Обзор генераторов, применяемых в авиации
На сегодняшний день развитие авиации достигло такого уровня, при котором современный летательный аппарат может использовать самые различные источники электроэнергии, начиная от традиционных химических, таких как аккумуляторные батареи, которые в свою очередь имею широкое разнообразие, до совершенно экзотических источников как солнечные батареи, которые применяются на электрических самолетах. Но в качестве основного источника электроэнергии на бортах летательных аппаратов электромеханические источники питания. Они в основном представлены электромеханическими генераторами. В современной сети электроснабжении самолетов имеются сразу несколько генераторов и каждый имеет свое назначение[1]. Основную часть электроэнергии производят магистральные генераторы, от которых и запитываются все основные приборы для работы работоспособности самолета. На случаи чрезвычайных ситуаций магистральные генераторы дублируются резервными, которые запускаются при выходе их строя магистральных. Так же имеются аварийные генераторы, которые способны произвести только ограниченное количество электроэнергии, и они запускаются при выходе из строя магистральных и резервных генераторов. На воздушных судах специального назначения не редко встречается дополнительно оборудование, потребляющее значительные мощности электроэнергии, и для этого оборудования устанавливаются отдельные специальные генераторы.
Основные генераторы, применяемые в авиации, различаются по роду выделяемого тока, это генераторы постоянного и переменного тока. Также различаются по приводному механизму, в составе которого они работают: это приводы турбины у турбогенераторов и маршевые двигатели [1].
Немаловажная особенность авиационных генераторов заключается в системе и способе охлаждения генератора. От этого зависят массогабаритные показатели генератора.
В авиационных генераторах бывают воздушные, жидкостные, испарительные и комбинированные системы охлаждения. Все типы генераторов различаются конструктивным исполнением, от которой и зависят массогабаритные показатели. Конструктивное исполнение зависит от всех материалов применяемых, различных совмещенных функций, возможности размещении в конструкции системы защиты и управления. Только рациональное конструктивное исполнение позволяет добиться минимальных массогабаритных показателей при максимальной надёжности авиационного генератора [2].
В легкомоторной и военной авиации широко применяются системы электроснабжения постоянного тока и систем электроснабжения смешанного типа, в которых в качестве магистральных источников электроэнергии используются генераторы постоянного тока. Основными такими отечественными агрегатами стали стартер-генераторы типа СТГ и ГСР-СТ. В настоящее время коллекторные генераторы и стартер-генераторы используются в легкомоторной авиации, а также в качестве магистральных источников электроэнергии на самолетах Ту-134(ГС-18ТО), Ан-24, Ан-26, Ан-30 (СТГ-18ТМ/ТМО), Ил-18, Ил-38 (СТГ-12ТМО), Як-40 (ВГ-7500), а также в ряде вертолетов: Ми-8 (СТГ-18), Ми-24 (СТГ-3, резервное электропитание) [5].
Рисунок 1.1. Продольный разрез конструкции стартер-генератора СТГ-12ТМО
1 фланец; 2 шарикоподшипник; 3 клеммовая колодка; 4 коллектор; 5 щетка; 6 щит задний; 7 корпус; 8 пакет якоря; 9 катушка обмотки возбуждения;
10 щит передний; 11 обмотка якоря; 12 редуктор; 13 выходная шестерня редуктора; 14 вентилятор; 15 втулка коллектора; 16 ступица; 17 полый вал; 18 гибкий вал; 19 защитная лента; 20 муфта свободного хода; 21 уравнительное соединение.
Рисунок. 1.2. Поперечный разрез конструкции стартер генератора СТГ-12ТМО
22 сердечник дополнительного полюса; 23 катушка дополнительного полюса; 24 сердечник главного полюса; 25 щеткодержатель [5].
На многих авиационных летательных аппаратах в качестве основной применяется система электроснабжения переменного тока. Широкое применение централизованных систем электроснабжения переменного тока связывают с появлением тяжелых турбовинтовых самолетов (Ту-95, Ту-114, Ил-18, Ил-38, Ан-10, Ан-12) с мощными противообледенительными системами и развитыми связными, и пилотажно-навигационными комплексами. Установка мощных преобразователей переменного тока стала нецелесообразной из-за большой их
массы и низкого КПД. Одними из первых генераторов переменного тока, которые стали использоваться вместе с генераторами постоянного тока в авиационных системах электроснабжения смешанного типа стали контактные однофазные генераторы серии СГО и ГО и контактные трехфазные генераторы серии СГС. На
рис. 3 и рис. 4 показана конструкция генератора ГО-16ПЧ8, применяемого в качестве магистрального в системах электроснабжения [5].
