CC BY
59
УДК 621.314.5 ББК 31.264.5 С 66
Кашин Яков Михайлович
Кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой электротехники и электрических машин Кубанского государственного технологического университета, профессор кафедры авиационного радиоэлектронного оборудования Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков, Краснодар, e-mail: [email protected]
Князев Алексей Сергеевич
Кандидат технических наук, начальник группы обслуживания авиационной эскадрильи, Липецк, e-mail:
Копелевич Лев Ефимович
Доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и электрических машин Кубанского государственного технологического университета, Краснодар, e-mail: [email protected] Самородов Александр Валерьевич
Кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и электрических машин Кубанского государственного технологического университета, Краснодар, e-mail: [email protected] Артенян Корюн Завенович
Студент Кубанского государственного технологического университета, Краснодар, e-mail: [email protected]
Состояние и перспективы развития авиационных ветроэнергетических комплексов для аварийных систем электроснабжения воздушных судов*
(Рецензирована)
Аннотация. Проведен сравнительный анализ существующих генераторов для авиационных ветроэнергетических комплексов. Представлена разработка перспективного ветрогенератора с улучшенными массога-баритными и энергетическими показателями для отечественного производства взамен используемых импортных аналогов.
Ключевые слова: система электроснабжения, генератор, статор, ротор, магнитопровод, ветроэнергетический комплекс, габаритные размеры.
Kashin Yakov Mikhaylovich
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Electrical Engineering and Electrical Machines, Kuban State University of Technology, Professor of the Department of Aviation and Radio-electronic Equipment, Krasnodar Air Force Institute for Pilots named after A.K. Serov, Krasnodar, e-mail: [email protected]
Knyazev Aleksey Sergeevich
Candidate of Technical Sciences, Head of Group of Aviation Squadron Service, Lipetsk, e-mail: knya-
Kopelevich Lev Efimovich
Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Engineering and Electrical Machines, Kuban State University of Technology, Krasnodar, e-mail: [email protected]
Samorodov Aleksandr Valeryevich
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Engineering and Electrical Machines, Kuban State University of Technology, Krasnodar, e-mail: [email protected] Artenyan Koryun Zavenovich
Student of Kuban State University of Technology, Krasnodar, e-mail: [email protected]
The state and prospects of development of aviation wind power complexes for emergency systems for aircraft power supply
Abstract. The article presents an analysis of the existing generators for aviation wind power complexes and presents the development of a promising wind generator with improved size, weight and power indicators for domestic production instead of used import analogues.
Keywords: power supply system, generator, stator, rotor, magnetic core, wind-energy complex, overall dimensions.
* Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Администрации Краснодарского края в рамках научного проекта № 19-48-230009 ра.
Неотъемлемой частью системы электроснабжения воздушного судна (ВС) является источник электроэнергии. На ВС устанавливаются основные, резервные и аварийные источники электроэнергии. Основными источниками являются генераторы переменного и постоянного тока, которые обеспечивают работу потребителей электроэнергии в течение всего времени штатной работы силовой установки, от которой отбирается механическая энергия для вращения вала генератора. К резервным источникам относят генератор вспомогательной силовой установки. Во время полета вспомогательная силовая установка и ее генератор не используются, но при необходимости они могут быть переведены в рабочий режим.
К аварийным источникам электроэнергии относят аккумуляторные батареи и независимые источники: генераторы с приводом от турбины, выпускаемой в поток встречного воздуха [1], или с гидроприводом, а также дополнительные генераторы, устанавливаемые на двигателе (ГОСТ Р 54073-2010).
Главной задачей, стоящей перед аварийным источником электроэнергии на ВС, является обеспечение электроэнергией тех систем и агрегатов, которые необходимы для возврата на ближайший аэродром и совершения безаварийной посадки. Такие системы и агрегаты относят к потребителям первой категории.
На ВС источники электроэнергии соединяют с так называемыми «шинами», к которым подключаются потребители. Потребители первой категории при отказе основных и резервных источников электроэнергии подключаются к аварийной шине, которая соединена с аварийным источником электроэнергии. Аварийные шины могут подключаться к источнику постоянного или переменного тока. Количество аварийных шин на разных ВС может быть различным. При работающих основных источниках электроэнергии основные и аварийные шины соединены между собой.
