Разработка и математическое моделирование аксиального центробежного двигателя-насоса с короткозамкнутым ротором

Актуальность темы

Количество насосов различного назначения, выпускаемых промышленностью технически развитых стран, исчисляется в настоящее время миллионами штук в год. Основная масса применяемых насосов является электроприводными. Электрическая энергия, потребляемая ими, составляет существенную часть в энергетическом балансе стран [121]. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования, направленные на совершенствование рабочих процессов и повышение КПД машин этого вида имеют очень большое значение. В обычных условиях масса насоса не играет большой роли, однако в транспортном машиностроении и особенно в авиации, масса применяемых насосов имеет существенное значение. Электроприводные насосы составляют основную часть массы электрооборудования летательного аппарата и являются основными потребителями электроэнергии, производимой на борту воздушного судна [127]. Применяемые в настоящее время авиационные насосы с приводом от электродвигателей постоянного тока не отвечают требованиям необходимой надежности и минимальных массы и энергопотребления. Поэтому основными направлениями развития электроприводных насосов вообще и авиационных в частности являются:

— совершенствование рабочих процессов насосов;

— совершенствование рабочего процесса привода;

— повышение КПД насосов;

— снижение производственных, эксплуатационных и ремонтных затрат;

— автоматизация технологических процессов при производстве;

— снижение энергопотребления;

— снижение металлоемкости;

— повышение надежности, увеличение ресурса насосов и приводов;

— для авиационных насосов, кроме того, снижение массы агрегата.

Реализация выше перечисленных направлений невозможна без совершенствования конструкции электроприводных насосов, новых решений в технологии их производства и автоматического регулирования рабочего процесса по оптимальным программам управления. Существующие конструкции насосных агрегатов и особенно их электроприводов, не приспособлены к работе в автоматическом режиме с гидравлической сетью с изменяющимися параметрами. Отсутствие оптимизированных способов управления насосами и их приводами сдерживает развитие этой отрасли техники.

Объектом исследования в данной работе является электроприводной насос, а именно — авиационный топливный насос, который может быть установлен в топливной системы самолета. Предлагаемая конструкция насоса представляет собой результат слияния машины — привода и машины — орудия и отличается от аналогов простотой конструкции, технологичностью и малым весом. Последнее особенно важно для применения в авиации.

В силу упрощения конструкции и исключения из нее отдельных элементов, а также вследствие изменения рода тока существенно повышается надежность и безотказность работы топливного насоса. Поскольку надежность работы насосов является одной из составных частей надежности работы топливной системы самолета в целом, а надежность топливной системы, в свою очередь, является составной частью безопасности полетов, то, очевидно, предлагаемая конструкция применительно к авиации позволяет существенно повысить безопасность полетов в целом как один из основных показателей авиационной системы.

Из сказанного следует важность работ по дальнейшему развитию предлагаемой конструкции двигателя — насоса.

Другим, не менее важным аспектом усовершенствования электроприводных насосов является усовершенствование параметров рабочего процесса двигателя и насоса. В электрооборудовании самолетов в последнее все большее применение находит трехфазный переменный ток с частотой 400 Гц и напряжением 120/208 В [20]. Это позволяет заменить применяемые в настоящее время в качестве привода насосов двигатели постоянного тока на более надежные асинхронные двигатели.

Применение асинхронных двигателей делает возможным автоматическое частотное управление двигателем на базе автономных инверторов. Регулирование частоты вращения, помимо повышения КПД двигателя, позволяет повысить КПД насоса при изменении параметров сети [99,108,128]. Теория гидромашин [39,54,122] показывает, что при регулировании подачи насоса с помощью изменения частоты вращения достигается максимальный КПД насоса. Однако существующие механические и гидравлические системы регулирования частоты вращения насосов сложны, ненадежны, имеют большой вес и стоимость. Поэтому применение этого способа регулирования ограничивается насосами весьма большой мощности. Применение частотного тири-сторного управления частотой вращения двигателя [87,116,132] позволяет использовать этот перспективный способ регулирования подачи в топливной системе самолета. Применение микропроцессорного управления позволяет автоматизировать процесс регулирования подачи [83.87,93,97,98,103,106,107, 118,120,129,130,134,137] и перейти от дискретной программы выработки топлива к более точной аналоговой программе, уменьшив тем самым перемещение центра тяжести самолета в ходе выработки топлива [25]. Это улучшает характеристики устойчивости и управляемости самолета, что также положительно сказывается на безопасности полетов.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и математическое моделирование частотно-управляемого асинхронного центробежного двигателя — насоса с короткозамкнутым ротором для использования в топливной системе самолета.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

— выявить основные недостатки существующих конструкций электроприводных насосов;

— разработать конструкцию аксиального центробежного двигателя — насоса с короткозамкнутым ротором, устраняющую основные недостатки существующих конструкций электроприводных насосов;

— разработать методику расчета асинхронного двигателя для аксиальной конструкции и обосновать правомерность ее применения;

— провести предварительный расчет предлагаемой конструкции для случая авиационного топливного насоса, оценить снижение массы агрегата;

— обосновать возможность регулирования подачи топливного насоса изменением частоты питающего тока;

— выбрать закон частотного управления двигателем — насосом для достижения максимального КПД;

— определить основные соотношения и характеристики аксиального центробежного двигателя — насоса при частотном управлении, разработать математическую модель двигателя — насоса;

Методы исследования. В теоретических исследованиях использована теория обобщенного электромеханического преобразователя энергии, теория электромагнитного поля, математический аппарат матричного анализа электрических машин, теория электромагнитного поля при частотном управлении и метод синтеза электрических машин. Поставленные задачи решены аналитическими, численными и экспериментальными методами с использованием метода планирования эксперимента в электромеханике.

