СПОСОБ ЗАПУСКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ БЕСКОНТАКТНЫМ ЯВНОПОЛЮСНЫМ СИНХРОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ С ВРАЩАЮЩИМСЯ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ
STARTING GAS TURBINE ENGINE BY CONTACTLESS SALIENT-POLE SYNC GENERATOR WITH ROTATING RECTIFIER

Изобретение относится к области авиационной техники, а именно к процессу запуска газотурбинных двигателей.
Изобретение может найти применение в электромашиностроении, а также в тех областях техники, где необходим автономный источник электрической и механической энергии, сочетающий качества надежности с высокой удельной мощностью и хорошими регулировочными характеристиками.
Одним из видов двигателей автономных объектов, в том числе современных летательных аппаратов, являются газотурбинные двигатели.
Запуск газотурбинного двигателя представляет одну из основных операций при подготовке летательного аппарата к полету.
Наибольшее распространение получили турбостартерный и электрический способы запуска [1, стр.61].
Известен турбостартерный запуск газотурбинного двигателя, при котором в качестве стартера используется турбокомпрессорный стартер, представляющий собой малогабаритный газотурбинный двигатель [1, стр.62] с ограниченной продолжительностью работы в стартерном режиме.
Использование турбостартеров усложняет производство и эксплуатацию газотурбинного двигателя, увеличивает общее время запуска.
Известен электрический способ запуска газотурбинного двигателя.
Для запуска газотурбинного двигателя на летательных аппаратах, в основном, применяются электрические стартеры или стартеры-генераторы.
Электростартер, являющийся отдельной конструктивной единицей относительно большой массы и габаритов, выполняет функции запуска и в дальнейшем является неиспользуемым грузом, увеличивающим полетную массу самолета.
Наибольшее распространение для запуска современных газотурбинных двигателей получили системы запуска со стартер-генераторами.
Известен стартер-генератор постоянного тока, имеющий щеточно-коллекторный узел [2, стр.193-195]. Основным недостатком данной конструкции является низкая надежность, обусловленная наличием щеточно-коллекторного узла.
Известен бесконтактный синхронный генератор с вращающимся выпрямителем, состоящий из трех электрических машин: основного генератора, возбудителя, подвозбудителя, имеющих общий корпус и вал [2, стр.184-185]. Недостатком конструкции является необратимость, т.е. невозможность работы генератора в двигательном режиме.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является бесконтактный синхронный стартер-генератор с вращающимся выпрямителем, состоящий из трех электрических машин: основного генератора, возбудителя, подвозбудителя, причем для реализации двигательного (стартерного) режима в качестве возбудителя применена асинхронная машина с фазным ротором [3, 4 стр.122]. В двигательном режиме возбудитель работает в качестве вращающегося трансформатора [4 стр.122], в генераторном режиме - как неявнополюсный синхронный генератор [4 стр.125]. Данный способ обеспечения возбуждения существенно (от 2 до 2,5 раз) повышает массу возбудителя по сравнению с возбудителем бесконтактного синхронного генератора с вращающимся выпрямителем, что, в конечном счете, способствует увеличению массы стартер-генератора в целом на 10-15% [4 стр.125-126].
Принимая во внимание условия запуска газотурбинного двигателя, следует отметить, что основной момент сопротивления, который необходимо преодолеть стартер-генератору в процессе запуска газотурбинного двигателя, создает компрессор. Этот момент пропорционален квадрату частоты вращения n компрессора и характеризуется зависимостью:
сопр
k
2
M=A·n,
k
где A - постоянная, характеризующая параметры компрессора.
Таким образом, в начальный момент пуска стартер-генератор должен развить момент, необходимый для преодоления только инерции вращающихся частей [5, стр.199].
В связи со сказанным, техническое решение, предлагаемое в [3], не является оптимальным для реализации запуска газотурбинного двигателя из-за неоправданного увеличения массы возбудителя.
Задача изобретения состоит в осуществлении запуска газотурбинного двигателя с помощью бесконтактного явнополюсного синхронного генератора с вращающимся выпрямителем.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в использовании бесконтактного явнополюсного синхронного генератора с вращающимся выпрямителем, установленного на борту летательного аппарата, в качестве устройства для запуска газотурбинного двигателя, что, в конечном итоге, приводит к снижению балластной полетной массы и упрощению конструкции авиадвигателя за счет отказа от классического стартера.
