ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2000 года по МПК B64D41/00 F16H41/00 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в энергетических установках летательных аппаратов и наземных транспортных средств.

Широко известны энергетические установки, применяемые в летательных аппаратах, в которых используется гидродинамический преобразователь крутящего момента, насосное колесо которого связано с валом приводного авиационного двигателя, а турбинное колесо связано с валом генератора переменного тока стабильной частоты (См. SU 1420864, 15.07.94).

В известных энергетических установках с гидродинамическими преобразователями на летательных аппаратах диапазон изменения частоты вращения приводного вала двигателя примерно равен двум. В этих энергетических установках происходит существенное снижение КПД с 88% до 65% из-за большого диапазона изменения частоты вращения входного вала. Кроме того, в известных энергетических установках при минимальных значениях частоты вращения приводного вала на валу турбины гидродинамического преобразователя снижается мощность примерно в два раза. Чтобы обеспечить номинальную мощность генератора на всех режимах обычно производят переразмеривание рабочих колес насоса и турбины, что приводит к еще большему снижению КПД известных энергетических установок. При работе в более широком диапазоне частоты вращения входного вала в межлопаточных каналах рабочих колес гидродинамических преобразователей могут возникать кавитационные явления, вызывающие колебания частоты тока генератора.

В известных энергетических установках, на режимах работы генератора в выключенном состоянии и с отключением от электросети летательного аппарата частота вращения генератора сохраняется постоянной, что приводит к уменьшению ресурса генератора и дополнительным энергетическим затратам. В наземных транспортных средствах работа энергетической установки с нагрузкой генератора обычно составляет не более 20% от времени работы маршевых двигателей. Для повышения ресурса и КПД энергетических установок режимы работы с остановленным или вращающимся с низкой частотой валом генератора при работающем маршевом двигателе являются целесообразными.

Проведенные нами исследования показали, что гидродинамический преобразователь крутящего момента в составе энергетической установки может обеспечить высокий КПД (более 80%) и полную нагрузку генератора, когда диапазон изменения передаточных отношений
(n_m/n_нас)max/(n_m/n_нас)min составляет величину не более 1,7
(n_m - частота ращения турбинного колеса,
n_нас - частота вращения насосного колеса).

Поэтому в наземных транспортных средствах с бензиновыми или дизельными двигателями, в которых частота вращения вала изменяется в два и более раз, для обеспечения полной мощности применение энергетических установок с одним гидродинамическим преобразователем становится не эффективным из-за низкого КПД и высокого тепловыделения в рабочую жидкость.

Мы предлагаем для достижения высокого КПД энергетической установки в полном диапазоне изменения частоты вращения входного вала в качестве привода одного генератора применять несколько гидродинамических преобразователей, связанных шестеренными передачами, каждый из которых работает при изменении передаточных отношений (n_m/n_нас)max/(n_m/n_нас)min не более чем в 1,7 раз.

Таким образом, если обозначить количество гидродинамических преобразователей в энергетической установке буквой Z, то диапазон изменения передаточных отношений для обеспечения режимов работы с высоким КПД каждого гидродинамического преобразователя должен составлять величину не более (1,7)^z.

Если частоту вращения входного вала гидродинамического преобразователя обозначить буквой n_дв, то при постоянстве частоты вращения вала генератора n_гconst и, следовательно, n_mconst диапазон изменения передаточных отношений гидродинамического преобразователя (n_m/n_дв)max/(n_m/n_дв)min можно записать так n_двmax/n_двmin.

Тогда диапазон частоты вращения входного вала для обеспечения работы гидродинамических преобразователей с КПД выше 80% можно записать так
n_двmax/n_двmin ≤ (1,7)^Z, (1)
где n_двmax - максимальная частота вращения вала приводного двигателя,
n_двmin - минимальная частота вращения вала приводного двигателя,
Z - количество гидродинамических преобразователей. Для удобства выбора оптимального числа гидродинамических преобразователей условие (1) выразим так:
log(n_двmax/n_двmin) ≤ Zlog1,7, т.е.

Z≥1/log1,7log(n_двmax/n_двmin) или Z≥4,4 log(n_двmax/n_двmin).

Таким образом, число гидродинамических преобразователей для заданного диапазона изменения частоты вращения приводного вала должно быть равно или более величины
4,4 log(n_двmax/n_двmin).

