Национальный исследовательский университет «Московский Энергетический Институт» Кафедра «Электротехнические комплексы автономных объектов» (ЭКАО) до 1997 года «Электрооборудование летательных аппаратов» Опыт разработки высокоскоростных электротурбомашин (ЭТМ) с лепестковыми газодинамическими подшипниками (ЛГП) Часть I Захарова Н.Е., Румянцев М.Ю., Сигачев С.И. Москва, 2014 г.

Системный подход к разработке ЭТМ с ЛГП На кафедре ЭКАО выполняется полный комплекс работ по расчёту, проектированию, выпуску чертежей, сопровождению производства, испытаниям и внедрению систем на основе высокоскоростных ЭТМ с ЛГП мощностью от 100 Вт до 300 к Вт с частотой вращения тыс. об/мин МЕХАНИКА Газовые опоры ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА ЭД (статор, ротор) ЭЛЕКТРОНИКА высокочастотный преобразователь АЭРОДИНАМИКА Проточная часть (колёса, улитки) ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ТУРБОМАШИНА Электромеханический преобразователь энергии (двигатель/генератор) с возбуждением от постоянных магнитов. Лепестковые газодинамические подшипники. Устройства силовой и информационной электроники. Испытательные стенды. Средства моделирования и анализа. На кафедре ЭКАО разработка ЭТМ ведётся с 1993 г., когда в одном коллективе объединились специалисты: по электрическим машинам с постоянными магнитами; по лепестковым газодинамическим опорам; по силовой и информационной электронике.

Этапы создания высокоскоростных ЭТМ Выбор типа электромеханического преобразователя энергии. Обеспечение механической прочности ротора. Выбор типа подшипников. Выбор алгоритмов управления электромеханическим преобразователем от электронного блока. Обеспечение теплового режима работы. Исходные данные: электрическая мощность – 1 к Вт частота вращения ротора – об/мин Этапы создания высокоскоростных ЭТС с ЛГП рассмотрим на примере проектирования электротурбогенератора ЭТГ-1.

Монолитные роторы высокоскоростных ЭТМ Магнитные сплавы из группы «железо-хром-кобальт» типа 25Х15КЮБ, 27Х15К или 32Х17К (ТУ ). Коэрцитивная сила H c, кА/м Индукция насыщения B r, Тл 1,2 – 1,38 Плотность, г/см 3 7,65–7,8 Предел текучести, МПа в закалённом состоянии в высококоэрцитивном состоянии

Составные роторы ЭТМ Магнитные сплавы из группы редкоземельных магнитов (неодим-железо- бор, самарий-кобальт) Группа сплавовNd-Fe-BSm-Co Коэрцитивная сила H cв, кА/м 750 ÷ ÷ 780 Остаточная индукция B r, Тл 1,02 ÷ 1,330,86 ÷ 1,14 Максимальное энергетическое произведение (ВН) max, к Дж/м ÷ ÷ 244 Плотность, г/см 3 7,4 ÷ 7,58,3 ÷ 8,5 Предел текучести, МПа: 70 ÷ ÷ 80 Максимальная рабочая температура Т рmах, о С Температурный коэффициент по остаточной индукции λ в, %/ о С - 0,12 - (0,03 ÷ 0,045) Температурный коэффициент по коэрцитивной силе λ с, %/ о С - 0,6- (0,19 ÷ 0,25) Ротор ЭТГ-1

Моделирование процессов ЭТМ Результаты моделирование магнитного поля в электрогенераторе ЭТГ-1 с помощью пакета COMSOL Распределение индукции вдоль расточки якоря Распределение магнитного поля

Моделирование процессов ЭТМ Моделирование ЭТГ-1 при работе на нагрузку в генераторном режиме (Matlab)

Моделирование процессов ЭТМ Результаты моделирования ЭТГ-1 при работе на нагрузку в генераторном режиме (Matlab) Фазные напряжения Фазные токи

Моделирование процессов ЭТМ Моделирование ЭТГ-1 при работе на нагрузку в генераторном режиме (Simulink) Модель механической подсистемы Алгоритм вычисления электромагнитного момента Структурная схема генераторного режима работы ЭТМ

3D эскиз турбогенератора ЭТГ-1 для ORC модуля

Элементы турбогенератора ЭТГ-1

Турбогенератор ЭТГ-1

Выбор схемы электронного преобразователя для пуска ЭТМ в двигательном режиме С датчиком положения ротора Без датчика положения ротора Варианты управления: Инвертор с векторным управлением. Регулируемый инвертор с ограничением тока, 120- градусной коммутацией фаз и частотным разгоном. Нерегулируемый инвертор с частотным разгоном и источником тока на входе. Регулируемый инвертор с частотно-токовым управлением. Регулируемый инвертор с ограничением тока и изменяемым соотношением U/f при разгоне. Состав: датчики положения ротора; проводная связь датчиков с электронным преобразователем

