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

поступает на лопатки рабочего колеса турбины, где его кинети­ ческая энергия преобразуется в работу на валу турбины. Пара­ метры воздуха р2 и Т2 на выходе из рабочего колеса можно при­ нять такими же, как параметры воздуха, окружающего лета­ тельный аппарат. Так как теплосодержание воздуха сильно падает после прохождения через нагруженную турбину, то этот

воздух в некоторых слу­ чаях может быть исполь­ зован для охлаждения оборудования или генера­ тора (см. рис. 1.16). Однако это связано с уве­ личением противодавле­ ния на выходе турбины, что крайне нежелательно с точки зрения улучше­ ния основных характери­ стик турбопривода.

Из термодинамики из­ вестно, что момент, раз­ виваемый турбиной,

40

Для нахождения механических характеристик воздушно-тур­ бинного привода необходимо знать зависимость эффективного к. п. д. турбины от переменных, характеризующих режим ее ра­ боты. Зависимость эффективного к. п. д. турбины от режимных и конструктивных параметров выражена формулой Банки [38], которая довольно сложна. В первом приближении при неизмен­ ных параметрах воздуха на входе и выходе турбины упрощенное выражение для эффективного к. п. д. можно представить как

Расход воздуха через турбину зависит от параметров воздуха и угла открытия дроссельной заслонки или угла поворота сопло­ вого аппарата а. При неизменных для заданного режима по­ лета параметрах воздуха расход его зависит только от этого угла

где A = kik2; B = k3.

Из полученного уравнения следует, что механические харак­ теристики турбопривода являются падающими, жесткость их за­ висит от параметра управления а. (В действительности механи­ ческие характеристики турбины не являются линейными, однако характер их близок к найденному на основании приближенных уравнений.)

На рис. 1.17 приведено семейство механических характери­ стик турбины, построенное на основании уравнения (1.30). Жест­ кость механических характеристик турбопривода значительно меньше, чем у гидропривода и лежит в пределах ß= 0-^-2 относи­ тельных единиц. Это является недостатком турбопривода, так как малая жесткость механических характеристик влечет за со­ бой небольшое самовыравнивание агрегата, что затрудняет регу­ лирование частоты вращения.

Воздушные турбины, используемые для привода авиационных синхронных генераторов, можно классифицировать по различ­ ным признакам.

41

По преобразованиям тепловой энергии потока воздуха в ки­ нетическую турбины делятся на активные и реактивные. В актив­ ных турбинах преобразование тепловой энергии воздуха в кине­

в виде работы на валу. В реактивных турбинах тепловая энер­ гия воздуха преобразуется в кинетическую энергию как в сопло­ вом аппарате, так и в рабочем колесе, т. е. в рабочем колесе не только осуществляется использование кинетической энергии воз­ духа, но и одновременно с этим продолжается процесс расшире­ ния воздуха. Отношение адиаба­ тической работы расширения воз­ духа в рабочем колесе ко всей адиабатической работе расшире­ ния воздуха в турбине называется степенью реактивности турбины.

По направлению потока воз­ духа турбины делятся на акси­ альные и радиальные. В аксиаль­ ной турбине рабочий поток воз­ духа направлен вдоль оси вра­ щения турбины,а в радиальной — направление рабочего потока воз­ духа перпендикулярно оси вра­ щения турбины. В свою очередь, радиальные турбины делятся на

центробежные и центростремительные. В центробежных турби­ нах рабочий поток воздуха движется от оси турбины к перифе­ рии, а в центростремительных — наоборот, — от периферии к оси турбины. Центростремительные турбины по сравнению с центро­ бежными имеют более высокий к. п. д., что вызвано лучшим использованием в них кинетической энергии воздуха на лопатках рабочего колеса.

