CC BY
42
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 2
УДК 629.7
СВЕРХПРОВОДНИКИ В АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
Н. С. Писарев*, Н. В. Юрковец
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: pnk-sibsau@mail.ru
В настоящий момент большое распространение сверхпроводники получают в энергетической промышленности, поэтому их можно адаптировать под использование в авиации. Это позволит снизить вес и габариты электрических машин из-за высокой плотности тока, который передается без потерь.
Ключевые слова: сверхпроводник, генератор, трансформатор, линии электропередач. SUPERCONDUCTORS IN AIRCRAFT ELECTRICAL MACHINES N. S. Pisarev*, N. V. Yurkovets
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochiy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: pnk-sibsau@mail.ru
At the moment superconductors gain big distribution in power industry therefore they can be adapted under use in aircraft. It will allow to lose the weight and dimensions of electrical machines because of the high density of current, which is transferred without loss.
Key words: superconductor, generator, transformer, transmission line.
Использование сверхпроводящего электрооборудования позволит резко увеличить электрические и магнитные нагрузки в элементах устройств и благодаря этому резко сократить их размеры. В сверхпроводящем проводе допустима плотность тока, более чем в 10 раз превышающая плотность тока в обычном электрооборудовании.
Однако, при всех великолепных свойствах сверхпроводников, они не лишены недостатков. Главным недостатком сверхпроводников является наличие очень низких температур. Так как в этом явлении многие ученые разглядели перспективу, то в настоящее время активно ведутся исследования в данной области и дальнейшее создание проводников, обладающих свойствами сверхпроводимости при комнатной температуре. В данный момент сверхпроводники охлаждают при помощи жидкого азота, или жидкого гелия. Основным материалом для производства сверхпроводников выступает диборид магния (MgB2), который переходит в сверхпроводящее состояние при значительно более высокой температуре, чем все прочие соединения такого рода (40К).
Каким же образом можно применить данную технологию в авиационных электрических машинах?
Для применения данной технологии к авиационным генераторам, предлагается взять за основу сверхпроводящий турбогенератор для энергетики, над созданием которого трудится Всероссийский научно-исследовательский институт машиностроения.
В этом генераторе сверхпроводящая обмотка находится в гелиевой (азотной) ванне. Жидкий гелий поступает во вращающийся ротор по трубе, расположенной в центре полого вала. Испарившийся газ направляется обратно в конденсационную установку через зазор между этой трубой и внутренней стенкой вала.
Секция «Техническая эксплуатация электросистем и авионики»
В итоге конструкция ротора представляет собой вращающийся криостат со сверхпроводящей обмоткой возбуждения.
Статор сверхпроводящего генератора имеет трехфазную обмотку, в которой магнитным полем ротора возбуждается ЭДС.
Проводя аналогию с турбогенератором, в теории, такой подход к конструкции авиационных генераторов позволит уменьшить массу почти в два раза, а также увеличить КПД на 0,5.. .0,7%
Использование сверхпроводников в производстве авиационных генераторов обладает рядом преимуществ:
• Высокая эффективность- в связи с нулевыми или малыми потерями в сверхпроводнике
• Экологическая чистота и пожаробезопасность- нейтральные хладагенты- гелий, азот; нет излучения.
• Возможность передачи и генерации большей мощности при пониженном напряжении
• Значительное снижение веса и габаритов из-за высокой плотности тока.
В теории, может отлично себя проявить использование сверхпроводников в трансформаторах. Сверхпроводниковый трансформатор, по сравнению с традиционным, будет включать в себя:
• Уменьшение веса и размеров трансформатора до 40%
• Ограничение токов КЗ, что в аварийных режимах защищает электрооборудование сети;
Чтобы добиться возникновения эффекта сверхпроводимости, необходимо создать для проводников низкотемпературную среду. Для этого предлагается погрузить обмотки в жидкий азот, который будет служить одновременно и изоляцией, и охлаждающей средой. Сердечник трансформатора должен работать при температуре окружающей среды, так как его охлаждение приведет только к лишним нагрузкам криогенной системы. Но несмотря на все плюсы данного трансформатора, он также имеет существенные недостатки, связанные с необходимостью защиты трансформатора от выхода его из сверхпроводящего состояния при перегрузках.
Сверхпроводниковые трансформаторы имеют также большую экономическую выгоду. По данным стран Европы, сделавших подробный анализ возможного применениях такого устройства, и пришедших к выводу, что затраты на весь срок службы при эксплуатации сверхпроводникового трансформатора будут наполовину меньше, по сравнению с затратами на обслуживание традиционно применяемых трансформаторов.
На примере уже существующих, или еще разрабатываемых электрических машин, можно увидеть, насколько полезно будет использование явления сверхпроводимости в авиации. А недавние исследования ученых в этой области подтвердили возможность проводников проявлять признаки сверхпроводимости при комнатных температурах. Это в лишний раз доказывает, что это явление, несмотря на давность открытия, таит в себе огромный потенциал, открытие которого может сделать большой прорыв в электромашиностроении, а может быть приведет к каким-либо новым открытиям.
Библиографические ссылки
1. Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам. - М.: Издательский центр «Академия», 2005 г.
2. Черноплеков Н.А. Сверхпроводниковые технологии: современное состояние и перспективы практического применения//Вестник РАН. —2001. — № 4
3. Квасников И. А. Введение в теорию электропроводности и сверхпроводимости. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010.
© Писарев Н. С., Юрковец Н. В., 2017
