Вопрос № 2. Охлаждение авиационных генераторов.

 

Мощность, которую можно получить от электрической машины при длительной работе, в основном определяется степенью ее охлаждения. С ростом мощностей генераторов, а так же с увеличением высоты и скорости полета летательных аппаратов охлаждение генераторов приобрела весьма важное значение. Решение этой задачи является проблемной.

Основной задачей охлаждения самолетных генераторов является обеспечение таких нагревов отдельных частей машины, которые допустимы для примененных в машине конструктивных, магнитных и изоляционных материалов.

Эффективность охлаждения в значительной мере определяет допустимые удельные электрические нагрузки, а следовательно, влияет на массу генераторов.

Охлаждение самолетных генераторов может осуществляться самыми различными способами. На выбор типа охлаждения оказывают влияние самые различные требования.

Например, взрыво-, пожаробезопасность, требования по исключению замерзания охлаждающих сред и т. д. Кроме того, во всех случаях при применения тех или иных систем охлаждения должны выполняться следующие требования: в системах охлаждения должны применяться такие теплоносители, которые уже имеются на самолете; подведение теплоносителей к генератору не должно вызывать появление их систем, обслуживающих только данную машину. В настоящее время можно выделить следующие системы охлаждения:

- самовентиляция;

- продув забортного воздуха;

- продув с самовентиляцией;

- испарительное и распылительное охлаждение.

Остановимся подробнее на каждой из них.

Самовентиляция

Машины с таким типом охлаждения имеют на валу вентилятор, который прогоняет по внутренним каналам воздух, являющийся теплоносителем. Этот способ весьма прост, но малоэффективен, особенно на больших высотах, где плотность воздуха мала.

Продув

Продув генераторов забортным воздухом осуществляется с использованием скоростного напора (рис. 5). Таким образом, охлаждаются в полете все генераторы самолетов и вертолетов с дозвуковыми скоростями полета.

Но на больших высотах вследствие уменьшения плотности воздуха, данная система становится малоэффективной. Снижается ее активность и с ростом скорости полета, т. к. при этом резко возрастает температура охлаждающего воздуха вследствие трения. Практически при скоростях порядка 2М воздух становится непригодным для охлаждения.

Рис. 5

1.- Обшивка ЛА. 2.- Воздухоотвод. 3. Генератор.

Продув с самовентиляцией

Этот тип охлаждения является совокупностью двух способов охлаждения: самовентиляции и продува и широко применяется в самолетных генераторах. Установка на валу генератора вентилятора позволяет частично нагружать генератор (20 — 30%) в наземных условиях, когда отсутствует продув. Именно такая система охлаждения чаще применяется для охлаждения генераторов на дозвуковых самолетах и вертолетах.

 

Следует отметить, что при больших скоростях полета температура воздуха, поступающего для охлаждения генератора, сильно возрастает по сравнению с температурой атмосферного воздуха и может достигнуть 120-150 градусов Цельсия. При этих условиях исключается возможность охлаждения продувом.

В связи с тем, что увеличение высоты и скорости полета накладывает предел применения охлаждения продувом встречного потока воздуха, разработан ряд новых более эффективных способов охлаждения авиационных генераторов:

- жидкостные (путем испарения жидкости на активных частях генератора);

- масляные и другие.

 

Испарительная система охлаждения

В такой системе охлаждения в качестве теплоносителя используется жидкость (вода, масло, спирто-водяная смесь). Схема такой системы охлаждения показана на рис. 6.

Охлаждающая жидкость через форсунку впрыскивается в распределительную втулку и растекается равномерно по окружности. Под действием центробежных сил охлаждающая жидкость через радиальные отверствия вала попадает на внутреннюю поверхность ротора, образуя жидкостную пленку. Эта пленка, перемещаясь по внутренней поверхности и осевым каналам ротора, попадает на лобовые части обмоток и охлаждает их.

Охлаждая машину, жидкость испаряется и пар выбрасывается в атмосферу. Недостатком данной системы является большой вес охлаждающей жидкости. Расчеты показывают, что для охлаждения генератора мощностью 30-40 кВА необходимый расход воды составляет 12— 13 кг/час.