В зависимости от суммарной мощности потребителей первой категории и вида электроэнергии, необходимого для их работы, для каждого ВС рассчитывается необходимая мощность аварийных источников электроэнергии, определяется их тип и количество.
В случае отказа основных источников электроэнергии безопасность полета ВС напрямую зависит от времени работы аварийных источников. Аккумуляторные батареи и питаемый от них преобразователь (инвертор) являются источниками энергии с ограниченным временем работы, зависящим от емкости аккумуляторных батарей, их технического состояния, мощности преобразователя, а также от величины и характера нагрузки.
Для решения проблемы ограниченного времени работы аварийных источников электроэнергии целесообразно использовать авиационный ветроэнергетический комплекс (АВЭК), работающий в составе аварийной системы электроснабжения ВС.
АВЭК просты по конструкции, неприхотливы в обслуживании (в случае применения бесконтактного генератора) и, в отличие от вспомогательной силовой установки, используются только в качестве аварийных источников энергии. Главным преимуществом АВЭК является неограниченное время его работы - вплоть до совершения посадки. Поэтому максимальное время их работы определяется только максимальным временем полета ВС (в том числе при планировании с неработающими двигателями [2]). Надежность АВЭК определяется в основном надежностью генератора. С учетом применения бесконтактного генератора, а также крайне редкого его использования, можно считать, что АВЭК имеет высокую надежность и вероятность его отказа в случае использования в качестве аварийного источника электроэнергии в полете очень мала. Масса АВЭК обычно меньше массы вспомогательной силовой установки, а габариты определяются исходя из мощности электрогенератора. Кроме того, АВЭК при работе не потребляет авиационное топливо, поэтому его работа не влияет на максимальную продолжительность полета ВС.
АВЭК в качестве аварийных источников электроэнергии в настоящее время установлены на небольшом количестве типов отечественных ВС военного и гражданского назначения. АВЭК также применяются в самолетах, предназначенных для опыления полей, так как для его работы не требуется ставить вал отбора мощности. АВЭК нет на турбовинтовых самолетах и вертолетах [3].
При проектировании ВС от установки АВЭК зачастую напрасно отказываются, считая, что при крайне редком использовании он будет занимать полезное пространство и увеличит массу ВС. В силу такого подхода следует проектировать АВЭК с минимально возможными массой и габаритами.
Таким образом, АВЭК является наиболее надежным, простым и неприхотливым в обслуживании аварийным источником электроэнергии, продолжительность работы которого ограничивается только продолжительностью полета ВС. Использование АВЭК значительно увеличивает вероятность безопасного завершения полета ВС в случае отказа основных источников электроэнергии, что, в совокупности с вышеперечисленными фактами, делает дальнейшее развитие АВЭК и электрогенераторов для них перспективным и востребованным.
На ВС генератор АВЭК может быть использован как основной источник электроэнергии (самолеты Илья Муромец, Ме-163) или как аварийный.
На современных пассажирских ВС АВЭК используются только в качестве аварийного источника электроэнергии. Рассмотрим место АВЭК в составе системы электроснабжения (СЭС) самолета 8икЬо1 БирецеМОО. СЭС предназначена для питания потребителей электроэнергией переменным трехфазным током напряжением 115/200 В с частотой 400 Гц и постоянным током с напряжением 28 В. СЭС переменного тока (рис. 1) является основной и состоит из двух независимых подсистем по правому и левому борту. Каждый двигатель приводит в действие свой привод-генератор. Вспомогательная силовая установка (ВСУ) приводит в действие третий генератор переменного тока, образуя вспомогательный источник электропитания. В систему электроснабжения переменным током также входит аварийная система электропитания, источником которой является генератор АВЭК и статический преобразователь - инвертор (ИНВ), предназначенный для преобразования постоянного тока напряжением 27 В в переменный ток напряжением 115 В и частотой 400 Гц.
