ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ МУФТА ПРИВОДА НАСОСА ПОДАЧИ ТОПЛИВА АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области электротехнического машиностроения, в частности к электромагнитным устройствам для передачи крутящего момента, и может быть использована в электромеханических приводах качающих узлов подачи топлива авиационных двигателей.
При проектировании и эксплуатации топливных систем авиационных двигателей одним из основных и наиболее трудновыполнимым требованием, предъявляемым к перспективным топливным системам, является уменьшение подогрева топлива в насосных агрегатах (НА) высокого давления.
В процессе эксплуатации авиационный двигатель зачастую работает на режимах, при которых требуемый расход топлива меньше максимального более чем в 40 раз, а потребный напор топлива не более 20% от его максимального значения, при этом частота вращения вала НА, прямо соединенного с приводным валом, составляет величину порядка 70-100% от максимальной, что является существенно избыточным и приводит к росту температуры прокачиваемого топлива.
Поэтому весьма актуальной задачей в настоящее время является создание регулируемого привода, обеспечивающего изменение частоты вращения (ЧВ) выходного (ведомого) вала насоса при неизменной ЧВ входного (ведущего) вала со сбросом излишков энергии в бортовую электрическую сеть. Крайними точками динамической характеристики такого привода являются режим полной мощности насоса, при котором ЧВ валов близки (возможно незначительное проскальзывание), и режим холостого хода, при котором передача энергии на выходной вал практически прекращается, и он вращается достаточно медленно для прекращения заметного тепловыделения в насос.
Подобные задачи возникают довольно часто во многих областях техники, где требуется устранить жесткую связь валов для запуска, регулирования, предотвращения поломки при заклинивании рабочего органа и т.д. Для решения этой проблемы обычно применяются гидравлические, порошковые, индукционные муфты. Все они имеют общий фундаментальный и, поэтому, трудно устранимый недостаток - разница входной и выходной мощностей (вплоть до полной) выделяется в виде тепла в самом регулирующем органе, приводя к его значительному нагреву (вплоть до разрушения).
Альтернативой таким конструкциям муфт являются муфты, работа которых основана на бесконтактном взаимодействии ведущего и ведомого органов. К таким конструкциям относятся электромагнитные муфты, использование которых в настоящее время осуществляется довольно широко. В данных муфтах ведущий и ведомый органы контактируют не механически, а посредством электромагнитного поля, что исключает их нагрев от непосредственного контакта. Кроме того, такие муфты обладают широкими возможностями регулирования.
Так, например, известна электромагнитная муфта, содержащая ведущий вал медленного вращения, связанное с ним ведущее звено, включающее многополюсный электромагнит, выполненный в виде ферромагнитного магнитопровода с двумя парами явно выраженных полюсов, выполненных в виде зубцов, между которыми в пазах размещены катушки обмотки возбуждения, соединенные между собой и с расположенными на ведущем валу приводного механизма контактными кольцами посредством токоподводов, выполненных в виде скользящих контактов-щеток.
Электромагнитная муфта содержит неподвижный экран (статор), представляющий собой корпус из электроизоляционного материала со встроенными ферромагнитными элементами, выполненными в виде жгутов из тонких стержней или в виде пластин.
Муфта также содержит ведомое звено, выполненное в виде ферромагнитного якоря, размещенного на ведомом валу быстрого вращения, имеющего два прямых, или винтовых, или косых в осевом направлении зубца. Количество и длина зубцов зависит от коэффициента редукции (мультипликации) частоты вращения муфты, а также количества и длины полюсов ведущего звена.
Экран имеет внешнюю и внутреннюю цилиндрические полости, служащие для размещения в них элементов соответственно ведущего и ведомого звеньев. Полюса магнитопровода обращены к цилиндрической поверхности экрана во внешней его полости и расположены вдоль ее образующей или под углом к ней. Ферромагнитные пластины расположены внутри электроизоляционного материала корпуса экрана так, что продольные оси полос, образованных встроенными в экран пластинами при выходе на поверхности экрана во внутренней и внешней его полостях, обращенных к полюсам ведущего и зубцам ведомого звеньев, расположены по направлению вдоль полюсов ведущего звена и зубцов ведомого звена или под небольшим углом к ним.
Встроенные ферромагнитные пластины экрана выполняют функцию распределения магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения ведущего звена.
