RU2618777C2

RU2618777C2 - Two-stage electrically driven pump unit

Info

Publication number: RU2618777C2
Application number: RU2015137814A
Authority: RU
Inventors: Александр Анатольевич Логанов; Геннадий Иванович Овечкин; Леонид Михайлович Бородин; Михаил Иванович Синиченко; Василий Васильевич Смирнов; Виталий Гавриилович Воловиков
Original assignee: Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2017-05-11
Also published as: RU2015137814A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: two-stage electrically driven pump unit (EDPU) comprises an inlet and an outlet pipes and two EDPUs. Each motor contains an EDPU with hermetically separated titanium housings, for the rotor and the stator respectively, connected along the perimeter to the free housing part with the aluminum pump housing. In the pump housing on the engine rotor shaft, the left and the right impellers are fixed, mounted in the cage bore. The impellers cavities are separated by a vertical diaphragm and contain conversion channels. The engine stator housing and the pump housing junction is made airtight by means of the monolithic transition bimetallic ring with the titanium and the aluminum side, respectively. The engine rotor housing cavity communicates with the impeller cavity through the liquid via the rotor bearings. The diaphragm is made integral with the cage, airtight along its outer perimeter. One conversion channel is made in the areas of the cage and the bushing, and connects the entrance and exit of the cavities, of the right and left impellers respectively; the other channel is made in the areas of the cage and the EDPU housing and connects the left impeller cavity outlet and the outlet pipe. The EDPUs are arranged symmetrically relative to the plane passing through the inlet and outlet pipes and the ball-shaped check valve installed at the intersection of the EDPU conversion channels outlets with the outlet pipe channel. The EDPU housing, spring-loaded from the external side of the outlet pipe, is made as a single structure.

EFFECT: increasing reliability, increasing the efficiency factor, simplifying the design, reducing the weight, expanding the conditions of using the two-step electrically-driven pump unit.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроительной гидравлике и может быть использовано как электронасосный агрегат (ЭНА) в составе систем терморегулирования (СТР) самолетов и космических аппаратов (КА).The invention relates to mechanical engineering hydraulics and can be used as an electric pump unit (ENA) as a part of thermal control systems (STR) of airplanes and spacecraft (SC).

Известен многоступенчатый электронасосный агрегат (ЭНА), содержащий корпус, электродвигатель, три рабочих колеса и направляющие движениия жидкости устройства, размещенные между ними (Малюшенко В.В. Динамические насосы. - М.: Машиностроение, 1984, лист 49, рис. 124).Known multi-stage electric pump unit (ENA), comprising a housing, an electric motor, three impellers and fluid guiding devices placed between them (V. Malyushenko Dynamic pumps. - M .: Mechanical Engineering, 1984, sheet 49, Fig. 124).

Недостатком этого ЭНА является секционная конструкция, что приводит к наличию большого числа уплотнений между внутренней полостью и атмосферой, повышению вероятности утечек жидкости, к снижению КПД, надежности, повышению массы.The disadvantage of this ENA is the sectional design, which leads to the presence of a large number of seals between the internal cavity and the atmosphere, an increase in the probability of fluid leaks, to a decrease in efficiency, reliability, and an increase in mass.

Известен также ЭНА (патент RU №2042053), содержащий корпус с входным и выходным патрубками, установленную в нем и контактирующую с ним своей наружной цилиндрической поверхностью обойму, в расточке которой размещены электродвигатель и n (n=2) рабочих колес, а также контактирующие с ее внутренней цилиндрической поверхностью втулки с полостями для размещения рабочих колес и диафрагмы между втулками, расположенные в обойме n-1 переводных каналов, сообщающих выход каждого предыдущего и вход в каждое последующее рабочее колесо.Also known is ENA (patent RU No. 2042053), comprising a housing with inlet and outlet nozzles, a ferrule in it and a ferrule in contact with it with its outer cylindrical surface, in the bore of which an electric motor and n (n = 2) impellers are placed, as well as in contact with its inner cylindrical surface of the sleeve with cavities for placing the impellers and the diaphragm between the bushings, located in the holder n-1 translated channels, reporting the output of each previous and the entrance to each subsequent impeller.

Недостатками указанного ЭНА являются: пониженные КПД, надежность, повышенная масса.The disadvantages of this ENA are: reduced efficiency, reliability, increased weight.