Рисунок 1.3. Продольный разрез конструкции генератора ГО-16ПЧ8
1, 21 крышки; 2 кремовая панель; 3 контактные кольца; 4 корпус; 5 статор; 6 обмотка якоря; 7 ротор; 8 балансировочное кольцо; 9 щит; 10, 18 стопорные кольца; 11, 17 – гайки; 12 – гибкий вал; 13, 14, 16, 20 винты; 15 – полый вал; 19 колпак.
Рисунок 1.4. Поперечный разрез конструкции генератора ГО-16ПЧ8
22 – лента; 23 – щетка; 24 щеткодержатель; 25 спиральная пружина; 26 обмотка возбуждения; 27 клинья; 28 винт [5].
Одним из перспективных на сегодняшний день являются бесконтактные электромеханические преобразователи энергии. Одной из подобных простейших таких конструкций электромеханического преобразователя является однопакетный индукторный генератор. К достоинствам индукторного генератора относят простоту и надежность конструкции, технологичность, хорошую регулируемость, возможность работы в агрессивных средах и при повышенных частотах вращения. Недостатки генератора связаны с относительно низкой степенью использования активных материалов, так как магнитный поток изменяется только по значению. В связи с чем масса индукторного генератора оказывается больше массы классического синхронного генератора на 40 — 60%. Так же у индукторного генератора высокий коэффициент искажения кривой напряжения, достигающий 20% и сравнительно большое изменение напряжения при изменении нагрузки. При всех своих достоинствах применение индукторных генераторов в летательных аппаратах невозможно, ввиду того, что они не являются автономными. Поэтому на борту летательных аппаратов для питания магистральных сетей переменного тока применяют генераторы с комбинированным возбуждение. В таких генераторах рабочий поток создается в результате совместного действия двух источников МДС постоянного магнита и обмотки возбуждения. Такие генераторы применяются в отечественных самолетах таких как МиГ-23, Миг-27 и Су-24 (СГК-30/1,5 (рис.5) и СГК-30М) [6].
Рисунок. 1.5. Конструкция генератора СГК-30/1,5
1 вал; 2 фланец; 3, 8 катушки обмотки управления трехфазного генератора; 4 корпус; 5 постоянный магнит индуктора трехфазного генератора; 6 сердечник якоря трехфазного генератора; 7 разъем; 9 постоянный магнит индуктора однофазного генератора; 10 сердечник якоря трехфазного генератора; 11 патрубок; 12 катушки обмотки управления однофазного генератора.
Одни из самых распространенных типов генераторов, применяемых в летательных аппаратах это бесконтактные синхронные генераторы с вращающимися выпрямителями. Достоинство такого генератора заключается в том, что мощность на возбуждение возбудителя основного генератора поступает не из сети, а отбирается от авиадвигателя через электромеханическое преобразование в подвозбудителе. При этом подвозбудитель используется в качестве используется в качестве источника питания цепей регулирования, защиты и управления системами электроснабжения. Такие генераторы нашили широкое применение на таких самолетах, как МиГ-29, Су-27, Ту-204, Ил-96, Ан-70. На рис. 6 показана конструкция синхронного генератора с вращающимися выпрямителями ГТ40ПЧ8 с воздушным охлаждением [2].
Рисунок 1.6. Конструкция генератора ГТ40ПЧ8
1 гибкий вал; 2, 21 подшипники; 3 вывод; 4 обмотка подвозбудителя; 5 ротор подвозбудителя; 6 статор подвозбудителя; 7 корпус подвозбудителя; 8 индуктор основного генератора; 9 корпус генератора; 10 статор основного генератора;
11 полый вал; 12 обмотка возбуждения основного генератора; 13 обмотка статора; 14 блок диодов; 15 статор возбудителя; 16 обмотка возбуждения возбудителя; 17 якорь возбудителя; 18 клеммовая панель; 19 вентилятор; 20 патрубок; 22 разъем; 23 клеммовая коробка трансформаторов тока; 24 кожух; 25 фланец крепления генератора на двигатель.
Одним из перспективных направлений развития автономных источников питания летательных аппаратов является применение генераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Эти генераторы отличают надежное возбуждение и отсутствие специального источника питания для цепи возбуждения, высокая эксплуатационная надежность в работе и простота технического обслуживания, высокий КПД, малая инерционность при переходных процессах, возможность работы при достаточно высоких температурах и частотах вращения [2].
