Энергетическая установка

 

Использование: в силовых установках с двигателями внутреннего сгорания, работающими автономно или в электроэнергетической системе. Сущность изобретения: установка с валом, на котором посажена первая полумуфта, турбонагнетатель с турбинами и дополнительным валом, на котором посажена вторая полумуфта, первая и вторая электрические машины с якорями и индукторами, связанные через полумуфту с соответствующими валами двигателя и турбонагнетателя и система управления двигателя. В системе управления двигателя первая и вторая электрические машины выполнены униполярными в виде единого агрегата, первая и вторая полумуфты выполнены в виде соосно установленных навстречу друг другу полых ферромагнитных цилиндров с пазами. Якори электрических машин размещены между полумуфтами, полый цилиндр второй полумуфты разделен немагнитным кольцом, расположенным в теле этого цилиндра по магнитной оси индуктора второй униполярной машины, индуктор первой электрической машины снабжен системой управления и выполнен в виде ферромагнитного цилиндра с кольцевыми обмотками возбуждения, в торцах внешней цилиндрической поверхности которого установлены два кольцевых диска и защитный цилиндр, образующие первую герметичную кольцевую камеру. Индуктор второй униполярной машины размещен на свободном торце индуктора первой электрической машины, снабжен системой управления и выполнен в виде полого ферромагнитного цилиндра с кольцевыми обмотками возбуждения, коаксиально которому установлен другой ферромагнитный цилиндр. Якори первой и второй электрических машин снабжены жидкометаллическими контактами, а система управления подключена к системе управления двигателя. 4 ил.

Энергетическая установка относится к силовым установкам с двигателями внутреннего сгорания, работающими автономно или в электроэнергетической системе.

Известна силовая установка с двигателем внутреннего сгорания (Швейцария, патент N 658884). В силовой установке выхлопные газы обеспечивают привод двух турбин.

Первая турбина приводит турбокомпрессор. Вторая турбина обеспечивает привод генератора, который с помощью статического устройства регулирования приводит во вращение электродвигатель, сочлененный с двигателем внутреннего сгорания. Передаточное отношение между второй турбиной и электродвигателем регулируется статическим устройством. Эта силовая установка может служить в качестве аналога. Недостатки аналога наличие второй турбины, наличие дополнительного статического устройства.

Известна энергетическая установка с устройством для привода турбонагнетателя, когда к свободному концу вала турбонагнетателя, снабженному присоединительной полумуфтой, через редуктор присоединена первая электрическая машина (первый "двигатель-генератор"), а вторая электрическая машина (второй "двигатель-генератор") присоединена через присоединительную полумуфту и редуктор к валу двигателя внутреннего сгорания, обмотки якорей машин соединены между собой, (патент Японии N 60-128935 от 10.07.85 г. МКИ F 02 В 39/10, 37/10). Техническое решение по патенту Японии N 60-128935 принято за прототип. В описании патента указано, что в качестве "двигателей генераторов" (редакция автора патента) могут быть использованы: первый вариант две синхронные машины, второй вариант две асинхронные машины.

Главным недостатком прототипа является неработоспособность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с приведенным в патенте устройством.

По первому варианту автора патента первое условие ДВС работает с постоянной частотой вращения, но переменной величиной нагрузки. При этом условии частоты вращения синхронных машин и турбонагнетателя при любых режимах нагрузки неизменны и определяются частотой вращения ДВС.

При набросе нагрузки на ДВС частота вращения турбонагнетателя должна возрасти, так как требуемый расход воздуха для сжигания топлива должен возрасти, но это недопустимо по условиям синхронной работы двух включенных друг на друга синхронных машин. Если приводная турбина сможет увеличить частоту вращения турбонагнетателя (за счет подачи топлива в ДВС), то электрическая система двух синхронных машин развалится, так как частоты генерируемых ими токов будут различны.

Второе условие ДВС работает с переменной частотой вращения. Но и в этом случае изменение частоты вращения ДВС при изменении его нагрузки никогда не согласуется с характеристикой требуемого изменения частоты вращения турбонагнетателя, что также приведет к развалу работы двух синхронных машин.

