Обзор генераторов, применяемых в авиации

На сегодняшний день развитие авиации достигло такого уровня, при котором современный летательный аппарат может использовать самые различные источники электроэнергии, начиная от традиционных химических, таких как аккумуляторные батареи, которые в свою очередь имею широкое разнообразие, до совершенно экзотических источников как солнечные батареи, которые применяются на электрических самолетах. Но в качестве основного источника электроэнергии на бортах летательных аппаратов электромеханические источники питания. Они в основном представлены электромеханическими генераторами. В современной сети электроснабжении самолетов имеются сразу несколько генераторов и каждый имеет свое назначение[1]. Основную часть электроэнергии производят магистральные генераторы, от которых и запитываются все основные приборы для работы работоспособности самолета. На случаи чрезвычайных ситуаций магистральные генераторы дублируются резервными, которые запускаются при выходе их строя магистральных. Так же имеются аварийные генераторы, которые способны произвести только ограниченное количество электроэнергии, и они запускаются при выходе из строя магистральных и резервных генераторов. На воздушных судах специального назначения не редко встречается дополнительно оборудование, потребляющее значительные мощности электроэнергии, и для этого оборудования устанавливаются отдельные специальные генераторы.

Основные генераторы, применяемые в авиации, различаются по роду выделяемого тока, это генераторы постоянного и переменного тока. Также различаются по приводному механизму, в составе которого они работают: это приводы турбины у турбогенераторов и маршевые двигатели [1].

Немаловажная особенность авиационных генераторов заключается в системе и способе охлаждения генератора. От этого зависят массогабаритные показатели генератора.

В авиационных генераторах бывают воздушные, жидкостные, испарительные и комбинированные системы охлаждения. Все типы генераторов различаются конструктивным исполнением, от которой и зависят массогабаритные показатели. Конструктивное исполнение зависит от всех материалов применяемых, различных совмещенных функций, возможности размещении в конструкции системы защиты и управления. Только рациональное конструктивное исполнение позволяет добиться минимальных массогабаритных показателей при максимальной надёжности авиационного генератора [2].

В легкомоторной и военной авиации широко применяются системы электроснабжения постоянного тока и систем электроснабжения смешанного типа, в которых в качестве магистральных источников электроэнергии используются генераторы постоянного тока. Основными такими отечественными агрегатами стали стартер-генераторы типа СТГ и ГСР-СТ. В настоящее время коллекторные генераторы и стартер-генераторы используются в легкомоторной авиации, а также в качестве магистральных источников электроэнергии на самолетах Ту-134(ГС-18ТО), Ан-24, Ан-26, Ан-30 (СТГ-18ТМ/ТМО), Ил-18, Ил-38 (СТГ-12ТМО), Як-40 (ВГ-7500), а также в ряде вертолетов: Ми-8 (СТГ-18), Ми-24 (СТГ-3, резервное электропитание) [5].

Рисунок 1.1. Продольный разрез конструкции стартер-генератора СТГ-12ТМО

1 ­ фланец; 2 ­ шарикоподшипник; 3 ­ клеммовая колодка; 4 ­ коллектор; 5 ­ щетка; 6 ­ щит задний; 7 ­ корпус; 8 ­ пакет якоря; 9 ­ катушка обмотки возбуждения;

10 ­ щит передний; 11 ­ обмотка якоря; 12 ­ редуктор; 13 ­ выходная шестерня редуктора; 14 ­ вентилятор; 15 ­ втулка коллектора; 16 ­ ступица; 17 ­ полый вал; 18 ­ гибкий вал; 19 ­ защитная лента; 20 ­ муфта свободного хода; 21 ­ уравнительное соединение.

Рисунок. 1.2. Поперечный разрез конструкции стартер генератора СТГ-12ТМО

22 ­ сердечник дополнительного полюса; 23 ­ катушка дополнительного полюса; 24 ­ сердечник главного полюса; 25 ­ щеткодержатель [5].

На многих авиационных летательных аппаратах в качестве основной применяется система электроснабжения переменного тока. Широкое применение централизованных систем электроснабжения переменного тока связывают с появлением тяжелых турбовинтовых самолетов (Ту-95, Ту-114, Ил-18, Ил-38, Ан-10, Ан-12) с мощными противообледенительными системами и развитыми связными, и пилотажно-навигационными комплексами. Установка мощных преобразователей переменного тока стала нецелесообразной из-за большой их

массы и низкого КПД. Одними из первых генераторов переменного тока, которые стали использоваться вместе с генераторами постоянного тока в авиационных системах электроснабжения смешанного типа стали контактные однофазные генераторы серии СГО и ГО и контактные трехфазные генераторы серии СГС. На

рис. 3 и рис. 4 показана конструкция генератора ГО-16ПЧ8, применяемого в качестве магистрального в системах электроснабжения [5].

Рисунок 1.3. Продольный разрез конструкции генератора ГО-16ПЧ8

1, 21 ­ крышки; 2 ­ кремовая панель; 3 ­ контактные кольца; 4 ­ корпус; 5 ­ статор; 6 ­ обмотка якоря; 7 ­ ротор; 8 ­ балансировочное кольцо; 9 ­ щит; 10, 18 ­ стопорные кольца; 11, 17 – гайки; 12 – гибкий вал; 13, 14, 16, 20 ­ винты; 15 – полый вал; 19 ­ колпак.

Рисунок 1.4. Поперечный разрез конструкции генератора ГО-16ПЧ8

22 – лента; 23 – щетка; 24 ­ щеткодержатель; 25 ­ спиральная пружина; 26 ­ обмотка возбуждения; 27 ­ клинья; 28 ­ винт [5].