По сравнению с генераторами с электромагнитным возбуждением конструкции индукторов магнитоэлектрических генераторов отличаются большим разнообразием и зависят не только от назначения и мощности генератора, но и от магнитных и технологических свойств магнитов. Различные конструкции индукторов, применяемых в генераторах с постоянными магнитами представлены на рисунке 1.7. Из-за невысоких магнитных характеристик материалов постоянных магнитов магнитоэлектрические генераторы по удельным показателям могли конкурировать с классическими синхронными генераторами лишь в области небольших мощностей [6].
Рисунок 1.7. Конструкции индукторов магнитоэлектрических генераторов с постоянными магнитами
а — звездообразного типа без полюсных башмаков; б – звездообразного типа со сварными башмаками; в – с призматическими магнитами и сварными башмаками; г – с половинным числом постоянных магнитов; д – когтеобразного типа; е – с призматическими магнитами из редкоземельных материалов; ж – коллекторного типа; 1 – постоянный магнит; 2 – вал; 3 – магнитная сталь; 4 – немагнитная сталь; 5 – немагнитная втулка; 6 – алюминиевая заливка.
Но с началом промышленного освоения магнитов на основе интерметаллических соединений редкоземельных материалов с кобальтом и бескобальтовых редкоземельных постоянных магнитов на основе неодим – железо – бор стало возможно реализовывать магнитоэлектрические генераторы большой мощности. Так же по совершенствованию практического применения магнитоэлектрических генераторов связано с отказом от выполнения генератора в виде самостоятельного конструктивного агрегата и его поэлементным рассредоточением внутри авиадвигателя [6].
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.
Источник
Бортовая система электроснабжения летательных аппаратов
Бортовая система электроснабжения летательных аппаратов (бортовая СЭС ЛА) — система электроснабжения, предназначенная для обеспечения бортового электрооборудования летательного аппарата электроэнергией требуемого качества. Системой электроснабжения принято называть совокупность устройств для производства и распределения электроэнергии. Начиная с 20-х годов прошлого века, на самолётах стали использоваться генераторы постоянного тока на 8, затем — на 12, и, наконец, на 27 вольт.
Для питания бортового оборудования и систем ЛА в настоящее время применяется электроэнергия постоянного тока напряжением 27 вольт, переменного однофазного или трёхфазного с нейтралью тока с напряжением 208/115 вольт, частотой 400 Гц, переменного трёхфазного без нейтрали тока напряжением 36 вольт 400 гц. Суммарная мощность генераторов на борту может составлять от 20 кВт для небольших самолётов или вертолётов до 600 и более кВт для тяжёлых ЛА.
В состав бортовой СЭС входят источники тока, аппаратура регулирования, управления и защиты, собственно бортовая сеть с распределительными устройствами, устройствами защиты цепей потребителей, а также устройствами защиты от радиопомех, статического электричества и электромагнитных излучений. Различают первичные и вторичные источники электроэнергии. К первичным источникам относят бортовые электрогенераторы и аккумуляторные батареи. Ко вторичным источникам относят трансформаторы и преобразователи.
Надёжность системы электроснабжения ЛА является одним из основополагающих факторов безопасности полёта. Поэтому предусматривается комплекс мер для надёжности функционирования и повышения живучести бортовой СЭС ЛА. Как правило, применяют основные, резервные и аварийные источники электроэнергии. Основные источники обеспечивают потребности в электроэнергии в нормальных условиях полёта. Резервные источники питают потребители при нехватке мощности основных источников, вызванной отказами в СЭС. Аварийные источники питают только жизненно важные системы ЛА (потребители первой категории), без которых невозможно безопасное завершение полёта.
На электрооборудование летательных аппаратов действует ряд неблагоприятных факторов — вибрации, ускорения, большие перепады температуры и давления, ударные нагрузки, агрессивные среды паров топлива, масел и спецжидкостей, иногда очень едких и токсичных. Конструктивными особенностями агрегатов электрооборудования летательных аппаратов является очень высокое качество изготовления, высокая механическая и электрическая прочность при минимальном весе и габаритах, пожаровзрывобезопасность, относительная простота в эксплуатации, полная взаимозаменяемость однотипных изделий и т. д.
