Способы повышения надежности обмотки статора высокотемпературных генераторов, интегрированных в газотурбинный двигатель

NovaInfo 85, с.1-4, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Физико-математические науки
Просмотров за месяц: 1
CC BY-NC

Аннотация

В статье проведен анализ способов повышения надежности статорной обмотки высокотемпературных генераторов, интегрированных в газотурбинный двигатель. Определены три способа повышения надежности статорной обмотки высокотемпературного генератора, эксплуатируемого в осложненных условиях окружающей среды. Выбрана эффективная испарительная система охлаждения..

Ключевые слова

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ, ОБМОТКА СТАТОРА, ТЕРМОСТОЙКИЕ ПРОВОДА, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГЕНЕРАТОР, НАДЕЖНОСТЬ, ИСПАРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ

Текст научной работы

Во всем мире ведутся работы по повышению электрификации газотурбинных двигателей и созданию More Electrical Engine (MEE) [1,2]. Основным условием при создании MEE является избавление от коробки передач Auxiliary Gear-Box (AGB) между ротором газотурбинного авиационного двигателя (ГТД) и генератором. Высокотемпературный генератор (ВГ) устанавливается непосредственно на ротор высокого давления, частота вращения которого изменяется в зависимости от режима полета воздушного судна и составляет от 9000÷15000 об/мин, при этом главной сложностью при создании ВГ является то, что температура окружающей среды на роторе высокого давления составляет 300÷330°С при давлении до 5 Бар.

Авторами разработан синхронный высокотемпературный генератор (СВГ), который работает на выпрямитель в системе электроснабжения постоянным напряжением 270 В. СВГ эксплуатируется в ограниченных условиях охлаждения при температуре 300÷330°С и требует обеспечения надежности, заданной нормативно-технической документацией. Изоляционные материалы должны быть не подвержены горению в течение пяти минут и обеспечивать пожаробезопасность ГТД. Для решения данной проблемы авторами предложены несколько способов повышения надежности обмотки статора высокотемпературного генератора, интегрированного в ГТД.

Первый способ [1] повышения надежности заключается в использовании усиленной изоляции из термостойких материалов, таких как: стекловолокно, жаростойкие пропитки, силиконовые покрытия, лак и т.д. На рынке предлагаются следующие марки термостойких проводов:

  • ПОЖ-300 (медный проводник с покрытием железо-никель, рабочая температура до 300°С, а в течение ограниченного времени до 700°С. В качестве изоляции используется стекловолокно, пропитанное жаростойкой композицией и покрытое дополнительным лаковым слоем);
  • ПОТ-400АС (медный проводник с покрытием железо-никель, рабочая температура до 400°С);
  • NVS-450 (никелевый термостойкий провод с стекловолокнистой изоляцией, покрытой силиконом, рабочая температура до 450°С).

У проводов марки NVS-450 удельное сопротивление при 20°С составляет 0,088 Ом/м, а у проводов марки ПОЖ-300 и ПОТ-400АС с медными проводниками с железо-никелевым покрытием удельное сопротивление при 20°С составляет 0,0185 Ом/м (при 400°С около 0,0517 Ом/м), что в пять раз меньше сопротивления проводов марки NVS-450. Повышенное сопротивление приведет к увеличенным омическим потерям в высокотемпературном генераторе. Поэтому в качестве обмотки статора необходимо применять провод марки ПОТ-400АС, но при этом проектировать систему охлаждения таким образом, чтобы максимальная температура провода не превышала 400°С, при температуре окружающей среды 300÷330°С.

С никелевыми и медными высокотемпературными конкурируют провода из углеводородных нанотрубок, которые обладают следующими преимуществами [2–5]:

  • проводники из углеродных нанотрубок превышают по своим возможностям медь и соревнуются с медными проводниками в той же ценовой категории;
  • имеют малый вес: 1/5 от веса меди;
  • обладают высокой прочностью: предел прочности на разрыв в 20 раз превышает предел прочности меди;
  • низкое тепловое расширение (1/3 от теплового расширения меди);
  • имеют высокую коррозионную стойкость при любых естественных условиях;
  • электрические характеристики равны характеристикам медных проводов для электроэнергетических систем.

