RU2132001C1

RU2132001C1 - Leak-free electric pumping unit

Info

Publication number: RU2132001C1
Application number: RU97114589/06A
Authority: RU
Inventors: Н.И. Белоусов; Л.Л. Дондэ
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева"
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 1999-06-20

Abstract

FIELD: temperature control system in rocketry and aeronautical engineering. SUBSTANCE: leak-free electric pumping unit includes housing with inlet and outlet pipe unions, electric motor and impellers mounted inside this housing; impellers are connected with electric motor shaft. Inlet and outlet pipe unions are respectively connected with inlet and outlet cavities. Normally adjustable throttle valve is fitted between inlet and outlet cavities; normally closed cocks are fitted between inlet cavity and inlet pipe union and between outlet cavity and outlet pipe union, respectively. Thermal compensator is also provided which is brought in communication with inner cavity of electric pumping unit; the entire volume of electric pumping unit is filled with working fluid. EFFECT: possibility of conducting autonomous tests at any stage of operating cycle. 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах терморегулирования изделий авиационной и ракетной техники, а также в других областях техники. The invention relates to mechanical engineering and can be used in thermal control systems for aircraft and rocket technology, as well as in other fields of technology.

Известен герметичный электронасосный агрегат (ЭНА), содержащий корпус с входным и выходным штуцерами, установленный в нем электродвигатель со смонтированным на его валу рабочим колесом (Малюшенко В.В. "Динамические насосы", М. , "Машиностроение", 1984, рис. 122 на листе 49, стр. 71). Недостатком этого устройства является значительная осевая сила, которая, воздействуя на подшипник электродвигателя, значительно снижает ресурс ЭНА. Known sealed electric pump unit (ENA), comprising a housing with inlet and outlet fittings, an electric motor mounted in it with an impeller mounted on its shaft (V. Malyushenko "Dynamic Pumps", M., "Engineering", 1984, Fig. 122 on sheet 49, p. 71). The disadvantage of this device is the significant axial force, which, acting on the motor bearing, significantly reduces the ENA resource.

Этого недостатка лишен ЭНА, содержащий корпус с входным и выходным штуцерами, установленные в нем электродвигатель и рабочие колеса, смонтированные на валу электродвигателя, при этом входной и выходной штуцеры соответственно сообщены с входной и выходной полостями (Малюшенко В.В. "Динамические насосы", М. , "Машиностроение", 1984, рис. 123 на листе 49, стр. 71), выбранный в качестве прототипа. Вал выступает с каждого торца электродвигателя, и рабочие колеса установлены на каждом из концов вала. Симметричное расположение рабочих колес позволяет взаимно уравновесить осевые силы, воздействующие на колеса. Подшипники вала электродвигателя смазываются перекачиваемой жидкостью. Выходы и входы рабочих колес, установленных на каждом из концов вала, соответственно объединены между собой (объединение входов на иллюстрации показано за границей изображенного фрагмента ЭНА, в системе, куда он подключен), образуя входную и выходную полости. An ENA is deprived of this drawback, it contains a housing with inlet and outlet fittings, an electric motor and impellers mounted on it mounted on the motor shaft, while the inlet and outlet fittings respectively communicate with the inlet and outlet cavities (V. Malyushenko “Dynamic Pumps”, M., "Engineering", 1984, Fig. 123 on sheet 49, p. 71), selected as a prototype. A shaft protrudes from each end of the electric motor, and impellers are mounted at each end of the shaft. The symmetrical arrangement of the impellers makes it possible to balance the axial forces acting on the wheels. The motor shaft bearings are lubricated by the pumped fluid. The outputs and inputs of the impellers installed at each end of the shaft are respectively interconnected (the combination of inputs in the illustration is shown outside the ENA fragment shown in the system where it is connected), forming the input and output cavities.