Содержание
Генераторы
По принципу действия авиационные генераторы не отличаются от аналогичных наземных генераторов, но обладают рядом особенностей: малый вес и габариты, большая плотность тока якоря, принудительное воздушное, испарительное или жидкостное охлаждение, высокая частота вращения ротора, применение высококачественных конструкционных материалов. В качестве источников постоянного тока обычно применяют бесконтактные синхронные генераторы и бесколлекторные генераторы различных типов и синхронные генераторы переменного тока. Генераторы устанавливаются на двигателях и вспомогательных силовых установках (ВСУ), при этом частота вращения турбовинтовых двигателей самолётов и вертолётов стабилизирована изменением шага винта, а вот на турбореактивных двигателях частота вращения ротора может меняться в широких пределах и при жёстком механическом приводе на генератор переменного тока частота также существенно изменяется, что часто недопустимо по ТУ потребителей.
Поэтому электрические сети строят по разным принципиальным схемам. Построение сети зависит от назначения ЛА, его конструктивных особенностей и применяемого оборудования. Например, на самолёте Ту-134 в качестве основных источников электроэнергии применяются генераторы постоянного тока на двигателях, а для питания переменным током стабильной частоты 208/115 вольт 400 гц применяются электромашинные преобразователи.
Преобразователи тока
На летательных аппаратах в качестве вторичных источников тока применяются электромашинные преобразователи и статические полупроводниковые преобразователи (инверторы). Электромашинный преобразователь представляет собой агрегат, состоящий из электродвигателя постоянного тока и генератора переменного тока (иногда — двух), механически закреплёнными на одном валу. Принцип действия такого преобразователя основан на двукратном преобразовании электрической энергии в электрических машинах — двигателе и генераторе. Схема стабилизации оборотов (частоты вращения) обычно расположена в коробке управления. Наиболее широко распространены преобразователи серии ПО (однофазные на 115 вольт), ПТ (трёхфазные на 200/115 вольт или 36 вольт) и ПТО (комбинированные). При КПД в пределах 50-60% мощность преобразователя может быть от 125 вА (ПТ-125Ц) до 6 КвА (ПО-6000). Статические преобразователи преобразуют постоянных ток в переменный с помощью управляемых полупроводниковых приборов — транзисторов или тиристоров. Такой преобразователь представляет электронный блок в унифицированной легкосъёмной кассете. Их КПД может достигать 85%.
Привод постоянных оборотов
В качестве основных источников электроэнергии могут применяться и генераторы переменного тока, в этом случае сеть 200/115 в является первичной. Генераторы подключаются к редуктору через привод постоянных оборотов. Различают разные схемы подключения — гидравлические, пневматические, механические. Применение нашла гидростатическая схема дифференциального типа (гидронасос-гидромотор), в которой механическая энергия вращения, отбираемая от вала авиадвигателя, преобразуется в энергию давления рабочего тела — масла. Регулирование частоты вращения осуществляется гидравлическим центробежным автоматом, управляющим производительностью гидронасоса. В случае с турбовинтовыми авиадвигателями и ВСУ генераторы переменного тока работают на постоянной частоте вращения, обусловленной стабильностью оборотов двигателя. Первичная (основная) система переменного тока стабильной частоты применяется, например, на лайнере Ту-154 или вертолёте Ка-27. На этих машинах для получения постоянного тока используются полупроводниковые выпрямительные устройства (ВУ).
Выпрямительные устройства
Выпрямительное устройство представляет собой агрегат, состоящий из трёхфазного понижающего трансформатора, полупроводникового трёхфазного выпрямителя и тиристорной схемы стабилизации при изменении нагрузки. Мощность различных типов ВУ может быть в пределах от 3 до 12 кВт. Для принудительного охлаждения схемы выпрямительное устройство имеет встроенный вентилятор.
Турбогенератор
На летательных аппаратах может применяться смешанная схема электроснабжения, из сетей постоянного тока и сетей переменного тока стабильной или нестабильной частоты, а также дополнительные сети для питания различной сложной аппаратуры (автономные системы электроснабжения). К примеру, генератор переменного тока может работать от пневматической турбины, которая, в свою очередь, работает на отбираемом от компрессора авиадвигателя сжатом воздухе. Такой агрегат называется турбогенератором и применяется, в частности, на самолёте Ан-22.
Бортовые аккумуляторные батареи
На современных ЛА аккумуляторные батареи применяются в качестве аварийных источников электроэнергии, для питания потребителей первой категории, без которых невозможно нормальное завершение полёта. В свою очередь, аккумуляторы могут питать аварийные преобразователи тока (обычно небольшие электромашинные или статические) для потребителей первой категории, требующих питания переменным током. В течение всего полёта аккумуляторы работают в буфере с генераторами постоянного тока (где это предусмотрено). Используют свинцовые (12САМ-28, 12САМ-23, 12САМ-55), серебряно-цинковые (15СЦС-45) и никель-кадмиевые (20НКБН-25, 20НКБН-40, 20НКБН-28, 20KSX-27) аккумуляторные батареи. Продолжительность полёта при питании БЭС только от АКБ может сильно варьироваться на разных типах авиатехники: от нескольких часов (например, Ту-16, от АКБ летит до полутора часов) до нескольких минут (Ту-22М3, не более 12-15 минут).
