ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОР И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ
INTEGRATED HIGH-TEMPERATURE STARTER-GENERATOR AND CONTROL METHOD THEREOF

Изобретение относится к области авиастроения, в частности к устройствам, обеспечивающим запуск авиационного двигателя и электроснабжение бортовой системы самолета.
Известен стартер-генератор [Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 1995. - 303 с.], состоящий из коллекторного двигателя постоянного тока, механической передачи и генератора переменного тока с выпрямителем и обмоткой возбуждения на роторе, присоединенной через контактные кольца к устройству регулирования напряжения генератора, и механически подсоединенный к валу двигателя через ременную передачу. Ротор коллекторного двигателя в стартерном режиме работы соединен механически с маховиком вала двигателя внутреннего сгорания.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, состоящей из двух электрических машин, и наличие механического редуктора с ременной передачей. Также недостатком является наличие подвижных контактов - щеточно-коллекторного узла и контактных колец, что снижает надежность работы электрической машины в целом и увеличивает потери энергии.
Известно устройство двухскоростного синхронного двигателя с постоянными магнитами [авторское свидетельство СССР №201522, H02K 21/14, 01.01.1967]. Статор двигателя представляет собой статор машины переменного тока традиционного исполнения, в пазах которого расположена распределенная полюснопереключаемая обмотка. Ротор двигателя имеет две полюсные системы, образуемые постоянными магнитами, каждая из которых соответствует определенному числу полюсов обмотки статора и расположены они рядом на одном валу двигателя.
Недостатком данного устройства являются высокие массогабаритные показатели двигателя, обусловленные наличием нескольких полюсных систем ротора.
Известно устройство [патент РФ №2321765, H02N 11/00, 10.04.2008], состоящее из двухфазной вентильно-индукторной машины с электромагнитной асимметрией и силовой части системы управления. Основную обмотку каждой из двух фаз подключают к источнику питания через один транзистор инвертора, а каждую из рекуперационных обмоток двух фаз подключают к источнику питания через один диод инвертора.
Недостатками данного устройства являются высокие массогабаритные показатели, а также сложная система питания электрической машины, которая увеличивает потери энергии на возбуждение стартера.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство [патент US №8269390 B2, 18.09.2012], представляющее собой стартер-генератор, содержащий вал, на котором установлены постоянные магниты, магнитопровод статора, на котором расположены обмотки, и блок системы управления выпрямительными элементами. На валу расположены постоянные магниты различных типов: Nd-Fe-B, Al-Ni-Co и Fe-Cr-Co. Данные магниты обладают разными значениями коэрцитивной силы от 100 кА/м до 950 кА/м. При работе стартер-генератора поле реакции якоря, создаваемое током, протекающим в обмотке статора, воздействует на постоянные магниты, расположенные на валу, в результате чего магниты с минимальными значениями коэрцитивной силы размагничиваются и тем самым отключаются дополнительные полюса.
Недостатком данного устройства является температурное ограничение режима работы из-за используемых в данном устройстве постоянных магнитов из сплава Nd-Fe-B, которые обладают рабочей температурой до 180 градусов.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей стартер-генератора благодаря его интеграции в газотурбинный двигатель; упрощение способа его управления за счет автоматического изменения числа активных полюсов стартер-генератора в зависимости от режима работы газотурбинного двигателя без дополнительной электроники.
Технический результат - стабильная работа стартер-генератора в составе газотурбинного двигателя в температурном режиме до 450°C за счет автоматического уменьшения числа полюсов на валу при увеличении его температуры, связанной с переходом в режим генератора, и наоборот, увеличение числа полюсов при охлаждении и переходе в режим стартера.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в стартер-генераторе, содержащем вал, на котором установлены постоянные магниты, магнитопровод статора, на котором расположены обмотки, блок системы управления выпрямительными элементами, согласно изобретению в пазах статора расположена полюснопереключаемая обмотка, при этом вал стартер-генератора и газотурбинного двигателя выполнен единым, причем на валу установлены постоянные магниты с чередующимися полярностями и различными допустимыми рабочими температурами.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается также способом управления стартер-генератором, по которому в режиме работы генератором уменьшают число активных полюсов, тем самым уменьшают частоту вырабатываемого тока, а в режиме работы стартером число активных полюсов увеличивают, обеспечивая при этом достаточный пусковой момент, при автоматическом под воздействием температуры размагничивании или намагничивании полюсов в зависимости от режима работы стартер-генератора.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен общий вид стартер-генератора, интегрированного в газотурбинный двигатель. На фиг. 2 изображен стартер-генератор в продольном разрезе.
Предложенное устройство (фиг. 1) содержит газотурбинный двигатель 1, на вал 2 которого установлен стартер-генератор 7, также на валу расположены постоянные магниты 3, в статоре 4 стартер-генератора 7 расположена полюснопереключаемая обмотка 6 для стабилизации напряжения, выводы полюснопереключаемой обмотки соединены с системой управления 5.
Предложенное устройство работает следующим образом: стартер-генератор 7 разгоняет вал 2 газотурбинного двигателя до пусковой частоты вращения, при достижении которой в камере сгорания создается расход воздуха и давление, достаточное для надежного воспламенения топлива и вступления в работу турбины, т.е. на этапе воспламенения топлива температура воздуха стартер-генератора равна температуре окружающего воздуха (до +50°C в условиях тропического климата).
Пример конкретной реализации способа
Для запуска авиационного двигателя модели ГТД-350 требуется высокий пусковой момент M=240 Н·м. Поскольку пусковой момент M связан с частотой вращения n соотношением:
ном
где P - номинальная мощность двигателя, кВт;
а частота вращения, связана с числом пар полюсов p соотношением:
где f - частота тока, Гц;
увеличение числа пар полюсов позволит создать больший пусковой момент. Учитывая это, в конструкции вала стартер-генератора используется большое число пар полюсов, которые представляют собой чередующиеся постоянные магниты сплавов SmCo5 и Sm2Co17. Данные магниты имеют разные рабочие температуры, так, например, сплав SmCo5 имеет ограничение в 250°C, а Sm2Co17 до 550°C. Таким образом, при достижении пусковой скорости вращения турбины происходит воспламенение топливно-воздушной смеси, начинает работать турбина, т.е. развивать вращающий момент, и увеличивается температура окружающей среды. При этом стартер-генератор и турбина совместно раскручивают вал газотурбинного двигателя. С ростом температуры газа возрастает вращающийся момент, развиваемый турбиной, и снижается ввиду повышения температуры постоянных магнитов и обмоток момент, развиваемый стартер-генератором, и в определенный момент стартер-генератор переходит в генераторный режим. Как известно, в генераторном режиме температура стартер-генератора поднимается до 350°C, из-за этого часть постоянных магнитов из сплава SmCo5 теряют свои магнитные свойства, что ведет к тому, что количество полюсов стартер-генератора сокращается, что позволяет уменьшить частоту тока, вырабатываемого генератором до нужного значения.
Таким образом, данный стартер-генератор в зависимости от режима работы авиационного двигателя меняет свою полюсную систему на оптимальную.
Итак, заявленное изобретение обеспечивает максимальные выходные энергетические характеристики во всех режимах работы.