По параметру управления воздушные турбины делятся на турбины с сопловым и дроссельным управлением. При сопловом управлении расход воздуха через турбину меняется посредством изменения сечения соплового аппарата, при дроссельном регу­ лировании — расход воздуха через турбину изменяется при по­ мощи дроссельной заслонки, установленной на входе или вы­ ходе турбины. Сопловое регулирование является более эконо­ мичным, однако для его реализации требуется специальный управляемый сопловой аппарат, что усложняет конструкцию турбины. Воздушная турбина может сочленяться с валом син­ хронного генератора непосредственно или через редуктор. При непосредственном сочленении вала турбины и генератора турбо­ агрегат получается наиболее компактным и экономичным.

42

Однако при этом генератор должен быть рассчитан на высокую частоту вращения 12 000—24 000 1/мин, так как воздушные тур­ бины на частоты вращения меньшие 12 000—15 000 1/мин мало­ экономичны и громоздки. Высокая частота вращения вала гене­ ратора требует применения специальных подшипников и систем их принудительной смазки. Если же между турбиной и генера­ тором установить понижающий редуктор, то можно применить обычную консистентную смазку подшипников агрегата. Ориги­ нальным конструктивным решением является такое, в котором генератор встраивается в турбину, образуя единый компактный агрегат. Такие турбоприводы получили название турбонаторов. Колесо турбины этих агрегатов несет на себе обмотку якоря генератора, поэтому удается'не только выполнить агрегат ком­ пактным, но и обеспечить эффективное охлаждение генератора.

Как гидравлический, так и пневматический привод прямого потока энергии малоэкономичны. Наиболее перспективным для летательных аппаратов, оборудованных реактивными двигате­ лями, является применение дифференциального воздушно-тур­ бинного привода, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.18. Вал 1 синхронного генератора СГ связан с валом 2 авиационного двигателя АД через планетарный редуктор, при­ чем солнечная шестерня 3 жестко связана с валом синхронного генератора, а коронная шестерня 4 приводится во вращение от воздушной турбины 5. При таком выполнении редуктора угловая скорость вращения генератора равна сумме угловых скоростей вращения, обусловленных как авиационным двигателем юа, так и турбиной ют:

Юг—ЙСОаТ'ЬЮт, (1.31)

где а и b — соответствующие коэффициенты редукции планетар­ ного редуктора.

Целесообразность применения дифференциального турбовоздушного привода синхронных генераторов резко возрастает, если удается использовать его для запуска авиационного двигателя, а иногда и для проверки работоспособности электрооборудова­ ния на стоянке ЛА. На некоторых крупных самолетах предусмат­ ривается установка газотурбинных агрегатов (турбокомпрессо­ ров), обеспечивающих снабжение кабины самолета кондицио­ нированным воздухом во время загрузки кабин или посадки пассажиров. Такой турбокомпрессорный агрегат может быть использован также для питания сжатым воздухом турбин диф­ ференциального турбопривода синхронных генераторов для за­ пуска авиационных двигателей. При этом должно быть преду­ смотрено переключение редуктора и использована специальная обгонная муфта, а турбина агрегата должна быть рассчитана с учетом режима запуска авиационного двигателя.

43

Примером дифференциального турбомеханического привода может служить турбоагрегат ППО-62, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.19. Этот ППС выполнен так, что турбина Т осуществляет лишь докрутку (через солнечную ше­ стерню планетарного редуктора) вала синхронного генератора.

Наибольшей скоростью турбины Т должна обладать на режиме «малого газа», когда скорость авиационного двигателя АД мини­ мальна, а наименьшей — при максимальной частоте вращения.

