевого топливоперекачивающего агрегата, и выполнен из немагнитного неметаллического химически стойкого материала устойчивого в среде жидких углеводородов, продуктов перегонки нефти, растворителей, или из алюминиевых сплавов, разрешенных к применению в топливных системах;
- ротор электропривода осевого герметичного топливоперекачивающего агрегата набран из симметричных отдельных унифицированных рабочих колес имеющих лопатки с симметричным профилем насаженных на вал в последовательности со сдвигом на определенный угол в зависимости от требуемой производительности и скорости вращения вала, с возможностью замены рабочих колес, которые при одинаковом диаметральном размере имеют разные профили лопаток и характеристики, что позволяет создавать агрегаты различной производительности, выполнен из немагнитного неметаллического химически стойкого материала устойчивого в среде жидких углеводородов, продуктов перегонки нефти, растворителей. Для систем перекачки авиационного топлива на летательных аппаратах рабочие колеса ротора могут быть выполнены из алюминиемых сплавов, разрешенных к применению в топливных системах;
- ротор с рабочим колесом имеющего лопатки рабочего колеса с симметричным профилем позволяет перекачивать топливо с одинаковыми характеристиками в прямом и обратном направлении, на внешней поверхности которого расположены постоянные магниты из материала высокой коэрцитивной силой, в несколько рядов, параллельных оси вращения ротора и формирующих ротор с явно выраженными полюсами, и датчики положения ротора во взаимно противоположных плоскостях, при этом постоянные магниты и датчики положения ротора составляют одно целое с ротором и не выступают за цилиндрическую поверхность ротора, что позволяет увеличить крутящий момент, а наличие нескольких рядов постоянных магнитов позволяет расширить диапазон скоростей вращения и производительность агрегата;
- корпус статора агрегата выполнен симметричным, торцевые крышки имеют одинаковую конструкцию и размеры, при состыковке с корпусом получается симметричная конструкция, подшипниковые узлы выполнены из немагнитных химическистойких материалов, а для систем перекачки топлива в летательном аппарате, корпус и торцевые крышки могут быть выполнены из алюминиевых сплавов, что снижает массу агрегата и позволяет перекачивать не только различные виды топлива, но и различные агрессивные жидкие среды;
- подшипниковые узлы выполнены с керамическими шариками, что позволяет компенсировать радиальные и осевые нагрузки, отказаться от смазки, осуществлять смазку перекачиваемой средой, перекачивать агрессивные жидкие среды;
- входной направляющий и спрямляющий аппарат имеют одинаковую симметричную конструкцию, что позволяет перекачивать жидкие среды в разных направлениях с одинаковыми характеристиками, снижает стоимость изготовления;
- передняя торцевая крышка и задняя торцевая крышка корпуса агрегата через кольцевые прокладки может быть стянута шпильками, что позволяет устанавливать ее между фланцев трубопроводов и разбирать агрегат при обслуживании и ремонте;
- подшипниковые узлы с керамическими шариками могут работать без смазки и смазываются перекачиваемой жидкостью, а для удешевления изготовления и обеспечения предотвращения загрязнения опорные поверхности обоймы в цилиндрическом корпусе и торцевых крышках, выполнены в виде граней обеспечивающих не менее двух точек контакта с керамическим шариком;
- осевой герметичный топливоперекачивающий агрегат снабжен встроенной системой управления с обратной связью, с частотным преобразователем, реализующей синусоидальное или трапецеидальное управление обмотками с воздушными сердечниками, позволяющей использовать сеть электропитания постоянного тока, к примеру на летательном аппарате она составляет 27 Вольт, а при ее отсутствии или при переключении на сеть переменного тока, которая на летательном аппарате представляет трехфазную сеть с напряжением 115 вольт с частотой тока 400 Гц, позволяющей получать электрический ток в генераторном режиме, вести учет протекающей жидкости, когда ротор вращается при течении через него жидкости, управлять электродвигателем в режиме привода насосного агрегата, в режиме генератора и в режиме расходомера;
- на внутренней поверхности корпуса статора имеются приемники, которые реагируют на датчики положения ротора и выдают сигнал в систему управления, для выработки последовательности подключения обмоток электродвигателя;
- на передней торцевой крышке, на задней торцевой крышке и в центре корпуса статора агрегата расположены датчики давления, сигналы от которых поступают в систему управления агрегата или во внешнюю сеть управления, что позволяет определять направление перекачивания жидкой среды, снижать затраты электроэнергии, увеличивать объемный КПД агрегата, повышать энергетическую эффективность агрегата, и реализовывать алгоритм работы агрегата в режиме расходомера.