Второй способ, способствующий повышению надежности — обеспечение системы охлаждения. Система охлаждения с помощью внешнего обдува не обеспечивает необходимого охлаждения рабочих частей СВГ [6], надежность которого снижается при повышении температуры. Наиболее перспективной с точки зрения авторов является система испарительного охлаждения СВГ, в которой перенос тепла от внутренних областей СВГ к периферии осуществляется с помощью тепловых труб, заполненных теплоносителем — веществом, находящимся в жидком состоянии при температуре окружающей среды и имеющих низкую температуру парообразования. Для охлаждения используется хладагент с температурой 47,6°С при давлении 1кгс/см2 [7].

Третий способ для повышения надежности обмотки статора [8,9] заключается в использовании между лобовыми частями огнестойкой защитной полимерной оболочки из поливинилхлорида (ПВХ). Преимущества: пониженная пожарная опасность; работоспособность при температуре 750 °С в течение 180 минут; при воздействии пламени низкое дымовыделение с низкой токсичностью продуктов горения. А также в воздушном зазоре между статором и ротором устанавливается теплоизоляционный экран, который предохраняет постоянные магниты от тепловых потоков, создаваемых обмотками статора. При этом сам теплоизоляционный экран является не электропроводным.

Проведен анализ способов повышения надежности статорной обмотки высокотемпературных генераторов, интегрированных в газотурбинный двигатель. Определены три способа повышения надежности статорной обмотки высокотемпературного генератора, эксплуатируемого в осложненных условиях окружающей среды: использование: термостойких проводников статорной обмотки с наименьшим удельным сопротивлением; термоизолирующих экранов; прокладок из поливинилхлорида; выбрана эффективная испарительная система охлаждения.

Читайте также

Список литературы

  1. Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Вавилов В.Е., Фаррахов Д.Р., Якупов А.М., Бекузин В.И. Бескорпусный стартер-генератор, интегрированный в авиационный двигатель // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. –2016. – №1. – С.98–102.
  2. Carbon nanomaterials of the global industry URL: http://ocsial.com/ru/ (дата обращения 20.10.2016).
  3. Pyrhönen J., Montonen J., Lindh P., Vauterin J.J., Otto M.J. Replacing copper with new carbon nanomaterials in electrical machine windings// International Review of Electrical Engineering.– 2015 – №1. – Рр.115–117.
  4. Трусов Л. А. Прозрачные проводящие сетки из углеродных нанотрубок: материалы объединенного семинар «Физика и химия углеродных наноструктур» 03.10.2013». URL:http://www.rusnor.org/pubs/articles/12901.htm (дата обращения 25.10.2016).
  5. Елецкий А. В., Книжник А. А. и др. Электрические характеристики полимерных композитов, содержащих углеродные нанотрубки // УФН. –2015. – №11. – С.225-270.
  6. Van Der Geest M., Polinder H., Ferreira J.A., Zeilstra D. Machine selection and initial design of an aerospace starter/generator // 2013 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC – Chicago, IL; United States–12 May 2013 through 15 May 2013.
  7. Краус А.Д. Охлаждение электронного оборудования. М. Изд-во: Энергия – 2015. – 246 с.
  8. Besnard J.-P. Biais, F. Martinez M. Electrical rotating machines and power electronics for new aircraft equipment systems // ICAS-Secretariat-25th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences. –2006. – №1. – Рр.115–117.
  9. Ishak D., Zhu Z. Q. Comparison of PM Brushless Motors, Having Either All Teeth or Alternate Teeth Wound // IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 21, No. 1, March 2006. – Рp. 95-103.

Цитировать

Исмагилов, Ф.Р. Способы повышения надежности обмотки статора высокотемпературных генераторов, интегрированных в газотурбинный двигатель / Ф.Р. Исмагилов, А.А. Ширков. — Текст : электронный // NovaInfo, 2018. — № 85. — С. 1-4. — URL: https://novainfo.ru/article/15121 (дата обращения: 09.08.2022).

Поделиться