RU2718110C1

RU2718110C1 - Electric driven pump unit

Info

Publication number: RU2718110C1
Application number: RU2019116469A
Authority: RU
Inventors: Николай Игоревич Белоусов
Original assignee: Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва"
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2020-03-30

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to machine building and can be used in space equipment products thermal control systems. Electric driven pump unit comprises a metal housing with inlet and outlet branch pipes, an electric motor with impellers installed in the housing, located outside the electric motor, and a sealing housing connected to the housing, as well as an electrical connector and a sleeve with a bracket, in the slots of which there are parallel connected resistors. On the body there is a protrusion adjoining the flange, the metal barrel and the electric connector are arranged in the ledges of the protrusion.

EFFECT: invention is aimed at reduction of weight.

1 cl, 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 металлический корпус с входным и выходным патрубками, установленный на корпусе электродвигатель, размещенные на валу электродвигателя рабочие колеса, установленный снаружи электродвигателя присоединенный к корпусу металлический герметизирующий кожух, на котором размещен электрический соединитель, группа из n (n=2, 3 и т.д.) параллельно соединенных резисторов, связанных с герметизирующим кожухом и размещенных внутри него (патент Российской Федерации №2533607, МПК: F04D 13/06, 2014 г.). Провода одного полюса питания электрического соединителя соединены с электродвигателем, а провода другого полюса питания соединены с одноименными выводами группы из n параллельно соединенных резисторов, вторые выводы которых соединены с электродвигателем.A known electric pump unit (ENA), comprising a metal casing with inlet and outlet nozzles, an electric motor mounted on the casing, impellers mounted on the electric motor shaft, an external metal sealing casing attached to the casing, mounted on the electric motor casing, a group of n (n = 2, 3, etc.) in parallel connected resistors connected to the sealing casing and placed inside it (patent of the Russian Federation No. 2533607, IPC: F04D 13/06, 2014). The wires of one power pole of the electrical connector are connected to the electric motor, and the wires of the other power pole are connected to the same terminals of a group of n parallel-connected resistors, the second terminals of which are connected to the electric motor.

Недостатком такого ЭНА является низкая надежность, являющаяся следствием установки и электромонтажа резисторов на дне герметизирующего кожуха, что усложняет как выполнение резьбовых отверстий для крепления резисторов, так и выполнение пайки их выводов, производящейся в глубине герметизирующего кожуха, что затрудняет обзор и подвод инструмента.The disadvantage of this ENA is the low reliability resulting from the installation and wiring of resistors at the bottom of the sealing casing, which complicates both the execution of threaded holes for fastening the resistors and the soldering of their leads in the depth of the sealing casing, which makes it difficult to see and supply the tool.

Этого недостатка лишен ЭНА, содержащий металлический корпус с фланцем, снабженный входным и выходным патрубками, установленный в корпусе электродвигатель, фланец которого прилегает к стенке корпуса, размещенные на валу электродвигателя рабочие колеса, установленный снаружи электродвигателя присоединенный к корпусу герметизирующий кожух, а также электрический соединитель и размещенный в цилиндрической расточке металлический стакан с установленным в нем и контактирующим с ним металлическим кронштейном, в пазах кронштейна размещена группа из n (n=2, 3 и т.д.) параллельно соединенных резисторов, выбранный в качестве прототипа (патент РФ №2618377, МПК: F04D 13/06, 2017 г.). Провода одного полюса питания электрического соединителя связаны с электродвигателем, а провода другого полюса питания связаны с одноименными выводами группы из n параллельно соединенных резисторов, вторые выводы которых соединены с электродвигателем.An ENA is deprived of this drawback, it contains a metal casing with a flange, equipped with inlet and outlet nozzles, an electric motor installed in the casing, a flange which is adjacent to the casing wall, impellers mounted on the electric motor shaft, a sealing casing attached to the casing, and an electrical connector and a metal cup placed in a cylindrical bore with a metal bracket installed in it and in contact with it, in the grooves of the bracket is placed Rupp of n (n = 2, 3, etc.) connected in parallel with resistors selected as the prototype (RF Patent №2618377, IPC: F04D 13/06, 2017 YG). The wires of one power pole of the electrical connector are connected to the electric motor, and the wires of the other power pole are connected to the same terminals of a group of n parallel-connected resistors, the second terminals of which are connected to the electric motor.