Дифференциальный воздушно-турбинный привод (ППС) вы­ полняется и по реверсивной схеме. На режимах, близких к ре­

Как и в предыдущих схемах дифференциальных приводов, син­ хронный генератор СГ приводится во вращение через дифферен­ циальный редуктор ДР от авиационного двигателя АД и объем­ ной пневмомашины коловратного типа (обращенный компрессор

44

Рута) ПМ. При низких частотах вращения авиационного двига­ теля в пневмомашину подается сжатый воздух от компрессора АД и она работает в режиме двигателя, докручивая генератор до синхронной частоты вращения (путь воздуха при этом изобра­ жен сплошной линией). При высоких частотах вращения авиа­ ционного двигателя пневмомашина вращается в обратную сто­ рону и работает в режиме компрессора, выбрасывая сжатый воздух, а с ним и избыточную энергию, которая аккумулирована в сжатом воздухе, обратно в атмосферу (путь воздуха при этом изображен пунктирной линией).

При запуске авиационного двигателя и работе генератора на

ко следует иметь в виду, что если нагрузка на генератор отсутствует, то теплосодержание

воздуха после прохождения его через турбину почти не меняется, и он будет иметь высокую температуру, приблизительно равную температуре отбираемого от компрессора воздуха (250—300°С). В этом случае должно быть предусмотрено устройство, отсекаю­ щее подачу охлаждающего воздуха. Кроме того, увеличение противодавления на выходе турбины, вызванное использованием отработанного воздуха для охлаждения, крайне нежелательно с точки зрения оптимального конструирования турбины.

Воздушные турбины могут применяться и на летательных аппаратах с прямоточными воздушно-реактивными двигателями, для которых из-за отсутствия вращающихся частей другой вид привода непригоден.

Кдостоинствам турбопривода относится также возможность его использования при высоких температурах (а следовательно,

ипри больших скоростях полета) благодаря тому, что тепловая энергия может быть отдана воздуху, уходящему через турбину в атмосферу.

Кнедостаткам турбопривода относится его сравнительно невысокий к. п. д., а также слишком «мягкие» механические

45

характеристики, что несколько усложняет проблему стабилиза­ ции частоты вращения генератора.

1.7. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА СТАБИЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ

В разделах 1.5 и 1.6 рассматривались ППС, в которых в ка­ честве промежуточной энергии используется гидравлическая или пневматическая энергия. Очевидно, что промежуточной энергией в ППС может быть также и электрическая энергия. Существует очень большое число предложений по созданию электромашинных ППС. Однако в настоящее время эти предложения не могут обеспечить достаточно хорошую экономичность при широких диапазонах изменения частоты вращения авиационных двигате­ лей (т. е. они влекут за собой большую полетную массу) они сложны и малонадежны, так как приходится производить ряд силовых переключений в ППС в зависимости от режима работы авиационных двигателей.

При небольших диапазонах изменения частоты вращения авиационного двигателя весьма перспективными являются ППС, построенные на асинхронных электромагнитных муфтах или тормозах (рис. 1.21).

Ведомая часть электромагнитной муфты (внутренний ротор) 2, находящаяся на одном валу с ротором синхронного генера­

тора 2 относительно внешнего 1, выполненного в виде массивной стальной чаши, при заданном моменте на валу синхронного ге­ нератора определяется величиной тока возбуждения, протекаю­ щего по обмотке, расположенной на внутреннем роторе. Посред­ ством регулирования тока возбуждения можно управлять вели­ чиной скольжения так, чтобы при всех возможных изменениях нагрузки синхронного генератора и частоты вращения авиацион­ ного двигателя частота вращения ротора синхронного генератора (а следовательно, и частота тока, генерируемого им) оставалась постоянной. Механическая характеристика асинхронной электро­ магнитной муфты аналогична механической характеристике асинхронного двигателя.

Для поддержания постоянной величины напряжения на за­ жимах синхронного генератора служит регулятор напряжения, посредством которого регулируется величина тока возбуждения синхронного генератора.