Целью изобретения является обеспечение работы энергетической установки с высоким КПД в широком диапазоне частоты вращения вала приводного двигателя и обеспечения полной нагрузки генератора, а также повышения надежности, ресурса и КПД на режимах отключения генератора от электросети транспортного средства.

Поставленная цель достигается тем, что в энергетической установке, включающей насос подачи рабочей жидкости с приводным валом, гидродинамические преобразователи одинакового направления вращения, в которых насосные колеса соединены с валом приводного двигателя, а турбинные колеса связаны с валом генератора переменного тока стабильной частоты, и содержащей устройство переключения подачи рабочей жидкости в каждый гидродинамический преобразователь, количество которых выбирается из условия
n_двmax/n_двmin ≤ (1,7)^Z,
где n_двmax - максимальная частота вращения вала приводного двигателя;
n_двmin - минимальная частота вращения вала приводного двигателя,
а приводной вал насоса подачи рабочей жидкости связан напрямую или через шестеренную передачу с валом генератора, и его напорная полость поочередно соединена каналами через устройство переключения подачи рабочей жидкости во внутренние полости гидродинамических преобразователей. Кроме того, на режимах отключения генератора от электросети энергетическая установка снабжена дополнительным насосом, приводимым от вала приводного двигателя и дополнительным струйным насосом, сопло которого связано с напорной полостью дополнительного насоса, а камера всасывания струйного насоса каналами соединена через устройство переключения подачи рабочей жидкости с внутренними полостями гидродинамических преобразователей.

На чертеже схематически изображена в качестве примера предлагаемая энергетическая установка транспортного средства.

Представленная энергетическая установка содержит два гидродинамических преобразователя 1 и 2, насосные колеса 3, 4 которых связаны шестеренными передачами 5, 6 с входным валом 7, соединенным с раздаточной коробкой приводного двигателя, а турбинные колеса 8, 9 через шестеренные передачи 10, 11, 12 соединены с валом 13, который связан при помощи рессоры 14 с валом 15 генератора 16. На валу генератора 16 установлен насос подачи рабочей жидкости 17, который каналами 18, 19 соединен с выходом дополнительного центробежного насоса 20, вход которого соединен каналом 21 с емкостью 22 рабочей жидкости. Дополнительный центробежный насос 20 шестеренной передачей 23 связан с валом 7. Выход 24 насоса подачи рабочей жидкости 17 каналами 25, 26 соединен с краном 27, управляемым электромагнитом 28, а каналом 29 соединен с системой регулирования 30 частоты тока генератора 16. Кран 27 каналом 31 соединен с выходом 32 из внутренней полости 33 гидродинамического преобразователя 1 и каналом 34 соединен с выходом 35 из внутренней полости 36 гидродинамического преобразователя 2. Кроме того, каналами 37, 38 кран 27 подключен к камере всасывания дополнительного струйного насоса 39, сопло 40 которого соединено каналом 19 с выходом насоса 20, а выход струйного насоса 39 каналом 41 соединен с емкостью рабочей жидкости 22. Каналами 42 и 43 кран 27 соединен с соплами 44,45 струйного насоса 46 генератора 16, а каналом 47 - с устройством 48 переключения подачи рабочей жидкости в гидродинамические преобразователи 1 и 2. Устройство 48 переключения подачи рабочей жидкости соединено каналами 49 и 19 с выходом дополнительного насоса 20 и каналом 50 с входом 51 во внутреннюю полость 33 гидродинамического преобразователя 1, а каналом 52 с входом 53 во внутреннюю полость 36 гидродинамического преобразователя 2. Во внутренней полости 33 гидродинамического преобразователя 1 установлен направляющий аппарат 54, лопатки 55 которого поворачиваются при помощи зубчатых секторов 56, жестко закрепленных на осях лопаток 55. Зубчатые сектора 56 соединены внутренним зацеплением с зубчатым венцом 57, связанным со штоком-рейкой 58 сервопоршня 59. На сервопоршень 59 воздействует давление рабочей жидкости, поступающей по каналам 60 и 61 от системы регулирования 30 частоты тока генератора 16. Со штоком-рейкой 58 сервопоршня 59 связан также зубчатый венец 62, зубчатые сектора 63 и лопатки 64 направляющего аппарата 65 гидродинамического преобразователя 2. На валу 15 генератора 16 размещен насос-сепаратор 66, который отделяет воздух из рабочей жидкости, поступающей из струйного насоса 46. Чистая жидкость по каналу 68 направляется в емкость рабочей жидкости 22, а воздух и пары по каналам 69 возвращаются во внутреннюю полость 67 генератора 16.

