Национальный исследовательский университетНациональный исследовательский университет

«Московский Энергетический Институт»«Московский Энергетический Институт»

Кафедра «Электротехнические комплексы Кафедра «Электротехнические комплексы автономных объектов» (ЭКАО)автономных объектов» (ЭКАО)

до до 19971997 года года

«Электрооборудование летательных аппаратов»«Электрооборудование летательных аппаратов»

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.

Обеспечение теплового режима работы.

Исходные данные:

• электрическая мощность – 1 кВт• частота вращения ротора – 100 000 об/мин

Этапы создания высокоскоростных ЭТС с ЛГП рассмотрим на примере проектирования

электротурбогенератора ЭТГ-1.

Монолитные роторы высокоскоростных ЭТММонолитные роторы высокоскоростных ЭТМ

nBAoKфKi

Ррl

рD расч

7101,62

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

Коэрцитивная сила Hc, кА/м 40-50

Индукция насыщения Br, Тл 1,2 – 1,38

Плотность , г/см3 7,65–7,8

Предел текучести , МПа

в закалённом состоянии

в высококоэрцитивном состоянии

400-440 700-750

0

50

100

150

200

250

300

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225n, тыс. об/мин

Dр, мм

750 Мпа

400 Мпа

g

r

8)1(

)23( 22

max

Составные роторы ЭТМСоставные роторы ЭТММагнитные сплавы из группы

редкоземельных магнитов (неодим-железо-бор, самарий-кобальт)

Группа сплавов Nd-Fe-B Sm-Co

Коэрцитивная сила Hcв,

кА/м750 ÷ 960 540 ÷ 780

Остаточная индукция Br,

Тл1,02 ÷ 1,33 0,86 ÷ 1,14

Максимальное энергетическое произведение (ВН)max,

кДж/м3

205 ÷ 374 130 ÷ 244

Плотность , г/см3 7,4 ÷ 7,5 8,3 ÷ 8,5

Предел текучести , МПа: 70 ÷ 120 35 ÷ 80

Максимальная рабочая температура Трmах,

оС 200 350

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

Мощность на валу ….…………….…….… 350 Вт

Номинальная частота вращения ..……..… 90000 об/мин

Диапазон регулирования частоты вращения 20000-100000 об/мин

Производительность 10 – 50 м3/час

Степень повышения давления 0,03 ÷ 0,2

Напряжение питания 27 В

Режим работы Длительный

Количество ступеней сжатия 1

Габариты электоркомпрессора (без штуцеров) 100 мм × 160 мм

Габариты электронного блока 200×150×160 мм

Вес электрокомпрессора 5,2 кг

ЭТМ с ЛГП, разработанные в МЭИЭТМ с ЛГП, разработанные в МЭИ Электрокомпрессор ЭКВС-3,5Электрокомпрессор ЭКВС-3,5

Мощность на валу ….…………….…….… 3500 Вт

Номинальная частота вращения ..……..… 120000 об/мин

Диапазон регулирования частоты вращения 40000-120000 об/мин

Производительность 2,5 м3/мин

Степень повышения давления 1,8

Напряжение питания 220В, 50 Гц

Режим работы Длительный

Количество ступеней сжатия 1

Ресурс 50000 час

Габариты электоркомпрессора (без штуцеров) 150 мм × 280 мм

Габариты электронного блока 500×420×150 мм

Вес электрокомпрессора 12 кг

ЭТМ с ЛГП, разработанные в МЭИЭТМ с ЛГП, разработанные в МЭИ 5 5 кВт 2-х ступенчатый фреоновый кВт 2-х ступенчатый фреоновый

компрессоркомпрессор

Лепестковые газодинамическиеЛепестковые газодинамическиеподшипники (ЛГП)подшипники (ЛГП)

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, Liebherr Aerospace.

Лучший тип опор для высокоскоростных ЭТМ малой мощности (до 300 кВт)

Capstone Mohawk Innovative Technology Inc.

Atlas Copco

Области применения ЛГП в авиацииОбласти применения ЛГП в авиации

Turbojet Engine Demonstration (MITi)

ASM Airbus A320 (Liebherr)

Turbofan Engines (Chrysler)

ASM Embraer 135 (Honeywell)

ЛГП высокоскоростных электротурбомашин ЛГП высокоскоростных электротурбомашин конструкции НИУ МЭИконструкции НИУ МЭИ

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.

Каталог радиальных ЛГП, поставляемых МЭИКаталог радиальных ЛГП, поставляемых МЭИ

forced – конструкция ЛГП с дополнительными упругими элементами

ТипДиаметр

ротора, ммДлина, мм

Число лепестков

Макс. рабочая частота

вращения, тыс.об/мин

Статическая несущая способность, Н

сlassic forced

FGB11 10,5 13 4 364 2 -

FGB16 15,5 18 5 247 4 -

FGB20 19,5 24 6 196 7 -

FGB30 30 34 6 127 15 -

FGB40 39 44 7 98 25 42

FGB50 50 54 9 76 40 66

FGB61 61 70 11 63 75 105

FGB67 67 70 12 57 83 115

FGB74 74 70 13 52 91 127

FGB80 80 70 14 48 99 137

FGB84 84 85 14 46 126 175

FGB103 103 70 18 37 - 177

FGB103l 103 120 18 37 - 303

FBG126 126 120 22 30 - 371

Осевые ЛГП разработки НИУ МЭИОсевые ЛГП разработки НИУ МЭИ

TFGB170. Диаметр пяты ротора Ø 170 мм.Макс. осевая сила - 1600 Н.Частота вращения ротора до 45 000 об/мин.

TFGB37. Диаметр пяты ротора Ø 37 мм.Макс. осевая сила - 95 Н.Частота вращения ротора до 210 000 об/мин.

TFGB85. Диаметр пяты ротора Ø 85 мм.Макс. осевая сила - 430 Н.Частота вращения ротора до 90 000 об/мин.

Каталог осевых ЛГП, поставляемых МЭИКаталог осевых ЛГП, поставляемых МЭИ

ТипДиаметр пяты, мм

Наружный диаметр

подпятника, мм

Внутренний диаметр

подпятника, мм

Число лепе-стков

Номинальная частота

вращения, тыс. об/мин

Несущая способность при номин.

частоте вращения, Н

TFGB37 37 43 19 5 207 95

TFGB44 44 49 22 6 174 137

TFGB64 64 74 34 7 119 277

TFGB72 72 82 42 9 106 322

TFGB85 85 95 52 9 90 426

TFGB120 120 132 70 10 64 895

TFGB130 130 142 86 11 59 895

TFGB170 170 184 105 12 45 1684

TFGB220 225 234 125 16 34 3297

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: rumyantsev.m@gmail.com – Заведующий кафедрой ЭКАО

Румянцев Михаил Юрьевич,sigachev@foil-bearing.ru – научный сотрудник кафедры ЭКАО

Сигачев Сергей Иванович, т. +79160537997turbokom@mail.ru 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

второй части

http://www.energosovet.ru/stat751.html