Поставленная задача решается следующим образом. Запуск газотурбинного двигателя осуществляет бесконтактный явнополюсный синхронный генератор с вращающимся выпрямителем, содержащий основной генератор, возбудитель и подвозбудитель. В начальный момент запуска газотурбинного двигателя обмотка якоря основного генератора и обмотка возбуждения возбудителя через блок управления подключаются к источнику питания, при этом блок управления обеспечивает опережение вектора магнитного потока основного генератора относительно оси полюса ротора, и начальная раскрутка газотурбинного двигателя осуществляется реактивным моментом, а с увеличением частоты вращения индуцированная электродвижущая сила в обмотке якоря возбудителя, выпрямленная блоком вращающегося выпрямителя, питает обмотку возбуждения основного генератора, создавая активный вращающий момент, и, при достижении заданной частоты вращения, блок управления отключается от обмотки основного генератора, а бесконтактный явнополюсный синхронный генератор с вращающимся выпрямителем переходит в генераторный режим.
Схема размещения основного генератора, возбудителя и подвозбудителя бесконтактного явнополюсного синхронного генератора с вращающимся выпрямителем и схема соединения обмоток в двигательном режиме представлены на фиг.1 и фиг.2, на фиг.3 - пример управляющей части блока управления.
В корпусе 1 бесконтактного явнополюсного синхронного генератора с вращающимся выпрямителем установлены якорь основного генератора 2 с якорной обмоткой 3, индуктор явнополюсного синхронного возбудителя обращенной конструкции 4 с обмоткой возбуждения 5, якорь синхронного подвозбудителя 6 с якорной обмоткой 7, роторный модуль. Роторный модуль (ротор) содержит общий для трех электрических машин вал 8, закрепленный в подшипниковых опорах. На валу роторного модуля закреплены явновыраженные полюса основного генератора 9 с обмоткой возбуждения 10, блок вращающегося выпрямителя 11, якорь синхронного возбудителя 13 с обмоткой 14 и система постоянных магнитов 15 синхронного подвозбудителя. Обмотка якоря синхронного возбудителя 14 соединяется через блок вращающегося выпрямителя 11 с обмоткой возбуждения 10 основного генератора.
Для использования бесконтактного явнополюсного синхронного генератора с вращающимся выпрямителем в двигательном режиме бесконтактный синхронный генератор с вращающимся выпрямителем, например, дополняют датчиком положения ротора 16, механически связанным с роторным модулем, и блоком управления 17, вход которого связан с источником питания, а выходы подключены к фазам якорной обмотки основного генератора 3 и обмотке возбуждения возбудителя 5.
Блок управления 17 состоит из силовой и управляющей части. Силовая часть блока управления 17 представляет собой классический трехфазный инвертор, который коммутирует фазы якорной обмотки бесконтактного явнополюсного синхронного генератора. Питание силовой части осуществляется либо от источника постоянного тока, либо через выпрямитель от источника переменного тока.
Управляющая часть блока управления 17 построена на основе векторного управления, вариант структурной схемы управляющей части представлен на фиг.3.
В двигательном режиме для получения информации о положении ротора вместо датчика положения ротора возможно использование одного из алгоритмов бездатчикового управления.
Бесконтактный синхронный генератор с вращающимся выпрямителем работает в двигательном режиме следующим образом. В начальный момент пуска блок управления 17 подключает обмотку якоря 3 основного генератора и обмотку возбуждения возбудителя 5 к источнику питания.
Блок управления, по сигналам датчика положения ротора 16, формирует вектор тока обмотки якоря 3 основного генератора и, следовательно, вектор магнитного потока основного генератора таким образом, чтобы ось магнитного потока опережала ось полюса ротора на угол θ.
При взаимодействии магнитного поля основного генератора и явно выраженных полюсов ротора основного генератора возникает реактивный вращающийся момент [6, стр.212-214], равный
<mrow><msub><mi>M</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mi>U</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>X</mi><mi>q</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>X</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>θ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                      </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
где m - число фаз обмотки якоря основного генератора,
1
U - фазное напряжение, подведенное к обмотке якоря основного генератора,
1
ω - угловая синхронная скорость,
d
X - индуктивное сопротивление обмотки якоря основного генератора по продольной оси,
q
X - индуктивное сопротивление обмотки якоря основного генератора по поперечной оси.
