книги из ГПНТБ / Морозовский В.Т. Системы электроснабжения летательных аппаратов

ности цилиндрические камеры, в которых могут перемещаться плунжеры гидронасоса 2, совершая возвратно-поступательные

при помощи тяги 5. С другой стороны ротора гидронасоса уста­ навливается неподвижный распределительный диск 8, при по­ мощи которого камеры ротора поочередно сообщаются с магист­ ралями высокого 7 и низкого 6 давлений. Распределительный диск 8 имеет два дуговых отверстия (с углом обхвата около 150°), через которые подводится и отводится рабочая жидкость (масло).

На рис. 1.9,г приведен распределительный диск, в местах перемычек которого между отверстиями происходит так назы­ ваемая отсечка масла. Масло переносится цилиндром из всасы­ вающей области в нагнетающую именно в местах «отсечек», поэтому места отсечек всегда располагают на таком участке, где объем масла в цилиндре при прохождении над перемычкой не меняется. В связи с этим отверстия распределительного диска должны быть строго ориентированы относительно оси наклон­ ного диска, которая должна проходить так, как это показано на рис. 1.9,в диск 8 развернут на я/4 рад так, чтобы эти отверстия попали в разрез).

Изменяя угол наклона у качающейся шайбы, можно плавно регулировать производительность насоса. Если шайба занимает положение, перпендикулярное оси вала, то ход поршня равев нулю, и подача масла отсутствует. Если угол у отрицательный, направление подачи масла изменяется, так как всасывающее и нагнетательное отверстия меняются местами.

Аналогичную конструкцию имеет гидродвигатель ГД, за исключением того, что неподвижная шайба гидродвигателя 4' (рис. 1.9,6) имеет постоянный угол наклона уд к оси гидродви­ гателя, поэтому в гидродвигателе происходит постоянное потребление масла за один оборот. При вращении ротора гидро­ насоса от вала авиационного двигателя плунжеры 2 обкаты­ ваются по наклонной шайбе 4 и совершают возвратно-поступа­ тельное движение. Те плунжеры, объемные камеры которых сообщаются в данный момент с правым дугообразным вырезом распределительного диска 8, под действием пружин 3 движутся влево и засасывают масло из масляного бака МБ через трубо­ провод низкого давления 6. Те же плунжеры, объемные камеры которых в данный момент сообщаются с левым дугообразным вырезом диска 8, под нажимом наклонной шайбы 4 переме­ щаются вправо и выталкивают масло через трубопровод высо­ кого давления 7 в объемные камеры ротора гидродвигателя. Масло, поступающее через нагнетательное отверстие делитель-

30

ного диска 8' в цилиндр гидродвигателя 3', даівит на каждый пор­ шень 2' с силой F, равной

где d — диаметр плунжера.

Если пренебречь силами трения, то в месте соприкосновения плунжеров с шайбой возникают силы реакции R і и R2, действую­ щие на плунжеры и направленные перпендикулярно поверхности наклонной шайбы. Каждую из этих сил можно разложить на две составляющие. На рис. 1.10 приведена схема разложения сил в точках касания плунжеров и наклонной шайбы. Силы реакции RI и R2 раскладываются на составляющие, направленные вдоль оси плунжеров и уравновешивающие силы давления рабочей жидкости

яd2

Очевидно, что эти силы и создают вращающий момент гидро­ двигателя. На рис. 1.9, в показан вид на ротор с диском слева. На рисунке видно, что момент вращения ротора создается за счет разности сил Ті и Т2. Если пренебречь величиной противо­ давления силами Т2, которые на много меньше сил Ти то момент относительно оси вращения ротора, развиваемый от одного плун­ жера будет равен

меняется в зависимости от угла поворота ротора ф. Суммарный момент от всех m плунжеров будет равен

Из выражения (1.12) видно, что суммарный момент также непостоянен и изменяется с периодом колебаний 2л/пг. Кроме

31

того, неравномерность момента уменьшается при увеличении количества плунжеров. На рис. 1.11 приведены зависимости от времени моментов семи- и десятиплунжерных гидродвигателей с одинаковым средним моментом. На графиках показано, что неравномерность момента у гидродвигателя при четном числе плунжеров больше, чем у гидродвигателя с меньшим, но нечет­ ным числом плунжеров. Причина в том, что при четном числе плунжеров они располагаются парами друг против друга по диаметру, и начало работы одного всегда совпадает с концом

работы диаметрально противоположного, т. е. одновременно два эти плунжера не участвуют в создании момента. При нечетном же числе плунжеров в работе не участвует лишь плунжер, пере­ ходящий через линию отсечки магистралей высокого и низкого давлений. Отсюда в гидроприводах при четном числе плунжеров разность между максимальным и минимальным моментами всегда больше, чем при нечетном числе.