Согласование работы двух синхронных машин возможно лишь при наличии между ними статического преобразующего устройства (см. например, вышеописанный патент Швейцарии).

По второму варианту при применении двух асинхронных машин энергетическая установка ДВС неустойчивая и разваливается в переходных режимах.

Как указано в патенте, при работе ДВС на малых нагрузках первая асинхронная машина (двигатель-генератор) турбонагнетателя работает в двигательном режиме, а вторая асинхронная машина на валу ДВС работает в генераторном режиме. Это достигается, когда частота вращения ротора первой машины n₁ меньше частоты вращения ротора второй машины n₂, n₁<n<SUB>22>n₁, при этом первая машина переходит в генераторный режим, а вторая в двигательный режим. Это приводит к росту нагрузки на валу турбонагнетателя, турбина снижает частоту вращения, а следовательно и подачу воздуха в ДВС. Мощность ДВС падает ДВС глохнет.

По существу, в предлагаемом устройстве предусмотрена параллельная работа двух нерегулируемых источников энергии (электрическая машина и турбина) на одну нагрузку (турбонагнетатель). Из теории автоматического управления известно, что параллельная работа двух нерегулируемых источников с положительной обратной связью на один потребитель невозможна.

Для обеспечения устойчивой работы с асинхронными машинами требуется установка довольно мощной системы управления турбиной турбонагнетателя, компенсирующей пульсации мощности при переходе электрических машин из двигательного в генераторный режим и наоборот. Такой системы в патенте нет. Даже при наличии мощной системы управления турбиной асинхронные машины будут работать с большими скольжениями, а следовательно, и большими потерями мощности, поскольку по условиям оптимальной подачи воздуха в ДВС по условиям сгорания топлива частота вращения турбонагнетателя должна изменяться в широком диапазоне.

Целью настоящего изобретения является улучшение энергетических характеристик, уменьшения массогабаритов и обеспечения устойчивой работы энергетической установки.

Указанная цель достигается тем, что первая и вторая полумуфты выполнены магнитными в виде полых ферромагнитных цилиндров с пазами и установлены торцами друг к другу вдоль одной аксиальной оси, при этом полый цилиндр второй полумуфты разделен немагнитным кольцом по магнитной оси индуктора второй машины. Электрические машины выполнены униполярными в виде единого агрегата с якорями, установленными между первой и второй полумуфтами, индуктор первой машины выполнен в виде ферромагнитного цилиндра и снабжен кольцевыми обмотками возбуждения и системой управления, по торцам внешней цилиндрической поверхности ферромагнитного цилиндра установлены два кольцевых диска и защитный цилиндр, образующие совместно первую герметичную кольцевую камеру, якорь машины выполнен в виде первого полого ферромагнитного цилиндра, снабженного по длине пазами, заполненными проводящими немагнитными стержнями, установлен в первой герметичной камере, снабжен жидкометаллическими контактами и обращен пазами к пазам первой полумуфты, индуктор второй униполярной машины размещен на свободном торце индуктора первой машины, выполнен в виде полого ферромагнитного цилиндра и снабжен кольцевыми обмотками возбуждения и системой управления, коаксиально индуктору установлен другой ферромагнитный цилиндр, снабженный по торцам двумя другими кольцевыми дисками и другим защитным цилиндром, совместно образующими вторую герметичную кольцевую камеру, якорь второй машины выполнен в виде другого полого ферромагнитного цилиндра, снабженного по длине пазами, заполненными проводящими немагнитными стержнями, установлен во второй кольцевой камере, снабжен жидкометаллическими контактами и обращен пазами к пазам второй полумуфты, жидкометаллические контакты униполярных машин замкнуты друг на друга, системы управления первой и второй машины подключены к системе управления двигателя внутреннего сгорания; кроме того, с другого свободного конца вала турбонагнетателя присоединен возбудитель; возбудитель выполнен на базе индукторной машины. Кроме того, к жидкометаллическим контактам униполярных машин подключен накопитель энергии, выполненный на базе молекулярного конденсатора.

