Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева
Военная кафедра
«УТВЕРЖДАЮ»
Начальник цикла №9
подполковник Г. Богданов
29 сентября 2011 г.
ПЛАН ПРОВЕДЕНИЯ ЗАНЯТИЙ СО СТУДЕНТАМИ
Эксплуатация и ремонт авиационного оборудования
летательных аппаратов.
Тема №:3 Авиационные генераторы
Занятие №:1 Основные сведения об авиационных генераторах и принципах их действия.
Время: 2 часа
Вид занятия: групповое
Место проведения:
Цели занятия:
Развитие строевых, командных и методических навыков;
Изучение назначения и классификации авиационных генераторов;
Изучение особенностей конструкции и ознакомление с электрическими характеристиками авиационных генераторов;
Вводная часть занятия (5 минут)
Принять рапорт дежурного по взводу;
Проверить присутствующих по списку;
Объявить тему, цель, время и учебные вопросы занятия;
Провести контрольный опрос.
Учебные вопросы
Назначение, классификация и основные электрические характеристики авиационных генераторов. 45 минут.
Принцип действия и конструктивные особенности авиационных генераторов. 25 минут.
Контрольные вопросы
Основные элементы генератора постоянного тока ГС-12Т
Схемы возбуждения генераторов постоянного тока
Содержание учебных вопросов
Учебные вопросы, время и подержание занятия |
Методические приемы и указания |
45 минут.
Надежность генераторов и безопасность полетов
Пояснить на примерах летной и технической эксплуатации исключительно важную роль надежной работы генераторов для современных летательных аппаратов.
Отказы собственно генераторов достаточно редки. Летчик видит табло «ОТКАЗ ГЕНЕРАТОРА», но на самом деле причины разнообразны: в основном отказы аппаратуры защиты, регулирования и управления. Источники отказов – как правило, ошибки лётного и инженерно-технического состава в эксплуатации. Примеры:
Во всех перечисленных случаях сами генераторы были исправны. Назначение: авиационные генераторы являются основными и первичными источниками постоянного и переменного тока на борту ЛА. Классификация
Осуществляется по следующим направлениям:
Сравнение генераторов постоянного и переменного тока
Генераторы постоянного тока.
Достоинства: простота управления электроприводом, возможность резервирования аккумуляторными батареями, простота организации параллельной работы, отсутствие приводов постоянно частоты вращения, более простая аппаратура коммутации. Недостатки: большой объем и масса электрической сети, наличие ненадежного щеточно-коллекторного узла, плохая эксплуатационная пригодность (также из-за щеточно-коллекторного узла). Генераторы переменного тока.
Достоинства: простота конструкции и исключительно высокая надежность, малый вес и габариты электросети. Главные недостатки – трудность аппаратной реализации параллельной работы, необходимость применения приводов постоянной частоты вращения.
Тенденции развития
Справка по системам электроснабжения современных ЛА:
Термины
Статор – неподвижная часть электрической машины. Ротор – подвижная часть электромашины. Рабочая обмотка – обмотка, с которой снимается генерируемое напряжение; Якорь – часть генератора, в которой находится рабочая обмотка. Индуктор – часть генератора, в которой находится обмотка возбуждения. Служит для создания в зазоре электрической машины магнитного поля.
Маркировка и обозначения
В маркировке отсутствуют единые правила (стандарты). Конкретные марки и их расшифровка даются в технических описаниях на генераторы. Коротко привести примеры генераторов транспортных и современных легких самолетов и расшифровку их обозначений. Распространенные серии генераторов постоянного тока: СТ, СТГ, ГСР-СТ, ГС. Распространенные серии генераторов переменного тока: СГС, СГК, СГО, ГТ. Изделие Т-10: ГТ30НЖЧ12 (2шт.), генераторов постоянного тока нет (ВУ-6Б – 3 шт.) Ил-76: ГТ-60ПЧ6А (4 шт.), генераторов постоянного тока нет (ВУ-6А 4 шт.). Ми-24: ГТ40ПЧ6 (2 шт.), генераторов постоянного тока нет (ВУ-6А 2шт.). МиГ-29: ГТ30НЖЧ12 (2 шт.), ГСР-СТ-12/40А (1 шт).