Рис. 1. Схема системы электроснабжения самолета БикЬо1 Бирег)е1>100 (АВЭК оснащен генератором переменного тока)
СЭС постоянного тока (рис. 1) является вторичной, основными источниками в ней являются выпрямительные устройства (ВУ), преобразующие переменный ток в постоянный, аварийным источником являются аккумуляторные батареи. Во время нахождения самолета на земле экипаж включает аккумуляторные батареи и/или наземный источник питания. После запуска двигателя или ВСУ генераторы подключаются автоматически. В полете электрическая система работает в автоматическом режиме.
Корпус самолета используется как нормальный минус или нейтраль для цепей нагрузки.
Характеристики основной системы электроснабжения переменного тока: 115/200 В, 400 Гц, трехфазная, тип соединения - «звезда». Нейтральная шина выведена на корпус самолета.
Основная система электроснабжения включает в себя:
- привод-генераторы (2 шт.) мощностью по 40 кВА, установленные на маршевых силовых установках;
- блоки управления генераторами;
- блоки трансформаторов тока, установленные на распределительных устройствах. Вспомогательная система электроснабжения переменным током включает в себя:
- генератор ВСУ мощностью 30 кВА, установленный на двигателе ВСУ;
- блок управления генератором ВСУ и наземным питанием;
- блок трансформаторов тока канала генератора ВСУ.
Аварийная система переменного тока, источником электроэнергии в которой является генератор АВЭК (мощность 15 кВА), обеспечивает трехфазным напряжением 115/200 В, 400 Гц потребителей первой категории. До выхода генератора АВЭК на рабочий режим (в течение не более 10 секунд после выпуска) аварийным источником переменного тока является однофазный статический преобразователь - инвертор (ИНВ), преобразующий постоянный ток от аккумуляторных батарей в переменный. На рисунке 1 жирной линией обозначена часть системы электроснабжения, которая работает от генератора АВЭК при отказе двух основных генераторов и при отключенном генераторе ВСУ.
Система электроснабжения представляет собой многоуровневую систему с резервированием, включает в себя два распределительных устройства (левое и правое), работающих раздельно. В режиме нормальной эксплуатации генераторы работают раздельно - каждый для соответствующего канала переменного тока. При отказе одного генератора происходит автоматическая перекоммутация, и к шине отказавшего привод-генератора подключается работающий генератор. Для обеспечения электроэнергией потребителей первой и второй категории достаточно одного канала.
Генератор переменного тока ВСУ может подсоединяться к одному из каналов генерирования электроэнергии или одновременно к правому и левому каналам. После включения одного из основных генераторов на маршевой силовой установке соответствующий канал электропитания подсоединяется к включенному генератору, а другой канал продолжает работать от генератора ВСУ или внешнего источника (до запуска основного генератора данного канала).
Количественное ограничение электрических потребителей питания от шин переменного тока имеет место при полете с одним работающим генератором, при полете на АВЭК и при полете на аккумуляторных батареях. Стоит отметить, что одним из важнейших потребителей электроэнергии являются насосные станции переменного тока ~НС1, ~НС2А, ~НС3 и насосная станция постоянного тока =НС2В (рис. 1), создающие давление в гидросистеме самолета для обеспечения отклонения органов управления и поддержания управляемости самолета. В аварийном режиме работы СЭС подача электроэнергии осуществляется только к насосным станциям ~НС2А и =НС2В, обеспечивающим гидропитание интерцепторов, элеронов, руля высоты, руля направления, аварийный выпуск шасси и управление поворотом колес передней опоры шасси [4].
Электроснабжение постоянного тока осуществляется от трех выпрямительных устройств - левого, правого и резервного, вырабатывающих постоянный ток до 300 А напряжением 28 В.
На самолете установлены четыре никель-кадмиевые аккумуляторные батареи емкостью 27 Ач и номинальным напряжением 24 В. Все аккумуляторы используются для электроснабжения систем самолета в аварийном режиме работы при возникновении отказов или отключении источников питания основной системы постоянного тока и обеспечивают электроэнергией до 30 минут наиболее необходимые для завершения полета потребители.
