Принцип устройства механизма и анализ работы электрифицированного оборудования системы подкачки топлива самолета Embraer-195

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Принцип устройства механизма и анализ работы электрифицированного оборудования системы подкачки топлива самолета Embraer-195



Введение

В данном курсовом проекте рассматривается электрифицированное оборудование управления насосами перекачки топлива. Практика показала, что выработка топлива из баков самотёком неэффективна. Недостаточно эффективна также и выработка топлива из баков при вытеснении его сжатым воздухом или нейтральным газами. Поэтому на ВС широко используются подкачивающие и перекачивающие насосы. В зависимости от типа ВС они обеспечивают подачу от 0,3 до 100 м3/ч топлива без кавитации при сравнительно невысоком давлении -- 35 ... 40 Н/см2.

Существует много типов насосов: шестеренчатые, коловратные, плунжерные, поршневые, струйные, центробежные, осевые. В топливных системах самолетов широкое распространение получили струйные (эжекторные) насосы для перекачки топлива, в которых топливо увлекается струей того же топлива (так называемого активного или приводного топлива), подаваемой под давлением от другого насоса. Активное топливо отбирается, как правило, из расходного бака теми же подкачивающими насосами, которые снабжают двигатели.

Так же проводятся расчёты электрической цепи электрифицированного оборудования, расчет авиационного электрического двигателя с последовательным возбуждением, расчет выпрямительного устройства.



1. Разработка алгоритма функционирования электрифицированного оборудования управления насосами подкачки топлива авиадвигателя

Система подкачки топлива

Основной функцией данной системы является подача топлива в двигатели во время эксплуатации самолета.

В подсистеме подачи топлива предусмотрена отдельная система для каждого двигателя.

Подсистема подачи топлива в двигатель также подает топливо в коллекторный бак, изолирует топливо при возгорании двигателя.

Каждый двигатель питается от своего эжекторного насоса подачи топлива, расположенного в коллекторном баке.

Коллекторный бак непрерывно питается эжекторными насосами продувки, которые собирают топливо из баков, которые расположены в крыльях самолета.

Эжектор устройство, в котором происходит передача кинетической энергии от одной среды, движущейся с большей скоростью, к другой. Эжектор, работая по закону Бернули, создаёт в сужающемся сечении пониженное давление одной среды, что вызывает подсос в поток другой среды, которая затем уносится и удаляется от места всасывания энергией первой среды.

Эжекторный насос является основным источником подачи топлива в двигатель. При нормальной работе обоих двигателей и насосов, приводимых в действие двигателем, движущий поток подается на эжекторные насосы, который подают топливо в двигатели.

Для запуска двигателя, поскольку насос с приводом от двигателя не работает, движущий поток для эжекторного насоса отсутствует. В таком случае подача топлива в двигатель обеспечивается электрическим насосом переменного тока, установленным в положение ON.

Система также имеет возможность изолировать двигатель в случае пожара.

Рисунок 1.1 Расположение системы подкачки топлива в АД

Рисунок 1.2 Схема системы подкачки АД

Эжекторный насос подкачки двигателя и продувочный эжекторный насос.

Эжекторный насос подачи двигателя подает топливо из коллекторного бака в двигатель, когда он получает движущий поток от насоса с приводом от двигателя.



Рисунок 1.3 Принцип работы эжеторного насоса

На самолете Embraer 195 имеется 2 продувочных эжекторных насоса, 2 откачивающих эжекторных насоса и 2 подкачивающих эжекторных насоса. На входе каждого эжекторного насоса установлен фильтр, для предотвращения попадания посторонних предметов. На выходе насоса подачи топлива в двигатель встроен обратный клапан, предотвращающий подачу топлива в неправильном направлении при неисправности работы электрических насосов.

Переключатель давления.

При нормальном функционировании системы (работающем двигателе), если возникла неисправность с эжекторным насосом и давление топлива составляет менее 5 фунтов на квадратный дюйм (5 psi) = 34,47 кПа, это будет обнаружено реле давления, установленного в линии подачи двигателя.

