Электрооборудование в самолетах

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ИРКУТСКИЙ ФИЛИАЛ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ»

РЕФЕРАТ:

Электрооборудование в самолетах

Выполнил: студент 1 курса

заочной формы обучения

специальности 162500 Олзоев Ю.Б.

Иркутск-2014

Содержание

Введение

1. История развития авиационного электрооборудования

2. Классификация авиационного электрооборудования

3. Требования к электрооборудованию

4. Специальные и дополнительные требования к системам электроснабжения

Список литературы

Введение

В настоящее время нет такой области техники, где бы не применялось электричество. Это обусловлено преимуществами электрической энергии перед другими видами энергии.

Термин «авиационное оборудование» на современных летательных аппаратах объединяет большое количество разнообразных бортовых систем и комплексов. К ним относятся системы электроснабжения и системы и системы электрооборудования планера и двигателя, внутренние и внешние светотехнические устройства, системы автоматического управления полетом, навигационные системы и пилотажно-навигационные комплексы, системы приборного оборудования, системы обеспечения жизнедеятельности экипажа, оптико-электронные системы и ряд других систем.

При помощи электрической энергии осуществляется запуск авиадвигателей; работа многочисленных механизмов, приборов, аппаратов и радиоустройств; обогрев и сигнализация; обеспечение жизнедеятельности человека на больших высотах.

Объем электрооборудования зависит от многих факторов. Важнейшие из них: назначение самолета; его величина; скорость, дальность и высота полета; тип авиадвигателя. Однако для ориентировочных анализов общих закономерностей электрификации самолетов и для сравнения их электрооборудования ограничимся лишь двумя показателями: назначением и величиной самолета.

По назначению самолеты можно разделить на военные, транспортные, пассажирские, специальные (например, сельскохозяйственного назначения, спортивные, учебные, заправщики и др.).

1. История развития авиационного электрооборудования

электрооборудование самолет авиационный

Историю самолетного электрооборудования можно разделить на несколько этапов.

Первый этап (1869--1910 гг.) охватывает время от первых проектов и попыток использования электричества в авиации до начала практического применения его на самолетах. Первый проект самолетного электрооборудования разработал в 1869г. выдающийся русский электротехник А. Н. Лодыгин. На его вертолете («электролете») предусматривался электрический движитель, комплекс электрооборудования, включавший аккумулятор, и изобретенные автором проекта лампы накаливания. Электрическая энергия поступала от аккумуляторов, гальванических батарей или подавалась с земли по проводам. В течение этого периода были разработаны некоторые специальные малогабаритные и легкие образцы электрооборудования, в частности, светильники и прожекторы. В прожекторах был применен легкий металл - алюминий.

Второй этап (1910-1930 гг.) - этап формирования самолетного электрооборудования. На первых самолетах источником электроэнергии служил аккумулятор. Он использовался для зажигания горючей смеси в авиадвигателях и для освещения. Затем на отдельных самолетах появились и генераторы. Так, в 1912г. для освещения, обогрева и радиосвязи на бомбардировщике «Илья Муромец» был установлен генератор переменного тока (1000 Гц, 2 кВА); он был разработан под руководством В. П. Вологдина. С 1919г. на самолетах стали применять постоянный ток напряжением 8В, а с 1923г. 12В. Генераторы вращались от ветрянки -- специального воздушного винта, насаженного на вал генератора. С 1926 г. от ветрянок стали переходить на привод от авиадвигателя. К этому времени относится появление авиационных электрических приборов - стартеров, новых типов магнето, самолетных фар и светильников.

Третий этап (1930--1945 гг.) характерен стремительным развитием самолетного электрооборудования, обусловленным быстрым совершенствованием поршневой авиации. С ростом нагрузки бортовой сети ее напряжение с 1933 г. было повышено до 24 В.

В 1935-1937гг. на заводе им. «Пенсе» под руководством А.К. Голдобенкова была разработана первая серия самолетных генераторов постоянного тока напряжением 27 В, мощностью 350, 500 и 1000 Вт и вибрационные регуляторы напряжения к ним.

В 1936 г. впервые в авиации на некоторых бомбардировщиках типа СБ была применена однопроводная система электроснабжения. С 1938 г. она была принята в США, а в середине 40-х годов на самолетах всех стран.