Наличие 3 (трех) датчиков давления обеспечивает высокую надежность и достоверность сигналов о давлении перекачиваемой среды.
Предлагаемый осевой герметичный топливоперекачивающий агрегат по сравнению с существующими имеет сниженную массу из-за отсутствия железного наборного статора, и меньшие габариты. Отсутствует интенсивный нагрев корпуса статора и перекачиваемой среды, повышается пожаробезопасность. Агрегат может быть размещен горизонтально, вертикально, под любым углом, в любой части летательного аппарата или в любом топливном баке или емкости. Подшипниковые узлы с керамическими шариками позволяют воспринимать осевую и радиальную нагрузку или обеспечивают надежную работу при перегрузках, возникающих при эволюциях летательного аппарата в полете. В отличие от опор скольжения значительно снижена вероятность заклинивания и торможения ротора агрегата.
Встроенная система управления агрегатом проста и надежна, позволяет отказаться от релейной схемы управления топливоперекачивающим агрегатом. Агрегат может быть постоянно находится под напряжением. Агрегат оснащенный датчиками положения ротора, датчиками давления, позволяет формировать информацию о техническом состоянии агрегата, предотвращать аварийные ситуации из-за опорожнения бака или в ситуации с отсутствием перекачиваемой среды, выдавать информацию о перекачиваемом объеме топлива.
Система управления топливоперекачивающим агрегатом с обратной связью позволяет использовать агрегат как часть бортовой системы контроля топлива, что повышает безопасность полетов летательного агрегата. Из за отсутствия железного статора агрегат не требует интенсивного охлаждения, возможно достижение низких уровней электропотребления, повышения энергетической эффективности. Агрегат обладает высокой надежностью и ремонтопригодностью, прост в монтаже и демонтаже.
Использование нескольких осевых герметичных топливоперекачивающих агрегатов позволит создавать простые и надежные топливные системы летательных аппаратов.
Для пояснения сущности предлагаемого изобретения на фиг. 1 - представлен разрез осевого герметичного топливоперекачивающего агрегата, на фиг. 2 - обмотки с воздушным сердечником на корпусе статора, где:
1 - обмотки с воздушным сердечником;
2 - корпус статора;
3 - передняя торцевая крышка;
4 - задняя торцевая крышка;
5 - лопатки проточной части;
6 - ротор;
7 - лопатки рабочего колеса;
8 - вал;
9 - постоянные магниты;
10 - датчики положения;
11 - приемники;
12 - датчики давления;
13 - система управления;
14 - керамические шарики;
15 - сепараторы;
16, 17 - кольцевые прокладки;
18 - щелевые уплотнения;
19 - провода электропитания;
20 - провода управления.
Осевой герметичный топливоперекачивающий агрегат, приведенный на фиг. 1, содержит обмотки с воздушным сердечником 1, в виде множества отдельных обмоток, выполненных из проводников, при этом отдельные обмотки наложены одна на другую внахлест и им придана такая форма, что образуется смещение в области, по меньшей мере двух противоположных углов А (с одной стороны корпуса статора 2 и с другой). Корпус статора 2 на который наложили обмотки с воздушным сердечником 1 (но еще не залитые компаундом), приведен на фиг. 2. Обмотки с воздушным сердечником 1 наложенные на корпус статора 2 формируют цилиндр, заполненный компаундом или отверждаемой смолой, расположенный поверх цилиндрического корпуса статора 2. К торцам корпуса статора 2 прикреплены передняя торцевая крышка 3 и задняя торцевая крышка 4, в которых размещаются лопатки проточной части 5 направляющего или спрямляющего аппарата.
Ротор 6 набран из отдельных рабочих колес с ободом охватывающем концы лопаток рабочих колес 7, насаженных на вал 8 ротора. В торцевых крышках 3 и 4 корпуса статора 2 и на торцах обода ротора 6 выполнены цилиндрические расточки, образующие гидравлически связанные щелевые уплотнения 18, проходные сечения которых равны.
Вал 8 ротора 6 вращается на керамических шариках 14 опорно-упорного подшипника в торцевых крышках 3 и 4. Шарики 14 расположены в гнездах сепараторов 15, обеспечивающих равномерное распределение шариков.