Недостатком этого ЭНА является его значительная масса, обусловленная размещением кронштейна с резисторами и электрического соединителя на герметизирующем кожухе. Поскольку указанный кожух в прототипе выполняет, помимо основной функции - обеспечения герметизации электродвигателя - функцию несущего элемента конструкции для стакана с кронштейном и электрического соединителя, и функцию элемента теплопередачи от резисторов на корпус, то он имеет поперечное сечение и массу существенно превосходящие значения, обеспечивающие лишь герметизацию электродвигателя. Высокий уровень вибраций, характерный для ЭНА ракетно-космической техники, в сочетании со значительным удалением электрического соединителя от фланца ЭНА, обеспечивающего крепление ЭНА на изделии, может приводить к резонансу и разрушению элементов ЭНА, размещенных в зонах максимальной амплитуды вибраций (в частности, при испытаниях ЭНА на вибропрочность и виброустойчивость, отмечались случаи разрушения электрических соединителей, размещенных на стенке герметизирующего кожуха). Для снижения амплитуды вибраций приходится увеличивать жесткость кожуха путем увеличения его поперечного сечения и, соответственно, массы. Также для обеспечения теплопередачи от резисторов на корпус и далее, к перекачиваемой ЭНА жидкости, через которую впоследствии тепло снимается в размещенном в космическом пространстве радиаторе, требуется достаточная теплопроводность кожуха, что требует изготовления кожуха из металла с высокой теплопроводностью (обычно алюминиевый сплав, обладающий хорошей теплопроводностью и достаточной прочностью при сравнительно малой плотности) и достаточным поперечным сечением. Оба указанных фактора (обеспечение вибропрочности и теплопередачи) приводят к неизбежному увеличению массы герметизирующего кожуха.The disadvantage of this ENA is its significant mass, due to the placement of the bracket with resistors and an electrical connector on the sealing casing. Since the specified casing in the prototype performs, in addition to the main function of ensuring the sealing of the electric motor, the function of the supporting structural member for the cup with the bracket and the electrical connector, and the function of the heat transfer element from the resistors to the housing, it has a cross section and mass that significantly exceeds the values that provide only sealing electric motor. The high level of vibration characteristic of the ENA of rocket and space technology, combined with a significant removal of the electrical connector from the ENA flange that secures the ENA to the product, can lead to resonance and destruction of the ENA elements located in the areas of maximum vibration amplitude (in particular, during tests ENA for vibration resistance and vibration resistance, there have been cases of destruction of electrical connectors located on the wall of the sealing casing). To reduce the amplitude of vibrations, it is necessary to increase the stiffness of the casing by increasing its cross section and, accordingly, the mass. Also, to ensure the heat transfer from the resistors to the casing and further to the liquid pumped by the ENA, through which heat is subsequently removed in the radiator located in outer space, sufficient heat conductivity of the casing is required, which requires the casing to be made of metal with high thermal conductivity (usually an aluminum alloy with good thermal conductivity and sufficient strength at a relatively low density) and sufficient cross-section. Both of these factors (ensuring vibration resistance and heat transfer) lead to an inevitable increase in the mass of the sealing casing.

Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является снижение массы ЭНА.The technical result achieved using the claimed invention is to reduce the mass of ENA.

Этот результат достигается за счет того, что в известном электронасосном агрегате, содержащем металлический корпус с фланцем, снабженный входным и выходным патрубками, установленный в корпусе электродвигатель, фланец которого прилегает к стенке корпуса, размещенные на валу электродвигателя рабочие колеса, установленный снаружи электродвигателя присоединенный к корпусу герметизирующий кожух, а также электрический соединитель и размещенный в цилиндрической расточке металлический стакан с установленным в нем и контактирующим с ним металлическим кронштейном, в пазах кронштейна размещена группа из n (n=2, 3 и т.д.) параллельно соединенных резисторов, при этом провода одного полюса питания электрического соединителя связаны с электродвигателем, а провода другого полюса питания связаны с одноименными выводами группы из n параллельно соединенных резисторов, вторые выводы которых соединены с электродвигателем, согласно изобретению, на корпусе выполнен прилегающий к его фланцу выступ, цилиндрическая расточка под металлический стакан выполнена глухой в указанном выступе, электрический соединитель размещен в расточке, также выполненной глухой в указанном выступе, и между глухими расточками под стакан и электрический соединитель, а также между глухой расточкой под стакан и стенкой корпуса, к которой прилегает фланец электродвигателя, выполнены отверстия под провода.This result is achieved due to the fact that in the known electric pump unit containing a metal housing with a flange, equipped with inlet and outlet nozzles, an electric motor installed in the housing, a flange of which is adjacent to the housing wall, impellers mounted on the motor shaft mounted outside the electric motor connected to the housing a sealing casing, as well as an electrical connector and a metal cup placed in a cylindrical bore with a metal cup installed in it and in contact with it thallic bracket, in the slots of the bracket there is a group of n (n = 2, 3, etc.) resistors connected in parallel, while the wires of one power pole of the electrical connector are connected to the electric motor, and the wires of the other power pole are connected to the same conclusions of the group of n in parallel connected resistors, the second terminals of which are connected to an electric motor, according to the invention, a protrusion adjacent to its flange is made on the housing, a cylindrical bore under a metal cup is made blind in the said protrusion, ktrichesky connector disposed in the bore, are also formed in said hollow protrusion, and blind bores between a glass and an electric connector and between the hollow bore under the glass and the housing wall against which the flange of the motor are made holes for the wires.