Причинами этого являются:The reasons for this are:

1. 3начительные радиальные габариты и масса ЭНА, вызванные значительной толщиной обоймы, которая складывается из глубины винтовой канавки и толщины стенки между дном канавки и расточкой обоймы. Первая составляющая определяется исходя из сечения винтовой канавки, которое, в свою очередь, определяется расходом ЭНА и соответственно не может быть произвольно уменьшено. Вторая составляющая определяется условием прочности детали при обработке, и ее величина также не может быть снижена более определенного значения, при достижении которого может начаться деформация материала обоймы при фрезеровании винтовой канавки.1. The significant radial dimensions and mass of the ENA caused by the significant thickness of the cage, which is the sum of the depth of the helical groove and the wall thickness between the bottom of the groove and the bore of the cage. The first component is determined based on the cross section of the helical groove, which, in turn, is determined by the flow rate of the ENA and, accordingly, cannot be arbitrarily reduced. The second component is determined by the condition of the strength of the part during processing, and its value also cannot be reduced to more than a certain value, upon reaching which deformation of the cage material can begin when milling a helical groove.

2. Сложность конструкции, в том числе из-за наличия контроля зазоров между втулками, диафрагмой и рабочими колесами, который может быть осуществлен через отверстия в обойме, специально выполненные для этой цели.2. The complexity of the design, including due to the presence of control of the gaps between the bushings, the diaphragm and the impellers, which can be carried out through holes in the cage, specially made for this purpose.

В качестве прототипа выбран «Многоступенчатый электронасосный агрегат» (патент RU №2369777), содержащий корпус с входным и выходным патрубками, установленную в нем и контактирующую с ним своей наружной цилиндрической поверхностью обойму, в расточке которой размещены электродвигатель и n [n=2, 3 и т.д.] рабочих колес, а также контактирующие с ее внутренней цилиндрической поверхностью втулки с полостями для размещения рабочих колес и диафрагмы между втулками, расположенные в обойме n-1 переводных каналов, сообщающих выход каждого предыдущего и вход в каждое последующее рабочее колесо.As a prototype, “Multistage electric pump unit” (patent RU No. 2369777) was selected, comprising a housing with inlet and outlet nozzles, a cage in contact with it and its outer cylindrical surface, the bore of which contains an electric motor and n [n = 2, 3 etc.] of the impellers, as well as bushings in contact with its inner cylindrical surface, with cavities for accommodating the impellers and the diaphragm between the bushings, located in the holder of n-1 transfer channels communicating the output of each previous and input d in each subsequent impeller.

В прототипе переводные каналы выполнены в виде сквозных пазов между внутренней и наружной цилиндрическими поверхностями обоймы, в расточке выполнен упор для одной из крайних втулок, а фиксаторы углового положения выполнены в виде штифтов, размещенных во втулках, диафрагмах и упоре расточки обоймы, при этом штифты размещены внутри внутренней цилиндрической поверхности обоймы.In the prototype, the transfer channels are made in the form of through grooves between the inner and outer cylindrical surfaces of the cage, a stop for one of the extreme bushings is made in the bore, and the angular position locks are made in the form of pins placed in the bushes, diaphragms and the stop of the bore of the cage, while the pins are placed inside the inner cylindrical surface of the cage.

Недостаток прототипа заключается в недостаточно высокой надежности, низком КПД, в сложности устройства и повышенной массе (в том числе из-за применения в его составе двух втулок), недостаточно широкие условия применения.The disadvantage of the prototype is not sufficiently high reliability, low efficiency, the complexity of the device and the increased mass (including due to the use of two bushings in its composition), insufficiently wide conditions of use.

Задачи предложенного технического решения: повышение надежности, увеличение КПД, упрощение конструкции, уменьшение массы, расширение условий применения ЭНА.The objectives of the proposed technical solution: improving reliability, increasing efficiency, simplifying the design, reducing weight, expanding the conditions for using ENA.