Рис. 6

При использовании спирто-водяных смесей расход возрастает еще больше и весь необходимый запас жидкости должен быть на самолете. Чтобы уменьшить вес и габариты систем охлаждения на самолетах применяют комбинированные испарительные системы охлаждения, представляющие собой совокупность воздушной и испарительной систем охлаждения.

На малых высотах и скоростях охлаждение машин осуществляется продувом забортного воздуха. При достижении температуры воздуха, поступающего в машину, величины 110—120° С подача его практически прекращается и автоматически включается подача охлаждающей жидкости.

Распылительная система охлаждения

Эта система является наиболее перспективной. Охлаждающая жидкость, как правило, масло, через специальные сверления в валу (1) машины распыляется внутри машины (рис. 7).

При этом на охлаждающих элементах образуются масляные пленки, которые, непрерывно двигаясь, охлаждают машину.

С лобовых частей обмоток якоря (4) и индуктора (5) масло, в виде капель, сбрасывается частично на стенки корпуса, а частично увлекается насосом откачивающим масловоздушную смесь. Стекающее со стенок корпуса масло также захватывается насосом (2) и перекачивается в масляный бак (4) (рис. 8). Далее нагретое масло поступает в теплообменник (3), где отдает свое тепло топливу.

Данная система охлаждения может применяться только в бескон- тактных генераторах, и чаще всего в генераторах, входящих в интегральный привод-генератора. В этом случае для охлаждения используется масло гидромеханического привода постоянной частоты вращения.

Рис. 7

1.Вал; 2. Полюс индуктора; 3. Пакет стали якоря;

4. Лобовая часть обмотки якоря; 5. Лобовая часть обмотки возбуждения;

Рис. 8.

1. Привод-генератор. 2. Насос. 3. Теплообменник. 4. Масляный бак.

 

В процессе полёта, с ростом высоты плотность воздуха уменьшается, это ухудшает охлаждение машины (генератора) из-за уменьшения коэффициента конвекционной теплоотдачи и весового количества охлаждающего воздуха (уменьшение расхода воздуха), проходящего через машину в случае принудительной вентиляции. Таким образом, снижение температуры и уменьшение плотности воздуха с высотой действует в противоположных направлениях, и в конечном счете, влияние высоты на условия охлаждения электрической машины зависит от того, какой из этих факторов преобладает.

Путем улучшения охлаждения можно, при сохранении заданного габарита и веса, значительно повысить номинальную мощность генератора. Однако, решение этой задачи встречает ряд затруднений, связанных с необходимостью дополнительной затраты энергии на вентиляцию и соблюдения некоторых других условий, например, простоты конструкции, закрытого исполнения генератора.

Следует отметить, что дальнейшее уменьшения веса на единицу мощности в некоторых генераторах за счет улучшения их охлаждения практически ограничено величиной КПД и малой перегрузочной способностью.

На современных сверхзвуковых летательных аппаратах с большой высотой полета получают распространение генераторы с комбинированной испарительной системой охлаждения (КИС). К таким генераторам относятся генераторы СГК-11/1,5 КИС.

Охлаждение этого генератора для скоростей полета, соответствующих М = 1.5, осуществляется продувом встречного потока воздуха.

При М = 1,5 охлаждение осуществляется путем подачи спиртоводяной смеси (спирт -50%, вода -50%) к нагретым частям генератора. Отвод тепла от поверхностей осуществляется за счет испарения охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость вводится в генератор через пустотелый вал ротора, а затем через радиальные отверстия вала поступает к нагретым частям машин.

Подача спирто-водяной смеси в генератор и прекращение продувом встречным потоком воздуха осуществляется в условиях эксплуатации самолетной системой по сигналу М-реле.

Переход с одной системы охлаждения на другую обеспечивает наибольшую эффективность использования генератора при различных

условиях полета летательного аппарата.