Напряжение 28 В постоянного тока подается ко всем бортовым потребителям постоянного тока от двух основных (левого и правого ВУ). Резервное ВУ находится в «горячем» резерве. При отказе одного из основных выпрямителей (левого или правого) резервное ВУ
включается в работу вместо вышедшего из строя выпрямителя автоматически. При отказе любых двух выпрямителей ВУ линии питания постоянного тока перекоммутируются автоматически, при этом все потребители третьей категории отсоединяются. В этом случае все линии питания подключаются к работоспособному ВУ. Аккумуляторы подключаются к выпрямительным устройствам параллельно [4].
Как видно из рисунке 1, генератор АВЭК напрямую подключается к аварийным шинам переменного тока, поэтому требования к нему предъявляются такие же, как и к другим авиационным генераторам переменного тока, согласно ГОСТ Р 54073-2010: высокая надежность в заданных условиях эксплуатации; малая масса и габариты; простота обслуживания; автономность работы; заданный срок службы; защита от радиопомех; низкая стоимость.
Кроме того, важнейшими дополнительными требованиями, предъявляемыми к авиационным генераторам, являются: синусоидальность кривой фазного и линейного напряжений, симметрия напряжений для трехфазных генераторов при несимметрии нагрузки, малый небаланс напряжений, высокая перегрузочная способность, малое время переходных процессов.
Для генераторов АВЭК характерным является разнообразие применяемых магнитных систем и конструкций, что объясняется разнообразием областей применения и технических требований. Каждая из магнитных систем и конструкций рассматриваемых машин требует индивидуального подхода к проектированию и соответствующих методик расчета [5, с. 20].
Известные отечественные образцы АВЭК имеют схожую конструкцию [1]: корпус в виде тонкостенного полого цилиндра, внутри которого соосно расположен электрогенератор с закрепленным на его валу ветроколесом. Эти АВЭК оснащены щеточными генераторами постоянного тока, которые, как известно, обладают рядом недостатков, свойственных контактным электрическим машинам: искрение щеток, переходящее в круговой огонь из-за неравномерного их износа, вибрация щеток, их заклинивание и др. Более 40 % отказов вращающихся контактных машин приходится на щеточно-коллекторный узел [6]. Анализ этих конструкций показал, что они обладают низкими массогабаритными показателями, сравнительно небольшой мощностью и низкой надежностью. Учитывая, что со времени их выпуска (60-70-е гг. XX в.) появились новые материалы, на основе которых возможно создать АВЭК с более высокими массогабаритными показателями, использование старых конструкций на современных ВС в неизменном виде нецелесообразно.
Из существующих АВЭК наибольший интерес представляют собой самые современные образцы, так как они воплощают в себе передовые разработки и построены с использованием современных материалов, однако они представлены только зарубежными образцами, так как в России подобные устройства на сегодняшний день не выпускаются.
Проведенный анализ показал, что из современных образцов АВЭК наиболее распространенной является модель АОО 1711405А и аналогичные ей, устанавливаемые на самолетах 8ирегМ-100, СЮ-100, СЮ-200, СЮ-900 и др. Поэтому именно этот АВЭК был выбран в качестве основы для разработки нового агрегата. Он содержит двухлопастное ветроколесо пропеллерного типа и бесконтактный синхронный трехфазный генератор переменного тока радиального (цилиндрического) исполнения мощностью 15 кВА, номинальным напряжением 115/200 В, частотой 400 Гц. Он выполнен с использованием современных материалов, обладает высокой надежностью, более высокими массогабаритными показателями по сравнению с показателями щеточных генераторов.
Модель АОО 1711405А оснащена генераторной установкой, содержащей подвозбуди-тель с возбуждением от постоянных магнитов (ПМ), возбудитель и основной генератор. Такая схема типична для генераторов, используемых в качестве основных источников электроэнергии в СЭС ВС. Однако для аварийного источника электроэнергии, используемого крайне редко, это нецелесообразно, так как массогабаритные показатели такой генераторной установки являются недостаточно высокими. Поэтому авторами разработан генератор для АВЭК с одной ступенью преобразования энергии с возбуждением от ПМ. Использование одной электрической машины (ступени преобразования энергии) вместо трех позволит снизить массу генератора для АВЭК.