Под действием реактивного момента ротор бесконтактного синхронного генератора с вращающимся выпрямителем приводится во вращение.
Как следует из формулы (1), максимальный реактивный момент имеет место при угле θ=45°. В связи с этим в момент пуска для создания максимального реактивного момента блок управления 17 регулирует вектор тока обмотки якоря основного генератора 3 таким образом, чтобы угол 9 был равен 45°.
Под действием реактивного вращающегося момента по мере увеличения частоты вращения в обмотке якоря возбудителя 14 индуцируется электродвижущая сила, которая выпрямляется блоком вращающегося выпрямителя 11 и обеспечивает протекание тока по обмотке возбуждения основного генератора 10, создавая дополнительный активный вращающийся момент, равный [6, стр.213]
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>X</mi><mi>d</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mi>θ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                           </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
где E - электродвижущая сила обмотки якоря генератора, наведенная током обмотки возбуждения основного генератора.
p
осн
Под действием суммарного момента (M+M) частота вращения ротора увеличивается.
Для создания максимального вращающегося момента в процессе раскрутки блок управления 17 по сигналам датчика положения ротора 16 регулирует положение вектора тока обмотки якоря основного генератора 3 относительно оси полюсов ротора, например, по следующему закону:
<mrow><mi>θ</mi><mo>≡</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mi>f</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>L</mi><mi>d</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>L</mi><mi>q</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≡</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mi>f</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mi>q</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>8</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>L</mi><mi>d</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>L</mi><mi>q</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mi>f</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mi>q</mi></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>L</mi><mi>d</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>L</mi><mi>q</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>      </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
f
где I - ток обмотки возбуждения основного генератора, определяемый частотой вращения ротора и напряжением обмотки возбуждения возбудителя,
d
L - индуктивность по продольной оси,
q
L - индуктивность по поперечной оси.
Ток обмотки возбуждения основного генератора 10 можно выразить зависимостью:
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>f</mi></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>B</mi><mi>B</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><mtext>                                                     </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
BB
где I - ток возбуждения возбудителя,
k - конструктивный коэффициент.
При достижении частоты вращения роторного модуля, определяемой параметрами газотурбинного двигателя, бесконтактный явнополюсный синхронный генератор с вращающимся выпрямителем переходит в генераторный режим, блок управления 17 отключается от обмотки якоря 3 генератора.
Предлагаемое техническое решение реализует функции двигательного режима в генераторе без изменения конструкции, увеличения массы, сохранение достоинств бесконтактного явнополюсного синхронного генератора с вращающимся выпрямителем [7, стр.14], который в настоящее время является основным типом источника электрической энергии на борту большинства эксплуатируемых самолетов. На предприятии ОАО "Электропривод", г.Киров, была проведена опытная проверка предложенного решения (Акт №07541905-98/2-2010). Результаты подтвердили правильность предложенного технического решения и целесообразность его использования в реализации программы "Полностью электрифицированного самолета".
Ссылка на источник известности
[1] Авиационное оборудование. / Ю.А. Андриевский, Ю.Е. Воскресенский, Ю.П. Доброленский и др.; Под ред. Ю.П. Доброленского. - М: Воениздат, 1989. - 248 с.: ил. - (Боевая авиационная техника)
[2] Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / Под редакцией С.А. Грузкова. Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - 568 с.
[3] United States Patent № US 2009/0174188 A1
[4] Лёвин А.В. Электрический самолет: от идеи до реализации. / А.В. Левин, И.И. Алексеев, С.А. Харитонов, Л.К. Ковалев // М.: Машиностроение, 2010. - 288 с.
[5] К.С.Бобов, В.А. Винокуров, B.C. Аскерко, М.В. Кравчук, Г.И. Панасюк Авиационные электрические машины. Часть 1. Машины постоянного и переменного тока. Трансформаторы. / Под ред. К.С. Бобова. - ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского; 1960. - 642 с.
[6] Кацман М.М., Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических систем: учебник для техникумов. / Под редакцией Ф.М. Юферова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа; 1979. - 261 с.
[7] Вентильные генераторы автономных систем электроснабжения. / Н.М. Рожнов, A.M. Русаков, A.M. Сугробов, П.А. Тыричев; Под ред. П.А. Тыричева - М.: Издательство МЭИ, 1996. - 280 с.