ЭЛЕКТРОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 2006 года по МПК F04D13/06 F04D29/02 

Предлагаемое изобретение относится к космической технике, в частности к герметичным электронасосным агрегатам (в дальнейшем ЭНА) для систем терморегулирования космических аппаратов (в дальнейшем СТР КА).

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.

Недостаток указанного электронасоса заключается в низком коэффициенте полезного действия (в дальнейшем 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 СТР КА) соответственно 7800 и 2700 кг/м³.

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, 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 СТР КА при заданных расходах и напорах теплоносителя. В указанной книге описаны различные конструкции ЭНА.

Проведенный анализ патентных и научно-технических источников информации показал, что наиболее близким по технической сути (прототипом) для предлагаемого технического решения является 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 прототипа заключается в малом ресурсе 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 прототипа 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 этой же книге, на стр.20 в п.3 говорится, что стыковка электродвигателя и насоса через резиновые герметизирующие прокладки накладывает многие ограничения на эксплуатационные характеристики, а главное - на ресурс работы. Также говорится, что одним из основных требований на длительный ресурс ЭНА является герметичность, которую при конструировании и изготовлении для обеспечения длительного ресурса необходимо выполнять с помощью сварки замыкающего шва при окончательной сборке. Если выполнять эту рекомендацию, то экранирующая гильза статора должна быть выполнена из такого же сплава, что и соединяемые с помощью сварки корпуса насоса и электродвигателя, поскольку, как показано на указанном рис.1.8, корпус электродвигателя 3 и экранирующая гильза 7 выполнены в виде одной цельной детали. Применение сварки в этом случае предполагает однородность металлов, из которых выполнены корпуса насоса и электродвигателя. Для изготовления СТР КА (радиаторов-излучателей, трубопроводов для циркулирующего теплоносителя, ЭНА и др.), как и для большинства конструкций КА в целом, как правило, применяется алюминиевый сплав АМг6 с целью обеспечения минимально возможной массы. Проведенные исследования технических характеристик ЭНА с экранирующей гильзой из алюминиевого сплава и других материалов, с учетом современных возможностей высоких технологий в изготовлении биметаллов, показали наилучшие результаты применения титанового сплава для изготовления экранирующей гильзы.

По прочностным характеристикам (модулю упругости и пределу прочности) титановый сплав ВТ 14 примерно в два раза прочнее алюминиевого АМг6, что позволяет улучшить КПД и уменьшить массу путем уменьшения расстояния между статором и ротором электродвигателя, если экранирующую гильзу выполнить из более прочного титанового сплава, а не из алюминиевого. Снижение массы достигается в этом случае за счет того, что не требуется увеличивать мощность статора и ротора для компенсации потерь при увеличенном расстоянии между статором и ротором в случае применения алюминиевой гильзы.

По токам Фуко, возникающим в экранирующей гильзе при воздействии на нее переменного магнитного поля в процессе работы электродвигателя и снижающим КПД электродвигателя за счет преобразования части электроэнергии в бесполезное тепло, алюминиевая экранирующая гильза с учетом того, что толщина ее стенки в два раза толще по сравнению со стенкой экранирующей гильзы из титанового сплава, хуже примерно в 50 раз. В этом не трудно убедиться исходя из того, что величина токов Фуко, возникающих в различных электропродных материалах, обратно пропорциональна их электрическому сопротивлению (см. соответственно: таблицу 324 на стр.697 книги: И.Я.Левин. Справочник конструктора точных приборов. Третье издание. М.: Машиностроение. 1967 и таблицу "Удельное электросопротивление" на стр.448 книги Всесоюзный Ордена Ленина научно-исследовательский институт авиационных материалов. Авиационные материалы. Том 5. Научные редакторы тома док. техн. наук М.Б.Альтман, док. техн. Наук С.Г.Глазунов, док. техн. Наук С.И.Кишкин. Москва. ОНТИ-1973).

Цель предлагаемого изобретения - увеличение ресурса работы, повышение КПД и уменьшение масс ЭНА.

Поставленная цель достигнута за счет того, что 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 марки ВТ14.

Сущность предложенного решения заключается в том, что герметичная гидравлическая развязка между статором и ротором в жидкости выполнена путем применения экранирующей гильзы, выполненной из титанового сплава ВТ14 (ОСТ 190173-75), герметично соединенной с помощью сварки с корпусом электродвигателя, выполненного из алюминиевого сплава АМг6 (ОСТ 190395-91) посредством слоистой биметаллической втулки, выполненной из титанового и алюминиевых сплавов с соответствующих сторон соединенных указанных частей, что позволило увеличить ресурс работы ЭНА за счет выполнения абсолютной герметичности его корпуса, повысить КПД и снизить массу путем уменьшения расстояния между статором и ротором за счет уменьшения толщины стенки экранирующей гильзы.