Электромагнит 28 крана 27 соединен проводом 70 с системой управления энергетической установкой (не показана).

Предлагаемая энергетическая установка имеет два режима работы. Первый режим - режим обеспечения генератором электрической нагрузки. Этот режим может включаться на стоянке транспортного средства при работающем двигателе или при движении транспортного средства на любом режиме работы двигателя. Подключение и контроль нагрузки генератора производится путем подачи сигнала (например +27В) на электромагнит 28 с пульта управления из кабины транспортного средства. Электромагнит 28 перемещает кран 27 в положение включения нагрузки генератора 16. В этом положении крана 27 соединяются каналы 26 и 47, через которые жидкость поступает к устройству 48 переключения подачи рабочей жидкости во внутренние полости 33, 36 гидродинамических преобразователей 1, 2. Устройство 48 подает рабочую жидкость на вход 51 или 53 гидродинамических преобразователей 1, 2 в зависимости от давления за насосом 20, величина которого, в свою очередь, зависит от частоты вращения входного вала 7. Каждый гидродинамический преобразователь работает в зоне максимального КПД выше 80%. Так, гидродинамический преобразователь 1 работает в диапазоне частоты вращения входного вала
n_дв1/n_двmin = 1,7, а гидродинамический преобразователь 2 работает в следующем диапазоне изменения частоты вращения входного вала
n_двmax/n_дв1 ≤ 1,7 до ≤ 2,9.

Таким образом, два гидродинамических преобразователя в энергетической установке могут обеспечить работу с КПД выше 80% в диапазоне частоты вращения входного вала
n_двmax/n_двmin ≤ 1,7 • 1,7 ≤ 2,9
Устройство 48 переключения подачи рабочей жидкости работает таким образом, что в диапазоне изменения частоты вращения входного вала
n_двmax/n_двmin ≤ 1,7 канал 47 подключается к каналу 50 и входу 51 во внутреннюю полость 33 гидродинамического преобразователя 1. Затем при достижении частоты вращения входного вала n₁ = n_двmin • 1,7 под действием давления рабочей жидкости за насосом 20 устройство 48 переключается во второе положение, в котором канал 47 соединяется с каналом 52 и входом 53 во внутреннюю полость гидродинамического преобразователя 2.

При поступлении рабочей жидкости во внутреннюю полость гидродинамического преобразователя 1 или 2 происходит передача крутящего момента от вала 7 на вал 15 генератора 16 за счет гидродинамических сил потока рабочей жидкости от насосного колеса 3 или 4 к колесу турбины 8 или 9. После колеса турбины 8 или 9 рабочая жидкость проходит между лопатками направляющего аппарата 54, 65, где происходит ее закрутка по направлению вращения насосного колеса 3, 4 и изменение расхода рабочей жидкости.

Поддержание стабильной частоты тока генератора 16 осуществляется системой регулирования 30, которая воздействует по каналам 60, 61 на сервопоршень 59. Сервопоршень 59 через шток-рейку 58, зубчатый венец 57, 62 и зубчатые сектора 56, 64 поворачивает лопатки 55, 62 направляющих аппаратов 54, 65. Например, при увеличении частоты вращения входного вала 7 или уменьшении нагрузки на генераторе 16 от системы регулирования 30 в полость сервопоршня 59 поступает давление рабочей жидкости на закрытие лопаток 55, 62, при этом полость с другой стороны сервопоршня 59 соединяется со сливом. При закрытии лопаток 55, 62 уменьшается расход рабочей жидкости на входе в насосное колесо 3,4 и увеличивается закрутка потока, соответственно уменьшается крутящий момент на турбинном колесе 8, 9 и уменьшается частота вращения генератора 16. Перемещение сервопоршня 59 происходит до тех пор, пока не установится номинальная частота вращения турбинного колеса 8, 9 и, соответственно, вала 15 генератора 16. При уменьшении частоты вращения вала 7 или увеличении нагрузки на генераторе 16 сервопоршень 59 под воздействием системы регулирования 30 перемещается в сторону открытия лопаток 56, 62. При открытии лопаток 56, 62 растет расход рабочей жидкости на входе в насос 3, 4 и соответственно растет частота вращения вала 15 генератора 16. Перемещение сервопоршня 59 происходит до тех пор, пока не установится номинальная частота вращения вала 15 генератора 16. В систему регулирования 30 рабочая жидкость поступает под давлением с выхода центробежного насоса 17, расположенного на валу 15 генератора 16. На вход в центробежный насос 17 рабочая жидкость подается с выхода дополнительного центробежного насоса 20.