При обнаружении низкого давления, переключатель включает вспомогательный электрический насос переменного тока. Когда давление стабилизируется электрический насос переменного тока продолжает работать.

2. Расчет электрической сети электрифицированного оборудования

Целью расчета электрической сети самолета является определение оптимального сечения проводов. Критерием оптимальности могут быть минимальная конструктивная масса провода сети и приведенные затраты. При этом потеря напряжения на участке не должна превышать допустимых значений.

Расчет электрической сети электрифицированного оборудования производится по исходным данным, указанным в таблице 2.1.

Таблица 2.1 Исходные данные

Напряжение питания U, В	27
Потребляемая мощность Р, Вт	1140
Длина провода l, м	10
Допустимая потеря напряжения ?Uдоп, В	3
Номер схемы	7
Режим работы	ПКР
Наименование потребителя	Двигатель Д-600 механизма

При расчете необходимо:

определить номинальный ток и переходное сопротивление линии сети;

рассчитать сечение проводов по допустимой потере напряжения и округлить его до стандартного значения;

определить массу и стоимость проводов;

проверить выбранное сечение проводов по условиям нагрева;

произвести технико-экономические обоснования наилучшего варианта (по наименьшей потере напряжения в сети и по наименьшим массе и стоимости проводов);

произвести выбор аппаратуры защиты и управления для наилучшего варианта.

Для расчета линии необходимо определить потребляемый ток по формуле:

(А) (2.1)



Затем рассчитаем потерю напряжения на переходных сопротивлениях (контактов предохранителя, болтовых или штепсельных разъемов, включателя и т.д.).

Исходя из значения Iн выбираем тип контактного соединения «Автомат защиты сети» так как у него наибольшая величина переходного сопротивления :

(В) (2.2)

Используем выражение для расчетного сечения провода:

(мм2) (2.3)

где j удельная проводимость медного провода, равная .

Расчетное сечение провода округляется до стандартного значения, отсюда следует, что .

Для выбранного сечения провода находятся сопротивление провода линии и потеря напряжения на сопротивление проводов:

(2.4)

(2.5)

Фактическая потеря напряжения в линии находится по формуле:

(2.6)

Масса меди провода в кг определяется по формуле:

(кг) (2.7)

где S стандартное сечение провода в мм2; l длина провода, м; d плотность меди 8,9 г/см3.

Стоимость провода меди равна:

(руб) (2.8)

где ms стоимость 1 км провода данного сечения.

Технико-экономическое обоснование наилучшего варианта электрической сети производится по трем параметрам:

по наименьшей массе проводов G;

по наименьшей стоимости провода С;

по среднему значению фактического падения напряжения электрической сети Uф.ср .

Для выбора аппаратуры защиты наилучшего варианта электрической сети необходимо определить ток короткого замыкания, который подчиняется закону Ома:

(А) (2.9)

Аппаратура защиты должна необратимо, надежно и селективно отключать электрические цепи при коротких замыканиях и недопустимых перегрузках и не вызывать ложных отключений в нормальных режимах работы. Коэффициент запаса аппаратуры защиты определяется по формуле и обычно берется равным 1-2:

(2.10)

Чувствительность аппарата защиты проверяют по формуле:

(2.11)

Для защиты потребителей, токи которых в процессе пуска или работы изменяются, необходимо применять инерционные предохранители (ИП) и тепловые автоматы защиты.

Выбор аппаратуры управления производится по величине тока, протекающего по участку сети. Аппаратура прямого действия применяется при длительном кратковременном воздействии на цепь с силой тока до 35А. Аппаратуру дистанционного действия в зависимости от тока коммутируемой нагрузки применяют: при токах 5-10А коммутационные реле, при токах 25-600А контакторы.

Рисунок 2.1 Схема к заданию



3. Расчет авиационного электрического двигателя с последовательным возбуждением

Расчет электродвигателя следует производить по исходным данным, указанным в таблице 3.1. При расчете необходимо определить:

основные размеры электродвигателя;

параметры обмотки якоря;

размеры магнитопровода обмотки возбуждения, а также выбрать щетки и рассчитать коллектор.