Важной вехой в истории авиационного электрооборудования стал 1939г. На бомбардировщике Пе-2 впервые в авиации широко был использован электропривод. Это привело к повышению использования электроэнергии на самолетах. В 1943г. на самолетах широко стали применяться угольные регуляторы напряжения. В 1944г. появились новые провода (типа БПВЛ) с хлорвиниловой изоляцией. К 1945г. для авиации была разработана серия генераторов типа ГСР мощностью до 9 кВт, высотностью до 15-18 км с охлаждением путем продува.

В то время в инженерно-авиационной службе еще не существовало инженеров по АО, хотя механики и техники по этому оборудованию уже были. Все это оборудование, включая радиотехнические системы, объединялось термином «спецобрудование».

Отражением развития оборудования самолетов явилось введение в 1938 году должности инженера авиационного полка по спецоборудованию в подчинении у которого находились: техник по приборам, техник по радио и радиомеханик, техник по электрооборудованию.

Подготовка инженеров данного профиля для научно-исследовательских институтов и учебных заведений с 1923 года велась на кафедре «Электрорадиотехника» в ВВИА имени проф. Н.Е, Жуковского.

В апреле 1941 года в ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского был создан факультет электроспецоборудования, который уже в октябре 1941 года выпустил первый поток инженеров за счет переподготовки инженеров, окончивших гражданские ВУЗы, аналогичный факультет был создан в Ленинградской ВВИА им. А.Ф. Можайского (ныне Военная инженерно-космическая академия им. А.Ф. Можайского г. Санкт-Петербург).

Четвертый этап (1946-1959 гг.) характеризуется широким практическим применением реактивных самолетов. Это повлияло на электрооборудование авиадвигателей: оказались ненужными магнето, стали непригодными применявшиеся до этого электроинерционные стартеры. Новые стартеры и стартер-генераторы стали с автоматическим управлением.

Тяжелые самолеты продолжали выпускаться с поршневыми двигателями. К таким самолетам относится Ту-4 (1947 г.), для которого были разработаны новые системы электроснабжения и электропривода; электрические механизмы; осветительные устройства. В дальнейшем эти системы получили широкое применение и на других самолетах.

В 1956г. был создан первый в мире - пассажирский реактивный самолет Ту-104. Для запуска авиадвигателей на этом самолете был применен турбостартер, что коренным образом изменило электрическую часть системы запуска. С появлением других тяжелых самолетов подобного типа росла мощность их электросистемы. Стала ясной необходимость нового повышения напряжения самолетной электросети. Для этого наиболее удобной оказалась система трехфазного тока. В это время были разработаны самолетные системы 208/120В трехфазного тока и щеточные генераторы (типов СГС и СГО), работавшие при нефиксированной частоте.

В середине 50-х годов появились надежные силовые кремниевые выпрямители, на базе которых началось производство бесщеточных генераторов переменного тока и статических преобразователей. На их основе к концу 50-х годов начался серийный выпуск агрегатов системы электроснабжения трехфазного тока 208/120 В фиксированной частоты.

Так, в конце четвертого этапа была подготовлена принципиально новая техническая база систем электрооборудования самолетов, основанная на полупроводниковой электронике.

Пятый, современный, этап, начавшийся примерно с 1960г., связан с ростом производства тяжелых реактивных самолетов, увеличением скорости, дальности и высоты полета. В связи с этим возросла мощность электросистем. Это привело к полной перестройке систем электроснабжения, начавшейся с тяжелых самолетов. Для них в качестве основного был принят переменный трехфазный ток 208/120В фиксированной частоты, разработаны принципиально новые бесконтактные генераторы трехфазного тока (серии ГТ), ППС и статические преобразователи рода тока. Новая система электроснабжения была осуществлена на самолете Ил-62, а затем и на других самолетах С. В. Ильюшина, А. Н. Туполева, П. О. Сухого.