Электрические характеристики
Замечание предварительное: особенность работы авиационных генераторов – большой диапазон частот вращения ротора. Электрические характеристики необходимы для понимания процессов регулирования и управления. Работа генераторов характеризуется: f, Р, U, Iн, Iв, n, ΔIн, ΔIв, Δn, cos φ (коэффициент мощности; при =1 нагрузка активная). Аналитическую зависимость установить сложно, так как нелинейна кривая намагничивания. Поэтому зависимость одной величины от другой изображают графически при постоянстве других. Поэтому имеем семейство характеристик. На практике – две или три кривые, относящиеся к двум крайним частотам вращения или к двум крайним и одной средней частотам вращения.
Электрические характеристики генераторов постоянного тока
Характеристика холостого хода – зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения и отсутствии нагрузки:
Е= f(Iв) при n = const и Rн = ∞
Рис.1.1. Кривая намагниченности магнитопровода (слева), характеристики холостого хода (справа).
Семейство характеристик холостого хода представлено на Рис.1.1. Прямая 2 – характеристика цепи возбуждения (луч сопротивления). В положении 3, когда луч сопротивления становится касательным к х.х.х., генератор не возбуждается. Такое значение RВ называется критическим сопротивлением. Точки А1, А2 – точки установившегося режима генератора. Обороты n1- критическая скорость (при оборотах равных или меньших критической скорости генератор не самовозбуждается). Определяет в основном конструктивные свойства генератора. По внешнему виду – повторяет кривую намагничивания В(Н).
рис.1.2 Характеристика х.х.
По характеристике холостого хода можно судить о насыщении машины, критическом сопротивлении цепи возбуждения и соотношении намагничивающей силы воздушного зазора и участков стали магнитной цепи машины. Степень магнитного насыщения характеризуется коэффициентом насыщения магнитной цепи, представляющим собой отношение тока возбуждения при холостом ходе к току, затрачиваемому на проведение магнитного потока через воздушный зазор:
В ненасыщенной машине kн=1, и он увеличивается при повышении насыщения. Для минимальной частоты вращения kн=1,1-1,25. Сопротивление цепи возбуждения определяется тангенсом угла наклона луча, проведенного из начала координат к оси абсцисс:
Сопротивление цепи и возбуждения, соответствующее лучу, касательному к характеристике холостого хода в начале координат, называется критическим Rв.кр.. При Rв>Rв.кр самовозбуждение генератора невозможно. Чем больше частота вращения, тем больше критическое сопротивление. р.тическим йцепи возбуждения, соответствющее лучу, касательному к харктеристике холостого хода в начале координат, нгазываетс Внешние характеристики – определяют эксплуатационные свойства генераторов и представляют собой зависимость
U= f(I) при n = const и при постоянном сопротивлении цепи возбуждения генератора. Характеристика нужна для расчета нагрузок, для организации параллельной работы генераторов.
Рис.1.3. Внешние характеристики для генераторов постоянного тока
Семейство внешних характеристик для генераторов постоянного тока с параллельным возбуждением представлено на Рис.1.3., для генераторов переменного тока – на Рис.1.3. Для рисунка 1.3.: точка А – ЭДС генератора; точка Б – соответствует предельному значению тока при номинальном напряжении; точке В соответствует критическое значение тока (попытка увеличить нагрузку генератора приводит к резкому снижению напряжения и тока нагрузки, граница устойчивой части внешней характеристики); точка Г – определяет ток короткого замыкания. Характеристика генератора с независимым возбуждением показана пунктиром. Предельный и критический токи характеризуют перегрузочную способность генератора. Она зависит от частоты вращения, сопротивления цепи возбуждения, температуры обмоток и наличия компенсационной обмотки. При минимальной частоте вращения и включенном регуляторе напряжения предельный ток мало отличается от номинального: Iпр=(1,03 --1,2) Iном, т.е. авиационные генераторы в целях получения минимальной массы не имеют запаса по мощности при минимальной частоте вращения. С увеличением частоты вращения и при отключении регулятора напряжения, значения предельного и критического токов возрастают. Iпр=(1,25-1,7) Iном. При максимальной частоте вращения Iпр=(1,-3,2) Iном и Iкр=(2,3-3,5) Iном.
Регулировочные характеристики – зависимость тока возбуждения от тока нагрузки
Iв= f(Iн) при Uн и n = const
Рис.1.4. Регулировочная (слева) и эксплуатационная (справа) характеристики для генераторов постоянного тока.