Однако такая форма АВЭК все же обладает недостатками, связанными с радиальным исполнением электрогенератора. При радиальном исполнении электрогенератора с внутренним ротором массогабаритные показатели получаются не самыми высокими, кроме того, для ламинарного обтекания набегающим воздушным потоком торцевая сторона электрогенератора должна иметь обтекаемую форму, что достигается использованием защитного колпака, занимающего дополнительное пространство.
При проектировании электрогенератора для АВЭК важное значение имеют не только мощность и массогабаритные характеристики, но и геометрическая форма, которая должна обеспечивать хорошую аэродинамику. В связи с этим при заданных массе и габаритах, а также с учетом целесообразности создания АВЭК обтекаемой формы преимущества генератора радиального исполнения не очевидны и зависят от выбранного критерия (масса, габариты, стоимость, сложность изготовления). При заданной мощности генератора, работающего в составе системы электроснабжения ВС, масса и габариты являются наиболее приоритетными показателями по сравнению со стоимостью и сложностью изготовления.
Исходя из разнообразия критериев оптимальности при оценке показателей электрогенераторов АВЭК, следует, что электрогенератор для АВЭК должен обладать параметрами, которые обеспечивали бы наилучшие массогабаритные и энергетические показатели.
Таким образом, существующие образцы АВЭК имеют ряд недостатков, наличие которых требует разработки новых технических решений, которые позволят устранить существующие недостатки и расширить область применения АВЭК на ВС.
Для разработки конструктивного исполнения перспективного АВЭК рассмотрим современный АВЭК, представленный на рисунке 2 [4]. Он оснащен двухлопастным ветроколе-сом пропеллерного типа. Механическая система поворота лопастей поддерживает обороты ветроколеса в диапазоне от 4800 до 6500 об/мин. Такая схема позволяет компактно размещать весь агрегат на борту в убранном положении. После выпуска такого АВЭК в набегающий воздушный поток он уже не может быть убран под фюзеляж в полете. Стоит отметить, что, согласно инструкции по летной эксплуатации самолета 8икЬо1 8ирег]е1;-100, после выпуска АВЭК в набегающий воздушный поток экипаж должен строго выдерживать скорость полета ВС в диапазоне от 214 до 230 км/ч, иначе параметры электроэнергии, вырабатываемой генератором АВЭК, могут выйти за допустимые пределы.
Рис. 2. Двухлопастный АВЭК пропеллерного типа
Конструктивное исполнение генератора во многом определяет форму и массогабарит-ные показатели всего АВЭК. Поэтому рассмотрим в осях х, у, 2 (рис. 3) габаритные размеры АВЭК с генераторами различного конструктивного исполнения: радиальным, коническим и аксиальным (рис. 4).
При радиальной конструкции электрических машин (ЭМ) регулятор располагается рядом с генератором, поэтому габаритный размер Ьх складывается из габаритных размеров генератора и регулятора угла поворота лопастей
Lх=Lхген+Lхрег . (1)
По этой причине АВЭК с радиальным электрогенератором будет иметь наибольший габаритный размер Ьх.
Рис. 3. АВЭК пропеллерного типа в трехмерной системе координат
ЛВЭУс коническим АВЭУс аксиальным генератором генератором
Рис. 4. Габаритные размеры Ьу и Ьх АВЭК с генераторами различного конструктивного исполнения: радиальным, коническим и аксиальным
Габаритный размер Ьу будет складываться из габаритного размера генератора и длины лопастей с обеих сторон
Ьу=Ьуген+2-1Лоп . (2)
Диаметр генератора Ьуген при радиальной конструкции будет наименьшим из всех возможных форм генератора определенной мощности.
Размер Ьг всего АВЭК при радиальном исполнении генератора будет равен диаметру генератора, то есть:
=Ьу ген • (3)
Из вышеизложенного следует, что радиальная форма по сравнению с другими формами имеет наибольший размер Ьх за счет расположения регулятора угла поворота лопастей и самого генератора рядом, на одной оси.