Недостатком такого ЭНА является невозможность проведения автономных испытаний ЭНА, неподключенного к заправленной гидросистеме, в которой он используется, т. к. подшипники вала электродвигателя, не смазывающиеся перекачиваемой жидкостью, могут выйти из строя из-за перегрева. Нормальная работа подшипников обеспечивается только при полном заполнении внутренних полостей ЭНА перекачиваемой жидкостью, что может быть достигнуто только после монтажа и заправки гидросистемы. В авиационной и ракетной технике заправка гидросистем является сложной операцией, которую проводят после окончательного монтажа гидросистемы. Обнаружение какой-либо неисправности ЭНА после заправки гидросистемы ведет к необходимости слива жидкости из гидросистемы, замене ЭНА и повторению всего цикла работ, что существенно увеличивает время изготовления изделия. В случае же проверок ЭНА не автономно, а с использованием какой-либо технологической гидроустановки такая проверка может отрицательно сказаться на качестве работоспособного ЭНА после завершения проверки, т.к. перекачиваемая жидкость после завершения испытаний ЭНА не может быть полностью удалена из него из-за наличия капиллярных зазоров в его конструкции, например в подшипниках скольжения. В процессе дальнейшего хранения эта жидкость может способствовать коррозии соприкасающихся поверхностей ЭНА либо образовывать осадок после высыхания, что может вызвать заклинивание вала электродвигателя, особенно при малой мощности ЭНА, что, в свою очередь, может привести к перегреву и разрушению обмоток электродвигателя. Даже в случае использования ЭНА, ротор электродвигателя которого установлен на подшипниках качения (см., например, Малюшенко В.В. "Динамические насосы", М., "Машиностроение", 1984, рис. 127 на листе 50, стр. 72), автономная проверка его может быть осуществлена либо посредством включения ЭНА без рабочей жидкости (при этом подшипники ротора работают на своей смазке), что не дает полной информации о характере работы ЭНА, либо включением его на технологической гидроустановке, заполненной рабочей жидкостью. Однако в последнем случае также возможна коррозия подшипников при высыхании рабочей жидкости, т. к. собственная смазка подшипников вымывается рабочей жидкостью в процессе испытаний. The disadvantage of such an ENA is the inability to conduct autonomous tests of an ENA that is not connected to the charged hydraulic system in which it is used, since the motor shaft bearings that are not lubricated by the pumped liquid can fail due to overheating. Normal operation of the bearings is ensured only when the internal cavities of the ENA are completely filled with the pumped liquid, which can be achieved only after installation and refueling of the hydraulic system. In aviation and rocket technology, refueling hydraulic systems is a complex operation, which is carried out after the final installation of the hydraulic system. Detection of any malfunction of the ENA after refueling the hydraulic system leads to the necessity of draining the fluid from the hydraulic system, replacing the ENA and repeating the entire cycle of work, which significantly increases the manufacturing time of the product. In the case of inspections, the ENA is not autonomous, but using any technological hydraulic installation, such a check may adversely affect the quality of a workable ENA after completion of the test, because After completion of the ENA tests, the pumped liquid cannot be completely removed from it due to the presence of capillary gaps in its design, for example, in plain bearings. During further storage, this liquid can contribute to corrosion of the contacting surfaces of the ENA or to form a precipitate after drying, which can cause jamming of the motor shaft, especially at low power of the ENA, which, in turn, can lead to overheating and destruction of the motor windings. Even in the case of using an ENA, the rotor of an electric motor of which is mounted on rolling bearings (see, for example, V. Malyushenko “Dynamic Pumps”, M., “Mechanical Engineering”, 1984, Fig. 127 on sheet 50, p. 72), autonomous verification of it can be carried out either by turning on the ENA without the working fluid (while the rotor bearings operate on their own lubricant), which does not give complete information about the nature of the working of the ENA, or by turning it on in a process hydraulic unit filled with working fluid. However, in the latter case, corrosion of bearings is also possible during drying of the working fluid, since the bearings' own lubrication is washed out by the working fluid during the test process.

Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является обеспечение возможности проведения автономных испытаний работоспособности ЭНА на любом этапе его жизненного цикла. The technical result achieved using the claimed invention is to provide the possibility of conducting stand-alone tests of the performance of the ENA at any stage of its life cycle.

