Гидродинамический привод-генератор

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и может быть использована в системах электроснабжения летательных аппаратов, а также наземных транспортных средств.
Известен гидродинамический привод-генератор, находящийся в составе энергетической установки, содержащий генератор трехфазного переменного тока, регулятор частоты вращения генератора с чувствительным элементом и сервопоршнем, гидродинамический преобразователь крутящего момента с насосным колесом, связанным с валом приводного двигателя, турбинным колесом, связанным с валом генератора и поворотными лопатками, кинематически связанными с сервопоршнем, рабочие полости которого сообщены каналами с чувствительным элементом, и насос подачи рабочей жидкости, установленный на валу турбины гидродинамического преобразователя крутящего момента и связанный своей напорной полостью с внутренней полостью гидродинамического преобразователя (патент №2156210, публ. 20.09.2000 г.).
Недостатком известного устройства является то, что чувствительным элементом регулятора частоты вращения генератора в приводах-генераторах такого типа является центробежный датчик, преобразующий центробежную силу вращающихся грузиков в осевую силу какого-либо вращающегося элемента, например иглы, которой в дальнейшем необходимо передать эту силу гидроусилителю (типа золотник, маятник, сопло-заслонка и т.п.). Такая передача сопряжена с трением и последующим износом деталей с относительным вращением, что снижает надежность работы привода-генератора и уменьшает его ресурс.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение надежности работы и ресурса привода-генератора.
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается в совмещении в едином конструктивном элементе функций чувствительного элемента и гидроусилителя, что исключает необходимость передачи силы между деталями с относительным вращением в регуляторе частоты вращения генератора.
Технический результат достигается тем, что в гидродинамическом приводе-генераторе, содержащем генератор трехфазного переменного тока, регулятор частоты вращения генератора с чувствительным элементом и сервопоршнем, рабочие полости которого сообщены каналами с чувствительным элементом, гидродинамический преобразователь крутящего момента с насосным колесом, связанным с валом приводного двигателя, турбинным колесом, связанным с валом генератора, и поворотными лопатками, кинематически связанными с сервопоршнем, и насос подачи рабочей жидкости, установленный на валу турбины гидродинамического преобразователя крутящего момента и связанный своей напорной полостью с внутренней полостью гидродинамического преобразователя, чувствительный элемент регулятора частоты вращения генератора выполнен в виде золотника, подпружиненного с обоих его торцов, причем один из торцов золотника сообщен с входной полостью насоса подачи рабочей жидкости, а другой его торец сообщен с напорной полостью насоса подачи рабочей жидкости.
Кроме того, пружина, установленная на торце золотника, сообщенном с напорной полостью насоса подачи рабочей жидкости, изготовлена из пружинной стали с меньшим падением модуля сдвига при повышении температуры, по сравнению с пружинной сталью, из которой изготовлена пружина, установленная на торце золотника, сообщенном с входной полостью насоса подачи рабочей жидкости.
Выполнение чувствительного элемента регулятора частоты вращения генератора в виде золотника, подпружиненного с обоих его торцов, причем один из торцов золотника сообщен с входной полостью насоса подачи рабочей жидкости, а другой его торец сообщен с напорной полостью насоса подачи рабочей жидкости, обеспечивает совмещение в одном конструктивном элементе функций чувствительного элемента системы регулирования и гидроусилителя, что исключает необходимость передачи силы между деталями с относительным вращением, повышая тем самым надежность и ресурс привода-генератора.
Изготовление пружины, установленной на торце золотника, сообщенном с напорной полостью насоса подачи рабочей жидкости, из пружинной стали с меньшим падением модуля сдвига при повышении температуры, по сравнению с пружинной сталью, из которой изготовлена пружина, установленная на торце золотника, сообщенном с входной полостью насоса подачи рабочей жидкости, позволяет компенсировать влияние температуры рабочей жидкости на установившееся значение частоты вращения генератора, обеспечивая тем самым надежную работу привода-генератора.
На фиг. 1 представлена общая схема предлагаемого привода-генератора.
Привод-генератор содержит гидродинамический преобразователь 1 крутящего момента, генератор 2 трехфазного переменного тока, насос 3 подачи рабочей жидкости, например, авиационного топлива, представляющий собой центробежный насос, преимущественно импеллерного типа, и регулятор частоты вращения генератора, содержащий золотник 4 и сервопоршень 5 со штоком 6. В полости гидродинамического преобразователя 1 крутящего момента содержатся насосное колесо 7, вал которого связан с валом силовой установки (на фигуре не показана) транспортного средства, например летательного аппарата, турбинное колесо 8, установленное на одном валу с ротором 9 генератора 2 и с крыльчаткой 10 насоса 3, и поворотные лопатки 11, связанные зубчатыми секторами 12 через зубчатое колесо 13 с зубчатой рейкой на штоке 6 сервопоршня 5, таким образом, что при движении сервопоршня 5 вправо лопатки 11 раскрываются, то есть проходное сечение между лопатками 11 увеличивается.
На одном из торцов золотника 4 установлена основная пружина 14 с опорой непосредственно в корпус 15 золотника 4. На другом торце золотника 4 установлена регулировочная пружина 16 с опорой в регулировочный винт 17.