Охлаждение генератора ГС-18МП

Охлаждение генератора осуществляется следующим образом. От специального воздухозаборника по трубопроводу продуваемый воздух поступает в генератор со стороны коллектора. Часть воздуха проходит над якорем, омывая коллектор, пакет якоря и катушки полюсов, выходит через окна со стороны привода. Остальной воздух проходит через вентиляционные каналы внутри пакета стали якоря и также выходит через окна щита со стороны привода. Кроме того, на якоре со стороны привода установлен вентилятор для работы без продува на земле.

Генератор ГСР-20БК

Охлаждение генератора:

в наземных условиях – самовентиляция;

в полете – продувом забортного воздуха.

Примечание.

1) В полете генератор обеспечивает ток 700А при охлаждении продувом забортного воздуха и частоте вращения 5 000–7 000 об/мин;

2) В наземных условиях при работе с самовентиляцией генератор нормально работает в течение 10 мин при нагрузке 350А и частоте вращения n ≥ об/мин.

Система охлаждения генератора ГСР-12 КИС

Как следует из маркировки, генератор ГСР-12 КИС оснащен комбинированной испарительной системой охлаждения. При скоростях полета, соответствующих М < 1,5; охлаждение осуществляется принудительной системой воздушного охлаждения. При скоростях полета М > 1,5 доступ воздуха в генератор прекращается, и в него начинает поступать охлаждающая жидкость (спиртово-водная смесь).

Основные конструктивные элементы комбинированной испарительной системы охлаждения, а также схема движения охлаждающего воздуха и жидкого хладагента в генераторе ГСР-12 КИС, приведены на рис. 5.12. Отличительной особенностью испарительного охлаждения генератора является теплосъем потерь путем испарения жидкостных пленок (толщиной несколько микрон) на основных теплоотдающих поверхностях: в подвале коллектора и якоря, на лобовых частях якоря и обмоток основных и дополнительных полюсов со стороны вентилятора.

Теплоотвод с внутренней поверхности коллектора, осуществляемый при испарительном охлаждении, обусловлен стремлением обеспечить большой срок службы щеток и высотность генератора. Дело в том, что при перемещении жидкостной пленки по наружной поверхности коллектора, как это выполнено в машинах с системами охлаждения типа ВИС и ИС, имеет место несколько больший износ щеток, чем в машинах с системами воздушного и парового охлаждения. Кроме того, в системе регулятора расхода жидкости развертывание жидкостной струи в пленку в зоне сравнительно малого тепловыделения на конусном распылителе приводит к образованию на нем льда. В машинах типа КИС в связи с этим с помощью специальной звездочки 20 хладагент подводится непосредственно в зону большого тепловыделения на пластины коллектора. Охлаждение же щеток осуществляется путем отвода тепла от них через пластины коллектора и с помощью насыщенного пара, нагнетаемого крыльчаткой 4 в пространство над коллектором. С целью перемещения жидкостных пленок в указанном тонкими стрелками направлении в конце коллекторных пластин со стороны уравнительных колец сделан небольшой выступ. Распределительная звездочка 20 имеет несколько выступов для равномерного распределения охлаждающей жидкости по внутренней поверхности коллектора и устранения возможности скапливания жидкости по внутренней поверхности коллектора, и устранения возможности скапливания жидкости в отдельных местах на поверхности втулки 3 вследствие ее неточной обработки. Для предотвращения утечки жидкости в аксиальном направлении на втулку 3 одеты с обеих сторон уплотнительные резиновые кольца. В распределительную втулку струя жидкости подводится под углом порядка 4° по отношению к оси машины с помощью трубки 2. Выходное отверстие трубки (ниппель) имеет параболическую форму для устранения возможности возникновения в нем процесса парообразования (кавитации).

Для предотвращения засорения ниппеля механическими примесями с размером частиц более 0,3 мм в подводящий штуцер 23 вмонтирована фильтрующая сетка. При транспортировке генератора на штуцер надевается заглушка. Отвод тепла от якоря в режиме испарительного охлаждения осуществляется, в основном, со стороны осевых каналов. Образование и перемещение по ним жидкостных пленок осуществляется с помощью центробежных сил. Неиспарившаяся жидкость из каналов якоря через сквозные отверстия в лобовых частях простой петлевой обмотки попадает на катушки главных 19 и дополнительных 16 полюсов. Потери в обмотке дополнительных полюсов на нижнем пределе частоты вращения превышают потери в обмотке возбуждения примерно в 1,5 раза, а на верхнем пределе частоты вращения в 5–7 раз. Поэтому возникла необходимость в установке дополнительных теплорассеивающих пластин 11 на обмотке дополнительных полюсов.

