1 / 37

Национальный исследовательский университет «Московский Энергетический Институт»

Национальный исследовательский университет «Московский Энергетический Институт» Кафедра «Электротехнические комплексы автономных объектов» (ЭКАО) до 1997 года «Электрооборудование летательных аппаратов». Опыт разработки высокоскоростных электротурбомашин ( ЭТМ)

santa
Télécharger la présentation

Национальный исследовательский университет «Московский Энергетический Институт»

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 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, 2014г.

  2. АЭРОДИНАМИКА Проточная часть (колёса, улитки) МЕХАНИКА Газовые опоры ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ТУРБОМАШИНА ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА ЭД (статор, ротор) ЭЛЕКТРОНИКА высокочастотный преобразователь Системный подход к разработке ЭТМ с ЛГП • 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. На кафедре ЭКАО выполняется полный комплекс работ порасчёту,проектированию, выпуску чертежей, сопровождениюпроизводства, испытаниям и внедрению систем на основевысокоскоростных ЭТМ с ЛГП мощностью от 100 Втдо 300 кВт с частотой вращения 20-180 тыс. об/мин • Электромеханический преобразователь энергии (двигатель/генератор) с возбуждением от постоянных магнитов. • Лепестковые газодинамические подшипники. • Устройства силовой и информационной электроники. • Испытательные стенды. • Средства моделирования и анализа.

  3. 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. Этапы создания высокоскоростных ЭТС с ЛГП рассмотрим на примере проектирования электротурбогенератора ЭТГ-1. • электрическая мощность – 1 кВт • частота вращения ротора – 100 000 об/мин Исходные данные:

  4. Монолитные роторы высокоскоростных ЭТМ Магнитные сплавы из группы «железо-хром-кобальт» типа 25Х15КЮБ, 27Х15К или 32Х17К (ТУ 14-131-438-79).

  5. Магнитные сплавы из группы редкоземельных магнитов (неодим-железо-бор, самарий-кобальт) Составные роторы ЭТМ Ротор ЭТГ-1

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

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

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

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

  10. 3D эскиз турбогенератора ЭТГ-1 для ORC модуля

  11. Элементы турбогенератора ЭТГ-1

  12. Турбогенератор ЭТГ-1

  13. Выбор схемы электронного преобразователя для пуска ЭТМ в двигательном режиме Без датчика положения ротора С датчиком 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

  14. 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). Автоматическое изменение угла коммутации Вычисления токов фаз «Phase Current reconstruction»

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

  16. Вид дисплея системы управления и контроляЭТГ-1

  17. Испытания ЭТГ-1 на фреоновом стенде

  18. Нас цитируют Отчет Texas A&M University (2013г.)http://rotorlab.tamu.edu/tribgroup/13presentations/GT2013-95975%20MMFB(2).pdf Сюжет на канале Россия24 http://www.youtube.com/watch?v=IKZ7cTBti7c

  19. ЭТМ с ЛГП, разработанные в МЭИЭлектрокомпрессор ЭКВС 0,35

  20. ЭТМ с ЛГП, разработанные в МЭИЭлектрокомпрессор ЭКВС-3,5

  21. ЭТМ с ЛГП, разработанные в МЭИ5 кВт 2-х ступенчатый фреоновый компрессор

  22. Лепестковые газодинамическиеподшипники (ЛГП) Лучший тип опор для высокоскоростных ЭТМ малой мощности (до 300 кВт) 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,LiebherrAerospace. Atlas Copco Capstone Mohawk Innovative Technology Inc.

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

  24. 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 высокоскоростных электротурбомашин конструкции НИУ МЭИ

  25. 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.

  26. Особенности пуска и работы ЭТМ на ЛГП При пусках и остановах, на малых скоростях вращения поверхности подшипниковс антифрикционным покрытием (лепестки) касаются ротора.  Газовый слой при работе полностью разделяет рабочие поверхности ротора и подшипника. Рост скорости сопровождается увеличением несущей способности. 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. Поэтому важным является задача запуска ЭТМ до минимальной рабочей частоты вращения (3…20 тыс. об/мин)

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

  28. Экспериментальные исследования ЛГП в НИУ МЭИ

  29. Радиальные ЛГП разработки НИУ МЭИ FGB50. Цапфа ротора Ø 50 мм. Применяется при весе ротора 4…10 кг. Частота вращенияротора до 80000 об/мин. FGB103. Цапфа ротора Ø 103 мм. Применяется при весе ротора40…60 кг. Частота вращенияротора до 40000 об/мин. FGB11. Цапфа ротора Ø 10,5 мм Применяется при весе ротора0,1…0,3 кг. Частота вращенияротора до 240.000 об/мин.

  30. Каталог радиальных ЛГП, поставляемых МЭИ forced – конструкция ЛГП с дополнительными упругими элементами

  31. Осевые ЛГП разработки НИУ МЭИ TFGB85. Диаметр пяты ротора Ø 85 мм. Макс. осевая сила - 430 Н. Частота вращенияротора до 90 000 об/мин. TFGB170. Диаметр пяты ротора Ø 170 мм. Макс. осевая сила - 1600 Н. Частота вращенияротора до 45 000 об/мин. TFGB37. Диаметр пяты ротора Ø 37 мм. Макс. осевая сила - 95 Н. Частота вращенияротора до 210 000 об/мин.

  32. Каталог осевых ЛГП, поставляемых МЭИ

  33. 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 30 000 циклов «пуск-останов». После чего подшипники остались в работоспособном состоянии.

  34. Электрическая часть энергоустановок с ЭТМ малой мощности ЭНЕРГИЯ

  35. Составляющие потерь мощности в ЭТМ Потери в опорах 40% Потери в стали 27% Аэродинамические потери 31% Потери в меди 2%

  36. ПРЕДЛОЖЕНИЯ по СОТРУДНИЧЕСТВУ • Кафедра ЭКАО предлагает КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД к созданию систем с высокоскоростными электротурбомашинами малой мощности(до 300 кВт): • 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 614 e-mail: rumyantsev.m@gmail.com – Заведующий кафедрой ЭКАО Румянцев Михаил Юрьевич, sigachev@foil-bearing.ru – научный сотрудник кафедры ЭКАО Сигачев Сергей Иванович,т. +79160537997 turbokom@mail.ru http://foil-bearing.ru

  37. Кафедра ЭКАО НИУ МЭИ Продолжение: «Применение ЛГП НИУ МЭИ в высокоскоростных ЭТМ» - во второй части http://www.energosovet.ru/stat751.html

More Related