Таблица 3.1 Исходные данные

Полезная мощность на валу Pн, Вт	1000
Напряжение питания, В	27
Частота вращения n, об/мин	8000
Режим работы	Повторно-кратковременный (30 с - работа, 5 мин - перерыв, после чего охлаждение)
КПД	Не менее 0,85
Охлаждение	Естественное

Выбор основных размеров

Ток якоря Iя двигателя определяется по формуле:

(А) (3.1)

Электромагнитная мощность двигателя (кВт):

(кВт) (3.2)

где Е определяется по кривой рисунка 3.1 из отношения .



Рисунок 3.1 Зависимость E/Uн

Диаметр якоря и число полюсов электродвигателя определяются из отношения по кривым, показанным на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 График зависимости диаметра якоря электродвигателя постоянного тока от отношения Р/n: 1,4,5 повторно-кратковременного режима с естественным охлаждением; 2 длительного режима с естественным охлаждением; 3 длительного режима с самовентиляцией

Диаметр данного электродвигателя постоянного тока исходя из рисунка 3.2 равен D=2,5.

Электромагнитные нагрузки (магнитную индукцию В и плотность тока в обмотках А) определяют по кривым, показанным на рисунке 3.3 и 3.4.



Рисунок 3.3 График зависимости индукции в воздушном зазоре В от диаметра якоря D в авиационных машинах постоянного тока

Магнитная индукция данной авиационной машины постоянного тока исходя из рисунка 3.3 равна B = 0,3 (Тл).

Рисунок 3.4 График зависимости линейной нагрузки А авиационных машин постоянного тока длительного режима от диаметра 1 генераторы с поддувом; 2 генераторы и двигатели с самовентиляцией; 3 двигатели с естественным охлаждением

Линейная нагрузка А данной авиационной машины постоянного тока будет равна A=35.

Линейная нагрузка для повторно-кратковременного режима работы определяется по формуле:

(3.3)

где Pт коэффициент тепловой перегрузки, который для заданных вариантов равен Pт =15,65.

Длина якоря определяется из основного расчетного уравнения:

(см) (3.4)

где a расчетный коэффициент полюсной дуги. Примерное значение a для авиационных электродвигателей приведено в таблице 3.2.

насос авиадвигатель магнитный эжекторный

Таблица 3.2 Расчетный коэффициент полюсной дуги

Pн, Вт	5100	100500	5001000	10003000
d, мм	0,550,6	0,60,63	0,630,65	0,650,72

Вычислим полюсное деление из выражения:

(см) (3.5)

Отношение длины якоря к полюсному делению:

(3.6)

Расчет обмотки якоря

Число проводов в параллельной ветви:

(3.7)

где магнитный поток.

2а число параллельных ветвей. Обычно для двигателей применяют простую волновую обмотку 2а = 2.

Общее число проводников обмотки якоря:

(3.8)

Число витков в секции Ws стремятся выбрать наименьшим, так как при этом уменьшается ЭДС в короткозамкнутой секции и улучшается коммутация.

Число может быть предварительно определено по кривым, показанным на рисунке 3.5.

При Ws=1 число коллекторных пластин:

(3.9)

Число коллекторных пластин на паз в авиационных машинах Ип< 4. Для волновой обмотки при 2Р=4 их число должно быть равно 1 или 3, а при 2Р=Ип 2 или 4. Задавшись Ип, определяют число пазов Z:

(3.10)



Полное число проводников в пазу:

(3.11)

Сечение обмотки якоря Sя определяется из соотношения:

(3.12)

(3.13)

для машин с естественным охлаждением.

После определения сечения уточняется и выбирается провод.

Рисунок 3.5 Изменение числа витков в секции с ростом мощности авиационных машин постоянного тока

Сопротивление обмотки якоря определяется выражением:

(Ом) (3.14)



где удельное сопротивление меди обмотки при температуре +120С;

средняя длина полувитка обмотки якоря в метрах;

длина лобовой части обмотки.

