RU2533607C1

RU2533607C1 - Electric pump unit

Info

Publication number: RU2533607C1
Application number: RU2013123978/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Игоревич Белоусов; Михаил Николаевич Жарков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2014-11-20
Also published as: RU2013123978A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: electric pump unit comprises a metal body, a contactless direct-current motor installed at the body with an integrated electronic switch, impellers mounted at the motor shaft, a metal pressurized enclosure installed outside the contactless direct-current motor with an electric connector mounted on it. Between leads of one of two power supply poles and electronic switch there is an in-series group of n (n=2, 3, etc.) parallel resistors interconnected by highly heat-conductive materials with pressurized enclosure and placed inside it.

EFFECT: cost-effective control of parameters for the electric pump unit.

3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах терморегулирования изделий космической техники.The invention relates to mechanical engineering and can be used in thermal control systems of space technology products.

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].Known electric pump unit (ENA) containing an electric motor installed in the housing, a pump housing in which impellers are mounted on the motor shaft, bushings with bores for accommodating the impellers and the diaphragm between the bushings, while the output of each previous stage is connected by a channel to the input of the next [Malyushenko V.V. Dynamic pumps. M .: Engineering, 1984, p. 51, Fig. 131].

Недостатком такого ЭНА является невозможность ремонта на борту космического летательного аппарата (КЛА) в случае отказа или выработки ресурса электродвигателя и невозможность его замены.The disadvantage of this ENA is the impossibility of repair on board the spacecraft (SC) in the event of a failure or exhaustion of the resource of the electric motor and the impossibility of replacing it.

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.An ENA is deprived of this drawback, it contains a metal case equipped with inlet and outlet nozzles, a non-contact direct current electric motor mounted on the body and an electronic commutator made integral with it, impellers mounted on the electric motor shaft, a metal sealing casing mounted outside the non-contact direct current electric motor, on which is placed an electrical connector connected via wires of two power poles to an electronically AV switch from [ Bobkov. "Centrifugal pumps for spacecraft thermal control systems." Vladivostok, Dalnauka, 2003, p. 209, Fig. 7.17], selected as a prototype.

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.The disadvantage of this ENA is the impossibility of economical regulation of its parameters (flow and pressure). These parameters are determined by the hydraulic characteristics of the ENA and the hydraulic network into which it is connected. Modern spacecraft (spacecraft, modules of orbital stations) use a number of systems with ENA, requiring the use of ENA with different characteristics. At the same time, a number of electric motors used in ENA KLA are characterized by a rather large difference in power, which does not always allow obtaining the required characteristics of ENA with good efficiency. For example, the mechanical power of the produced non-contact DC motors of the BK-2 series is as follows: 1, 4, 6, 10, 25, 40 W. Since electric motors for ENA KLA are special, only non-contact motors with an electronic commutator are used, which make it possible to obtain a long resource due to the lack of a collector-brush assembly, while the motor design itself has stringent requirements for vibration resistance and vibration resistance, resistance to shock, etc. - then it is not possible to use other electric motors manufactured by the electrical industry in space technology. Therefore, with the required mechanical power of the ENA electric motor, for example, at 30 W, the designer is forced to choose an electric motor from the existing series with a power of 40 W or to get an "oversized" ENA with more than necessary power consumption and parameters greater than required. If an exact hydraulic response is required for the required power, you can either introduce a throttle in the design of the ENA, which reduces the efficiency of the ENA and does not reduce power consumption, or reduce the wheel diameters of the "oversized" ENA by turning them, which is accompanied by the same disadvantages. The well-known way of controlling the change in rotational speed is realized using a device that performs, for example, pulse-width modulation of the voltage supplied to the ENA, which requires the introduction of this device into the spacecraft, i.e. increases the mass of the spacecraft and reduces the usable volume inside it, and also leads to the complication of the electrical circuit of the spacecraft, which is quite complicated at present, and its cost.

Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является обеспечение возможности экономичного регулирования параметров ЭНА.The technical result achieved using the claimed invention is to enable economical regulation of the parameters of the ENA.

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.This result is achieved due to the fact that in the known electric pump unit containing a metal casing, equipped with input and output nozzles, a non-contact direct current electric motor mounted on the body with an electronic commutator integral with it, impellers mounted on the motor shaft mounted outside the non-contact direct electric motor current connected to the housing metal sealing casing on which is placed an electrical connector connected by means of the wires of the two power poles to the electronic switch according to the invention, between the wires of one of the two power poles and the electronic switch, a group of n (n = 2, 3, etc.) parallel-connected resistors connected by means of highly heat-conducting materials to the sealing casing and placed inside it.

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.Figure 1 shows an example of a specific implementation of the duplicated ENA, a longitudinal section, figure 2 is the same, view A, figure 3 is a wiring diagram of the electrical connector with the electronic switch of a non-contact electric DC motor ENA.

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.The electric pump unit used in the KLA thermal control system contains a metal casing 1, equipped with input 2 and output 3 nozzles, mounted on housing 1, a non-contact direct current electric motor 4 with an electronic switch 5. The impeller 6 is located on the shaft of the electric motor 4. a contactless DC motor 4 is installed connected by screws 7 to the housing 1, a metal sealing casing 8, on which is placed an electrical connector 9, is attached through wires 10 and 11 of the two power poles, respectively, to the electronic switch 5. Between the wires 11 of one of the two power poles and the electronic switch 5, a group of n is sequentially installed (n = 2, 3, etc., in this particular example, n = 2) in parallel connected resistors 12, connected by means of highly heat-conducting materials with a sealing casing 8 and placed inside it. Resistors 12 - in this example, type C5-47 - are installed on the bottom of the casing 8 by means of screws 13. A parallel connection of the resistors 12 is made by jumper wires 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 наENA works as follows: when voltage is applied to the electrical connector 9, the voltage through the wires 10 from the “plus” power supply and wires 11 and a group of resistors 12 is supplied to the electronic switch 5 of the electric motor 4. The rotor of the electric motor 4 rotates the impeller 6 installed on its shaft. hydraulic network (not shown) through the inlet pipe 2 enters the input and then to the periphery of the impeller 6, and from there to the outlet pipe 3 and into the hydraulic network (not shown). Since the constant voltage supplied to the switch 5 is less than the constant supply voltage supplied to the electrical connector 9 (this is the voltage from the spacecraft’s storage battery or the stabilized voltage of the power supply system of the orbital station), by the magnitude of the voltage drop across the group of parallel-connected resistors 12, then the motor 4 develops less power (and, accordingly, the ENA creates less pressure and flow) than when connecting the switch to the electrical connector directly (as in the prototype). Naturally, in this case, on the group of resistors, since current flows through them, heat is generated, which must be removed to avoid overheating of the ENA - on space objects due to zero gravity there is no natural convection, and the thermal conductivity of the air around the resistors is very small, just as little thermal radiation at an acceptable temperature of operation of resistors. However, since the resistors are connected by means of highly heat-conducting materials to the sealing casing 8 — in this example, resistors of the C5-47 type are connected to the casing by means of their housings specially designed to remove heat to their supporting surface — the heat released on the resistors 12 is transferred through metal to conductivity, i.e. . highly heat-conducting, casing 8 and from it to the metal housing 1, incl. and to pipes 2 and 3. Since the flow of the pumped ENA fluid directly flows through these pipes, this heat is transferred through heat conduction to this fluid, which then flows through the heat exchanger of the temperature control system, where the excess heat (released on the resistors) along with the main temperature control system removed and many times superior to that allocated on the resistors, it is dumped from the radiator of the system into outer space. In this example, the resistors are installed directly on the casing 8, however, to improve the manufacturability of electrical installation and assembly, they can be installed on an intermediate part, i.e. connected by means of highly heat-conducting materials with a sealing casing. Resistors of other designs can also be used, without supporting pads, but using, for example, heat-conducting pastes. The location of the resistors inside the casing allows you to protect them from external influences and do not change the connection diagram of the ENA in the spacecraft. Installation (n = 2, 3, etc.) of parallel-connected resistors instead of one is necessary to ensure the reliability of the ENA - in case of failure of one resistor from the group, the resistance of the group of remaining parallel-connected resistors increases, which leads to some decrease in the current flowing through the electric motor and a slight decrease in hydraulic parameters, which is permissible for a short period of time before replacing the failed pump with a backup one, available in the spare part. In the event that there would be only one resistor, its failure is equivalent to a complete failure of the ENA. We are talking about wires, since a single wire in the power supply circuits of space technology units from the same reliability considerations is almost never used. Despite the fact that the declared (as a generalization) of the wheel, in the above example, the impeller is one. It is obvious that the number of impellers does not belong to the mechanism of the invention, but is selected by known engineering methods based on the required parameters of the EIA. The following specific elements were used in the ENA currently being developed: the BK-2624 electric motor (consumed nominal current 1.7 A at a supply voltage of 27 V, developed mechanical power 25 W, consumed electric power 45.9 W [1]) is connected to an electrical connector through a group of resistors with a total resistance of 1.26 Ohms (the value was selected experimentally with ENA spills on a hydraulic stand, on which the pressure and flow set by the technical task were installed). Due to this connection, the current flowing through the electric motor decreased to a value of 1.43 A - i.e. power consumption decreased to 38.1 watts. In this case, the power allocated to the group of resistors - i.e. uselessly lost - amounted to 2.6 watts, and useful, developed ENA, amounted to 38.1-2.6 = 35.5 [W]. However, when using an ENA according to the prototype scheme with throttling or turning the wheels to obtain the mentioned hydraulic parameters, the electric power consumed would practically not change, and the use of the electric motor of the closest smaller size (BK-2524 with a mechanical power of 10 W) in the ENA design does not allow to set terms of reference pressure and flow. Thus, the use of the invention allowed, without changing the design of the hydraulic path and the impellers of the ENA and the used electric motor, to reduce the power consumption of the ENA at the given hydraulic parameters by