На легких и средних самолетах сохранились электрические системы постоянного тока со щеточными генераторами и преобразователями. К началу семидесятых годов дальнейшее совершенствование щеточных генераторов постоянного тока стало технически невозможным. На смену им пришли бесконтактные генераторы (серии ГСБК) С бесконтактной аппаратурой управления. Бесконтактные генераторы оказались более надежными, чем контактные, и позволили получить большую мощность на единицу массы. Таким образом, продолжается совершенствование и систем постоянного тока, базирующееся на новой технической базе источников электроэнергии.

В течение рассматриваемого этапа были созданы новые герметичные коммутационные и защитные аппараты; электромеханизмы переменного тока; осветительные и светосигнальные устройства, система красного света в кабинах и маяки.

Таким образом, на пятом этапе происходит значительная качественная реконструкция электрооборудования самолетов, определившая направление его развития на дальнейшие годы.

Большой вклад в теоретическое обоснование конструкторских решений, в разработку теории авиационного электрооборудования внесли А. И. Бертинов, Д. Э. Брускин, М. М. Красношапка, Н. Т. Коробан, А. Н. Ларионов, В. Т. Морозовский, В. Д. Нагорский, К. Д. Рунов, И. М. Синдеев.

2. Классификация авиационного электрооборудования

Классификация элементов электрооборудования производится по ряду признаков.

По функциональному признаку электрооборудование самолетов делится на агрегаты и системы. Агрегаты -- это изделия, выполняющие однозначную функцию. Системой называется совокупность агрегатов, электрически соединенных между собой определенной связью и взаимодействующих в рамках единого решения какой-либо задачи.

По энергетическому признаку из комплекса электрооборудования выделяются две группы: потребители (или приемники) электроэнергии и система электроснабжения.

Системой электроснабжения самолета называется совокупность систем генерирования (или преобразования) и распределения электроэнергии. Различают две части такой системы: первичную и вторичную.

Первичная система электроснабжения может быть основной и вспомогательной. Они отличаются следующим: генераторы основной системы вращаются от маршевого двигателя самолета или от двигателя несущего винта вертолета; вспомогательная или резервная система дополняет основную или заменяет ее при снижении, рулежке или стоянке самолета, когда его маршевые двигатели работают на малых оборотах или остановлены. Вспомогательная система получает электроэнергию от аккумулятора или от автономной вспомогательной силовой установки (ВСУ).

Вторичная система электроснабжения система, питаемая преобразующими устройствами от первичной системы.

Соответственно этим двум системам различают и источники электроэнергии: первичные (генераторы, аккумуляторы) и вторичные (инверторы, выпрямители, трансформаторы).

Первичная система состоит из систем генерирования и распределения. В первую из них входят источники электроэнергии и аппаратура управления, обеспечивающая автоматическую работу. Вторичная система преобразования включает в себя преобразователи и аппаратуру автоматического управления ими. Обе системы - первичная и вторичная - имеют системы распределения электроэнергии, состоящие из распределительных устройств (РУ) и сети, образованной проводами и сетевыми аппаратами.

Различают три режима работы системы элёктроснабжения:

1) нормальный режим, при котором нормально функционируют элементы системы, обеспечивая бесперебойное питание всех потребителей;

2) ненормальный режим, который возникает вследствие внезапной потери или ухудшения управления системой. Такой режим - редкое, случайное явление, возникающее из-за отказа части элементов системы. Этот режим может быть кратковременным (например, сработала защита), после чего система возвращается в нормальный режим, или длительным (система переходит в аварийным режим);

3) аварийный режим, при котором система в полете не отдает необходимую мощность или не обеспечивает требуемое качество электроэнергии для потребителей. В этом случае потребители переключаются на оставшиеся исправными системы или на аварийную систему. (Аварийной называется система электроснабжения, питаемая специальными аварийными источниками электроэнергии: аккумуляторами, преобразователями, генераторами вспомогательных силовых установок (ВСУ)).

Все электрические установки на самолете в зависимости от характера их работы и взаимной связи между собой можно подразделить на источники и потребители электрической энергии, бортовую (электрическую) сеть и систему электрического зажигания.

Источниками электроэнергии на самолете являются генераторы, которые преобразуют механическую энергию вращения первичного двигателя в энергию электрическую. Генераторы являются основными источниками электроэнергии на самолете. Мощность отдельных генераторов и их количество зависят от типа самолета. Серию самолетных генераторов СТГ используют и для раскрутки вала турбореактивного двигателя при запуске (поэтому эти генераторы называются стартер - генераторами).