На внешней поверхности ротора 6 выполненного из немагнитного материала размещены не менее два ряда постоянных магнитов 9 из материала высокой коэрцитивной силой, в плоскостях перпендикулярных оси вращения ротора и формирующих ротор с явно выраженными полюсами. На внешней поверхности, рядом с торцами, ротора 6 расположены датчики положения 10 ротора в одной плоскости с приемниками 11 на внешней части корпуса статора 2. Вторая пара датчика положения 10 ротора с приемником 11, распложена перпендикулярно плоскости изображения на фиг. 1. На внутренней поверхности передней торцевой крышки 3 и задней торцевой крышки 4 рядом с наружным торцом расположены датчики давления 12, соединенные каналом с внешней средой. Еще один датчик давления 12 расположен в середине цилиндрического корпуса статора 2 на равном расстоянии от передней торцевой крышки 3 и задней торцевой крышки 4.
Обмотки с воздушным сердечником 1 подключены к системе управления 13 с частотным преобразователем, реализующей синусоидальное или трапецеидальное управление обмотками с воздушными сердечниками 1. К системе управления 13 так же подключены приемники 11 и датчики давления 12. К системе управления подключены провода электропитания 19 и провода управления 20.
Герметичность осевого топливоперекачивающего агрегата обеспечивается с помощью кольцевых прокладок 16 расположенных между корпусом статора 2 и торцевыми крышками 3, 4. Кольцевые прокладки 17 обеспечивают герметичность при присоединении к фланцам внешних трубопроводов.
Устройство работает следующим образом. К торцевым крышкам 3 и 4 с использованием кольцевых прокладок 17 подключаются фланцы внешних трубопроводов из топливных баков. Датчики давления 12 в торцевых крышках 3 и 4 и в середине корпуса статора 2 формируют сигналы о равенстве давления среды в топливных баках и в осевом герметичном топливоперекачивающем агрегате. При подаче напряжения от внешней сети по проводам электропитания 19 в систему управления 13, она на основании управляющих сигналов, поступающих по проводам управления 20, формирует импульсы напряжения на обмотках с воздушным сердечником 1, вследствие чего появляется вращающееся магнитное поле, которое проникает через стенку корпуса статора 2 и начинает воздействовать на постоянные магниты 9, расположенные на внешней поверхности обода рабочего колеса 6. Постоянные магниты 9 начинают создавать крутящий момент, рабочее колесо 6 начинает вращаться и лопатки 7 начинают перемещать перекачиваемую среду. Возникает разность давлений на всасывающей стороне, в середине корпуса статора 2 и на стороне подачи, которое воспринимается датчиками давления 12, которые формируют сигнал о величине давления и передают в систему управления 13.
Щелевые уплотнения 18 на торцах ротора 6 и крышек 3 и 4, разделяют полости низкого и высокого давления. Скорость вращения ротора 6 определяется системой управления 13 по сигналам от приемников 11, воспринимающих сигнал от датчиков положения 10. Система управления 13 может изменять скорость вращения ротора 6, тем самым изменяя объемную подачу перекачиваемой среды. Одновременно ведется учет расхода среды, прокаченной через осевой герметичный агрегат. Система управления 13 постоянно сравнивает показания датчиков давления 12 и контролирует частоту вращения ротора 6, что позволяет рассчитывать необходимые характеристики работы агрегата и показатели его работы. В случае отсутствия перекачиваемой среды, вследствие осушения бака, по сигналу датчика давления 12 на стороне всасывания происходит остановка работы агрегата, что предотвращает «сухой ход» насоса и разгона ротора 6.
При остановленном роторе 6 и естественном перетоке жидкости из одного топливного бака в другой из-за наличия разности уровня, осевой герметичный топливоперекачивающий агрегат начинает работать в качестве уровнемера и расходомера. Поток жидкости, протекая, через закрученные по винтовой поверхности каналы между лопатками рабочего колеса 7 на роторе 6, начинает вращать его, и кинетическая энергия потока жидкости преобразуется в механическую энергию вращения ротора 6.
Вращающиеся постоянные магниты 9 ротора 6 индуцируют в обмотках с воздушным сердечником 1 электрический ток, который через систему управления 13 формирует информацию о расходе жидкости. Генерируемый электрический ток может полезно использоваться потребителями во внешней сети. К примеру, при зарядке аккумуляторов.
Частичное охлаждение обмоток с воздушным сердечником 1 на корпусе статора 2 агрегата осуществляется потоком жидкости в зазоре между внешней поверхностью ротора 6 и внутренней поверхностью корпуса статора 2. Частично охлаждение обмоток с воздушным сердечником 1 на корпусе статора 2 осуществляется при естественном конвективном обмене с окружающей воздушной средой.
Вышеуказанное выполнение осевого герметичного топливоперекачивающего агрегата позволяет повысить надежность топливной системы и обеспечить безопасность полетов летательных аппаратов, обеспечить перекачку топлива с любым расходом, в широком диапазоне давлений, получать электрический ток в генераторном режиме, вести учет протекающего топлива.