Для машин постоянного тока регулировочные характеристики практически одинаковы в случае параллельного и независимого возбуждения. Электрические характеристики генераторов постоянного тока со смешанным возбуждением не рассматриваем. Для них отметим два момента: 1. характеристики холостого хода не отличаются от характеристик генераторов параллельного и независимого возбуждения; 2. достоинством генератора смешанного возбуждения является меньший диапазон изменения тока возбуждения для поддержания неизменным напряжения на зажимах при изменении нагрузки. С регулировочными характеристиками связан параметр «кратность регулирования» - отношение тока возбуждения при номинальной нагрузке и минимальной частоте вращения к току возбуждения при холостом ходе и максимальной частоте вращения
kв = Iв max/Iв min Для современных авиационных генераторов постоянного тока кратность регулирования kв =6 -10. Чем больше крутизна регулировочной характеристики, тем больше насыщение генератора и размагничивающее действие реакции якоря. При малой частоте вращения характеристика идет круче чем при большой. Кратность нужна для определения требований к регулятору напряжения и характеризует степень конструктивного совершенства генератора. По регулировочным характеристикам можно выбрать регулятор напряжения для данного генератора, работающего на систему с определенной величиной или характером (для переменного тока) нагрузок.
Эксплуатационные характеристики – зависимость тока возбуждения от частоты вращения IВ=f(n) при номинальном напряжении UH и постоянной нагрузке I=const. Эксплуатационные характеристики обычно снимают для двух режимов: холостого хода и номинальной нагрузки. Как и регулировочная, эксплуатационная характеристика дает представление об использовании магнитной системы генератора. Чем больше насыщение магнитной системы генератора при минимальной частоте вращения и холостом ходе, тем резче падает ток возбуждения с увеличением частоты вращения генератора в пределах частот вращения. Если известны минимальная частота вращения и максимальная частоты вращения генератора, то по эксплуатационным характеристикам можно определить кратность регулирования тока возбуждения, т.е. задать требования к регулятору напряжения. Максимальный ток возбуждения определяют для минимальной частоты вращения по кривой, снятой при номинальной нагрузке, а минимальный ток возбуждения определяют по кривой, снятой при холостом ходе и максимальной частоте вращения генератора. Рис. 1.4., справа.
Электрические характеристики генераторов переменного тока
Основными характеристиками генераторов переменного тока являются характеристики холостого хода и короткого замыкания. Они определяют конструктивные свойства генераторов. Для практических целей имеют большое значение внешняя и регулировочная характеристики, которые обуславливают эксплуатационные свойства генераторов. Характеристика холостого хода – представляет зависимость э.д.с. холостого хода от тока возбуждения Е0=f(Iв) при постоянной частоте вращения n=const. Характеристика определяет магнитные свойства генератора: Е0=4kф k0Wф fФ, где kф, k0 – коэффициенты формы кривой и обмоточный; Wф – число витков в фазе; f – частота тока; Ф – магнитный поток в воздушном зазоре. Характеристика короткого замыкания – зависимость тока короткого замыкания от тока возбуждения Iк=f(Iв) – при U=0 и n=const. Характеристика практически имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат. Это объясняется тем, что при коротком замыкании магнитный поток мал и магнитная система не насыщена. Если пренебречь активным сопротивлением обмотки якоря, то ток трехфазного замыкания определяется: Iк=Ек/Хd=Е/0/Хd, где Е/0 – э.д.с. холостого хода при ненасыщенной магнитной цепи генератора (определяется по спрямленной характеристике х.х.) Хd – синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси генератора.
рис.1.5. Характеристики х.х. и короткого замыкания
Характеристики холостого хода и короткого замыкания дают возможность определить основные электрические параметры синхронного генератора. Внешние характеристики – определяют эксплуатационные свойства генераторов и представляют собой зависимость
U= f(I) при Iв=const, n = const, cosφ=const
Рис.1.6 Внешние характеристики для генераторов переменного тока
Для генераторов переменного тока нужно иметь ввиду дополнительные условия: сos φ = const и IВ = const. Т.е. учитывается характер нагрузки. При емкостной нагрузке (Рис..) реакция якоря подмагничивающая, напряжение сначала возрастает, затем уменьшается. Для активной и индуктивной нагрузок напряжение уменьшается сразу. Ток короткого замыкания при данной частоте вращения одинаков для всех характеристик. При преимущественно индуктивной нагрузке с увеличением частоты ток короткого замыкания почти не изменяется. При активно-индуктивной нагрузке наблюдается заметное возрастание тока короткого замыкания при увеличении частоты.