На режиме включения нагрузки генератора 16 сопла 44, 45, расположенные на входе в камеру смешения струйного насоса 46, соединяются каналами 42, 43 через кран 27 с каналами 31, 34 и внутренними полостями 33, 36 гидродинамических преобразователей 1, 2. Из гидродинамического преобразователя, вход которого соединен в данный момент с каналом 47 через устройство переключения 48, жидкость поступает в сопло струйного насоса 46 под давлением рабочей жидкости во внутренней полости этого гидродинамического преобразователя. В этот момент в другом гидродинамическом преобразователе, в котором отключен подвод рабочей жидкости устройством переключения 48, во внутренней полости устанавливается разрежение, которое поддерживается за счет скоростного напора рабочей жидкости, выходящей из сопла первого гидродинамического преобразователя. В гидродинамическом преобразователе, во внутренней полости которого устанавливается разрежение, передача крутящего момента от насосного колеса к турбинному колесу практически отсутствует, также отсутствуют потери энергии во внутренней полости этого гидродинамического преобразователя.

Потери энергии в гидродинамическом преобразователе, заполненном жидкостью, переходят в тепло, нагревающее рабочую жидкость, которая перед сливом в емкость 22 охлаждается в теплообменнике (на чертеже не показан).

Потери энергии, возникающие при работе генератора 16, также переходят в тепло, для снятия которого производится прокачка рабочей жидкости через внутреннюю полость генератора 16. Этот процесс осуществляется следующим образом: часть рабочей жидкости с выхода насоса 17 по каналам направляется в полый вал 15. В валу 15 установлены группы жиклеров для охлаждения диодов и обмоток генератора. Из жиклеров рабочая жидкость выбрасывается струями на обмотку ротора генератора 16, пройдя которую она попадает на обмотку статора генератора 16. В процессе охлаждения обмоток ротора и статора генератора 16 рабочая жидкость дробится на мелкие капли, частично испаряется и далее паровоздушная смесь попадает на вход в камеру смешения струйного насоса 46. Из камеры смешения струйного насоса 46 рабочая жидкость поступает на вход в насос-сепаратор 66. Во входной части насоса-сепаратора 66 имеется винтовое колесо, в котором рабочая жидкость отжимается центробежными силами к периферии, а воздух и пары остаются в центральной части насоса-сепаратора и возвращаются в полость 69 генератора 16. Отделенная жидкость поступает в центробежное колесо насоса-сепаратора, в котором ее давление повышается до давления слива и по каналу 68 возвращается в емкость 22.

Второй режим работы энергетической установки - режим отключения генератора от электросети транспортного средства. На этом режиме обеспечивается уменьшение частоты вращения вала 15 генератора 16 практически до нуля при вращающихся от вала 7 насосных колесах 3,4 гидродинамических преобразователей 1, 2 и при работающем двигателе транспортного средства. Кран 27 в этом случае находится в положении, показанном на чертеже. Дополнительный центробежный насос 20, приводимый от вала 7, создает давление рабочей жидкости, поступающей на вход по каналу 21 из емкости 22. С выхода насоса 20 по каналу 19 рабочая жидкость поступает в сопло 40 дополнительного струйного насоса 39, а по каналу 18 в насос 17. Далее через полый вал 15, внутреннюю полость генератора 16, струйный насос 46 и насос-сепаратор 66 по каналу 68 возвращается в емкость 22. Одновременно по каналам 25, 26 рабочая жидкость подходит к крану 27. На этом режиме канал 26 перекрыт краном 27 и подача рабочей жидкости во внутренние полости 33 и 36 гидродинамических преобразователей 1, 2 отсутствует. Одновременно выход 32 из внутренней полости 33 гидродинамического преобразователи 1 каналом 31 соединен через кран 27 с каналами 37 и 38 и входом в камеру всасывания дополнительного струйного насоса 39. Выход 35 из внутренней полости 36 гидродинамического преобразователя 2 каналами 34 и 38 соединен с камерой всасывания дополнительного струйного насоса 39. Из внутренних полостей 33 и 36 гидродинамических преобразователей 1, 2 рабочая жидкость отсасывается струйным насосом 39 и направляется в емкость 22. На этом режиме также перекрыты каналы 42, 43 к соплам 44, 45 струйного насоса 46 краном 27. Во внутренних полостях гидродинамических преобразователей 1, 2 возникает разреженная паровоздушная смесь и передача крутящего момента от насосных колес 3, 4 к турбинным колесам 8 и 9 отсутствует. Вал 15 генератора 16 вращается с небольшой частотой или останавливается, потери энергии, затрачиваемые на вращение генератора, практически отсутствуют.

