Возможности использования активных магнитных подшипников в газотурбинных двигателях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Секция ««ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»

лении, изоляцию в схемах с многослойной металлизацией, шаблоны, которые могут быть использованы при формировании элементов наноэлектроники [3].

Целью настоящей работы является исследование процессов формирования наноразмерных структур методом ЛАО с использованием АСМ.

В процессе исследования в качестве исследуемого образца использовалась подложка собственного арсе-нида галлия р-типа (100). Исследование проводилось с помощью СЗМ на базе платформы зондовой нано-лаборатории МТЕОКАЛиЯЛ компании ОТ-МБТ. ЛАО осуществлялось последовательно в заранее заданных с помощью программного средства АСМ местах в виде точек и линий. Для ЛАО был использован кремниевый зонд (N8001) с золотым проводящим покрытием и радиусом острия в 10 нм.

Исследование особенностей процесса проводилось на воздухе при различной влажности окружающей среды. Были получены зависимости высоты оксида от величины и длительности прикладываемого напряжения между зондом и поверхностью образца. На рис. 1 представлена зависимость высоты точек окисления от длительности импульса прикладываемого напряжения.

>

** *

*

(I ""I 101К1 1300 I 'Н1 2300

, [лн|еиышс|ь IIМ1IV 1.1 .1 II | IIIК I.» |М I. .Н "|1п I > II I |||НЖ||||Я ис

Зависимость высоты точек окисления от длительности импульса прикладываемого напряжения

Исследования влияния высоты точек окисления от длительности импульса прикладываемого напряжения

проводились при влажности окружающей среды 50 %, фиксированном напряжении минус 10 В, длительности импульсов прикладываемого напряжения (1; 10; 50; 100; 200; 400; 600; 800; 1000; 2000 мс), постоянной скорости и силе прижима.

По рисунку видно, что при увеличении длительности импульсов приложения напряжения высота получаемых оксидных структур возрастает. На начальных стадиях при длительности прикладываемого напряжения от 1 до 100 мс оксид растет по степенному закону. Для больших времен при длительности прикладываемого напряжения от 200 до 2000 мс оксид начинает расти по логарифмическому закону. В данном случае кинетика процесса хорошо согласуется с теоретической моделью Кабрерра-Мотта для больших времен, когда процессом окисления начинает управлять электронный ток, который не может скомпенсировать переносимый ионами заряд и в результате становится лимитирующим фактором процесса окисления.

Библиографические ссылки

1. Морфология и структура локальных анодных пленок оксида кремния, полученных зондовым окислением с использованием атомно-силового микроскопа / С. А. Ковалева, В. А. Пилипенко, В. С. Сякерский и др. // Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии: материалы VIII международного семинара. Минск, 2008. С. 210.

2. Щеглов Д. В. Наноразмерная модификация поверхности полупроводников и металлов зондом атом-но-силового микроскопа : реферат дис. ... канд. физ.-мат. наук. Новосибирск, 2004.

3. Агеев О. А., Федотов А. А., Смирнов В. А. Методы формирования структур элементов наноэлек-троники и наносистемной техники // учеб. пособие. Ч. 1. Таганрог : Изд-во технологич. ин-та Южного федерального университета ГСП 17А, 2010. 73 с.

© Королев Е. В., Кожухов А. С., 2014

УДК 621.45.03

Р. Т. Кужанбаев Научный руководитель - Д. Ю. Киселев Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет), Самара

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АКТИВНЫХ МАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ

В ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Рассматриваются способы практического применения активных магнитных подши-пников (АМП) в газотурбинных двигателях. Обосновывается целесообразность использова-ния АМП вместо традиционных подшипниковых узлов.

Активный магнитный подшипник (АМП) является сложным мехатронным устройством, позволяющим осуществить бесконтактный подвес ротора электрической машины относительно статора. Достижение устойчивого положения ротора осуществляется силами магнитного притяжения, действующими на ротор

со стороны электромагнитов [1]. Система управления АМП формирует ток обмоток электромагнитов по сигналам датчиков перемещений ротора или по сигналам датчиков магнитного потока. Поэтому система магнитного подвеса ротора включает в себя как сами подшипники, встроенные в корпус машины, так и

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

электронный блок управления, усилители мощности и датчики положения (потока).

Основными преимуществами АМП являются относительно высокая грузоподъемность, высокая механическая прочность, возможность осуществления устойчивой неконтактной подвески тела, возможность изменения жесткости и демпфирования в широких пределах, возможность использования при высоких скоростях вращения, в вакууме, при высоких и низких температурах, а также в стерильных технологиях [2].

К недостаткам АМП можно отнести необходимость во внешнем источнике электроэнергии, сложность электронного блока управления, относительно низкая несущая способность, относительно высокая стоимость, необходимость в персонале высокой квалификации для технического обслуживания.