При подключении обмотки возбуждения к источнику постоянного тока происходит возбуждение магнитной цепи устройства, в результате чего элементы ведущего и ведомого звеньев занимают положение сцепления, соответствующее минимальному магнитному сопротивлению контура магнитной цепи. При повороте на небольшой угол ведущего вала происходит смещение оси зон максимальной магнитной индукции в ферромагнитных пластинах экрана, что приводит к появлению сил электромагнитного взаимодействия, под действием которых элементы ведомого звена занимают положение сцепления. При непрерывном вращении ведущего вала вращение ведомого вала происходит с частотой, в два раза превышающей его.
(см. патент РФ №2451382, кл. H02K 49/00, 2012 г.).
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что использование в нем двойной синхронной схемы двигатель-генератор, а также наличие коллекторного узла и конструктивное решение якоря свидетельствуют об ориентации данного аналога на низкооборотистые и маломощные передаточные действия, а также значительный нагрев при эксплуатации.
Известна электромагнитная муфта для передачи крутящего момента, содержащая ведущий ротор, выполненный в виде цилиндрического стакана из магнитомягкой стали с продольными трапецеидальными зубцами на его внутренней цилиндрической поверхности, а на наружной торцевой поверхности ведущего ротора на опорах качения смонтирован вал, имеющий возможность соединения с выходным валом приводного двигателя.
Электромагнитная муфта также содержит ведомый ротор, выполненный из магнитомягкой стали в виде цилиндра с продольными трапецеидальными зубцами на части его цилиндрической поверхности, которой он коаксиально размещен внутри ведущего ротора. На торцевой поверхности ведомого ротора смонтирован вал, имеющий возможность соединения с валом приводимого механизма.
В воздушном зазоре между роторами коаксиально размещен неподвижный герметичный экран, выполненный в виде охватывающего ведомый ротор со стороны ведущего ротора цилиндрического стакана с глухим днищем. Днище экрана выполнено с цилиндрическими выступами, которые являются опорами для подшипников роторов.
Между цилиндрическими поверхностями экрана и роторов имеются воздушные зазоры.
На цилиндрической поверхности экрана, торцом к торцу ведущего ротора с зазором размещена тороидальная обмотка возбуждения. У другого торца обмотки на экране без зазора укреплен тороидальный магнитопровод обмотки возбуждения, охватывающий с торца и по наружному диаметру обмотку, а также ведущий ротор по наружному диаметру на длину зубцов.
В цилиндрической части экрана под обмоткой, на всю ее ширину, выполнена с сохранением герметичности экрана сквозная кольцевая вставка из немагнитной стали.
При включении в работу приводного двигателя крутящий момент с его вала передается на вал ведущего ротора и ведущий ротор начинает вращаться. При вращении ведущего ротора вокруг экрана вращаются и зубцы на нем, которые являются магнитными полюсами. При подаче электрического тока в обмотку возбуждения, вокруг нее возникает магнитный поток. При этом магнитный поток перемещается в кольцевой магнитомягкой вставке в экране и создает тангенциальную силу, действующую на зубцы ведомого ротора. Возникает синхронный вращательный момент в ведомом роторе, а следовательно, и на его валу и соединенном с ним валу приводимого механизма.
(см. патент РФ на полезную модель №159671, кл. F16D 27/00, 2016 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения известной электромагнитной муфты необходимо отметить, что она используется в качестве элемента бесконтактной трансмиссии с фиксированным передаточным числом и не имеет возможности регулирования передаточного числа и момента, что значительно ограничивает ее область применения, в том числе и по тепловым нагрузкам.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, является расширение функциональных возможностей электромагнитной муфты за счет ее эффективной работы в широком диапазоне частот вращения ведущего и ведомого роторов и крутящих моментов при незначительном нагреве рабочих элементов муфты.
Указанный технический результат достигается тем, что в электромагнитной муфте привода насоса подачи топлива авиационного двигателя, содержащей корпус, в котором с возможностью вращения смонтированы ведущий и ведомый валы, ведущий и ведомый роторы, установленные соответственно на ведущем и ведомым валах, причем ведущий ротор выполнен в виде стакана, а ведомый ротор размещен в полости ведущего ротора, новым является то, что ведущий ротор набран из пластин, выполненных из электротехнической стали и размещенных на его внутренней поверхности трехфазных обмоток, ведомый ротор выполнен в виде расположенных нормально относительно ведомого вала постоянных магнитов и магнитопровода, набранного из пластин шихтованной стали, а на наружной образующей его поверхности имеется обкладка, выполненная из магнитопрозрачного материала, причем обкладка размещена на наружной поверхности ведомого ротора таким образом, что между обкладкой и торцом каждого постоянного магнита имеется воздушный зазор, при этом на ведущем валу установлены трансформаторные обмотки, образующие разомкнутый трансформатор с трансформаторными обмотками, установленными в корпусе.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
на фиг. 1 - электромагнитная муфта, схема общего вида;
на фиг. 2 - сечение А-А по фиг. 1 (показан сектор в 1/8 сечения).