Регулировочные характеристики – зависимость тока возбуждения от тока нагрузки Iв=f(I) при постоянной частоте вращения n=const U=const, cosφ=const. Ее вид зависит от характера нагрузки. По регулировочным характеристикам можно выбрать регулятор напряжения для данного генератора, работающего на систему с заданным характером нагрузок.
Рис.1.7. Регулировочные характеристики генераторов переменного тока
2.Принцип действия и конструктивные особенности авиационных генераторов. 25 минут.
Принцип действия
Основан на законе электромагнитной индукции Фарадея- Максвелла - Ленца (1831). Фарадей – автор законов электролиза.
Знак минус определяет направление индукционного тока в соответствии с правилом Ленца (Индукционный ток в контуре направлен так, что создаваемый им поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную контуром, препятствует изменению потока, который вызывает данный ток – следствие закона сохранения энергии).
рис.1.8. Простейший генератор
Конструктивные особенности
Для авиационных генераторов (в отличие от наземных) кроме массы и удельной мощности имеются более исчерпывающие характеристики: удельная полетная мощность и полетная масса. Полетная масса определяется по формуле:
Gг – действительная масса генератора, кг; g1 – масса авиадвигателя, приходящаяся на одну единицу его мощности, кг/квт; g2 – расход горючего на 1 квт мощности авиадвигателя в час, кг/квт*ч; t – время полета самолета, час; Pн – номинальная мощность генератора, квт; η – к.п.д. генератора
Так для ГС-18: масса - 41,5 кг, полетная масса – 137 кг (время полета –10 часов – расход горючего дает почти половину из этих 137 кг), удельная мощность – 430 вт/кг, удельная полетная мощность – 125 вт/кг. 1. Высокая удельная мощность (генератор ГСР-18000 весит столько же, сколько генератор общепромышленного назначения мощностью 2.5 кВт, т.е. удельная мощность больше в 7-8 раз – почти на порядок). Достигается:
повышенными плотностями токов (и температуры) электропроводящих материалов обмоток (плотность тока 25-30 А/см2; у общепромышленных – 7-10 А/см2), температура до 185 градусов.
2. Малый срок службы (единицы тысяч, иногда сотни часов) – из-за перечисленных тяжелых условий и режимов работы.
4. Большой диапазон частот вращения и крутильные динамические нагрузки на валу обусловливают применение гибких валов и специальных муфт; большие коэффициенты кратности регулирования. 5. Применение сложных приводов постоянной частоты вращения.
|
Примеры опасных отказов генераторов приведены в информационных сборниках по безопасности полетов за 1999-2004 годы.
Классификацию дать под запись. Каждую позицию классификации раскрыть подробно.
Сравнение дать под запись
Вопрос студентам: марки генераторов постоянного и переменного тока самолета Су-17, вертолета Ми-8 и их расшифровка.
Перечень характеристик дать под запись (обозначение и название).
Определение дать под запись. Показать слайд, объяснить физический смысл характеристик, сформулировать условия самовозбуждения (В.Винокуров, Авиационные электрические машины, стр.90-91).
Определение дать под запись
Показать слайды, графики зарисовать в конспект. Объяснить физический смысл характеристик. (В.А.Винокуров, Авиационные электрические машины, стр.93).
Определение дать под запись. Показать слайды, графики зарисовать в конспект. Объяснить физический и практический смысл характеристик.
Конструктивные особенности дать под запись в конспект.
Формулу дать под запись.
Конструктивные особенности дать под запись. |
Заключительная часть (5 минут)
Подвести итоги занятия;
Ответить на вопросы студентов;
Дать задание на самоподготовку;
Объявить тему следующего занятия;
Объявить порядок и время проведения контрольной работы.
Задание на самоподготовку:
Электроснабжение летательных аппаратов. М.М. Красношапка. М., Воениздат, 1973. (стр. 142-145; 260-264);
Автоматическое и электрическое оборудование летательных аппаратов. А.А.Лебедев. М., Воениздат, 1979. (стр. 58-72);
Авиационные электрические машины. В.А.Винокуров и др. М., Воениздат, 1969 (стр.86-95).
Самолет, его оборудование и вооружение. П.И.Чинаев. М., Воениздат, 1976. (стр. 288-298);
Конспект занятия.