Этот результат достигается за счет того, что в известном герметичном ЭНА, содержащем корпус с входным и выходным штуцерами, установленные в нем электродвигатель и рабочие колеса, связанные с валом электродвигателя, при этом входной и выходной штуцеры соответственно связаны с входной и выходной полостями, согласно изобретению, между входной и выходной полостями установлен нормально открытый регулируемый дроссель, при этом между входной полостью и входным штуцером и между выходной полостью и выходным штуцером соответственно установлены нормально закрытые краны, а также в него введен термокомпенсатор, гидравлическая полость которого сообщена с внутренней полостью электронасосного агрегата в любом месте между входной и выходной полостями, причем весь внутренний объем электронасосного агрегата между входной и выходной полостями заполнен рабочей жидкостью. Признаки "между входной полостью и входным штуцером и между выходной полостью и выходным штуцером соответственно установлены нормально закрытые краны" и "весь внутренний объем электронасосного агрегата между входной и выходной полостями заполнен рабочей жидкостью" позволяют обеспечить возможность проведения автономных испытаний ЭНА при обеспечении штатных условий функционирования подшипников. Признак "между входной и выходной полостями установлен нормально открытый регулируемый дроссель" позволяет, наряду с уже упомянутыми, обеспечить устойчивую работу ЭНА при испытаниях без возникновения помпажа (см. Черкасский В. М. "Насосы. Вентиляторы. Компрессоры", М., "Энергия", 1977. стр. 119, разд. 3-14.). Признак "в него введен термокомпенсатор, гидравлическая полость которого сообщена с внутренней полостью электронасосного агрегата в любом месте между входной и выходной полостями" необходим для обеспечения нормального функционирования ЭНА при колебаниях температуры, без него ЭНА может быть разрушен при тепловом расширении жидкости. Так как заявленная совокупность существенных признаков устройства позволяет получить указанный технический результат, то заявленное устройство соответствует критерию "изобретательский уровень"
На чертеже приведен пример конкретного выполнения герметичного ЭНА, продольный разрез.This result is achieved due to the fact that in the known sealed ENA, comprising a housing with input and output fittings, an electric motor and impellers mounted therein connected to the motor shaft, the input and output fittings respectively being connected to the input and output cavities, according to the invention , between the inlet and outlet cavities a normally open adjustable choke is installed, while between the inlet cavity and the inlet fitting and between the outlet cavity and the outlet fitting, respectively normally closed taps, as well as a temperature compensator, the hydraulic cavity of which is connected to the internal cavity of the electric pump unit anywhere between the inlet and outlet cavities, the entire internal volume of the electric pump unit between the inlet and outlet cavities is filled with a working fluid. The signs "normally closed taps are installed between the inlet cavity and the inlet fitting and between the outlet cavity and the outlet fitting respectively" and "the entire internal volume of the electric pump unit between the inlet and outlet cavities is filled with working fluid" make it possible to carry out autonomous ENA tests under standard operating conditions of bearings . The sign "a normally open adjustable throttle is installed between the inlet and outlet cavities" allows, along with the already mentioned ones, to ensure stable operation of the ENA during tests without surging (see Cherkassky V. M. "Pumps. Fans. Compressors", M., "Energy ", 1977. p. 119, sect. 3-14.). The sign "a temperature compensator is introduced into it, the hydraulic cavity of which is in communication with the internal cavity of the electric pump unit anywhere between the inlet and outlet cavities" is necessary to ensure the normal functioning of the ENA with temperature fluctuations, without it the ENA can be destroyed by thermal expansion of the liquid. Since the claimed combination of essential features of the device allows to obtain the specified technical result, the claimed device meets the criterion of "inventive step"
The drawing shows an example of a specific implementation of a sealed ENA, a longitudinal section.