На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения ЭНА, продольный разрез, на фиг. 2, - то же, вид слева, на фиг. 3 - электрическая схема соединений электрического соединителя с электродвигателем ЭНА.In FIG. 1 shows an example of a specific implementation of the ENA, a longitudinal section, in FIG. 2 is the same, left view, in FIG. 3 - electrical diagram of the connections of the electrical connector with the electric motor ENA.

ЭНА содержит металлический корпус 1 с фланцем 2, снабженный входным 3 и выходным 4 патрубками, и установленный в корпусе 1 электродвигатель 5. Фланец 6 электродвигателя 5 прилегает к стенке 7 корпуса 1. На валу 8 электродвигателя 5 размещено рабочее колесо 9. Снаружи электродвигателя 5 установлен присоединенный к корпусу 1 герметизирующий кожух 10. На корпусе 1 выполнен прилегающий к его фланцу 2 выступ 11. В указанном выступе 11 выполнена глухая цилиндрическая расточка 12, в которой размещен металлический стакан 13 с установленным в нем и контактирующим с ним металлическим кронштейном 14. В пазах 15 кронштейна 14 размещена группа из 4 параллельно соединенных резисторов 16. В расточке 17, также выполненной глухой в выступе 11 размещен электрический соединитель 18. Провода 19 одного полюса питания электрического соединителя 18 (в данном примере - от плюса питания) соединены с электродвигателем 5, а провода 20 другого полюса питания (в данном примере - от минуса питания) соединены с одноименными выводами группы из 4 параллельно соединенных резисторов 16, вторые выводы которых соединены с электродвигателем 5 проводами 21. Между глухими расточками 12 и 17 под стакан 13 и электрический соединитель 18 соответственно, выполнено отверстие 22 под провода 19 и 20. Также между глухой расточкой 12 под стакан 13 и стенкой 7 корпуса 1, к которой прилегает фланец 6 электродвигателя 5, выполнено отверстие 23 под провода 19 и 21. Металлический стакан 13 присоединен к выступу 11 винтами 24. Металлический кронштейн 14, наружная поверхность которого повторяет внутреннюю цилиндрическую поверхность стакана 13 и контактирует с ней, закреплен на дне стакана винтами 25.ENA contains a metal housing 1 with a flange 2, equipped with an input 3 and an output 4 nozzles, and an electric motor 5 installed in the housing 1. The flange 6 of the electric motor 5 is adjacent to the wall 7 of the housing 1. An impeller 9 is located on the shaft 8 of the electric motor 5. a sealing casing 10 connected to the casing 1. A protrusion 11 adjacent to its flange 2 is made on the casing 1. A blind cylindrical bore 12 is made in the said protrusion 11, in which a metal cup 13 with and contacting m with it with a metal bracket 14. In the grooves 15 of the bracket 14 there is a group of 4 parallel-connected resistors 16. In the bore 17, also made blind in the protrusion 11, there is an electrical connector 18. Wires 19 of one power pole of the electrical connector 18 (in this example, from plus power) are connected to the electric motor 5, and wires 20 of the other power pole (in this example, from the minus power supply) are connected to the same terminals of the group of 4 parallel-connected resistors 16, the second terminals of which are connected to the electric motor I eat 5 wires 21. Between the blind bores 12 and 17 under the glass 13 and the electrical connector 18, respectively, a hole 22 is made under the wires 19 and 20. Also between the blind bore 12 under the glass 13 and the wall 7 of the housing 1, to which the flange 6 of the electric motor 5 is adjacent , a hole 23 is made under the wires 19 and 21. The metal cup 13 is attached to the protrusion 11 by screws 24. The metal bracket 14, the outer surface of which repeats the inner cylindrical surface of the cup 13 and contacts it, is fixed to the bottom of the cup by screws 25.