Таким образом, в предлагаемой нами энергетической установке может быть осуществлено включение и выключение нагрузки генератора по сигналу оператора из кабины транспортного средства, обеспечение работы энергетической установки с отключенным генератором при работающем двигателе, переключение работы генератора с одного гидродинамического преобразователя на другой и обратно в зависимости от значений частоты вращения входного вала. Подвод рабочей жидкости производится только в один из двух гидродинамических преобразователей. В другой гидродинамический преобразователь подвод рабочей жидкости перекрыт. При увеличении частоты вращения входного вала в 1,7 раза открывается подвод рабочей жидкости во второй гидродинамический преобразователь, а в первый гидродинамический преобразователь подача рабочей жидкости прекращается. Во внутренней полости гидродинамического преобразователя, в который прекращен подвод рабочей жидкости, за счет работы струйного насоса появляется разрежение и передача крутящего момента от насосного колеса к турбинному колесу прекращается, а гидравлические потери, возникающие при вращении колес, резко уменьшаются. В другом гидродинамическом преобразователе при поступлении рабочей жидкости во внутреннюю полость начинается гидродинамическое взаимодействие между насосным колесом и колесом турбины и начинает передаваться на генератор крутящий момент от двигателя.

В предлагаемой энергетической установке может быть обеспечена полная мощность генератора и высокий КПД (более 80%) в широком диапазоне частоты вращения входного вала (в рассматриваемом примере частота вращения вала двигателя изменяется в 2,9 раза), а также обеспечена высокая надежность и ресурс на режимах отключения генератора от электросети транспортного средства.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в энергетических установках летательных аппаратов и наземных транспортных средств. Энергетическая установка содержит гидродинамические преобразователи одинакового направления вращения, генератор переменного тока стабильной частоты, устройство переключения подачи рабочей жидкости в гидродинамические преобразователи, насос подачи рабочей жидкости с приводным валом. Гидродинамические преобразователи, связанные шестеренными передачами, применяются в качестве привода генератора. При этом каждый гидродинамический преобразователь работает при изменении передаточных отношений не более чем в 1,7 раз. Такое выполнение установки позволит обеспечить работу с высоким КПД в широком диапазоне частоты вращения и полную нагрузку генератора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Энергетическая установка, преимущественно для транспортного средства, включающая гидродинамические преобразователи одинакового направления вращения, насосные колеса которых связаны с валом приводного двигателя, а турбинные колеса связаны с валом генератора переменного тока стабильной частоты, устройство переключения подачи рабочей жидкости в гидродинамические преобразователи, насос подачи рабочей жидкости с приводным валом, отличающаяся тем, что в ней количество гидродинамических преобразователей Z, связанных между собой при помощи устройства переключения подачи рабочей жидкости, выбирается из условия
n_двmax/ n_двmin ≤ (1,7)^Z,
где n_двmax - максимальная частота вращения вала приводного двигателя;
n_двmin - минимальная частота вращения вала приводного двигателя,
а приводной вал насоса подачи рабочей жидкости связан с валом генератора, и его напорная полость каналами соединена с устройством подачи рабочей жидкости во внутренние полости гидродинамических преобразователей. 2. Энергетическая установка транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что для работы на режимах отключения генератора от электросети, она снабжена дополнительным насосом, приводимым от вала приводного двигателя, и дополнительным струйным насосом, сопло которого связано с напорной полостью дополнительного насоса, а камера всасывания струйного насоса соединена каналами, через устройство переключения подачи рабочей жидкости, с внутренними полостями гидродинамических преобразователей и внутренней полостью генератора.