ЭНА содержит электродвигатель 1 с валом 2, выступающим с каждого торца электродвигателя, рабочие колеса 3 и 4, установленные на каждом из концов вала 2, и два фланца 5 и 6, присоединенные к торцам электродвигателя 1. Во фланцах 5 и 6 выполнены центральные расточки 7 для размещения рабочих колес. В каждом из фланцев 5 и 6 дополнительно выполнены по две аксиальных расточки 8, 9 и 10, 11 и по два канала 12, 13 и 14, 15. Аксиальные расточки 8 и 10 соединены через каналы 12 и 14 с входами колес 3 и 4, а расточки 9 и 11 через каналы 13, 15 - с выходами рабочих колес. Аксиальные расточки 8 и 10 посредством трубопровода 16 соединены друг с другом, а расточки 9 и 11 соединены посредством трубопровода 17. Фланец 5 снабжен установленными на нем нормально закрытыми кранами 18 и 19, на корпусах которых размещены входной 20 и выходной 21 штуцеры. Фланцы 5 и 6, краны 18 и 19, входной 20 и выходной 21 штуцеры и трубопроводы 16 и 17 вместе образуют сборный корпус 22. ЭНА снабжен фильтром 23. Электрический соединитель 24, на который выведены провода обмоток электродвигателя 1, размещен на его корпусе. Во фланцах 5 и 6 перед входами колес 3 и 4 выполнены камеры 25. В ЭНА образована входная полость 26, состоящая из камер 25, каналов 12 и 14, аксиальных расточек 8 и 10 трубопровода 16, а также выходная полость 27, состоящая из каналов 13 и 15, расточек 9 и 11 и трубопровода 17. Входной 20 и выходной 21 штуцеры соответственно связаны с входной 26 и выходной 27 полостями через краны 18 и 19. Кран 18 установлен между входной полостью 26 и входным штуцером 20, а кран 19 установлен между выходной полостью 27 и выходным штуцером 21. Между входной 26 и выходной 27 полостями установлен нормально открытый регулируемый дроссель 28. В ЭНА установлен термокомпенсатор 29, гидравлическая полость которого сообщена с внутренней полостью ЭНА - в данном примере конкретного выполнения с входной полостью 26. Вся внутренняя полость ЭНА (пространство между кранами 18 и 19) заполнена рабочей жидкостью. ENA contains an electric motor 1 with a shaft 2 protruding from each end of the electric motor, impellers 3 and 4 mounted on each end of the shaft 2, and two flanges 5 and 6 attached to the ends of the electric motor 1. Central flutes 7 are made in the flanges 5 and 6 for placement of impellers. In each of the flanges 5 and 6, two axial bores 8, 9 and 10, 11 and two channels 12, 13 and 14, 15 are additionally made. Axial bores 8 and 10 are connected through channels 12 and 14 to the inputs of the wheels 3 and 4, and bores 9 and 11 through channels 13, 15 - with the outputs of the impellers. The axial bores 8 and 10 are connected to each other by means of a pipe 16, and the bores 9 and 11 are connected by a pipe 17. Flange 5 is equipped with normally closed taps 18 and 19 installed on its bodies, the input 20 and output 21 fittings are located on their bodies. Flanges 5 and 6, valves 18 and 19, inlet 20 and outlet 21 fittings and pipelines 16 and 17 together form a prefabricated housing 22. The ENA is equipped with a filter 23. An electrical connector 24, onto which the wires of the motor windings 1 are led, is placed on its body. Chambers 25 are made in flanges 5 and 6 in front of the inputs of wheels 3 and 4. An inlet cavity 26 is formed in the ENA, consisting of chambers 25, channels 12 and 14, axial bores 8 and 10 of the pipe 16, and also an outlet cavity 27 consisting of channels 13 and 15, a bore 9 and 11, and a pipe 17. The inlet 20 and outlet 21 fittings are respectively connected to the inlet 26 and outlet 27 cavities through taps 18 and 19. A crane 18 is installed between the inlet cavity 26 and the inlet 20, and the crane 19 is installed between the outlet cavity 27 and outlet fitting 21. Between the input 26 and output 27 cavities installed n rmalno outdoor adjustable throttle 28. In ANE set temperature compensator 29, the hydraulic chamber which communicates with the interior of ENA - in this example, the particular embodiment with the inlet cavity 26. The entire inner cavity ENA (the space between the valves 18 and 19) filled with hydraulic fluid.