(45,9-38,1)/45,9*100%=17%.(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.As a result of the use of the invention, it is possible to economically control the parameters of the ENA, the power consumption of the ENA is reduced without changing the design of its hydraulic path and impellers. The claimed invention is valuable for space technology products characterized by limited resources of power supply systems.

ЛитератураLiterature

1. Отраслевой стандарт ОСТ В 16 0.515.054-80. Электродвигатели постоянного тока бесконтактные серии БК-1, БК-2. Технические условия.1. The industry standard OST B 16 0.515.054-80. DC electric motors contactless series BK-1, BK-2. Technical conditions

2. К. Пфлейдерер. «Лопаточные машины для жидкостей и газов», государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, М., 1960, стр.478.2. K. Pfleiderer. "Shoveling machines for liquids and gases," State Scientific and Technical Publishing House of Engineering Literature, Moscow, 1960, p. 478.

3. М.П. Калинушкин. «Насосы и вентиляторы», М., «Высшая школа», 1987, стр.125.3. M.P. Kalinushkin. “Pumps and Fans”, M., “Higher School”, 1987, p. 125.

Claims

An electric pump unit comprising a metal casing, equipped with inlet and outlet nozzles, a non-contact direct current electric motor mounted on the body with an electronic switch integral with it, impellers located on the electric motor shaft, mounted outside the non-contact direct current electric motor, a metal sealing casing attached to the body, on which placed an electrical connector connected by wires of two power poles to an electronic a switch, characterized in that between the wires of one of the two power poles and the electronic switch, a group of n (n = 2, 3, etc.) are connected in series with parallel-connected resistors connected by means of highly heat-conducting materials with a sealing casing and placed inside it.