Резисторы 16 - в данном примере типа С5-47 - установлены на днищах пазов 15 посредством винтов 26. Герметизирующий кожух 10 присоединен к корпусу 1 винтами 27. Параллельное соединение резисторов 16 выполнено проводами - перемычками 28. На фланце 2 корпуса 1 выполнено 4 отверстия 29 для закрепления ЭНА на изделии.Resistors 16 — in this example, type C5-47 — are mounted on the bottoms of the slots 15 by means of screws 26. The sealing casing 10 is connected to the housing 1 by screws 27. The parallel connection of the resistors 16 is made by wires - jumpers 28. On the flange 2 of the housing 1 there are 4 holes 29 for fixing ENA on the product.

ЭНА работает следующим образом: при подаче напряжения на электрический соединитель 18 напряжение через провода 19 от «плюса» питания и провода 20 от «минуса» питания, группу резисторов 16 и провода 21 поступает на электродвигатель 5. Вал 8 электродвигателя 5 вращает рабочее колесо 9. Жидкость из гидравлической сети (не показана) через входной патрубок 3 поступает на вход и далее на периферию рабочего колеса 9, оттуда - в выходной патрубок 4 и в гидравлическую сеть (не показана). Поскольку постоянное напряжение, поступающее на электродвигатель 5, меньше постоянного напряжения питания, поступающего на электрический соединитель 18 (это напряжение от аккумуляторной батареи космического корабля или стабилизированное напряжения системы электроснабжения орбитальной станции) на величину падения напряжения на группе параллельно соединенных резисторов 16, то электродвигатель 5 развивает меньшую мощность (и, соответственно, ЭНА создает меньший напор и расход), чем если бы электродвигатель был соединен с электрическим соединителем непосредственно. Естественно, при этом на группе резисторов 16, 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 16 установлены на металлическом, т.е. высокотеплопроводном, кронштейне 14 - в данном примере резисторы типа С5-47 связаны с кронштейном посредством своих корпусов, сконструированных специально для отвода тепла на свою опорную поверхность - то выделяющееся на резисторах 16 тепло передается путем теплопроводности на кронштейн 14, далее через контакт по его наружной поверхности тепло передается на металлический стакан 13, который контактирует, т.к. поджат винтами 24, с выступом 11 корпуса 1, в т.ч. и на патрубки 3 и 4. 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 тепло, выделившееся на резисторах, сбрасывается с радиатора системы в космическое пространство. Могут быть использованы резисторы других конструкций, без опорных площадок, с использованием механических средств крепления резисторов к стенке между пазами и заливкой пространства внутри стакана теплопроводящей пастой. 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. Из аналогичных соображений провода, поскольку один провод в цепях питания агрегатов космической техники из тех же соображений надежности практически никогда не применяется. Заявляются колеса, в то время как 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.ENA works as follows: when voltage is applied to the electrical connector 18, the voltage through the wires 19 from the “plus” power supply and the wires 20 from the “negative” power supply, a group of resistors 16 and wires 21 is supplied to the electric motor 5. The shaft 8 of the electric motor 5 rotates the impeller 9. The fluid from the hydraulic network (not shown) through the inlet pipe 3 enters the inlet and then to the periphery of the impeller 9, from there to the outlet pipe 4 and into the hydraulic network (not shown). Since the constant voltage supplied to the electric motor 5 is less than the constant supply voltage supplied to the electric connector 18 (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 voltage drop across the group of parallel-connected resistors 16, the electric motor 5 develops lower power (and, accordingly, ENA creates less pressure and flow) than if the electric motor was connected to an electric edinitelem directly. Naturally, in this case, on the group of resistors 16, since the current flows through them, heat is generated that must be removed to avoid overheating of the ENA - there is no natural convection on space objects due to zero gravity, and the thermal conductivity of the air around the resistors is very small, just as little and thermal radiation at the permissible temperature of operation of the resistors. However, since resistors 16 are mounted on metal, i.e. highly conductive, bracket 14 - in this example, resistors of type C5-47 are connected to the bracket through their housings designed specifically to remove heat to their bearing surface - the heat released on the resistors 16 is transferred through heat conduction to the bracket 14, then through the contact along its outer surface heat is transferred to a metal cup 13, which is in contact, because tightened with screws 24, with the protrusion 11 of the housing 1, incl. and to nozzles 3 and 4. Since the flow of the pumped ENA fluid directly flows through these nozzles, 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 the heat released on the resistors, it is discharged from the radiator of the system into outer space. Resistors of other designs can be used, without supporting pads, using mechanical means of fastening the resistors to the wall between the grooves and filling the space inside the glass with heat-conducting paste. Setting n = 2, 3, etc.) of parallel-connected resistors instead of one is necessary to ensure the reliability of the ENA - in the event 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 a 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. For similar reasons, wires, since a single wire in the power supply circuits of space technology units from the same reliability considerations is almost never used. The wheels are declared, while in the given 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.