Электронасосный агрегат работает следующим образом: при вращении вала 2 электродвигателя 1 его вращение передается на колеса 3 и 4. Рабочая жидкость циркулирует через трубопровод 16, расточки 8 и 10, каналы 12 и 14 и камеры 25 на входы рабочих колес 3 и 4, под действием лопаток которых поступает в центральные расточки 7. Из них жидкость через каналы 13, 15 поступает в расточки 9, 11 и трубопровод 17, откуда через нормально открытый регулируемый дроссель 28 поступает в камеру 25, и далее цикл повторяется снова. О работоспособности ЭНА судят по величине тока в обмотках электродвигателя 1 и скорости его вращения (при наличии в электродвигателе тахогенератора). Нормально закрытые краны 18 и 19 обеспечивают герметизацию внутренней полости ЭНА от штуцеров 20 и 21 и постоянное наличие рабочей жидкости в ней. В случае колебаний температуры ЭНА термокомпенсатор 29 обеспечивает компенсацию температурного расширения или сжатия жидкости и предотвращает разрушение корпуса ЭНА давлением рабочей жидкости. Нормально открытый регулируемый дроссель 28 позволяет организовать течение рабочей жидкости из выходной полости 27 во входную полость 26. При использовании заявленной конструкции без этого дросселя включение ЭНА было бы возможным, но расход, создаваемый таким ЭНА, был бы весьма мал (т.к. весь расход определялся бы утечками по боковым зазорам между колесами 3 и 4 и стенками расточек 7), что приводило бы к помпажу и неустойчивой работе ЭНА (см. Черкасский В.М. "Насосы. Вентиляторы. Компрессоры". М, "Энергия", 1977, стр. 119, разд. 3-14.). Дроссель 28 позволяет обеспечить устойчивую работу ЭНА при испытаниях без возникновения помпажа. В данном примере рабочие колеса 3 и 4 установлены непосредственно на валу 2 электродвигателя, однако это не является необходимым. Например, возможна установка колес на собственном валу, связанном с валом электродвигателя через муфту или редуктор, поэтому в формуле изобретения приведен обобщающий признак "рабочие колеса, связанные с валом электродвигателя". Т к. в прототипе входной и выходной штуцеры непосредственно сообщены с входной и выходной полостями, а в заявленном ЭНА они связаны с указанными полостями через краны, то в формуле использован обобщающий признак "входной и выходной штуцеры соответственно связаны с входной и выходной полостями". Выше описана работа ЭНА, не подключенного к какой-либо гидросистеме, в автономном режиме. Таким образом обеспечивается проверка функционирования ЭНА в процессе его длительного хранения, при периодических испытаниях, а также проверка ЭНА перед его подключением к гидросистеме и ее заправкой рабочей жидкостью. The electric pump unit operates as follows: when the shaft 2 of the motor 1 is rotated, its rotation is transmitted to the wheels 3 and 4. The working fluid circulates through the pipe 16, bores 8 and 10, channels 12 and 14 and chambers 25 to the inputs of the impellers 3 and 4, under the action the blades of which enter the central bores 7. Of these, the liquid through the channels 13, 15 enters the bores 9, 11 and the pipe 17, from where it enters the chamber 25 through a normally open adjustable throttle 28, and then the cycle repeats again. The performance of the EIA is judged by the magnitude of the current in the windings of the electric motor 1 and the speed of its rotation (if there is a tachogenerator in the electric motor). Normally closed valves 18 and 19 provide sealing of the internal cavity of the ENA from the fittings 20 and 21 and the constant presence of a working fluid in it. In the event of temperature fluctuations, the ENA temperature compensator 29 provides compensation for thermal expansion or contraction of the liquid and prevents the destruction of the ENA housing by the pressure of the working fluid. A normally open adjustable throttle 28 allows you to organize the flow of the working fluid from the outlet cavity 27 to the inlet cavity 26. If the claimed design was used without this throttle, switching on the ENA would be possible, but the flow rate created by such an ENA would be very small (since the entire flow rate would be determined by leaks along the lateral gaps between wheels 3 and 4 and the walls of the bore 7), which would lead to surging and unstable operation of the ENA (see Cherkassky VM "Pumps. Fans. Compressors." M, "Energy", 1977, p. 119, sect. 3-14.). The throttle 28 allows you to ensure stable operation of the ENA when tested without surge. In this example, the impellers 3 and 4 are mounted directly on the motor shaft 2, however this is not necessary. For example, it is possible to install wheels on its own shaft connected to the shaft of the electric motor through a coupling or gearbox; therefore, the generalized feature “impellers associated with the electric motor shaft” is given in the claims. Since in the prototype the inlet and outlet fittings are directly communicated with the inlet and outlet cavities, and in the declared ENA they are connected with the indicated cavities through taps, the generalizing attribute “inlet and outlet fittings are respectively connected with the inlet and outlet cavities” is used in the formula. The above describes the operation of an ENA, not connected to any hydraulic system, in standalone mode. This ensures a check of the functioning of the ENA during its long-term storage, during periodic tests, as well as checking the ENA before connecting it to the hydraulic system and filling it with working fluid.