Задачи решаются за счет того, что двуступенчатый электронасосный агрегат (ЭНА), содержит входной и выходной патрубки; и два ЭНА, каждый из которых содержит электродвигатель с герметично разделенными корпусами из титана соответственно для ротора с его валом на подшипниках и статора, соединенного по периметру свободной частью корпуса с алюминиевым корпусом насоса, в корпусе которого на валу ротора электродвигателя закреплены последовательно втулка, левое и правое рабочие колеса, установленные в расточке обоймы; рабочие полости рабочих колес разделены вертикальной диафрагмой и содержат жидкостные переводные каналы, соединение корпуса статора электродвигателя и корпуса насоса выполнено герметично посредством монолитного переходного биметаллического кольца соответственно с титановой и алюминиевой сторонами; полость корпуса ротора электродвигателя выполнена сообщающейся с полостью рабочего колеса по жидкости через подшипники ротора; вертикальная диафрагма выполнена заодно с обоймой герметично по ее внешнему периметру; один переводной канал выполнен на участках обоймы и втулки и соединяет выход рабочей полости правого рабочего колеса и вход рабочей полости левого рабочего колеса, другой переводной канал выполнен на участках обоймы и корпуса ЭНА и соединяет выход рабочей полости левого рабочего колеса и выходной патрубок корпуса ЭНА; электронасосные агрегаты расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через входной патрубок, выходной патрубок и шарообразный обратный клапан, установленный на пересечении выходов переводных каналов электронасосных агрегатов с каналом выходного патрубка; подпружиненный с наружной стороны выходного патрубка корпус ЭНА выполнен в виде единой конструкции.The tasks are solved due to the fact that the two-stage electric pump unit (ENA) contains inlet and outlet nozzles; and two ENAs, each of which contains an electric motor with hermetically separated titanium housings, respectively, for a rotor with its shaft on bearings and a stator connected along the perimeter by the free part of the housing with an aluminum pump housing, in the case of which a sleeve is fixed in series on the rotor shaft, the left and right impellers installed in the bore of the cage; the working cavities of the impellers are separated by a vertical diaphragm and contain liquid transfer channels, the connection of the stator housing of the electric motor and the pump housing is made hermetically by means of a monolithic transition bimetallic ring, respectively, with the titanium and aluminum sides; the cavity of the rotor of the electric motor is made communicating with the cavity of the impeller in liquid through the bearings of the rotor; the vertical diaphragm is made at the same time with the clip hermetically around its outer perimeter; one transfer channel is made on the sections of the cage and the sleeve and connects the output of the working cavity of the right impeller and the input of the working cavity of the left impeller, another transfer channel is made on the sections of the cage and the housing of the ENA and connects the output of the working cavity of the left impeller and the output pipe of the ENA; the electric pump units are located symmetrically relative to the plane passing through the inlet pipe, the outlet pipe and a spherical check valve installed at the intersection of the outputs of the transfer channels of the electric pump units with the channel of the output pipe; The ENA housing, spring-loaded on the outside of the outlet pipe, is made as a single structure.

Предложенное решение - электронасосный агрегат представлен на чертеже - общий вид ЭНА в разрезе.The proposed solution - an electric pump unit is shown in the drawing - a General view of the ENA in section.

Предложенный ЭНА содержит с одной стороны электродвигатель с герметично разделенными корпусами 1, 2 из титана соответственно для ротора с его валом 3 на подшипниках и статора, соединенного по периметру свободной частью корпуса 2 с алюминиевым корпусом 4 ЭНА посредством монолитного переходного биметаллического кольца 19 соответственно с титановой и алюминиевой сторонами.The proposed ENA contains, on the one hand, an electric motor with hermetically sealed cases 1, 2 made of titanium, respectively, for a rotor with its shaft 3 on bearings and a stator connected along the perimeter by the free part of the case 2 to the aluminum case 4 of the ENA through a monolithic transitional bimetallic ring 19, respectively, with titanium and aluminum sides.

В корпусе насоса 4 на валу 3 ротора электродвигателя закреплены последовательно втулка 8, левое и правое рабочие колеса 9, 10, установленные в расточке обоймы 7. С другой стороны на поверхности корпуса 4 выполнены входной и выходной патрубки 5, 6. Рабочие полости 11, 12 рабочих колес 9, 10 соответственно, разделенные вертикальной диафрагмой 13, содержат жидкостные переводные каналы 14, 15. Канал 14 выполнен на участках обоймы 7 и втулки 8 и соединяет выход 16 полости 12 правого рабочего колеса 10 и вход 17 полости 11 левого рабочего колеса 9. Канал 15 выполнен на участках обоймы 7 и корпуса 4 насоса и соединяет выход 18 полости 11 левого рабочего колеса 9 и выходной патрубок 6 корпуса 4 насоса.In the pump housing 4, on the shaft 3 of the rotor of the electric motor, a sleeve 8, left and right impellers 9, 10 are mounted in series, mounted in a bore of the casing 7. On the other hand, input and output pipes 5, 6 are made on the surface of the housing 4. Working cavities 11, 12 impellers 9, 10, respectively, separated by a vertical diaphragm 13, contain liquid transfer channels 14, 15. Channel 14 is made in sections of the cage 7 and sleeve 8 and connects the outlet 16 of the cavity 12 of the right impeller 10 and the input 17 of the cavity 11 of the left impeller 9. Channel 15 completed The holder of the cage 7 and the pump housing 4 and connects the outlet 18 of the cavity 11 of the left impeller 9 and the output pipe 6 of the pump housing 4.