При аксиальной конструкции габаритный размер всего АВЭК Ьу также будет складываться из диаметра генератора и размеров лопастей:
Ьу=Ьуген+2-1Лоп . (4)
Габаритный размер Ьх будет зависеть от расположения регулятора угла поворота лопастей и размеров корпуса, в котором будет размещаться регулятор.
Габаритный размер Ьг всего АВЭК при аксиальном исполнении генератора будет равен диаметру генератора, то есть
Ьг=Ьуген . (5)
Из вышеизложенного следует, что аксиальная конструкция генератора при заданной мощности имеет наибольший размер Ьуген, поэтому размер Ьу всего АВЭК с аксиальным генератором будет иметь наибольший размер.
При коническом исполнении ЭМ лопасти можно разместить прямо на внешней поверхности внешнего ротора, поэтому габаритный размер Ьу будет определяться в основном лишь размером лопастей:
Ьу=2-1лоп . (6)
Еще одним преимуществом конической формы является наличие свободного пространства внутри статора, которое позволяет разместить регулятор поворота лопастей без увеличения габаритных размеров всего устройства. Поэтому габаритный размер Ьх будет опреде-
ляться только размером генератора:
Ьх=Ьхген . (7)
Габаритный размер Ьг будет определяться диаметром генератора:
Ь1=Ь1ген=Ьуген . (8)
Если сравнивать габаритные размеры различных форм исполнения - радиальной, аксиальной и конической - то получаем следующие результаты:
ЬХакс~Ьхкон<ЬХрад , (9)
Ьурад~Ьу кон <Ьу акс (10)
(11)
Как видно, при одинаковой мощности коническая форма имеет средние показатели по всем габаритным размерам. Поэтому по совокупности габаритных размеров эта конструкция является наиболее оптимальной.
Таким образом, габаритные размеры представленных на рисунке 4 АВЭК соотносятся следующим образом:
- габаритный размер ЬХ:
Ьхрад>Ьх кон>Ьх акс, (12)
- габаритный размер Ьу:
Ьурад=Ьу
кон <Ьу акс (13)
Для АВЭК с коническим генератором возможно совмещение конического обтекателя со ступицей, на которой закреплены лопасти. Для АВЭК с радиальным и аксиальным генератором обтекатель должен располагаться рядом с генератором, при этом габаритный размер Ьх будет увеличен.
Таким образом, АВЭК с генераторами различной формы может иметь различные мас-согабаритные показатели, поэтому для их сравнения целесообразно исследовать все представленные на рисунке 4 конструкции.
В качестве альтернативы импортному генератору, установленному в аварийной системе электроснабжения самолета 8икЬо1 8ирег]е1:-100, авторами разработан ветрогенератор переменного тока [7].
Ветрогенератор переменного тока содержит (рис. 5) вал 13, внутренний статор и наружный ротор с постоянными магнитами 4 и обтекателем 11, лопасти 2.
Рис. 5. Ветрогенератор переменного тока (разработан авторами)
Основание внутреннего статора выполнено в форме неподвижной платформы 24, жестко закрепленной на штанге-держателе 25, а боковая поверхность внутреннего статора обра-
зована наружной стороной выполненного в форме усеченного конуса магнитопровода 17 якоря с пазами, в которые уложена многофазная обмотка 16 якоря. Магнитопровод 17 якоря одной торцевой стороной жестко закреплен на неподвижной платформе 24, на которой установлен регулятор напряжения 18, а на противоположной торцевой стороне магнитопровода 17 якоря установлен передний подшипник 15, во внутреннем кольце которого установлен диск 14, жестко связанный с валом 13.
Наружный ротор выполнен в форме усеченного конуса, содержит ступицу 1, на внутренней поверхности которой жестко закреплен выполненный в форме усеченного конуса магнито-провод 3 индуктора с постоянными магнитами 4, выполненными в форме сегментов усеченного конуса, и жестко закреплен на валу 13, установленном в переднем 15 и заднем 22 подшипниках.