Существует много различных вариантов ППС, работа кото­ рых основана на описанном выше принципе действия. К недо­ статкам электромагнитной муфты относится то, что вся энергия скольжения преобразовывается в муфте в тепловую энергию. На рис. 1.22 изображена зависимость к. п. д. электромагнитной муфты от диапазона изменения частот вращения ее ведущей

46

части. С ростом диапазона изменения скорости первичного дви­ гателя к. п. д. резко падает (при диапазоне 1 :2 половина всей энергии должна рассеиваться в виде тепла). Это вытекает из следующих простых соотношений. Электромагнитный момент муфты

валсіз; «1 и « 2— угловые скорости ведущего и ведомого валов-

ляется электромашинная система, - построенная на сочетании электромагнитного тормоза с дифференциальным редуктором (рис. 1.23). Принципиальная схема выполнена так, что при ми-

47

нимальной угловой скорости авиационного двигателя и макси­ мальной нагрузке генератора электромагнитный тормоз Т, пред­ ставляющий собой так же как и электромагнитная муфта асин­ хронную машину, ротор которого связан с солнечной шестерней

от авиационного двигателя через водило сателлитов, равна син­ хронной (ротор генератора связан с коронной шестерней диффе­

авиационного двигателя расходуется на вращение синхронного генератора и на создание потерь в электромагнитном тормозе, которые, так же как и в электромагнитной муфте, пропорцио­ нальны скольжению.

К- п. д. такого ППС изменяется обратно пропорционально диапазону изменения частоты вращения авиационного двигателя. Поэтому такие ППС, так же как и ППС на электромагнитной муфте, целесообразно применять лишь в том случае, когда ско­ рость вращения авиационного двигателя изменяется в неболь­ ших диапазонах. Однако ППС с электромагнитным тормозом можно выполнить более компактным, чем ППС на электромаг­ нитной муфте.

Если использовать несколько переключаемых дифференци­

переменного тока стабильной частоты представляются системы, в которых в том или ином виде применяются синхронизирован­ ные асинхронные генераторы. Синхронизированными асинхрон­ ными генераторами принято называть асинхронные генераторы,

48

выполненные с многофазной обмоткой ротора, питающейся то­ ками скольжения.

В таких машинах магнитное поле, создаваемое обмоткой ро­ тора, будет перемещаться в сторону его вращения со скоростью скольжения так, что сумма механической скорости ротора и ско­ рости электрического поля относительно ротора будет всег­ да величиной постоянной, равной синхронной скорости. Прин­ ципиальная схема одного из вариантов использования синхрони­ зированных асинхронных генераторов для получения перемен­ ного тока стабильной частоты приведена на рис. 1.24. На одном валу с ротором синхронизированного асинхронного генератора 1

Рис. 1.24. Синхронизированный асинхронный гене­ ратор

находится полупроводниковый преобразователь частоты 2, ротор генератора переменного тока 3, являющегося возбудителем для генератора 1, и сигнал-генератор 4 для выработки частоты сколь­ жения. Кроме того, имеется задатчик частоты 5, генерирующий переменный ток заданной стабильной частоты, равной 400 Гц. Задатчик частоты и сигнал-генератор являются маломощными устройствами, мощность генератора 3 в зависимости от диапа­ зона частот вращения лежит в пределах от 60 до 100% мощно­ сти основного генератора. Преобразователь частоты 2 преобра­ зует энергию переменного тока нестабильной частоты, вырабалываемую генератором 3, в энергию переменного тока частоты скольжения. Частота скольжения, необходимая для управления работой преобразователя частоты 2, вырабатывается путем срав­ нения сигналов выхода эталона частоты 5 и сигнал-генератора 4. Регулирование напряжения осуществляется воздействием через' регулятор напряжения 6 на возбуждение генератора 3. Большим достоинством рассматриваемой системы является то, что она вы­ полнена бесконтактной и имеет сравнительно небольшую массу на единицу мощности.

К недостаткам ее следует отнести наличие на валу машины полупроводникового преобразователя на сравнительно большую мощность. Так как преобразователь монтируется на вращаю­ щемся валу, то он должен быть малогабаритным. Такой пре­ образователь может быть выполнен на управляемых вентилях

49