Одним из перспективных на сегодняшний день являются бесконтактные электромеханические преобразователи энергии. Одной из подобных простейших таких конструкций электромеханического преобразователя является однопакетный индукторный генератор. К достоинствам индукторного генератора относят простоту и надежность конструкции, технологичность, хорошую регулируемость, возможность работы в агрессивных средах и при повышенных частотах вращения. Недостатки генератора связаны с относительно низкой степенью использования активных материалов, так как магнитный поток изменяется только по значению. В связи с чем масса индукторного генератора оказывается больше массы классического синхронного генератора на 40 - ­60%. Так же у индукторного генератора высокий коэффициент искажения кривой напряжения, достигающий 20% и сравнительно большое изменение напряжения при изменении нагрузки. При всех своих достоинствах применение индукторных генераторов в летательных аппаратах невозможно, ввиду того, что они не являются автономными. Поэтому на борту летательных аппаратов для питания магистральных сетей переменного тока применяют генераторы с комбинированным возбуждение. В таких генераторах рабочий поток создается в результате совместного действия двух источников МДС ­ постоянного магнита и обмотки возбуждения. Такие генераторы применяются в отечественных самолетах таких как МиГ-23, Миг-27 и Су-24 (СГК-30/1,5 (рис.5) и СГК-30М) [6].

Рисунок. 1.5. Конструкция генератора СГК-30/1,5

1 ­ вал; 2 ­ фланец; 3, 8 ­ катушки обмотки управления трехфазного генератора; 4 ­ корпус; 5 ­ постоянный магнит индуктора трехфазного генератора; 6 ­ сердечник якоря трехфазного генератора; 7 ­ разъем; 9 ­ постоянный магнит индуктора однофазного генератора; 10 ­ сердечник якоря трехфазного генератора; 11 ­ патрубок; 12 ­ катушки обмотки управления однофазного генератора.

Одни из самых распространенных типов генераторов, применяемых в летательных аппаратах это бесконтактные синхронные генераторы с вращающимися выпрямителями. Достоинство такого генератора заключается в том, что мощность на возбуждение возбудителя основного генератора поступает не из сети, а отбирается от авиадвигателя через электромеханическое преобразование в подвозбудителе. При этом подвозбудитель используется в качестве используется в качестве источника питания цепей регулирования, защиты и управления системами электроснабжения. Такие генераторы нашили широкое применение на таких самолетах, как МиГ-29, Су-27, Ту-204, Ил-96, Ан-70. На рис. 6 показана конструкция синхронного генератора с вращающимися выпрямителями ГТ40ПЧ8 с воздушным охлаждением [2].

Рисунок 1.6. Конструкция генератора ГТ40ПЧ8

1 ­ гибкий вал; 2, 21 ­ подшипники; 3 ­ вывод; 4 ­ обмотка подвозбудителя; 5 ­ ротор подвозбудителя; 6 ­ статор подвозбудителя; 7 ­ корпус подвозбудителя; 8 ­ индуктор основного генератора; 9 ­ корпус генератора; 10 ­ статор основного генератора;

11 ­ полый вал; 12 ­ обмотка возбуждения основного генератора; 13 ­ обмотка статора; 14 ­ блок диодов; 15 ­ статор возбудителя; 16 ­ обмотка возбуждения возбудителя; 17 ­ якорь возбудителя; 18 ­ клеммовая панель; 19 ­ вентилятор; 20 ­ патрубок; 22 ­ разъем; 23 ­ клеммовая коробка трансформаторов тока; 24 ­ кожух; 25 ­ фланец крепления генератора на двигатель.

Одним из перспективных направлений развития автономных источников питания летательных аппаратов является применение генераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Эти генераторы отличают надежное возбуждение и отсутствие специального источника питания для цепи возбуждения, высокая эксплуатационная надежность в работе и простота технического обслуживания, высокий КПД, малая инерционность при переходных процессах, возможность работы при достаточно высоких температурах и частотах вращения [2].

По сравнению с генераторами с электромагнитным возбуждением конструкции индукторов магнитоэлектрических генераторов отличаются большим разнообразием и зависят не только от назначения и мощности генератора, но и от магнитных и технологических свойств магнитов. Различные конструкции индукторов, применяемых в генераторах с постоянными магнитами представлены на рисунке 1.7. Из-за невысоких магнитных характеристик материалов постоянных магнитов магнитоэлектрические генераторы по удельным показателям могли конкурировать с классическими синхронными генераторами лишь в области небольших мощностей [6].

Рисунок 1.7. Конструкции индукторов магнитоэлектрических генераторов с постоянными магнитами

а­­ - звездообразного типа без полюсных башмаков; б – звездообразного типа со сварными башмаками; в – с призматическими магнитами и сварными башмаками; г – с половинным числом постоянных магнитов; д – когтеобразного типа; е – с призматическими магнитами из редкоземельных материалов; ж – коллекторного типа; 1 – постоянный магнит; 2 – вал; 3 – магнитная сталь; 4 – немагнитная сталь; 5 – немагнитная втулка; 6 – алюминиевая заливка.

Но с началом промышленного освоения магнитов на основе интерметаллических соединений редкоземельных материалов с кобальтом и бескобальтовых редкоземельных постоянных магнитов на основе неодим – железо – бор стало возможно реализовывать магнитоэлектрические генераторы большой мощности. Так же по совершенствованию практического применения магнитоэлектрических генераторов связано с отказом от выполнения генератора в виде самостоятельного конструктивного агрегата и его поэлементным рассредоточением внутри авиадвигателя [6].