ЭНА после его подключения к гидросистеме и ее заправки работает следующим образом (при этом дроссель 28 переводят в полностью закрытое положение (его шток находится в положении, показанном пунктиром), а краны 18 и 19 открывают (их штоки находятся в положениях, показанных пунктиром): при вращении вала 2 электродвигателя 1 его вращение передается на колеса 3 и 4. Рабочая жидкость циркулирует из гидросистемы (на иллюстрации не показана) через входной штуцер 20, открытый кран 18 в трубопровод 16, расточки 8 и 10, каналы 12 и 14 и в камеры 25 на входы рабочих колес 3 и 4, под действием лопаток которых поступает в центральные расточки 7. Из них жидкость через каналы 13, 15 поступает в расточки 9, 11 и трубопровод 17, откуда через открытый кран 19 и выходной штуцер 21 поступает в гидросистему. После прохода жидкости через гидросистему цикл повторяется снова. Т.к. дроссель 28 полностью закрыт, то иной путь течения жидкости из полости 27 в полость 26 перекрыт (кроме утечек по боковым зазорам между колесами 3 и 4 и стенками расточек 7, что характерно для любого центробежного насоса). After connecting it to the hydraulic system and filling it, the ENA works as follows (in this case, the throttle 28 is moved to the fully closed position (its stem is in the position shown by the dotted line), and the valves 18 and 19 are open (their rods are in the positions shown by the dotted line): when the shaft 2 of the motor 1 rotates, its rotation is transmitted to the wheels 3 and 4. The working fluid circulates from the hydraulic system (not shown in the illustration) through the inlet 20, open valve 18 into the pipeline 16, bores 8 and 10, channels 12 and 14 and into the chambers 25 at the inputs of the working count 3 and 4, under the action of the blades of which enters the central bores 7. Of these, the liquid through the channels 13, 15 enters the bores 9, 11 and the pipe 17, from where it enters the hydraulic system through the open valve 19 and the outlet 21. the hydraulic system repeats again, since the throttle 28 is completely closed, the other path of fluid flow from the cavity 27 to the cavity 26 is closed (except for leaks in the lateral gaps between the wheels 3 and 4 and the walls of the bores 7, which is typical for any centrifugal pump).

В результате использования изобретения обеспечивается возможность проведения автономных испытаний работоспособности ЭНА на любом этапе его жизненного цикла, что позволяет свести к минимуму время сборки изделия. As a result of the use of the invention, it is possible to conduct autonomous tests of the performance of the ENA at any stage of its life cycle, which minimizes the assembly time of the product.

Claims

A sealed pump assembly comprising a housing with inlet and outlet fittings, an electric motor mounted therein and impellers connected to the motor shaft, while the inlet and outlet fittings are respectively connected to the inlet and outlet cavities, characterized in that it is installed normally between the inlet and outlet cavities open adjustable throttle, while normally closed valves are installed between the inlet cavity and the inlet fitting and between the outlet cavity and the outlet fitting, as well as a temperature compensator was introduced to it, the hydraulic cavity of which is in communication with the internal cavity of the electric pump unit anywhere between the inlet and outlet cavities, and the entire internal volume of the electric pump unit between the inlet and outlet cavities is filled with a working fluid.