Падение напряжения в обмотке якоря:

(В) (3.15)

3.3 Размеры магнитопровода

Магнитопровод двигателя изготовляется из следующих материалов: якорь - из стали марки Э21 толщиной 0,35 мм (изоляция листов - оксидирование); полюсы - из стали Э толщиной 0,5 мм; корпус - из стали 10.

Воздушный зазор:

(см) (3.16)

Величину воздушного зазора авиационных двигателей постоянного тока определяем по таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Величина воздушного зазора авиационных двигателей постоянного тока

Рн, Вт	До 100	1001000	100010000	1000030000
в, см	0,0150,02	0,0250,03	0,0350,08	0,060,1

Высота спинки якоря hя (см) определяется по формуле:



(см) (3.17)

где Kc = 0,95 - коэффициент заполнения пакета сталью;

Вя магнитная индукция в спинке якоря по данным таблицы 3.4.

Таблица 3.4 - Табличные значения

Pн, Вт	До 100	1001000	>1000
Вя, Тл	1,01,3	1,31,5	1,51,7
Вт, Тл	1,01,2	1,21,4	1,41,7
Bj, Тл	1,01,2	1,11,3	1,31,5

Высота прямоугольного паза hп выбирается в пределах 0,66 - 1,3см.

Внутренний диаметр якоря Dвн находится как:

(3.18)

Диаметр вала dB равен внутреннему диаметру якоря:

(3.19)

Магнитный поток, проходящий через полюсы и корпус, равен:

(3.20)

где .

Сечение полюса:



(3.21)

Где значение магнитной индукции в полюсах Вт выбирается по данным таблицы 3.3. Длина сердечника полюса lт берется равной или меньше длины якоря l: lт <l. Задавшись длиной lт, находят ширину полюса вт:

(3.22)

Высота полюса hm определяется как:

(3.23)

Сечение корпуса:

(3.24)

где Bj - магнитная индукция в корпусе, которая берется из таблицы 3.4.

Длина корпуса lj обычно равна lj = (1,2 - 1,4)lт, а высота спинки корпуса:

(3.25)

Наружный диаметр машины:

 (3.26)

Отношение наружного диаметра к диаметру якоря находится в пределах:

(3.27)

3.4 Расчет последовательной обмотки возбуждения

Сечение меди обмотки возбуждения:

(3.28)

(3.29)

(3.30)

для машин с естественным охлаждением.

Рассчитанное сечение уточняется по таблицам с округлением до ближайшего большого значения, и выбирается диаметр применяемого провода.

Средняя длина витка обмотки возбуждения:

(3.31)

где ширина катушки Вк принимается равной 0,015 - 0,02 (м).

Сопротивление обмотки возбуждения:



(Ом) (3.32)

Необходимое число витков на один полюс:

(3.33)

где, a lcp в берется в метрах.

МДС обмотки возбуждения на один полюс:

(3.34)

Коллектор и щетки

Диаметр коллектора машин постоянного тока с естественным или наружным охлаждением обычно равен:

(3.35)

Величина коллекторного деления:

(3.36)

где находится в пределах 1,5 - 4,5 мм.

Ширина коллекторной пластины:



(3.37)

где мм - толщина изоляции между пластинами.

Окружная скорость коллектора:

(3.38)

где не должна превышать 50 - 55 м/с.

Общая площадь щеточного контакта одного болта:

(3.39)

где Рщ = Р - число пар щеточных болтов;

(3.40)

Для двигателей с естественным охлаждением:

(3.41)

Ширину щетки обычно берут равной и не превышающей 10 мм.

Длина щетки lщ для обеспечения хорошей коммутации не должна превышать 20 - 25 мм. Размеры щеток уточняются по таблице ГОСТов.

Количество щеток на один болт nщ, равное:



(3.42)

4. Расчет выпрямительного устройства

Расчет выпрямительного устройства производится по исходным данным, приведенным в таблице 4.1. В процессе расчета необходимо брать наиболее рациональную схему выпрямления, определить число и тип вентилей, подобрать схему и рассчитать элементы сглаживающего фильтра, найти электрические и конструктивные параметры силового трансформатора.