Основной характеристикой приводного двигателя, в частности и гидропривода, является зависимость создаваемого им момента от частоты вращения (механическая характеристика привода).

В первом приближении такая характеристика может быть найдена на основании следующих соотношений:

Вращающий момент, создаваемый одним плунжером, пуль­ сирует от нуля (при <р = 0) до Alimax (при ф= л/2). Если прене­ бречь противодавлением, то средний момент, создаваемый одним плунжером за один оборот, определяется по формуле

32

Подставляя выражения (1.21) и (1.22) в уравнение (1.17), получим после преобразований

~7~mD\ tg Ѵд («а tg Y — «г tg Уд)

—mD) tg 7я

Из последнего выражения следует, что механическая харак­ теристика гидропривода представляет собой прямую, наклон которой определяется конструктивными параметрами гидропри­ вода и величиной утечки масла. На рис. 1.12 приведено семей­ ство механических характеристик гидропривода при различных значениях угла у.

Механические характеристики двигателей принято характе­ ризовать относительной жесткостью ß. Относительная жесткость механической характеристики определяется из выражения

g дМ/дп

‘Мо/по

где я0 и Мо — номинальные значения частоты вращения и мо­ мента.

Относительная жесткость механических характеристик гид­

параллельно оси абсцисс.

Как указывалось выше, ППС прямого потока энергии неэко­ номичны и обладают большой полетной массой. Поэтому нашли применение дифференциальные гидромеханические ППС с меха­ ническим и гидравлическим дифференциалами.

Примером гидромеханического привода с механическим диф­ ференциалом может служить гидропривод, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.13. Вал 1 авиационного дви­ гателя АД жестко связан с ротором левой гидромашины 3 и водилом сателлитов планетарного редуктора 6. Вал синхронного генератора 11 жестко связан с солнечной шестерней редук-

34

тора 8, а ротор правой гидромашины 10 жестко скреплен с коронной шестерней 7 планетарного редуктора. Когда управляю­ щий диск левой гидромашины 2 занимает вертикальное положе­ ние у = 0 (при крейсерской частоте вращения авиационного дви­ гателя), поршни гидромашин неподвижны, масло не перекачи­

в положение, при котором у>0. При этом левая гидро­

в магистраль высокого давления 5 слева направо. Ротор правой гидромашины начнет вращаться в ту же сторону, в ко­ торую вращается вал генератора. Вместе с ним во вращение придет коронная шестерня 6 планетарного редуктора, вследст­ вие чего солнечная шестерня 8, а с ней и вал генератора 14 будут вращаться со скоростью, равной сумме скоростей, обуслов­ ленных непосредственной передачей движения вала авиацион­ ного двигателя через редуктор и движением ротора правой гид­ ромашины 10. В результате частота вращения генератора оста­ нется равной синхронной. В том случае, когда частота вращения вала АД станет больше крейсерской, наклонный диск 2 следует установить в положение, при котором у<0. При этом правая гидромашина перейдет в режим гидронасоса и будет перекачи­ вать масло справа налево. Так как направление движения масла изменилось на обратное (по отношению к предыдущему слу­ чаю), то ротор 10 начнет вращаться в сторону, противополож-

ную направлению вращения генератора, и частота вращения генератора будет опять равна синхронной, так как в дифферен­ циальном редукторе происходит сложение скоростей. При этом левая гидромашина будет работать в режиме гидродвигателя, возвращая избыток энергии обратно на вал АД. Таким образом, в рассмотренном гидромеханическом приводе преобразованиям подвергается лишь небольшая часть энергии, основная доля энергии передается непосредственно с вала АД через редуктор.