Наземные источники электроэнергии
В настоящее время применяются при подготовках, различных профилактических и ремонтных работах наземные источники электроэнергии — аэродромные подвижные агрегаты (на автомобильном шасси) типа АПА-4, АПА-5Д, АПА-50М, АПА-80; аэродромные электромашинные генераторы-преобразователи АЭМГ-50М и АЭМГ-60/30М. В меньшей степени для электропитания применяются универсальные спецавтомобили типа ЭГУ-3, ЭГУ-50/210-131, УПГ-300. На кораблях применяются статические полупроводниковые преобразователи-выпрямители.
Для подключения наземных источников к бортсети ЛА предусмотрены унифицированные разъёмы в нижней части фюзеляжа — по постоянному току типа ШРАП-500, по переменному току ШРАП-200 или ШРАП-400-3Ф, соответствующие международным стандартам.
Распределительные сети
Бортовая электрическая сеть (БЭС) представляет собой сложную систему каналов передачи электроэнергии от источников к приёмникам и состоит из шин, электропроводки, распределительных устройств, коммутационной и защитной аппаратуры. Сети условно делятся на централизованные, децентрализованные и смешанные. В централизованной сети электроэнергия подводится вначале к шинам центральных распределительных устройств (ЦРУ), а затем к периферийным распределительным устройствам (РУ) — распределительным панелям (РП), распределительным коробкам (РК) и распределительным щиткам (РЩ), для питания всего бортового оборудования ЛА. В децентрализованной БЭС ЦРУ отсутствуют в принципе и распределение электроэнергии производится сразу по РК и РП потребителей. Также существует БЭС смешанного типа, имеющая признаки централизованной и децентрализованной сети. Для повышения надёжности применяется деление бортсети на, например, сеть постоянного тока левая и правая, или сеть первого, второго или третьего генераторов.
Сети могут питаться от параллельно (на общую нагрузку) работающих генераторов, при этом отказ одного, к примеру, генератора не приводит к обесточиванию сети. Применяется также перекрёстное питание — сеть №1 питается от генератора №1 (левый двигатель) и №3 (правый двигатель). В свою очередь, сеть №2 питается от генератора №2 (левый двигатель) и №4 (правый двигатель). Если принять, что мощности одного генератора достаточно для питания всех потребителей этой сети, тогда получается, что в случае отказа одного двигателя (любого) и, соответственно, остановки двух генераторов — это никак не отразится на электроснабжении самолётных систем.
В случае отказа генератора (генераторов) сеть автоматически (или вручную) подключится к соседней исправной сети. В случае неисправности в самой сети, например, коротком замыкании, сеть остаётся обесточенной, но часть потребителей этой сети (при условии их исправности) могут быть переключены на питание от другой сети (переключаемые шины). Небольшая часть БЭС, к которой подключены потребители первой категории, питается от аккумуляторной шины напрямую в течение всего полёта. Часть оборудования подключается к шинам двойного питания, которые в нормальном режиме работают от генераторов, но в случае аварии автоматически подключаются к аккумуляторной шине. Такая сложная система коммутации сетей преследует только одну цель — максимальное повышение живучести электропитания ЛА при разнообразных отказах и повреждениях. На более современных летательных аппаратах применяется автоматический контроль параметров работы генераторов и элементов бортсети цифровыми устройствами.
На больших самолётах количество РК, РП и РУ может достигать нескольких десятков (более сотни), а общая длина проводки — сотен (и даже тысяч) километров. При этом все без исключения потребители имеют защиту от токовых перегрузок и КЗ — автоматы защиты сети (АЗС, АЗР), плавкие предохранители различных типов и силы тока — от 0,5 до 900 ампер. Как правило, вся коммутационная и защитная аппаратура компактно сосредотачивается в распределительных устройствах, для удобства обслуживания и монтажа.
Обслуживание
Электрооборудование ЛА обслуживают специалисты АО (в гражданской авиации специальности АО и РЭО совмещены). На тяжёлых машинах, в связи с большим объёмом работ, по АО проводится разделение на электрооборудование (ЭО) и остальные специальности.
Источник