Пуск ЭТГ-1 с помощью системы iMotion компании International Rectifier без датчика положения ротора Трехступенчатый алгоритм запуска : предстартовая установка ротора (park), частотный запуск двигателя в разомкнутой системе (open loop start), работа с использованием определения положения ротора (closed loop run). Вычисления токов фаз «Phase Current reconstruction» Автоматическое изменение угла коммутации

Обеспечение теплового режима работы ЭТГ-1 Термограмма программы IRPREVIEW ИК-системы ИРТИС, предназначенной для обеспечения визуализации измерения тепловых полей и их обработки

Вид дисплея системы управления и контроля ЭТГ-1

Испытания ЭТГ-1 на фреоновом стенде

Отчет Texas A&M University (2013 г.) Нас цитируют Сюжет на канале Россия 24

ЭТМ с ЛГП, разработанные в МЭИ Электрокомпрессор ЭКВС 0,35 Мощность на валу ….…………….…….…350 Вт Номинальная частота вращения..……..…90000 об/мин Диапазон регулирования частоты вращения об/мин Производительность 10 – 50 м 3 /час Степень повышения давления 0,03 ÷ 0,2 Напряжение питания 27 В Режим работы Длительный Количество ступеней сжатия 1 Габариты электоркомпрессора (без штуцеров) 100 мм × 160 мм Габариты электронного блока 200×150×160 мм Вес электрокомпрессора 5,2 кг

ЭТМ с ЛГП, разработанные в МЭИ Электрокомпрессор ЭКВС-3,5 Мощность на валу ….…………….…….…3500 Вт Номинальная частота вращения..……..… об/мин Диапазон регулирования частоты вращения об/мин Производительность 2,5 м 3 /мин Степень повышения давления 1,8 Напряжение питания 220В, 50 Гц Режим работы Длительный Количество ступеней сжатия 1 Ресурс час Габариты электоркомпрессора (без штуцеров) 150 мм × 280 мм Габариты электронного блока 500×420×150 мм Вес электрокомпрессора 12 кг

ЭТМ с ЛГП, разработанные в МЭИ 5 к Вт 2-х ступенчатый фреоновый компрессор

Лепестковые газодинамические подшипники (ЛГП) Основные производители ЛГП: Mohawk Innovative Technology Inc., Honeywell, Capstone, Siemens, R&D Dynamics Corporation, Mechanical Solutions Inc., Atlas Copco, United Technologies Corporations, Glen Research Center (NASA), Samsung, LG, K-Turbo, Liebherr Aerospace. Лучший тип опор для высокоскоростных ЭТМ малой мощности (до 300 к Вт) Capstone Mohawk Innovative Technology Inc. Atlas Copco

Области применения ЛГП в авиации Turbojet Engine Demonstration (MITi) ASM Airbus A320 (Liebherr) Turbofan Engines (Chrysler) ASM Embraer 135 (Honeywell)

ЛГП высокоскоростных электротурбомашин конструкции НИУ МЭИ Применение ЛГП позволяет обеспечить надежную работу опор в условиях высоких и переменных нагрузок, улучшить рабочие характеристики турбомашин за счет увеличения частоты вращения роторов, использовать турбомашины в условиях, недоступных для агрегатов с опорами качения, например, при наличии значительных внешних теплопритоков, исключить загрязнение сжимаемого газа парами масел, уменьшить массу турбомашин за счет более компактной конструкции опорного узла и ликвидации системы смазки, увеличить ресурс турбомашин, упростить обслуживание турбомашин.

ЛГП - ОПЫТ, ТЕХНОЛОГИЯ, КАЧЕСТВО В отличие от применявшихся ранее газовых подшипников, ЛГП обладают уникальными стабилизирующими свойствами. Они не допускают возникновения вихревой неустойчивости ротора, работают при ограниченной разбалансировке. Применение этого вида опор позволяет существенно снизить число отказов высокоскоростных турбомашин. Прогнозируемые сроки службы ЛГП приближаются к 300 тысячам часам. Создание надежных и долговечных лепестковых газодинамических подшипников в НИУ МЭИ стало возможным в результате проведения комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по исследованию рабочих процессов в элементах лепестковых газодинамических подшипниках, совершенствованию технологии их изготовления, подбору износостойких материалов и покрытий.