Рис. 1. 14. Гидропривод с гидравлическим дифференциалом:

/—авиационный двигатель; 2—регулируемая наклонная шайба; 3—регулируемый ротор; 4—неподвижная делительная шайба; 5, 6—магистрали низкого давления; 7—распредели­ тельный диск; 8—вращающийся делительный диск; 9—шестерни; 10—нерегулируемый ротор; 11—наклонный диск; 12—генератор; 13—магистраль высокого давления; 14—серво- поршень; 15—рычаг обратной связи

Аналогичным образом работают и гидромеханические при­ воды с гидравлическим дифференциалом. Принципиальная схема одного из таких приводов приведена на рис. 1. 14, а. Основ­ ной особенностью этого привода является то, что вал генера­ тора 12 жестко сцеплен с валом нерегулируемого наклонного диска 11, который вращается вместе с генератором.

Для подвода масла к нерегулируемому ротору 10 делитель­ ный диск 8 должен иметь более сложную конструкцию, чем диск 4 регулируемого ротора. Объясняется это тем, что дели­ тельный диск 8 должен вращаться синфазно с нерегулируемым наклонным диском 11 (как указывалось выше, дуговые вырезы делительного диска должны быть строго ориентированы относи­ тельно плоскости наклонного диска).

Одна из конструкций делительного диска 8 приведена на рис. 1.14, б.

Диск 8 имеет два кольцевых канала а и Ъ, которые через не­ подвижный распределительный диск 7 сообщаются с трубопро­ водами 6 и 13 (см. рис. 1.14,6). Каналы а и б через отверстия сообщаются с дуговыми делительными каналами с противопо­ ложной стороны диска, через которые масло поступает в полости

36

цилиндров ротора 10. Гидропривод работает следующим обра­ зом: пусть диск 2 стоит в нейтральном положении (у = 0). Тогда при вращении АД 1 вся энергия к генератору 12 передается че­ рез вал, ротор 10 и его плунжеры, диск 11. Ротор 10 не может повернуться относительно диска 11, поскольку диск 2, не допу­ ская осевых перемещений плунжеров ротора 3, обеспечивает гидравлический замок между плунжерами роторов 3 и 10, плун­ жеры ротора 10 оказываются жестко связанными с наклонным диском 11.

Заключенное между плунжерами обоих роторов масло, не имея возможности выхода из трубопровода высокого давления, обеспечивает реактивный момент, т. е, опору для плунжеров ро­ тора 10. При этом вся энергия к ротору генератора передается только механическим путем, его частота вращения определяется частотой вращения АД. Если теперь повернуть диск 2 на неко­ торый положительный угол, то плунжеры ротора 3 начинают совершать возвратно-поступательные движения, прогоняя масло по трубопроводу 13 слева направо. Так как ротор 10 вращается с неизменной частотой вращения, определяемой АД, то масло заставит плунжеры ротора 10 совершать возвратно-поступатель­ ные движения. Масло из трубопровода 13 высокого давления будет перегоняться в трубопровод 6 низкого давления. Однако возвратно-поступательные движения плунжеров ротора 10 воз­ можны лишь при наличии относительной частоты вращения ротора 10 и диска 11. Диск 11 увеличивает свою частоту враще­ ния, чтобы обеспечить необходимый объем камер ротора для перекачки масла. Если от нейтрального положения диск 2 по­ вернуть на некоторый отрицательный угол, то ротор 3 начнет перекачивать масло из трубопровода 13 в трубопровод 5. Этим снимается гидравлический замок в системе, и плунжеры ро­ тора 10 дают возможность диску 11 скользить относительно ротора 10, в результате чего частота вращения генератора умень­ шается.

Оригинальную конструкцию имеет гидропривод фирмы «Дже- нерал-Электрик» с гидравлическим дифференциалом [40]. Его принципиальная схема приведена на рис. 1.15. Этот гидропри­ вод имеет шариковые плунжеры 3 и 8, которые могут совершать возвратно-поступательное движение в цилиндрических камерах (пружины, отжимающие к периферии шариковые плунжеры, на чертеже не изображены). При> вращении ротора 2, который жестко связан с валом авиационного двигателя 1, плунжеры 3 вследствие эксцентричного расположения обоймы 4 совершают возвратно-поступательные движения, в результате чего рабочее тело из полости низкого давления перекачивается в полость высокого давления и поступает в камеры ротора 7 через дели­ тельные каналы вала 6 и неподвижную делительную шайбу 5. Ротор 7 выполнен как единое целое с валом синхронного гене­ ратора 6. Ход шариковых плунжеров 8 определяется эксцентри­