Таблица 4.1 Исходные данные

Частота сети Fc, Гц	400
Напряжение сети Uj, В	200
Число фаз сети m1	1
Выходное напряжение Uвых, В	12
Номинальный ток нагрузки I0, А	4
Коэффициент пульсации, Kп.вых	0,06

Порядок расчета выпрямителя

Выпрямитель рассчитывается так, чтобы напряжение и коэффициент пульсации на выходе соответствовали заданным значениям при номинальном токе потребителя.

При работе выпрямителя на нагрузку с емкостной реакцией целесообразно сначала рассчитать выпрямитель, задавшись примерным падением напряжения на фильтре, а затем выпрямитель и трансформатор.

Напряжение на выходе схемы выпрямления находится сложением падения напряжения на фильтре с заданным выпрямленным напряжением.

Выбор схемы выпрямителя

Однофазная мостовая схема выпрямления обладает низким выходным сопротивлением, лучше используется трансформатор, обратное напряжение на вентиль в 2 раза меньше. Недостатки схемы: применение четырех вентилей, невозможность установки вентилей без изоляции на одном радиаторе, удвоенное прямое напряжение на вентильной группе. Эта схема применяется при напряжении до 400 В и мощности до 300 Вт.

Расчет выпрямителя и фильтра

Сопротивление нагрузки выпрямителя:

(Ом) (4.1)

Выходная мощность выпрямителя:

(Вт) (4.2)

Рисунок 4.1 Схема однофазного мостового выпрямителя

Рисунок 4.2 Схема фильтра



Таблица 4.2 Расчетные соотношения схемы выпрямления

Нагрузка	I2	S2	I1	S1	Sтр
LC
	Kп	fп	Iср	U2	Uобр.мах
	1,15

Определяем требуемый коэффициент фильтрации и выбираем схему фильтра:

(4.3)

(ГнмкФ) (4.4)

Выбор схемы сглаживающего фильтра определяется по величине коэффициента фильтрации Kф. При малых значениях коэффициента применяются простейшие индуктивные и емкостные фильтры.

В данном случае, исходя из формулы 4.3 выбираем схему с простейшим индуктивным фильтром.

Расчет параметров фильтра производится из соотношения:

(4.5)

Найдем напряжение на входе фильтра:

(4.6)

где rдр =1,5 Ом активное сопротивление дросселя.

Зададимся вспомогательными коэффициентов:

Найдем значение обратного напряжения по формуле:

(4.7)

Выберем тип вентиля. Характеристики вентиля приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 Характеристики вентиля КД202Б

Тип вентиля	F, КГц	Uпр, В	Tсмах, С	Iобр, мА	Iпр.ср, А
КД202Б	1,2	50	125	0,8	3,5

Для выбранного вентиля находим дифференциальные сопротивление:

(4.8)

Потеря мощности на вентилях:

(4,9)

где N общее количество вентилей в выпрямителе.

Расчет трансформатора

Активное сопротивление rтр и индуктивность рассеивания Ls трансформатора приблизительно определяются по формулам:

(Ом) (4.10)

(4.11)

S число стержней (для броневого трансформатора и двухкатушечного S =2);

Bm максимальное значение индукции в магнитопроводе (при fc =400 Гц Bт =1,5 Тл для выпрямителей средней мощности);

Kr KL коэффициенты определяемые по таблице 4.4.

Из расчетных соотношений для выбранной схемы выпрямления из таблицы 4.2 определяем параметры трансформатора I2, U2, S2, S1 и Sтр.

Для изготовления сердечника трансформаторов, работающих на частотах 400 Гц и выше, используют сталь марок Э44, Э340 с толщиной пластин или лент 0,1 и 0,2 мм.