Поставленные задачи для предложенного ЭНА решены за счет того, что:The tasks for the proposed ENA are solved due to the fact that:

1. Диафрагма 13 выполнена заодно с обоймой 7 герметично по ее внешнему периметру (это позволило снизить непроизводительные перетекания жидкости внутри насоса из полости 11 рабочего колеса 9 в полость 12 рабочего колеса 10, повысить КПД ЭНА); нижний и верхний жидкостные переводные каналы 14, 15 выполнены в виде герметичных каналов соответственно в обойме 7 и втулке 8 (за счет этого обеспечено снижение непроизводительных перетеканий жидкости внутри насоса и тем самым повышение его КПД). Соединение корпуса 2 статора электродвигателя и корпуса 4 насоса выполнено герметично посредством монолитного переходного биметаллического кольца 19 соответственно с титановой и алюминиевой сторонами и герметичными по замкнутым периметрам сварочными швами 20, 21 соответственно по титану и алюминию (это позволило повысить герметичность ЭНА, его надежность, упростить конструкцию и снизить массу). Полость корпуса 1 ротора электродвигателя выполнена сообщающейся с полостью 11 рабочего колеса 9 по жидкости через подшипники ротора (это позволило повысить надежность работы подшипников за счет вращения их в жидкости).1. The diaphragm 13 is made at the same time with the cage 7 hermetically around its outer perimeter (this allowed to reduce unproductive fluid flow inside the pump from the cavity 11 of the impeller 9 into the cavity 12 of the impeller 10, to increase the efficiency of the ENA); the lower and upper liquid transfer channels 14, 15 are made in the form of sealed channels, respectively, in the cage 7 and sleeve 8 (due to this, a decrease in unproductive fluid flow inside the pump and thereby increase its efficiency). The connection of the housing 2 of the stator of the electric motor and the housing 4 of the pump is made hermetically by means of a monolithic transitional bimetallic ring 19, respectively, with titanium and aluminum sides and tight seams along the closed perimeters 20, 21 along titanium and aluminum, respectively (this made it possible to increase the tightness of the ENA, its reliability, simplify the design and reduce weight). The cavity of the housing 1 of the rotor of the electric motor is made communicating with the cavity 11 of the impeller 9 through the fluid through the bearings of the rotor (this has improved the reliability of the bearings due to their rotation in the fluid).

2. Соосную стыковку отдельных каналов соответствующих деталей и формирование из них жидкостных переводных каналов 14, 15 осуществляют посредством вновь введенных штифтов 22, 23, которые изготовлены с большим диаметром по сравнению с диаметром указанных каналов и с их продольными осями, соосными соответствующим осям стыкуемых каналов. Это позволило обеспечить более плотные торцевые сопряжения жидкостных переводных каналов 14, 15, снизить непроизводительные перетекания жидкости внутри насоса и тем самым повысить его КПД; кроме того, обеспечить фиксацию углового положения втулки 8 относительно обоймы 7 и обоймы 7 относительно корпуса 4 насоса, повысить надежность ЭНА.2. The coaxial docking of individual channels of the corresponding parts and the formation of liquid transfer channels 14, 15 from them are carried out by means of newly inserted pins 22, 23, which are made with a larger diameter compared to the diameter of these channels and with their longitudinal axes aligned with the corresponding axes of the joined channels. This made it possible to provide more tight end mates of the liquid transfer channels 14, 15, to reduce unproductive fluid flow inside the pump and thereby increase its efficiency; in addition, to ensure the fixation of the angular position of the sleeve 8 relative to the cage 7 and the cage 7 relative to the housing 4 of the pump, to increase the reliability of the ENA.

3. ЭНА выполнен с симметрично расположенным дополнительным (резервным) электронасосным агрегатом 24, конструктивно аналогичным основному ЭНА. При этом плоскость симметрии проходит через входной патрубок 5, выходной патрубок 6 и шарообразный обратный клапан 25, установленный на пересечении выходов переводных каналов 15, 26 основного и дополнительного агрегатов с каналом выходного патрубка 6. Выходной патрубок 6 выполнен общим для корпусов обоих электронасосных агрегатов, как и входной патрубок 5, а сами корпуса выполнены в виде единой конструкции. Это позволило конструктивно упростить устройство при решении задачи функциональной автономности работы того или иного ЭНА по обеспечению требуемой циркуляции жидкости в замкнутом контуре СТР КА, повысить его надежность, уменьшить массу агрегата.3. ENA is made with a symmetrically located additional (backup) electric pump unit 24, structurally similar to the main ENA. In this case, the plane of symmetry passes through the inlet pipe 5, the outlet pipe 6 and the spherical check valve 25 installed at the intersection of the outputs of the transfer channels 15, 26 of the main and additional units with the channel of the output pipe 6. The output pipe 6 is made common for the housings of both electric pump units, as and inlet pipe 5, and the bodies themselves are made in the form of a single design. This made it possible to constructively simplify the device in solving the problem of the functional autonomy of the operation of a certain ENA to ensure the required fluid circulation in the closed loop of the STR KA, to increase its reliability, and to reduce the mass of the unit.