Входная полость насоса 3 подсоединена входным трубопроводом к подкачивающему насосу (ДЦН) топливной системы (на фигуре не показан), а также соединена каналом с полостью, примыкающей к торцу золотника 4, со стороны которого установлена основная пружина 14. Напорная полость насоса 3 соединена каналом с полостью, примыкающему к торцу золотника 4, со стороны которого установлена регулировочная пружина 16. Внутренняя полость гидродинамического преобразователя 1 соединена каналом с напорной полостью насоса 3 и через дозирующее отверстие 18 связана с каналом слива топлива из привода-генератора в топливную систему, например в бак или на вход подкачивающего насоса.
Рабочие полости сервопоршня 5 связаны каналами через золотник 4 с напорной полостью насоса 3 и с каналом слива топлива таким образом, что при смещении золотника 4 от равновесного положения, например, влево (в сторону торца, со стороны которого установлена основная пружина 14) правая рабочая полость сервопоршня 5 соединяется через окна, открываемые кромками золотника 4, с напорной полостью насоса 3, а левая рабочая полость сервопоршня 5 соединена соответственно с каналом слива; при смещении золотника 4 вправо левая рабочая полость сервопоршня 5 соединяется с напорной полостью, а его правая рабочая полость соединяется с каналом слива.
Предлагаемый привод-генератор работает следующим образом.
На установившемся режиме работы крутящий момент от насосного колеса 7 гидродинамического преобразователя 1, которое связано с валом силовой установки, передается через топливо, циркулирующее во внутренней полости гидродинамического преобразователя 1, его турбинному колесу 8, заставляя последнее вращаться вместе с ротором 9 генератора 2 с номинальной частотой вращения, вырабатывая переменный электрический ток заданной частоты. Вместе с ротором 9 генератора 2 вращается крыльчатка 10 насоса 3, создавая перепад давления, зависящий от частоты вращения крыльчатки 10. Золотник 4 находится в равновесном положении под действием этого перепада давления, уравновешенного разностью сил пружин 14 и 16. Сервопоршень 5 остается неподвижным, так как окна, которые могут соединять его рабочие полости с напорной полостью или со сливом, перекрыты золотником 4, и связанные кинематически с сервопоршнем 5 поворотные лопатки 11 автоматически установлены в положение, создающее для циркулирующего в полости преобразователя топлива проходное сечение, требуемое для передачи крутящего момента, соответствующего заданному режиму работы.
Выделяемое при работе гидродинамического преобразователя 1 тепло уносится топливом, подводимым к нему из напорной полости насоса 3 и отводимым через дозирующее отверстие 18 в канал слива.
При изменении режима работы происходит переходный процесс с временным изменением частоты вращения ротора 9 генератора 2. Например, при внезапном уменьшении электрической нагрузки на генератор 2 частота вращения ротора 9 и крыльчатки 10 насоса 3 возрастает, вызывая увеличение перепада давления, создаваемого насосом 3. Под действием возросшего перепада давления золотник 4 перемещается влево, открывая окна, соединяющие правую рабочую полость сервопоршня 5 с напорной полостью насоса 3, а левую рабочую полость сервопоршня 5 с каналом слива. В результате сервопоршень перемещается влево, поворачивая лопатки 11 в сторону закрытия проходного сечения между ними, уменьшая этим передаваемый преобразователем 1 крутящий момент и, соответственно, уменьшая частоту вращения ротора 9 генератора 2. При достижении номинальной частоты вращения восстанавливается прежний перепад давления, создаваемый насосом 3, возвращая золотник 4 в исходное равновесное положение. При этом сервопоршень 5 вместе с поворотными лопатками 11 займет новое положение, соответствующее измененному режиму работы.
При внезапном увеличении электрической нагрузки на генератор процесс пройдет в обратном направлении.
Для обеспечения устойчивости работы регулятора частоты вращения генератора в конструкции привода-генератора предусмотрено стабилизирующее устройство в виде изодромной обратной связи (на фигуре не показано).
При работе привода-генератора температура топлива может меняться, что приводит к изменению его плотности. В результате этого меняется перепад давления, создаваемый насосом 3 при неизменной частоте вращения, что должно привести к изменению частоты вращения ротора 9 генератора 2 на установившемся режиме. Например, с ростом температуры плотность топлива уменьшается, что приводит к уменьшению перепада давления, создаваемому насосом 3 при неизменной частоте вращения. Так как регулятор частоты вращения генератора 2 поддерживает этот перепад давления постоянным, то установившаяся частота вращения для восстановления прежней величины перепада давления должна возрасти. Для устранения этого явления пружины, действующие на золотник 4, изготавливаются из различных материалов. Модуль сдвига G пружинной стали уменьшается с ростом температуры, но для разных сталей по-разному. Пружина 14, противодействующая перепаду давления, создаваемому насосом 3, изготовлена из стали 12Х18Н10Т, а пружина 16, действующая в ту же сторону, что и перепад давления, изготовлена из стали 51ХФА, имеющей меньшее падение модуля сдвига G. Например, при изменении температуры от 20 до 100°С модуль сдвига G уменьшается у стали 12Х18Н10Т на 4%, а у стали 51ХФА на 2%. Зная зависимость плотности топлива от температуры и номинальную силу, действующую на золотник 4 от перепада давления, создаваемого насосом 3 при номинальной частоте вращения, можно рассчитать соотношение сил пружин 14 и 16, необходимое для компенсации влияния температуры топлива на установившуюся частоту вращения генератора.