Отличительные признаки изобретения следующие: применены регулируемые электрические машины с системой управления и регулирования; униполярные машины выполнены в виде одного компактного агрегата; униполярные машины выполнены с жидкометаллическими контактами, размещенными в кольцевых герметичных камерах; соединение электрических машин с турбонагнетателем и двигателем внутреннего сгорания посредством электромагнитных муфт, при этом магнитная связь осуществляется за счет рабочего магнитного потока униполярных машин; системы управления униполярных машин подключены к системе управления двигателя внутреннего сгорания.

Предложение соответствует критерию "существенные отличия", так как из известного перечня информации, установленного нормативным документом (п.2 "Правила составления, подачи и рассмотрения заявки, выдачи патента на изобретение"), технические решения с признаками, подобными заявленным, не обнаружены.

На фиг.1 изображена энергетическая установка с устройством электромашинного агрегата униполярных машин, на фиг.2 сечение А-А, на фиг.3 сечение В-В, на фиг.4 схема управления энергетической установки в части связи ее с электромашинным агрегатом.

Энергетическая установка (фиг.1), включает двигатель внутреннего сгорания 1 с магнитной полумуфтой 2 на свободном конце вала 3, турбонагнетатель 4 с приводной турбиной и магнитной полумуфтой 5 на свободном конце вала 6, электромашинный агрегат 7.

Электромашинный агрегат состоит из первой униполярной машины 8 с индуктором 9, кольцевой обмоткой возбуждения 10, с кольцевыми дисками 11, защитным цилиндром 12, якорем 13 и жидкометаллическими контактами 14, второй униполярной машины 15 с индуктором 16, кольцевой обмоткой возбуждения 17, кольцевыми дисками 18, защитным цилиндром 19, якорем 20 и жидкометаллическими контактами 21.

Якорь 13 первой униполярной машины (фиг.1, фиг.2) выполнен в виде ферромагнитного цилиндра, снабжен пазами 22, заполненными проводящим немагнитным материалом, установлен внутри полумуфты 2, выполненной в виде ферромагнитного цилиндра с пазами 23 (фиг.2), обращенными к пазам якоря 22 первой униполярной машины.

Якорь 20 второй униполярной машины (фиг.1, фиг.3) выполнен в виде другого ферромагнитного цилиндра, снабжен пазами 24, заполненными проводящим немагнитным материалом, установлен внутри полумуфты 5, выполненной в виде ферромагнитного цилиндра, разделенного кольцом 25 из немагнитного материала по оси симметрии катушки возбуждения 17 и снабженного пазами 26 (фиг.3), обращенными к пазам якоря 20. Жидкометаллические контакты 14 и 21 униполярных машин соединены между собой.

Кольцевая обмотка возбуждения 10 первой униполярной машины подключена к системе управления 27 (фиг.4), включающей источник постоянного тока с регулятором. Система управления 27 соединена с датчиком частоты вращения двигателя внутреннего сгорания 28 (фиг.4), датчиком 29 частоты вращения якоря 13 первой униполярной машины через блок сравнения 30 и с системой управления двигателя внутреннего сгорания 31.

Кольцевая обмотка возбуждения 17 второй униполярной машины подключена к системе управления 32 (фиг.4), включающей источник постоянного тока с регулятором. Система управления 32 соединена с датчиком 33 частоты вращения якоря 20 (фиг.4), датчиком частоты вращения турбонагнетателя 34 через блок сравнения 35 и системой управления 31 двигателя внутреннего сгорания. Система управления двигателя внутреннего сгорания 31 снабжена датчиком контроля выходящих газов 36.

Для обеспечения устойчивой работы установки в переходных режимах система управления 31 ДВС машины снабжена датчиком 37 ускорения якоря 13, которым определяется двигательный или генераторный режим работы первой униполярной машины.

Датчиком частоты вращения якорей 13 и 20 могут служить индуктивные катушки, установленные по поверхностям защитных цилиндров 12 и 19.