Задний подшипник 22 установлен в центре неподвижной платформы 24 и закреплен от перемещения в осевом направлении упорной шайбой 23.
В передней части ступицы 1 установлен обтекатель 11, вокруг которого в ступице 1 по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора выполнены вентиляционные отверстия 12. В боковой части ступицы 1 выполнены отверстия, в которые установлены поворотные оси 5, жестко связанные с лопастями 2, закрепленными на внешней стороне ступицы 1.
На диске 14 со стороны неподвижной платформы 24 жестко установлены кронштейны 19, в которых закреплены центробежные грузы 20, связанные с поворотными осями 5 посредством тросов 8, пропущенных через ролики 7, установленные на внутренней поверхности ступицы 1, и ролики 9 и 10, жестко установленные на валу 13. Между поворотными осями 5 и роликами 7 установлены сжатые пружины 6, а между центробежными грузами 20 и валом 13 установлены растянутые пружины 21.
Поворотные оси 5 соединены с центробежными грузами 20 через тросы 8 таким образом, что при перемещении центробежных грузов 20 от вала 13 к внутренней поверхности магнито-провода 17 якоря лопасти 2 одновременно поворачиваются вместе с осями 5 на некоторый угол.
Ветрогенератор переменного тока работает следующим образом.
При набегании ветра на обтекатель 11 и лопасти 2 его кинетическая энергия посредством лопастей 2 преобразуется в механическую энергию вращения: набегающий воздушный поток ветра посредством обтекателя 11 разделяется на два контура, при этом воздушный поток первого воздушного контура воздействует на лопасти 2 и приводит наружный ротор во вращение.
Воздушный поток второго воздушного контура, направленный обтекателем 11 через входные вентиляционные отверстия 12 во внутреннюю полость ветрогенератора, охлаждает расположенные во внутренней полости ветрогенератора узлы (передний 15 и задний 22 подшипники, магнитопровод 3 индуктора с постоянными магнитами 4, магнитопровод 17 якоря с многофазной обмоткой 16 якоря).
При вращении наружного ротора с жестко закрепленными на его внутренней поверхности магнитопроводом 3 индуктора с постоянными магнитами 4 магнитный поток постоянных магнитов 4 взаимодействует с многофазной обмоткой 16 якоря. В результате этого взаимодействия в многофазной обмотке 16 якоря генератора наводится многофазная система ЭДС, которая через регулятор напряжения 18 подается в сеть.
Упорная шайба 23 удерживает задний подшипник 22 от перемещения в осевом направлении.
Благодаря выполнению магнитопроводов индуктора 3 и якоря 17 в форме усеченного конуса, при вращении наружного ротора под действием центробежных сил возникает ускорение движения воздушного потока через воздушный зазор в окружающую атмосферу, что способствует более эффективному охлаждению генератора.
Частота выходного напряжения определяется частотой вращения наружного ротора с магнитопроводом 3 индуктора с постоянными магнитами 4 относительно внутреннего статора с магнитопроводом 17 якоря с пазами, в которые уложена многофазная обмотка 16 якоря.
Автоматическая стабилизация частоты вращения наружного ротора осуществляется следующим образом.
При номинальной частоте вращения наружного ротора предлагаемого многофазного ветрогенератора переменного тока центробежные грузы 20 под действием центробежных сил
и сил упругости растянутых пружин 21 удерживаются относительно вала 13 в среднем положении. При этом лопасти 2 под действием сил упругости сжатых пружин 6 и при помощи тросов 8, жестко связанных с центробежными грузами 20, закрепленными на кроншейнах 19, закрепленных на диске 14, также удерживаются в среднем положении. Коэффициент упругости пружин 6 и 21 выбирается таким образом, чтобы центробежные грузы 20 находились в среднем положении при номинальной частоте вращения наружного ротора.