Авиационные генераторы постоянного тока допускают полуторакратную перегрузку в течение мин и двукратную перегрузку в течение 10 с перерывом 1 ч. Они рассчитаны на нормальную работу при температуре окружающего воздуха от до +60 и относительной влажности атмосферы 98%.

К самолетным генераторам постоянного тока предъявляют ряд специфических требований: максимальная надежность, высокая прочность, минимальные масса и габаритные размеры. Для достижения максимальной надежности и высокой прочности применяют теплостойкие изоляционные материалы, такие как стеклослюдинит, эпоксидный компаунд. Для сохранения магнитных свойств генератора в условиях высоких температур используют специальные тепмагнитные материалы.

Для уменьшения массы и габаритных размеров генераторов повышают рабочие частоты вращения, которые составляют от 4000 до 9000.

При работе на земле поверхность коллекторных пластин покрывается тончайшей пленкой, состоящей из двух слоев: окиси меди и графита (политура), что является естественным смазывающим слоем между щеткой и коллектором. На высоте воздух разряжен, и здесь из-за малого содержания кислорода и влаги такой слой не образуется. Чтобы предотвратить чрезмерный износ щеток в высотных условиях, искусственно создают смазывающий слой между щеткой и коллектором. Для этого медщетки, применяемые в авиационных генераторах, пропитывают веществами, создающими смазывающий слой.

В качестве аварийного источника энергии, когда первичный двигатель не работает, а также в качестве дополнительного источника энергии в моменты, когда мощность от системы требуется большая, чем мощность генератора, используются аккумуляторы, включаемые параллельно в систему.

В основном применяются свинцово-кислотные аккумуляторы, допускающие большие токи разряда (стартерный режим), что очень важно для электромеханизмов запуска.

Распределение электрической энергии между потребителями осуществляется через электрическую сеть, которая состоит из проводов, аппаратуры защиты и аппаратуры управления, штепсельных разъемов сети и коммутационно-распределительных устройств.

Электрические исполнительные механизмы преобразуют электрическую энергию для разнообразных целей. В общем случае такое преобразование осуществляется с помощью различных электрических двигателей, передающих движение исполнительным устройствам через механические преобразователи движений. В зависимости от вида двигателя, преобразующего электрическую энергию в механическую, различают электродвигательный и электромагнитный приводы. Электромагнитный привод применяется главным образом в тех случаях, когда исполнительный механизм имеет малый ход или требует поворота на небольшой угол и без преодоления больших усилий.

Применяемая электрическая энергия различается по роду тока, напряжению и частоте. Электрические системы подразделяются на системы постоянного, переменного тока и смешанные.

В системах постоянного тока электрическая энергия генерируется и распределяется в основном на постоянном токе, и только некоторые потребители питаются переменным током от преобразователей. В системах постоянного тока, когда несколько генераторов приводятся в действие от авиационных двигателей, легко решается задача их параллельной работы; электродвигатели имеют большой пусковой момент, хорошие характеристики позволяют легко и в широких пределах регулировать скорость. Вместе с тем в такой системе тяжелы и малонадежны преобразователи постоянного тока, сложны коммутационные аппараты, велики радиопомехи. При передаче электрической энергии большой мощности и малого напряжения значительно увеличивается вес проводов и аппаратуры. На больших высотах двигатели и генераторы постоянного тока сильно искрят, поэтому быстро портятся коллекторы и щетки. В связи с этим в последние годы наметилась тенденция перевода электропитания с постоянного тока на переменный, т. е. на такие системы, в которых генерирование и распределение электрической энергии производится в основном на переменном токе и лишь некоторые потребители питаются постоянным током от выпрямителей. Следует отметить, что системы переменного тока позволяют легче преобразовывать электрическую энергию одного напряжения в другое.

Электрические системы, в которых генерирование и распределение электрической энергии производится как на постоянном, так и переменном токе, называются смешанными.