37

ситетом кольцевой обоймы 9, положение которой устанавли­ вается управляющим сервопоршнем 10. Если эксцентриситет кольцевой обоймы 9 равен нулю, то плунжеры 8 не могут совер­ шать возвратно-поступательных движений, образуется гидрав­ лический замок и роторы 2 и 7 (а с ними вал авиационного дви­ гателя 1 и вал 6) оказываются жестко связанными, т. е. имеется непосредственная связь вала АД с ротором генератора. При

Рис. 1. 15. Гидропривод с гидравлическим дифференциалом фирмы Дженерал Электрик:

1—авиационный двигатель; 2—ротор переменной скорости; 3, 8—шариковые плунжеры; 4—обойма; 5—неподвижная делительная шайба; 6—вал с дели­ тельными каналами; 7—ротор постоянной скорости; 9—кольцевая обойма; 10—управляющий сервопоршень

уменьшении частоты вращения АД эксцентриситет обоймы 9 должен увеличиваться, при этом плунжеры 8 приходят в движе­ ние, через цилиндры ротора 7 начинает перекачиваться рабо­ чая жидкость, а ротор 8 начинает вращаться относительно ро­ тора 2, обгоняя его, чтобы сохранить синхронную частоту вра­ щения ротора генератора. Когда частота вращения авиационного двигателя больше синхронной, знак эксцентриситета обоймы 9 должен быть изменен на обратный. При этом меняется направ­ ление рабочей жидкости, а с ним и знак относительной скорости ротора 7. Избыток энергии будет возвращаться через ротор 2 гидропривода, работающего в режиме двигателя, на вал авиа­ ционного двигателя, частота же вращения ротора генератора остается равной синхронной.

К недостаткам рассмотренных гидроприводов относятся срав­ нительно узкий диапазон температур, при котором они могут надежно работать, и жесткие требования к герметичности си­ стемы. Рабочий диапазон температур современных гидроприво­ дов лежит в пределах — 50—70° С, что в настоящее время

38

является недостаточным. Для обеспечения диапазона темпера­ тур до 200—400° С и выше требуется применение специальных жидкостей (например, жидких металлов), что сопряжено с боль­ шими технологическими и эксплуатационными трудностями. Гидропривод требует хорошей герметизации всей системы. Также недостаточным является ресурс работы многих современ­ ных авиационных гидроприводов,

1.6. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТИ

Современные турбореактивные авиационные двигатели имеют многоступенчатые компрессоры, в которых атмосферный воздух прежде чем попасть в камеры сгорания, предварительно сжи­ мается.

Пневматические ППС основаны на использовании энергии воздуха, сжатого компрессором реактивного двигателя. Большим неудобством такого «отбора» энергии от авиационного двигателя является то, что температура и давление воздуха на выходе той или иной ступени компрессора очень сильно меняются в зависи­ мости от режима полета, в то время как для получения опти­ мальной конструкции пневмопривода они должны быть постоян­ ными. Использование для стабилизации параметров входного воздуха селекторов отбора, при помощи которых можно было бы переключать вход пневмопривода в зависимости от режима ра­ боты на ту или иную ступень компрессора, усложняет ППС и является нежелательным. Кроме того, количество отбираемого для целей привода генератора от компрессора воздуха ограни­ чено, а с экономической точки зрения такой путь использования энергии авиационного двигателя менее выгоден, чем непосредст­ венное' использование механической энергии двигателя. Тем не менее пневматические ППС имеют ряд достоинств (простота конструкции, возможности использования при высоких темпера­ турах и др.), благодаря которым они находят довольно широкое применение в авиации. Пневматические ППС создаются как на кинетических, так и на гидростатических машинах, причем как те, так и другие выполняются либо простыми, т. е. прямого по­ тока энергии, либо дифференциальным. В качестве примера пневматического ППС, построенного на кинетических машинах, может служить воздушно-турбинный привод прямого потока энергии (рис. 1.16). На рис. 1.16 схематически изображены син­ хронный генератор Г, рабочее колесо турбины К и сопловой аппарат СА.

Воздух под давлением рг и температурой Tz, отбираемый от промежуточной ступени компрессора реактивного двигателя, поступает на вход соплового аппарата турбины. В сопловом аппарате он расширяется, в результате чего его теплосодержа­ ние падает, а скорость движения растет. С выхода соплового аппарата воздух, обладающий большой кинетической энергией,

39