Рис. 9. Схема охлаждения генератора ГСР-12 КИС:

 

1 – патрубок; 2 – жиклер; 3 – втулка распределительная; 4 – крыльчатка; 5 – пластины коллектора; 6 – щетка; 7 – защитная лента; 8 – щеткодержатель; 9 – пакет якоря; 10 – корпус; 11 – теплорассеивающие пластины; 12 – щит; 13 – полый вал; 14 – гибкий валик; 15 – вентилятор; 16 – обмотка дополнительных полюсов; 17 – дополнительный полюс; 18 – главный полюс; 19 – обмотка возбуждения; 20 – распределительная звездочка; 21 – уравнительные соединения; 22 – установочное кольцо; 23 – штуцер с фильтром

 

Согласно техническим условиям генератор типа ГСР-12КИС должен обеспечивать при частоте вращения n = 5 500–8 000 об/мин 50 % перегрузку по току (630 А) в течение одной минуты, а при n = 8 000 об/мин 100 % перегрузку (840 А) в течение 10 с. В условиях полета допускается при n = 7 000–9 000 об/мин 25 % перегрузка (52 А) в течение 45 мин. Этот режим считается аварийным, поэтому после него генератор подлежит тщательному осмотру. Расход спиртово-водной смеси (50 % спирта и 50 % дистиллированной воды по объему) при номинальной нагрузке составляет 13±1 л/ч, что соответствует перепаду давления на ниппеле – 39×10³ Па.

Допускается, согласно техническим условиям, использование только воды, при этом расход снижается до 5–5,5 л/ч. Для устранения недостатков в эксплуатации, связанных с замерзанием воды при низких окружающих температурах, в новых машинах с комбинированными системами охлаждения обычно используются спиртово-водные смеси.

В целях исключения ложного срабатывания ионизационных датчиков пожара в этом случае машины снабжаются вентилирующими рубашками с трубопроводами, по которым пар отводится из летательного аппарата в окружающую среду.

Вывод: Мощность, которую можно получить от электрической машины при длительной работе, в основном определяется степенью ее охлаждения. С ростом мощностей генераторов, а так же с увеличением высоты и скорости полета летательных аппаратов охлаждение генераторов приобрела весьма важное значение. Решение этой задачи является проблемной.

 

Заключение

 

Для передачи постоянной частоты вращения от авиадвигателя на генератор используются различные типы приводов. За счёт агрегатов обеспечивающих подачу постоянной частоты вращения вала генератора обеспечивается их эффективная эксплуатация и оптимальная их работа.

За счёт создания систем и конструктивных вариантов эффективного охлаждения генераторов на различных режимах их эксплуатации обеспечивается повышение их коэффициента полезного действия и соответственно снижение стартового веса летательного аппарата.

 

Задание на самостоятельную подготовку

1. Какими техническими решениями обеспечивается выработка генератором тока с постоянной частотой.

2. Какими техническими решениями обеспечивается охлаждение генераторов.

Литература:

 

1. В.Д. Константинов, И.Г. Уфимцев, Н.В. Козлов «Авиационное оборудование самолётов» М., Воениздат МО, 1970г.

2. А.П. Барвинский, Ф.Г.Козлова "Электрооборудование самолётов." стр. 3-58

3. М.М. Красношапка "Электроснабжение ЛА", стр. 142-151.

4. В.В.Глухов, И.М. Синдеев, М.М. Шемаханов "Авиационное и радиоэлектронное оборудование летательных аппаратов", стр. 10-12.

5. И.М. Синдеев. «Электрооборудование летательных аппаратов», ВВИА им. Проф. Жуковского, 1972г.

 

Преподаватель цикла ВВС военной кафедры при ГУАП

майор ____________ Д. Коликов