В настоящее время на отечественных самолетах установлен следующий стандарт напряжения:

а) для систем постоянного тока -- 27--28 в. На некоторых тяжелых самолетах принято стандартное напряжение 110 и 220 в, для специальных целей (в радиоустановках) применяется постоянный ток напряжением 250, 750, 1 100 и 2 500 в;

б) для систем переменного тока --26, 36, 115 в для однофазного тока и 208/120 в для трехфазного тока (на некоторых самолетах-- 200/115 в). Для отдельных установок находят применение напряжения 5 000, 10 000 и 20 000 в.

Стандартной частотой переменного тока принята частота 400 гц и только в некоторых случаях применяют частоты 125, 500 и 800 гц.

Электрическая сеть самолета выполняется по однопроводной, двухпроводной и смешанной схемам. При однопроводной схеме изолируется от массы самолета только один (плюсовой) провод -- вторым (минусовым) проводом является металлический корпус самолета. При такой схеме питания источник и все потребители должны иметь соединение с корпусом самолета, и к каждому потребителю электроэнергия подводится через плюсовой провод. В двухпроводной сети на каждом источнике и потребителе имеются два провода (плюс и минус). Сеть с корпусом самолета не связана. Смешанные сети имеют обобщенную сеть минусовых проводов, но без использования корпуса самолета.

Для бортовой сети низкого напряжения применяют провода типа ЛПРГС (лакированный провод, резиновый, гибкий, самолетный) и типа БПВЛ (бумажный провод, виниловый, лакированный).

Для бортовой сети высокого напряжения применяют провода с резиновой изоляцией. Минимальное сечение проводов -- 0,35 мм2 ,максимальное -- 50 мм2.

Защита электрической сети от перегрузки или коротких замыканий осуществляется плавкими предохранителями и биметаллическими автоматами защиты сети (АЗС).

Основными источниками электроэнергии на самолете, как уже указывалось, являются генераторы постоянного или переменного тока. Приведение генераторов во вращение может осуществляться от вала авиационного двигателя, вспомогательной силовой установки, ветродвигателей (ветрянок), использующих скорость воздушного потока.

В связи с переходом на переменный ток и повышением мощности генераторов наметилась тенденция использовать для привода генераторов независимые двигатели.

Значительных улучшений весовых показателей электросистем удалось достичь при установке на турбореактивных и турбовинтовых двигателях стартер-генераторов. Стартер-генератор представляет собой электрическую машину, сцепленную с валом компрессора и работающую во время работы реактивного двигателя в качестве генератора электрической энергии, а во время запуска двигателя -- в качестве стартера в двигательном режиме.

Для получения постоянного тока более высокого напряжения, чем стандартное, в самолетных радиоустройствах применяются одноякорные преобразователи (умформеры). Умформер совмещает в одном корпусе две электрические машины -- двигатель постоянного тока, работающий от бортсети, и генератор постоянного тока высокого напряжения. Для преобразования постоянного тока бортовой сети в переменный применяются инверторы.

3. Требования к электрооборудованию

К электрооборудованию самолетов предъявляются требования минимальной массы, габаритов и стоимости; технологичности; удобства и безопасности в эксплуатации. Особенно высокой должна быть надежность. Она зависит от климатической, механической и электрической стойкости и устойчивости электроагрегатов.

Климатические требования. Для уменьшения влияния указанных воздействий применяют принудительный отвод тепла, коммутационную и защитную аппаратуру помещают в герметичный корпус, в котором сохраняется нормальное давление.

Высота, на которую рассчитано самолетное электрооборудование, определяется потолком самолета. Эта высота может достигать 20-30 км.

Влага приводит к коррозии металлов и образованию токопроводящих дорожек на электрической изоляции. Самолетное электрооборудование должно надежно работать при относительной влажности 95-98%, замеренной при температуре +40°С, а для тропических условий работы - до 100%.

Влияние озона. Устойчивость материалов к воздействию озона достигается присадкой антиозонаторов - специальных химических веществ.

Солнечная радиация. Эффективной защитой от солнечной радиации является применение лакокрасочных материалов, специальных добавок в материал изделий при производстве, укрытие самолетов чехлами при длительных стоянках, использование крытых ангаров.

Температурные влияния. Типичным требованием к агрегатам авиационного электрооборудования является надежность их работы в диапазоне температур от -60 до +60° (или до +80°С).