К другому свободному концу вала турбонагнетателя присоединена электрическая машина возбудитель 38 (фиг.1), выполняющая функцию источника питания для систем управления 27 и 32 (фиг.4) кольцевых катушек возбуждения 10 и 17 униполярных машин. Наиболее целесообразно в качестве такой машины 38 использовать индукторный генератор с самовозбуждением. Возможно питание систем управления 27 и 32 от независимого источника.

Энергетическая установка работает следующим образом. При работе ДВС 1 (фиг. 1), отработанные газы поступают на турбину турбонагнетателя 4, который подает воздух в ДВС для сгорания топлива. При работе ДВС в его расчетной точке параметры наддува турбонагнетателя удовлетворяют требованиям по эффективному сгоранию топлива, при этом электромашинный агрегат 7 отключен.

При работе ДВС по характеристике ниже расчетной точки мощности турбины, вращающей турбонагнетатель, не хватает для обеспечения требуемой подачи воздуха в ДВС. Это фиксирует датчик контроля газов 36, фиг.4 (неполное сгорание топлива). Сигнал от датчика 36 поступает в систему управления ДВС 31, которая воздействует на систему управления 27 первой униполярной машины 8 (фиг. 1), подает напряжение на обмотку возбуждения 10. Униполярный магнитный поток, создаваемый катушкой 10, замыкается через магнитную полумуфту 2 на валу 3 ДВС. Под действием магнитных сил между рубцами якоря 13 и полумуфты 2, якорь 13 придет во вращение, при этом его частота вращения будет меньше частоты вращения полумуфты 2 (асинхронный режим). На контактах 14 якоря 13 (фиг. 1) наведется униполярная ЭДС, под действием которой по замкнутой цепи, образованной якорями 13 и 20 второй униполярной машины, потечет ток. При подаче возбуждения в кольцевую обмотку 17 второй униполярной машины возникнет магнитный поток, замыкающийся через якорь 20 и полумуфту 5. При взаимодействии этого потока с током якоря 20 он придет во вращение, частоту которого можно регулировать током возбуждения.

Датчики частот вращения турбонагнетателя 34 и второй униполярной машины 33 (фиг.4), подают сигнал на блок сравнения 35, который, изменяя ток возбуждения в системе управления 32, приводит частоты вращения якоря 20 и полумуфты 5 к одинаковой величине. Полумуфта 5 и якорь 20 втягиваются в синхронизм и сцепляются зубцами неподвижно относительно друг друга. Затем изменением тока возбуждения второй униполярной машины (система управления 32) регулируется напряжение на жидкометаллических контактах 14 первой униполярной машины. Якорь 13 первой униполярной машины увеличивает частоту вращения до частоты вращения полумуфты 2 ДВС. Синхронизация полумуфты 2 и якоря 13 осуществляется за счет подачи сигналов датчиками 28 и 29 (фиг.4), на блок сравнения 30, а затем в систему управления 27 первой униполярной машины. При этом оба якоря 13 и 20 работают в синхронных режимах с муфтами 2 и 5 соответственно. Поскольку в этом режиме нагрузки ДВС мощность турбонагнетателя недостаточна, то первая машина 8 должна работать в генераторном режиме, а вторая 15 в двигательном режиме. Это обеспечивается увеличением напряжения на жидкометаллических контактах 14 первой униполярной машины до величины большей напряжения на жидкометаллических контактах 21 второй униполярной машины. Датчик контроля отходящих газов 36 подает сигнал в систему управления ДВС 31 (фиг. 4), а с ней на систему управления второй униполярной машины 32 до той поры, пока частота вращения турбонагнетателя 4 не достигнет такой величины, при которой подача воздуха обеспечит полное сгорание топлива. Верхний предел подачи воздуха ограничивается наличием кислорода в отходящих газах, при этом воздействие датчика 36 снижает частоту вращения турбонагнетателя. При оптимальной подаче воздуха величина сигнала датчика 36 близка к нулю.