Обратный клапан 25 устанавливают снаружи через выход выходного патрубка 6. Предварительно к клапану 25 закреплена одним концом пружина, другой конец которой закреплен в выемке, которая выполнена на внутренней боковой цилиндрической поверхности выходного патрубка 6.The non-return valve 25 is installed externally through the output of the outlet pipe 6. Previously, a spring is fixed to the valve 25, the other end of which is fixed in a recess, which is made on the inner side cylindrical surface of the outlet pipe 6.

Предложенный ЭНА работает следующим образом.The proposed ENA works as follows.

В процессе функционирования ЭНА в составе замкнутого жидкостного контура СТР КА жидкость (жидкостный теплоноситель) под напором, создаваемым одновременным вращением последовательно установленных рабочих колес 10, 9, поступает на входной патрубок 5, далее - на правое рабочее колесо 10 в его полости 12, с выхода 16 которой и через переходной канал 14 поступает на вход 17 полости 11 левого рабочего колеса 9 и далее через переходной канал 15 - на обратный клапан 25 и выходной патрубок 6 насоса. За счет последовательно установленных рабочих колес 10, 9 на одном валу 3 ЭНА создает расход жидкости с повышенным напором. Дополнительный ЭНА работает аналогично. С учетом полученных улучшенных характеристик ЭНА стало возможным расширение его применения в СТР КА как с жидкостным теплоносителем, так и с двухфазным (газожидкостным).During the operation of the ENA in the closed liquid circuit of the STR-KA, the liquid (liquid coolant) under pressure created by the simultaneous rotation of sequentially installed impellers 10, 9, enters the inlet pipe 5, then to the right impeller 10 in its cavity 12, from the outlet 16 which through the transition channel 14 enters the input 17 of the cavity 11 of the left impeller 9 and then through the transition channel 15 to the check valve 25 and the outlet pipe 6 of the pump. Due to the sequentially installed impellers 10, 9 on one shaft 3, the ENA creates a flow rate of fluid with a high pressure. Additional ENA works similarly. Taking into account the obtained improved characteristics of the ENA, it became possible to expand its application in the STR satellite with both a liquid coolant and a two-phase (gas-liquid) one.

В настоящее время предложенное устройство находится на стадии выпуска конструкторской документации на действующий опытный образец с перспективой его внедрения на КА собственной разработки.Currently, the proposed device is at the stage of issuing design documentation for a working prototype with the prospect of its implementation on a proprietary spacecraft.

Claims

1. Two-stage electric pump unit (ENA), containing inlet and outlet nozzles; and two ENAs, each of which contains an electric motor with hermetically separated titanium housings, respectively, for a rotor with its shaft on bearings and a stator connected along the perimeter by the free part of the housing with an aluminum pump housing, in the case of which a sleeve is fixed in series on the rotor shaft, the left and right impellers installed in the bore of the cage; the working cavities of the impellers are separated by a vertical diaphragm and contain liquid transfer channels, characterized in that the connection of the stator housing of the electric motor and the pump housing is made hermetically by means of a monolithic transitional bimetallic ring, respectively, with the titanium and aluminum sides; the cavity of the rotor of the electric motor is made communicating with the cavity of the impeller in liquid through the bearings of the rotor; the vertical diaphragm is made at the same time with the clip hermetically around its outer perimeter; one transfer channel is made on the sections of the cage and the sleeve and connects the output of the working cavity of the right impeller and the input of the working cavity of the left impeller, another transfer channel is made on the sections of the cage and the housing of the ENA and connects the output of the working cavity of the left impeller and the output pipe of the ENA; the electric pump units are located symmetrically relative to the plane passing through the inlet pipe, the outlet pipe and a spherical check valve installed at the intersection of the outputs of the transfer channels of the electric pump units with the channel of the output pipe and spring-loaded from the outside of the output pipe; ENA case is made in the form of a single design.

2. The two-stage electric pump unit according to claim 1, characterized in that the coaxial docking of the individual channels of the corresponding parts and the formation of liquid transfer channels from them are carried out by means of pins that are made with a larger diameter compared to the diameter of these channels and with their longitudinal axes aligned with the corresponding the axes of the joined channels.