Предложенное устройство поясняется чертежом, на котором показан ЭНА, включающий корпус насоса 1, корпус электродвигателя 2, выполненные из алюминиевого сплава АМг6 и герметично соединенные корпусной сваркой 3, рабочее колесо 4, подшипники качения 5, датчик положения 6 ротора 7 с управляющим магнитом 8, экранирующую гильзу 9 статора 10, выполненную из немагнитного материала (титанового сплава), герметично соединенную сваркой 11 с корпусом электродвигателя 2 посредством слоистой биметаллической втулки 12, выполненной из алюминиевого сплава снаружи со стороны корпуса электродвигателя 2 и из титанового сплава изнутри со стороны экранирующей гильзы 9.

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 10, а возбуждение осуществляется постоянным магнитом, в качестве которого выполнен ротор 7. Управление коммутатором производится датчиком положения 6 ротора 7, возбуждение которого осуществляется управляющим магнитом 8, закрепленным на оси ротора 7. В процессе работы ЭНА элементы ротора 7, электродвигателя и подшипники качения 5 омываются жидкостью, что увеличивает ресурс их работы.

Применение экранирующей гильзы 9, выполненной из титанового сплава и герметично соединенной сваркой 11 посредством слоистой биметаллической втулки 12, позволило повысить КПД электродвигателя по сравнению с ранее применяемой экранирующей гильзой, выполненной из алюминия. Эффект получен за счет уменьшения толщины стенки экранирующей гильзы 9, а следовательно, и расстояния между статором 10 и ротором 7 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 КА 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 его является насущным, так как для агрегатов КА всегда выставляются жесткие требования по минимизации энергопотребления и массы применяемых устройств.

Таким образом, в преложенном ЭНА увеличен ресурс работы ЭНА, повышен его КПД примерно на 8% и уменьшена масса примерно на 5%. Это позволило создать ЭНА на современном мировом уровне с КПД на уровне 30% и с подтвержденным ресурсом 20 лет по результатам наземных ускоренных ресурсных испытаний. По данным проведенных исследований патентной и научно-технической информации, а также по данным контрактных работ с ведущими зарубежными космическими фирмами США, Франции, Германии, Канады, Китая, Японии аналогичных ЭНА такого уровня в отечественной и мировой практике не существует.

Для доказательства указанных значений повышения КПД примерно на 8% и уменьшения массы примерно на 5% за счет того, что экранирующая гильза выполнена из титанового сплава толщиной 0,3 мм при уменьшении зазора между статором и ротором до 0,8 мм приведем значения известных аналогичных данных (см. стр.5, п.2; 57, п.3 книги: С.В.Поклонов. Асинхронные двигатели герметичных электронасосов. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение. 1987), где указано, что основные конструктивные особенности известных электродвигателей герметичных ЭНА - относительно большой зазор между расточкой статора и ротором (δ=2÷4 мм), при этом потери на экране статора составляют примерно 15% подводимой к двигателю мощности.

Предложенный ЭНА запущен в производство.

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии признаков, сходных с совокупностью признаков заявляемого объекта.

Предлагаемое изобретение относится к космической технике, в частности к герметичным электронасосным агрегатам (ЭНА) для систем терморегулирования космических аппаратов. ЭНА содержит корпус насоса и корпус электродвигателя, выполненные из алюминиевого сплава и герметично соединенные при помощи сварки, статор и ротор электродвигателя (ЭД). Ротор установлен на подшипниках качения, герметично отделен от статора при помощи немагнитной экранирующей гильзы (ЭГ) и контролируется датчиком положения ротора. Связь корпуса ЭД с ЭГ осуществлена с помощью слоистой биметаллической втулки, состоящей из титанового и алюминиевого сплавов, причем титановая часть приварена к ЭГ, а алюминиевая - к корпусу ЭД. Изобретение направлено на увеличение ресурса работы ЭНА за счет выполнения абсолютной герметичности его корпуса, повышение КПД и снижение массы путем уменьшения расстояния между статором и ротором за счет уменьшения толщины стенки ЭГ. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электронасосный агрегат, содержащий корпус насоса и корпус электродвигателя, выполненные из алюминиевого сплава, например АМг6, и герметично соединенные при помощи сварки, статор и ротор электродвигателя, установленный на подшипниках качения, герметично отделенный от статора при помощи немагнитной экранирующей гильзы и контролируемый датчиком положения ротора, отличающийся тем, что 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.2. Электронасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что экранирующая гильза выполнена из титанового сплава, например, ВТ14.