Если частота вращения наружного ротора становится выше номинальной, то центробежные силы, действующие на центробежные грузы 20, увеличиваются. При этом центробежные грузы 20 удаляются от вала 13, прижимаясь к внутренней поверхности магнитопро-вода 17 якоря, а растянутые пружины 21 растягиваются сильнее. При удалении центробежных грузов 20 от вала 13 тросы 8, протянутые через систему роликов 7, 9 и 10, жестко связанные с центробежными грузами 20 и поворотными осями 5, перемещаются, вследствие чего поворотные оси 5 поворачиваются и сильнее сжимают сжатые пружины 6. При этом лопасти 2, жестко связанные с поворотными осями 5, также поворачиваются, причем разворот лопастей 2 происходит таким образом, что угол атаки лопастей 2 уменьшается, вследствие чего воздушный поток первого воздушного контура оказывает на лопасти 2 меньшее воздействие, давление воздушного потока на лопасти 2 уменьшается, следовательно, частота вращения наружного ротора уменьшается до номинального значения.
Если частота вращения наружного ротора становится ниже номинальной, то центробежные силы, действующие на центробежные грузы 20, уменьшаются. При этом центробежные грузы 20 приближаются к валу 13, удаляясь от внутренней поверхности магнитопровода 17 якоря, а растяжение растянутых пружин 21 уменьшается. При приближении центробежных грузов 20 к валу 13 тросы 8, протянутые через систему роликов 7, 9 и 10, жестко связанные с центробежными грузами 20 и поворотными осями 5, перемещаются, при этом натяжение тросов 8 ослабевает, и сжатые пружины 6 разжимаются, вследствие чего поворотные оси 5 поворачиваются. При этом лопасти 2, жестко связанные с поворотными осями 5, также поворачиваются, причем разворот лопастей 2 происходит таким образом, что угол атаки лопастей 2 увеличивается, вследствие этого воздушный поток первого воздушного контура оказывает на лопасти 2 большее воздействие, давление воздушного потока на лопасти 2 увеличивается, и частота вращения наружного ротора увеличивается до номинального значения.
Примечания:
1. Кашин Я.М., Кириллов Г.А., Ракло А.В. Авиационное оборудование самолетов. Ч. 1. Краснодар: Изд-во КВВАУЛ, 2006. 197 с.
2. Планер Гимли. Официальный сайт. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki / Планер_Гимли (дата обращения: 06.03.2016).
3. Аварийная авиационная турбина. Официальный сайт. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki / Аварийная авиационная турбина (дата обращения: 02.03.2016).
4. Суперджет (SSJ-100): система электроснабжения. Официальный сайт. URL:
http://superjet100.info/wiki:electric (дата обращения: 13.12.2016).
5. Балагуров В. А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока: учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1982. 272 с.
6. Кашин Я.М., Кашин А.Я., Пауков Д.В. Обоснование и разработка перспективных конструкций генераторных установок для систем автономного электроснабжения // Известия вузов. Электромеханика. 2012. № 1. С. 46-53.
7. Многофазный ветрогенератор переменного тока / Я.М. Кашин, А.Я. Кашин, А. С. Князев // Патент на изобретение RUS 2658316, 07.07.2017.
References:
1. Kashin Ya.M., Kirillov G.A., Raklo A.V. Aviation equipment of aircraft. Pt. 1. Krasnodar: KVVAUL Publishing House, 2006. 197 pp.
2. Gimli glider. Official site. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki / Planer_Gimli (access date: 06.03.2016).
3. Emergency aviation turbine. Official site. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki / Emergency Aviation turbine (access date: 02.03.2016).
4. Supeijet (SSJ-100): power supply system. Official website. URL: http://superjet100.info/wiki:electric (access date: 13.12.2016).
5. Balagurov V.A. Design of special electric machines of alternating current: a manual. M.: Vyssh. Shk., 1982. 272 pp.
6. Kashin Ya.M., Kashin A.Ya., Paukov D.V. Justification and development of advanced designs of generator sets for autonomous power supply systems // News of Higher Educational Institutions. Electromechanics. 2012. P. 46-53.
7. Multiphase ac wind generator / Ya.M. Kashin, A.Ya. Kashin, A.S. Knyazev // Patent for invention RUS 2658316, 07.07.2017.