Научная новизна. В диссертационной работе поставлены и решены теоретические вопросы разработки частотно-управляемого аксиального центробежного двигателя — насоса с короткозамкнутым ротором:

— показана возможность регулирования подачи малоразмерного насоса с помощью изменения частоты тока привода;

— разработана модифицированная методика расчета для двигателя-насоса аксиальной схемы;

— выбран закон частотного управления, обеспечивающий максимальный КПД насоса при изменении расхода в гидросети;

— разработана математическая модель и выполнено математическое моделирование частотно — управляемого центробежного двигателя — насоса;

— выявлена взаимосвязь параметров и динамических характеристик аксиального центробежного двигателя — насоса с короткозамкнутым ротором при частотном управлении.

Практическая ценность. Настоящая работа имеет прикладной характер и основной своей задачей ставит вопрос улучшения качества работы топливной системы самолета. В связи с этим в работе решены следующие практические вопросы:

— выполнен анализ работы существующих авиационных топливных насосов с приводом от двигателей постоянного тока;

— показано, что применяемый в настоящее время привод авиационных топливных насосов от двигателей постоянного тока представляет прямую угрозу безопасности полетов;

— разработана конструкция частотно — управляемого аксиального центробежного двигателя — насоса с короткозамкнутым ротором, имеющий лучшие массовые, энергетические, регулировочные и технико — экономические характеристики;

— разработана модифицированная методика расчета для двигателя-насоса аксиальной схемы;

Автор защищает:

— конструкцию авиационного топливного аксиального центробежного двигателя — насоса с короткозамкнутым ротором;

— модифицированную методику расчета аксиального асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором;

— закон частотного управления двигателем — насосом, обеспечивающий максимальный КПД;

— комплекс динамических характеристик авиационного топливного частотно — управляемого аксиального центробежного двигателя — насоса и полученные при этом связи между характеристиками и параметрами двигателя.

Реализация результатов работы. Полученные в работе результаты использованы в учебном процессе Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков (военного института) при проведении занятий по дисциплинам «Конструкция и эксплуатация самолета и двигателя», «Авиационное и радиоэлектронное оборудование самолета» и «Электротехника».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение научной общественности: на третьей межвузовской научной конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (Краснодар, 2004 г.) — на совместном заседании кафедр «Физика и электротехника» и «Аэродинамика и динамика полета» Краснодарского военного авиационного института (Краснодар, 2004 г.), на шестой межвузовской научной конференции «Инновационные технологии в образовательном процессе» (Краснодар, 2004 г.), на четвертой южнороссийской конференции «Энерго — и ресурсосберегающие технологии и установки» (Краснодар, 2005 г.), на седьмой межвузовской научной конференции «Инновационные технологии в образовании» (Краснодар, 2005 г.).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 13 работах автора.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 132 наименований и.

Основные результаты и выводы по диссертационной работе:

1. Принятая в практике типовая схема электроприводных авиационных топливных насосов с единым валом и системой уплотнений не современна. Применение в качестве привода двигателей постоянного тока представляет угрозу безопасности полетов. Низкое (27 В) напряжение постоянного тока в бортовой сети самолета приводит к появлению больших токов при работе агрегатов и существенному снижению их надежности. Применение систем электроснабжения трехфазным переменным током не снимает проблемы низкой экономичности насосных установок (электроприводных насосов).

2. С целью улучшения массогабаритных показателей и повышения КПД топливных насосов целесообразна замена механической связи двигателя и насоса электромагнитной связью, за счет совмещения центробежного насоса и аксиального асинхронного двигателя в единое устройство путем объединения в единое целое рабочего колеса центробежного насоса и короткозамкнутого ротора аксиального АД. Поскольку электроприводные топливные насосы являются основными потребителями электроэнергии на всех эксплуатационных режимах, обеспечение оптимального регулирования параметров топливопо-дачи, возможности более точной настройки топливной системы на основе микропроцессорного управления агрегатами позволяет существенно повысить экономичность энергосистемы самолета в целом.

3. Исходя из этого, проведена разработка нового устройства — аксиального центробежного двигателя — насоса с короткозамкнутым ротором. По сделанным оценкам снижение массы топливного насоса при этом составляет от 33 до 54%. При этом имеются пути снижения стоимости устройства за счет технологических решений. Для расчета аксиального центробежного двигателя — насоса разработана модифицированная методика расчета аксиального асинхронного двигателя. Определены основные параметры, необходимые для дальнейших исследований. Сделан вывод о необходимости частотного регулирования разрабатываемого агрегата под микропроцессорным управлением. Проведено моделирование магнитного поля электрических машин без учета сердечников.

4. Составлена и решена система дифференциальных уравнений, описывающая переходные процессы асинхронных двигателей — насосов с целью получить характер электромагнитных и электромеханических переходных процессов при пуске, торможении, изменении режима работы топливной системы. При этом дана количественная оценка влияния параметров двигателя и насоса на важнейшие показатели, характеризующие переходный процесс в системе. Для этого был применен метод планирования эксперимента на основе ортогонального центрального композиционного планирования при 4-х переменных, а Р ^ Мс и предусматривающий проведение 25 экспериментов. В пределах диапазона изменения параметров, выбранного для моделирования (±20% от базовых значений), полиномиальная модель показывает для целевых функций отклонение от значений, полученных при математическом моделировании, в пределах ±5%, т. е. с достаточной в для инженерных расчетов точностью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате исследований, выполненных в работе, осуществлено расширение и углубление теории частотного управления асинхронным двигателем применительно к двигателям — насосам.

Поставленная в работе цель достигнута и закономерно вытекает из объективной необходимости развития теории и практики частотного управления аксиальными асинхронными двигателями с помощью микропроцессорного управления.