Национальный исследовательский университет Национальный исследовательский университет «Московский Энергетический «Московский Энергетический Институт» Институт» Кафедра «Электротехнические Кафедра «Электротехнические комплексы автономных объектов» комплексы автономных объектов» (ЭКАО) (ЭКАО) до до 1997 1997 года года «Электрооборудование летательных «Электрооборудование летательных аппаратов» аппаратов» Опыт разработки высокоскоростных электротурбомашин (ЭТМ) с лепестковыми газодинамическими подшипниками (ЛГП) Часть I Захарова Н.Е., Румянцев М.Ю., Сигачев С.И. Москва, 2014г.
37
Embed
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) - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Национальный исследовательский университетНациональный исследовательский университет
Опыт разработки высокоскоростных электротурбомашин (ЭТМ)
с лепестковыми газодинамическими подшипниками (ЛГП)
Часть IЗахарова Н.Е., Румянцев М.Ю., Сигачев С.И.
Москва, 2014г.
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 кВт с частотой вращения 20-180 тыс. об/мин
МЕХАНИКАГазовые опоры
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКАЭД (статор, ротор)
ЭЛЕКТРОНИКАвысокочастотный преобразователь
АЭРОДИНАМИКАПроточная часть(колёса, улитки)
ВЫСОКОСКОРОСТНАЯТУРБОМАШИНА
• 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 ЭТМЭтапы создания высокоскоростных ЭТМ Выбор типа электромеханического
преобразователя энергии. Обеспечение механической прочности ротора. Выбор типа подшипников. Выбор алгоритмов управления
электромеханическим преобразователем от электронного блока.
Температурный коэффициент по остаточной индукции λв, %/ оС
- 0,12- (0,03 ÷ 0,045)
Температурный коэффициент по коэрцитивной силе λс,
%/ оС
- 0,6 - (0,19 ÷ 0,25)
Ротор ЭТГ-1
Моделирование процессов ЭТМ Моделирование процессов ЭТМ Результаты моделирование магнитного поля в Результаты моделирование магнитного поля в
электрогенераторе ЭТГ-1 с помощью пакета электрогенераторе ЭТГ-1 с помощью пакета COMSOLCOMSOL
Распределение индукции вдоль расточки якоря
Распределение магнитного поля
Моделирование процессов ЭТМ Моделирование процессов ЭТМ Моделирование ЭТГ-1 при работе на нагрузку в Моделирование ЭТГ-1 при работе на нагрузку в
генераторном режиме (генераторном режиме (Matlab)Matlab)
Моделирование процессов ЭТМ Моделирование процессов ЭТМ Результаты моделирования ЭТГ-1 при работе на Результаты моделирования ЭТГ-1 при работе на
нагрузку в генераторном режиме (нагрузку в генераторном режиме (Matlab)Matlab)
Фазные напряжения
Фазные токи
Моделирование процессов ЭТМ Моделирование процессов ЭТМ Моделирование ЭТГ-1 при работе на нагрузку в Моделирование ЭТГ-1 при работе на нагрузку в
генераторном режимегенераторном режиме (Simulink) (Simulink)
Модель механической подсистемы
Алгоритм вычисления электромагнитного момента
Структурная схема генераторного режима работы ЭТМ
33D D эскиз турбогенератора ЭТГ-1 эскиз турбогенератора ЭТГ-1 для для ORC ORC модулямодуля
Элементы турбогенератора ЭТГ-1Элементы турбогенератора ЭТГ-1
Турбогенератор ЭТГ-1Турбогенератор 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-1Обеспечение 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 контроляВид дисплея системы управления и контроля ЭТГ-1ЭТГ-1
Испытания ЭТГ-1 на фреоновом стендеИспытания ЭТГ-1 на фреоновом стенде
Отчет Texas A&M University (2013г.) http://rotorlab.tamu.edu/tribgroup/13presentations/GT2013-95975%20MMFB(2).pdf
Нас цитируют
Сюжет на канале Россия24 http://www.youtube.com/watch?v=IKZ7cTBti7c
ЭТМ с ЛГП, разработанные в МЭИЭТМ с ЛГП, разработанные в МЭИЭлектрокомпрессор ЭКВС 0,35Электрокомпрессор ЭКВС 0,35
Применение ЛГП позволяетПрименение 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 ЛГПОсобенности 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 МЭИТеоретический расчет ЛГП в НИУ МЭИ
1grad grad graddiv ,
3
div 0; .
pt
pT
t
uu u u u
u
Давление в смазочном зазоре
,20
4
4
4
22
4
4
4
zpDh
rpw
z
w
z
w La
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.
12
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40
2
4
6
8
Qmax, atm
*1
1х
1у
2х
2у
1O
2O
Нагрузочная характеристика
Максимальное избыточное давление
Экспериментальные исследования ЛГП в НИУ МЭИЭкспериментальные исследования ЛГП в НИУ МЭИ
Радиальные ЛГП разработки НИУ МЭИРадиальные ЛГП разработки НИУ МЭИ
FGB103. Цапфа ротора Ø 103 мм.Применяется при весе ротора 40…60 кг. Частота вращения ротора до 40000 об/мин.
FGB11. Цапфа ротора Ø 10,5 ммПрименяется при весе ротора 0,1…0,3 кг. Частота вращения ротора до 240.000 об/мин.
FGB50. Цапфа ротора Ø 50 мм.Применяется при весе ротора 4…10 кг. Частота вращения ротора до 80000 об/мин.
Ресурс турбомашин с лепестковыми Ресурс турбомашин с лепестковыми газодинамическими подшипникамигазодинамическими 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.
Электрическая часть энергоустановок Электрическая часть энергоустановок с ЭТМ малой мощностис ЭТМ малой мощности
ЭНЕРГИЯ
Составляющие потерь мощности в ЭТМ22 dфcu IRP
jjzzудfe MBMBfPP ***
4,47,07,112 4,41*1061,1 ррТВ DpnP
Потери в меди 2%
Потери в стали27%
Потери в опорах
40%
Аэродинамическиепотери
31%
h
LRPЛГО
322
ПРЕДЛОЖЕНИЯ по ПРЕДЛОЖЕНИЯ по СОТРУДНИЧЕСТВУСОТРУДНИЧЕСТВУ
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 614e-mail: [email protected] – Заведующий кафедрой ЭКАО
Румянцев Михаил Юрьевич,[email protected] – научный сотрудник кафедры ЭКАО
Сигачев Сергей Иванович, т. [email protected] http://foil-bearing.ru
Кафедра ЭКАО НИУ МЭИКафедра ЭКАО НИУ МЭИ Продолжение: «Применение ЛГП НИУ Продолжение: «Применение ЛГП НИУ МЭИ в высокоскоростных ЭТМ» - во МЭИ в высокоскоростных ЭТМ» - во