Электромагнитная муфта привода насоса подачи топлива авиационного двигателя содержит корпус 1 (фиг. 1), в котором размещены ведущий ротор 2 и ведомый ротор 3. Ведущий ротор выполнен в виде стакана, а ведомый ротор 3 расположен коаксиально в полости ведущего ротора 2 с зазором по его наружной поверхности относительно внутренней поверхности ротора 2 и с торцевым зазором относительно него.
Ведущий ротор 2 установлен на ведущем валу 4, смонтированном в корпусе 1 на опорах качения (не показаны), а ведомый ротор 3 установлен на ведомом валу 5, смонтированном в корпусе 1 на опорах качения (не показаны). Валы 4 и 5 соосны друг другу.
Ведущий ротор 2 (фиг. 2) набран из пластин, выполненных из электротехнической стали и в него вмонтированы трехфазные обмотки 6.
Ведомый ротор 3 выполнен в виде расположенных нормально относительно вала 5 постоянных магнитов 7 и магнитопровода 8, набранного из пластин шихтованной стали.
На наружной поверхности ведомого ротора имеется обкладка 9, выполненная из магнитопрозрачного материала, например, твердеющих высокотемпературных полимерных клеев Эласил, Поксипол и т.д.
В корпусе 1 муфты размещены трансформаторные обмотки 10, напротив которых на валу 4 смонтированы трансформаторные обмотки 11. Обмотки 10 и 11 образуют бесконтактный трансформатор.
Расположение постоянных магнитов 7 по нормали к валу 5 обеспечивает качественное неявнополюсное распределение магнитного поля в процессе работы муфты, что позволяет эффективно компенсировать центробежную силу при вращении ротора, а также тепловые процессы, пагубно влияющие на основные характеристики постоянных магнитов.
Наборный из пластин шихтованной стали магнитопровод 8 сдерживает возникновение вихревых токов, чем предотвращает перегрев магнитов.
Обкладка 9 корректирует оптимальный электромагнитный искривленный профиль ведомого ротора 3 до круглого сечения, чем существенно снижает сопротивление среды вращению, а следовательно, снижает потери энергии (в т.ч. на непосредственный нагрев рабочей среды) и обеспечивает возможность длительной работы устройства при повышенных нагрузках.
Обкладка 9 размещена на наружной поверхности ведомого ротора таким образом, что между обкладкой и торцом каждого магнита 7 имеется воздушный зазор 12. Наличие таких зазоров обеспечивает снижение электромагнитной индукции на магнитах в процессе работы муфты, что также способствует защите магнитов от перегрева.
Заявленная электромагнитная муфта работает следующим образом.
Для работы муфта монтируется «в разрыв» привода вращения вала топливного насоса авиационного двигателя. В процессе работы муфты от привода приводится во вращение ведущий вал 4, а следовательно, установленный на нем ведущий ротор 2, который совершает вращательное коаксиальное движение относительно ведомого ротора 3. В результате вращения ведущего ротора в его обмотках 6 за счет магнитного поля постоянных магнитов 7 наводится электрический ток. Наведенный ток с обмоток 6 ведущего ротора 2 поступает на трансформаторные обмотки 11 на валу ведущего вала 4, которые порождают магнитный поток, протекающий по окрестной части вала ведущего ротора и прилегающим объемам корпуса муфты. Этим магнитным потоком, в свою очередь, возбуждается электрический ток на трансформаторных обмотках 10, расположенных на корпусе 1 муфты. Полученный электрический ток рекуперируется в бортовую сеть с использованием управляемого инвертора (не показан). Управляя уровнем рекуперации тока, обеспечивается изменение момента на валу НА, величина которого зависит от взаимодействия магнитных полей ведущего ротора 2 и постоянных магнитов ведомого ротора 3. Изменение момента на валу ведущего ротора 2 определяет вращение ведомого ротора 3, частота вращения которого определяется условием равновесия момента на валу НА и момента, определяемого нагрузкой НА. Известно, что произведение частоты вращения и момента определяется конечной мощностью приводного вала. Таким образом, изменение частоты вращения НА относительно вращения ведущего вала определяется управлением моментом.
В связи с этим, ключевым принципиальным отличием разработанного устройства является возможность плавной регулировки передаточного числа на всем допустимом диапазоне, в отличие от решения - наиболее близкого аналога.