При работе ДВС по характеристике выше расчетной точки мощность турбины турбонагнетателя убыточна. В этом случае системы управления 31, 27 и 32 переводят первую униполярную машину и в двигательный режим, а вторую униполярную машину 15 в генераторный режим путем повышения напряжения на жидкометаллических контактах 21 второй униполярной машины выше, чем на жидкометаллических контактах 14 первой униполярной машины. При этом мощность от турбонагнетателя 4 передается на ДВС 1. Электромашинный агрегат 7 позволяет плавно регулировать частоты вращения якорей и полумуфт 2 и 5 в широком диапазоне, что обеспечивает оптимальную подачу воздуха во всех режимах работы ДВС как при постоянных, так и переменных частотах вращения его вала 3, повышая экономичность его использования. Электромашинный агрегат повышает устойчивую работу энергетической установки как в статических, так и переходных режимах, что обеспечивается весьма малой инерционностью полых якорей 13 и 20 в совокупности с системой управления.

При набросах или сбросах нагрузки на ДВС происходит замедление или ускорение вращения якоря 13 первой униполярной машины. Это фиксируется датчиком ускорения 37 (фиг.4), сигнал от которого поступает в систему управления ДВС 31 и систему управления 27. Незначительным изменением напряжения изменяется соотношение между напряжениями на скользящих контактах 14 и 21 униполярных машин U₁<U<SUB>2

Устойчивость системы можно повысить, если к жидкометаллическим контактам подключить накопитель энергии, выполненный на базе конденсаторов. Одновременно он позволяет экономить топливо за счет сброса нагрузки в переходных процессах с последующим ее использованием для работы энергетической установки.

Преимущество предлагаемой энергетической установки по сравнению с прототипом заключается в том, что электрические машины выполнены регулируемыми с малой инерционностью роторов, снабжены системами управления и регулирования, выполнены в виде единого электромашинного агрегата и не имеют жестких связей с валами ДВС и турбонагнетателя, что улучшает энергетические характеристики установки, повышает ее устойчивость и уменьшает массогабариты.

Формула изобретения

1. Энергетическая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания с валом, на котором посажена первая полумуфта, турбонагнетатель с турбиной и дополнительным валом, на котором посажена вторая полумуфта, первую и вторую электрические машины с якорями и индукторами, связанные через полумуфты с соответствующими валами двигателя и турбонагнетателя, и систему управления двигателем, отличающаяся тем, что первая и вторая электрические машины выполнены униполярными в виде единого агрегата, первая и вторая полумуфты выполнены в виде соосно установленных навстречу один другому полых ферромагнитных цилиндров с пазами, а якори электрических машин размещены между полумуфтами, причем полый цилиндр второй полумуфты разделен немагнитным кольцом, расположенным в теле этого цилиндра по магнитной оси индуктора второй униполярной машины, индуктор первой электрической машины снабжен системой управления и выполнен в виде ферромагнитного цилиндра с кольцевыми обмотками возбуждения, по торцам внешней цилиндрической поверхности которого установлены два кольцевых диска и защитный цилиндр, образующие первую герметичную кольцевую камеру, индуктор второй униполярной машины размещен на свободном торце индуктора первой электрической машины, снабжен системой управления и выполнен в виде полого ферромагнитного цилиндра с кольцевыми обмотками возбуждения, коаксиально которому установлен другой ферромагнитный цилиндр, снабженный с торцов двумя кольцевыми дисками и защитным цилиндром, образующими вторую герметичную кольцевую камеру, якоря первой и второй электрических машин выполнены в виде полых ферромагнитных цилиндров с пазами по их длине, заполненных проводящими немагнитными стержнями и установленных в первой и второй герметичных кольцевых камерах соответственно, при этом якори первой и второй электрических машин снабжены жидкометаллическими контактами и обращены своими пазами к первой и второй муфтам соответственно, жидкометаллические контакты униполярных машин замкнуты один на другой, а системы управления первой и второй электрических машин подключены к системе управления двигателя.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена возбудителем, присоединенным к свободному концу дополнительного вала турбонагнетателя.

3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что возбудитель выполнен на базе индукторной машины.

4.Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена накопителем энергии, подключенным к жидкометаллическим контактам электрических машин и выполненным на базе молекулярного конденсатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4