Особенности пуска и работы ЭТМ на ЛГП Поэтому важным является задача запуска ЭТМ до минимальной рабочей частоты вращения (3…20 тыс. об/мин) Особенность ЛГП – наличие минимальной рабочей скорости вращения, при которой происходит «всплытие» ротора. До достижения этой скорости момент сухого трения в подшипнике имеет значительную величину. Износ уменьшен благодаря использованию твердых смазочных покрытий. При пусках и остановах, на малых скоростях вращения поверхности подшипников с антифрикционным покрытием (лепестки) касаются ротора. Газовый слой при работе полностью разделяет рабочие поверхности ротора и подшипника. Рост скорости сопровождается увеличением несущей способности.

Теоретический расчет ЛГП в НИУ МЭИ Давление в смазочном зазоре Деформации лепестка в поперечном направлении Результаты вычислений осевого ЛГП из программы Visual Studio C++: конфигурация лепестка и зазора; реакции, приложенные к лепестку; распределение избыточного давления. Нагрузочная характеристика Максимальное избыточное давление

Экспериментальные исследования ЛГП в НИУ МЭИ

Радиальные ЛГП разработки НИУ МЭИ FGB103. Цапфа ротора Ø 103 мм. Применяется при весе ротора 40…60 кг. Частота вращения ротора до об/мин. FGB11. Цапфа ротора Ø 10,5 мм Применяется при весе ротора 0,1…0,3 кг. Частота вращения ротора до об/мин. FGB50. Цапфа ротора Ø 50 мм. Применяется при весе ротора 4…10 кг. Частота вращения ротора до об/мин.

Каталог радиальных ЛГП, поставляемых МЭИ forced – конструкция ЛГП с дополнительными упругими элементами Тип Диаметр ротора, мм Длина, мм Число лепестков Макс. рабочая частота вращения, тыс.об/мин Статическая несущая способность, Н сlassicforced FGB1110, FGB1615, FGB2019, FGB FGB FGB FGB FGB FGB FGB FGB FGB FGB103l FBG

Осевые ЛГП разработки НИУ МЭИ TFGB170. Диаметр пяты ротора Ø 170 мм. Макс. осевая сила Н. Частота вращения ротора до об/мин. TFGB37. Диаметр пяты ротора Ø 37 мм. Макс. осевая сила - 95 Н. Частота вращения ротора до об/мин. TFGB85. Диаметр пяты ротора Ø 85 мм. Макс. осевая сила Н. Частота вращения ротора до об/мин.

Каталог осевых ЛГП, поставляемых МЭИ Тип Диаметр пяты, мм Наружный диаметр подпятника, мм Внутренний диаметр подпятника, мм Число лепе- стков Номинальная частота вращения, тыс. об/мин Несущая способность при номин. частоте вращения, Н TFGB TFGB TFGB TFGB TFGB TFGB TFGB TFGB TFGB

Ресурс турбомашин с лепестковыми газодинамическими подшипниками Турбомашины с лепестковыми газодинамическими подшипниками FGB16 и FGB50 отработали на производстве в непрерывном режиме 5 лет и продолжают успешно работать. На турбомашине с лепестковыми газодинамическими подшипниками FGB50 было проведено циклов «пуск-останов». После чего подшипники остались в работоспособном состоянии.

Электрическая часть энергоустановок с ЭТМ малой мощности ЭНЕРГИЯ

Составляющие потерь мощности в ЭТМ Потери в меди 2% Потери в стали 27% Потери в опорах 40% Аэродинами ческие потери 31%

ПРЕДЛОЖЕНИЯ по СОТРУДНИЧЕСТВУ Кафедра ЭКАО предлагает КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД к созданию систем с высокоскоростными электротурбомашинами малой мощности (до 300 к Вт): Расчёт и проектирование электромеханической и электронной частей системы, разработка и согласование РКД; Выбор лепестковых подшипников, подбор антифрикционных покрытий, изготовление и поставка лепестковых газовых подшипников; Сопровождение изготовления основных узлов ЭТМ – статор, ротор, корпус и т.д. Разработка специализированных инверторов, микроконтроллеров и алгоритмов управления режимами работы ЭТМ; Эмитационное компьютерное моделирование отдельных элементов и системы в целом; Сборка, наладка и испытания элементов ЭТМ на специализированных стендах, подготовка мелкосерийного производства. Адрес: г. Москва, ул.Красноказарменная, д.13, офис – Заведующий кафедрой ЭКАО Румянцев Михаил – научный сотрудник кафедры ЭКАО Сигачев Сергей Иванович, т

Кафедра ЭКАО НИУ МЭИ Продолжение: «Применение ЛГП НИУ МЭИ в высокоскоростных ЭТМ» - во второй части второй части второй части