В результате использования изобретения снижается масса ЭНА, так как установка стакана с кронштейном и закрепленной на последнем группой резисторов в расточке выступа корпуса существенно снижает массу герметизирующего кожуха, который уже не выполняет функцию несущего элемента конструкции для стакана с кронштейном и электрического соединителя, и функцию элемента теплопередачи от резисторов на корпус. Вследствие этого поперечное сечение и масса герметизирующего кожуха существенно снижена до значений, обеспечивающих лишь герметизацию электродвигателя. Тепло, выделяемое на резисторах, передается путем теплопередачи на корпус более коротким путем, и устраняется лишний переход для теплового потока по сравнению с прототипом - в месте контакта герметизирующего кожуха с корпусом. Устранение для кожуха функции теплопередачи позволяют выбирать материал для него вне зависимости от его теплопроводности, что дает возможность применения более легких, чем алюминий, материалов - например, магниевые сплавы или пластмассу, обладающее значительно меньшей плотностью. Устранение необходимости снижения вибрационных нагрузок позволяет существенно снизить поперечное сечение герметизирующего кожуха, что также снижает его массу. В то же время размещение электрического соединителя и стакана в выступе корпуса, прилегающем к его фланцу, позволяет без увеличения массы ЭНА существенно снизить вибрационные нагрузки, воздействующие на электросоединитель, из-за высокой жесткости основной детали ЭНА - корпуса - и близости расположения электросоединителя к местам закрепления ЭНА на изделии - отверстиям 29 во фланце 2. Снижение массы ЭНА весьма важно для изделий космической техники из-за высокой стоимости доставки груза на орбиту.As a result of using the invention, the mass of the ENA is reduced, since the installation of the cup with the bracket and the protrusion of the body protector fixed on the last group of bores significantly reduces the mass of the sealing casing, which no longer serves as the supporting structural member for the cup with the bracket and the electrical connector, and the function of the heat transfer element from resistors to the case. As a result of this, the cross section and weight of the sealing casing are substantially reduced to values that provide only sealing of the electric motor. The heat generated by the resistors is transferred by heat transfer to the housing in a shorter way, and the unnecessary transition for the heat flux is eliminated compared to the prototype at the point of contact of the sealing casing with the housing. Elimination of the heat transfer functions for the casing allows you to choose a material for it, regardless of its thermal conductivity, which makes it possible to use materials that are lighter than aluminum - for example, magnesium alloys or plastic, which has a significantly lower density. Eliminating the need to reduce vibrational loads can significantly reduce the cross-section of the sealing casing, which also reduces its weight. At the same time, the placement of the electrical connector and the glass in the protrusion of the housing adjacent to its flange allows significantly reducing the vibration loads acting on the electrical connector without increasing the mass of the ENA, due to the high rigidity of the ENA main part - the housing - and the proximity of the location of the electrical connector to the fixing points ENA on the product - holes 29 in the flange 2. The reduction in the mass of the ENA is very important for space technology products due to the high cost of delivering cargo to orbit.

Claims

An electric pump unit containing a metal housing with a flange, equipped with inlet and outlet nozzles, an electric motor installed in the housing, a flange which is adjacent to the housing wall, impellers mounted on the motor shaft, mounted outside the electric motor, a sealing casing connected to the housing, as well as an electrical connector and a in a cylindrical bore a metal cup with a metal bracket installed in it and in contact with it, in the grooves of the bracket there is a gr UPPA of n (n = 2, 3, etc.) parallel-connected resistors, while the wires of one power pole of the electrical connector are connected to the electric motor, and the wires of the other power pole are connected to the same terminals of the group of n parallel-connected resistors, the second conclusions of which connected to an electric motor, characterized in that a protrusion adjacent to its flange is made on the housing, a cylindrical bore under a metal cup is made blind in the protrusion, an electrical connector is placed in the bore, also A hollow deaf in the specified protrusion, and between the deaf bores under the glass and the electrical connector, as well as between the deaf bore under the glass and the wall of the housing to which the motor flange abuts, holes are made for the wires.