Наиболее надежным способом защиты от атмосферных влияний и изменения наружной температуры является размещение агрегатов в герметичных отсеках, салонах, в которых предусмотрено кондиционирование воздуха. Защита от атмосферных воздействий возможна и путем герметизации агрегата - помещения его в специальный герметический корпус. Современные сетевые и коммутационные аппараты выпускаются пыле - и влагонепроницаемыми. Это обозначается буквой Г в шифровке аппарата. Герметичные аппараты разборке и ремонту не подлежат.

Динамические воздействия. Динамическая сила F, действующая на агрегат при вибрации или ударе, приложена в центре агрегата и может действовать в направлении любой из осей самолета. При этом опасное сечение находится в местах крепления, где создаются максимальные концентрации напряжений.

Величина динамической силы определяется по второму закону Ньютона: F=ma, где m - масса агрегата, а - максимальное ускорение, создаваемое при динамическом воздействии на агрегат. Зная величину и направление силы F, можно разложить ее на составляющие по осям самолета и определить интересующую составляющую. Затем по уравнениям прочности, приводимым в курсе теоретической механики, находят необходимые сечения крепежных элементов: болтов, заклепок, лап, полок, кронштейнов.

К оборудованию самолетов, имеющих мощные турбореактивные двигатели, и сверхзвуковых самолетов предъявляются также требования устойчивости к звуковым воздействиям.

Для обеспечения динамической устойчивости применяют материалы, стойкие к вибрации и ударам, и на всех винтовых соединениях предусматривают средства против самоотвинчивания.

В тех случаях, когда требуется снизить динамические усилия, действующие на электроагрегат, применяют амортизаторы. Они имеют упругий элемент, благодаря которому энергия вибраций в течение полупериода действия не успевает полностью передаться на агрегат, так как за импульсом одного знака следует импульс другого. Кроме того, часть энергии вибрации расходуется на преодоление упругости материала. В качестве упругого материала используют резину или пружины.

Срок службы современных пассажирских самолетов достигает 25-30 тысяч часов. С этим сроком согласован срок службы статических элементов электрооборудования: щитков, коробок, светильников, электросети.

4. Специальные и дополнительные требования к системам электроснабжения

Взрывобезопасность. Этим свойством должны обладать агрегаты, соприкасающиеся с горючими материалами и их парами, например, двигатели топливных насосов. Такие агрегаты должны иметь герметичное исполнение, исключающее возможность появления открытой дуги или искры.

Огнестойкость. Агрегаты, работа которых необходима в аварийных условиях (и система электропитания этих агрегатов), должны быть огнестойки. Они должны сохранять свою работоспособ

ность в течение 5 мин при воздействии на их поверхность пламени с температурой 1100С. Это позволит агрегату при пожаре выполнять свои функции.

Негорючесть. Это требование предъявляется к изоляционным материалам. Они не должны гореть или поддерживать горение в местах воздействия огня, искры или электрической дуги короткого замыкания. Допускается лишь обугливание на коротком участке соприкосновения с огнем. Это требование особенно важно для монтажных проводов. Но еще не все их типы ему удовлетворяют.

Качество электроснабжения. Энергетическая система самолета должна давать потребителям электрический ток определенного качества. Оно характеризуется значениями частоты и напряжения, формой кривой напряжения и симметричностью составляющих трехфазных систем.

Литература

1. А. П. Барвинский. Электрооборудование самолетов: издание 2 / А. П. Барвинский, Ф. Г. Козлова -М.: Книга по Требованию, 2012. - 324 с.

2. Балагуров В.А. Лекции по курсу «Проектирование электрооборудования самолетов и автомобилей»: учеб. пособие / В.А. Балагуров. - Москва. - 41с.

3. Электрооборудование летательных аппаратов (Учебное пособие). -- Севастополь, 1974.

4. Системы электроснабжения летательных аппаратов (Учебник) / под ред. С.П. Халютина. -- М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2010. -- 428 с.

5. Авиационное оборудование / под ред. Ю. П. Доброленского. -- М.: Военное издательство, 1989. -- 248 с.

Размещено на Allbest.ru