1. Добыча полезных ископаемых и транспортировка газа. Наиболее широкое распространение активные магнитные подшипники получили в области добычи полезных ископаемых и транспортировки газа - компрессоры, нагнетатели, электроприводные газоперекачивающие агрегаты и т. д., - что обусловлено несколькими причинами: необходимостью поддержания постоянной скорости вращения для обеспечения бесперебойной и безаварийной работы узлов газотранспортной магистрали; необходимостью установки агрегатов в удаленных от населенных пунктов точках, что приводит к невозможности проведения частых сервисных мероприятий; необходимостью осуществления дистанционного мониторинга системы.

В настоящее время большинство компаний - производителей активных магнитных подшипников и агрегатов, имеющих в составе АМП, ориентируются именно на данную отрасль промышленности. К наиболее крупным производителям относятся компании 82М (Франция, Сан-Марсель), Kingsbury (США, Филадельфия), Waukesha Bearings (Великобритания, Нортвуд), Dresser-Rand (США, Вирджиния). Так как применение АМП дает неоспоримые преимущества с точки зрения надежности по сравнению с традиционными подшипниками, то эти устройства также нашли широкое применение в области транспортировки газа. В качестве примера можно привести Трансканадскую газовую магистраль, где 99 % газоперекачивающих агрегатов оснащены активными магнитными подшипниками [3].

2. Летательные аппараты. В течение последних 15 лет в зарубежной практике активно начала развиваться технология замены традиционных подшипников газотурбинных авиационных двигателей на АМП. В 1998 г. в NASA были сформулированы задачи программы развития данной технологии [4], которые должны быть выполнены без ущерба для безопасности и стоимости перевозок. АМП обеспечивает бесконтактный подвес ротора, и, следовательно, система подачи смазки не нужна. Исключение системы подачи смазки приводит к снижению эксплуатационных расходов, так как двигатель становится менее сложным — нет необходимости хранить и распределять опасные смазочные вещества. Снижение стоимости за счет исключения данной системы приводит к значи-

тельной экономии средств: по оценкам экспертов МА8А экономия составляет миллиарды долларов США в течение срока эксплуатации парка воздушных судов. Кроме того, двигатель, оснащенный АМП, имеет меньший показатель по объему выбросов вредных веществ и является более пожаробезопасным. АМП имеют широкий диапазон рабочих температур, и, следовательно, в системе охлаждения нет необходимости.

АМП обеспечивает бесконтактный подвес ротора, что приводит к повышению срока эксплуатации двигателя. В традиционных системах в обычных подшипниках с течением времени происходят деформации при работе на высоких скоростях, и через относительно небольшой промежуток времени может потребоваться замена всего узла.

Результаты исследований инициативной группы специалистов МА8А (1998-2004 г.) показывают, что внедрение АМП в конструкцию снижает общую массу двигателя на 5 % в сравнении с традиционными подшипниковыми узлами. Такое снижение веса в сочетании с высокой несущей способностью и снижение эксплуатационных расходов способствуют существенной экономии средств [5].

Заключение. В данной статье были рассмотрены способы практического применения активных магнитных подшипников (АМП) в газотурбинных двигателях. На основе исследований, сделан вывод о возможности использования АМП, более того, внедрение этой технологии является приоритетным направлением двигателестроения. Ряд преимуществ АМП перед подшипниками скольжения и качения, делает их более выгодными по многим показателям и вызывает интерес крупных производителей. Во всем мире различными исследовательскими группами ведутся разработки современных систем АМП, направленные на усовершенствование как их конструкции и характеристик, так и систем автоматического управления, реализующих точное и надежное управление.

Библиографические ссылки

1. Журавлев Ю. Н. Активные магнитные подшипники: теория, расчет, применение. СПб. : Политехника, 2003. С. 22-30.

2. Bleuler H. Magnetic levitation: a challenge for control design in mechatronics // Toshiba Chair for Intelligent Mechatronics. 2011. Vol. 44, № 12. P. 578-583.

3. Kingsbury magnetic bearings "Active Magnetic Bearings & High Speed Motors/Generators". URL: http://www.magnetic-bearings-s2m.com.

4. Jansen M., Montague G., Provenza A., Palazzolo A. High speed, high temperature, fault tolerant operation of a combination magnetic-hydrostatic bearing rotor support system for turbomachinery // NASA/TM.2004. 212952. URL: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa. gov/20040050626_2004048920.pdf.

5. Поляхов Н. Д., Стоцкая А. Д. Научное приборостроение. 2012. Т. 22. № 4. С. 5-18. URL: http://www.iai.rssi.ru/mag/2012/full4/Art1.pdf.

© Кужанбаев Р. Т., 2014