Таблица 4.4 Коэффициенты схем выпрямления

Схема выпрямления	Емкостная реакция	Индуктивная реакция
	Kr	KL	Kr	KL
Однополупериодная	2,3	4,1	-	-
Двухполупериодная	4,7	4,3	6,5	4,5
Мостовая однофазная	3,5	5,0	5,1	6,4
Мостовая трехфазная	4,5	1,9	2,5	1

После выбора конфигурации магнитопровода, марки стали, толщины пластин или лент находят основной расчетный параметр трансформатора:

(4.12)

где Qc и Q0 площадь поперечного сечения стержня магнитопровода и площадь окна;

j плотность тока в обмотках, значение которой определяется по кривой, приведенной на рисунке 4.1;

КПД трансформатора, значение которого определяется по кривой, показанной на рисунке 26;

Kм и Kc коэффициенты заполнения медью окна сердечника и сталью площади стержня. Kм определяется по таблице 4.5, Kс при толщине пластин 0,1 мм равно 0,88.

Таблица 4.5 Коэффициент заполнения сталью площади сердечника

Sтр, (ВА)	Kм при fc =400 Гц
1530	0,210,25
50150	0,250,28
150300	0,280,30

Рисунок 4.1 Зависимость плотности тока в обмотках от мощности трансформатора

Рисунок 4.2 Зависимость КПД от мощности трансформатора



(4.13)

Определяем величину тока I1:

(4.14)

Сечение проводов обмоток (мм2) определяется по формулам:

(4.15)

(4.16)

Потери в трансформаторе находим по формуле:

(4.17)

КПД выпрямителя по формуле:

(4.18)

5. Оценка соответствия компонентов электрифицированного оборудования нормам летной годности

Топливная система сконструирована и выполнена таким образом, чтобы обеспечивалась подача топлива с расходом и давлением, установленными для нормальной работы основного и вспомогательного двигателей во всех ожидаемых условиях эксплуатации, в том числе при всех маневрах, на которые запрашивается сертификат и в течение которых разрешена работа основных и вспомогательных двигателей. Обеспечивает подачу топлива с расходом не менее 100% расхода, необходимого для двигателя при каждом ожидаемом эксплуатационном режиме и маневре. Каждый основной топливный насос обеспечивает каждый режим и пространственное положение самолета, для которых демонстрируется соответствие данному параграфу, а соответствующий аварийный насос находится в состоянии заменить основной насос, используемый таким образом. Для каждого газотурбинного двигателя дополнительно к соответствующему ручному переключению предусмотрено устройство, предотвращающее перебои подачи топлива к этому двигателю без участия экипажа в случае, если топливо, в любом баке, питающем этот двигатель, выработано в процессе нормальной работы, а в любом другом баке, из которого обычно подается топливо только к этому двигателю, содержится используемый запас топлива. Каждый топливный насос, необходимый для правильной работы двигателя или для удовлетворения требований к топливной системе, считается основным насосом. Для каждого основного насоса предусмотрена возможность перепуска избыточного количества топлива . Все это говорит о соответствии рассматриваемой системы нормам летной годности.



Заключение

В данном курсовом проекте было рассмотрено электрифицированное оборудование управления насосами перекачки топлива самолета Embraer 195. Описан принцип действия и конструкция системы управления насосами подкачки топлива, ее назначение и расположение. Закреплены теоретические знания. Произведены расчеты электрической сети электрифицированного оборудования, авиационного электрического двигателя с последовательным возбуждением, а также выпрямительного устройства, тем самым приобретены навыки и приемы расчетов и конструкторской разработки специальных электрических схем и устройств.

Выполнена оценка соответствия компонентов электрифицированного оборудования нормам летной годности. Данная система является практически безотказной, конструктивно выполнена так, что личный состав вовремя способен выявить отказ и избежать опасных последствий, система функционально проста в управлении, в случае отказов предусмотрены средства контроля и индикации, что соответствует нормам летной годности.



Список использованной литературы

1. Дудников, И. Л. Электрифицированное оборудование воздушных судов. Методическое пособие и задания к курсовому проекту. Учебное издание. / И. Л. Дудников. - Минск.: МГВАК, - 2008. - 86 с.

2. Авиационные правила Часть 25 «Нормы летной годности самолетов транспортной категории».

3. Решетов С.А. Электрооборудование воздушных судов.

4. E-Jets Maintenance training manual ATA 28 Fuel system.

Размещено на Allbest.ru

...