Возможность применения электрических генераторов в космических энергоустановках

В работе рассмотрены возможности и условия применения униполярных генераторов в космических энергоустановках .

Достижения в области создания энергоустановок показывают, что в диапазоне электрической мощности 100 кВт и выше ядерные энергоустановки (ЯЭУ) с использованием газотурбинных преобразователей энергии (ГТПЭ) , не уступая по надежности энергоустановкам на основе солнечных батарей и термоэмиссионных преобразователей , превосходят их по таким параметрам как компактность, масса и экономичность.

В качестве источников электрической энергии постоянного тока в ГТПЭ могут применятся обычные коллекторные генераторы постоянного тока, генераторы переменного тока с выпрямительными устройствами, а также униполярные генераторы.

Использование сверхпроводящих обмоток позволит увеличить плотность электрической энергии в данных машинах, снизить их удельный вес до 0,I - I кг/кВт, что связано с ростом магнитного потока в рабочем объеме и уменьшением тепловых потерь.

По сравнению с другими типами электрических машин униполярные генераторы обладают рядом преимуществ, главные из которых: простота конструкции, большая перегрузочная способность, высокий к.п.д, отсутствие пульсаций в кривой тока и напряжение, возможность непосредственного подсоединения к турбине энергоустановки и т.д.

Использование в униполярных генераторах сверхпроводящей обмотки дает возможность значительно увеличить магнитное поле и э.д.с. генератора.

Как показывают расчеты, униполярные генераторы могут обладать хорошими энерговесовыми показателями

В работе [1]   дается   расчетно-теоретический анализ энерговесовых характеристик УГ с криогенной обмоткой возбуждения. Рассматривался униполярный генератор, имеющий радиус диска 0,3 м, вращающегося со скоростью 300 - 400 м/с, при плотности тока в обмотке возбуждения j=4·108 А/м. и магнитном поле , создаваемом в обмотке возбуждения 1.В=5Тл, 2.В=10Тл.

Рис.1. Расчетно-теоретический анализ энерговесовых характеристик УГ с криогенной обмоткой возбуждения .

Указанный радиус диска принимался исходя из возможности изготовления криогенной обмотки возбуждения и возможных скоростей вращения турбинных дисков.

Как видно из рис. 1, при соответствующих параметрах обмотки возбуждения однодисковый УГ может генерировать э,д.с. до 1000 В и выше. Однако для этого необходимо, чтобы в рабочем объеме униполярного генератора создавалось магнитное поле в несколько десятков тесла, что невозможно при современном развитии техники создания мощных соленоидов.

Наиболее реальные величины магнитных полей, достижимых в настоящее время могут составлять 5 + 10 Тл. При таких магнитных полях и соответствующих параметрах обмотки УГ, генерируемая э.д.с может достигать от 600 В до 800 В (рис. 1).При этом, удельный вес униполярного генератора, рассматриваемых размеров при постоянной мощности растет пропорционально размерам обмотки возбуждения и может составлять 4·10-2 кг/кВт (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость удельного веса униполярного генератора а = — я = от параметров обмотки возбуждения ,      ^ , где

I R    R

06 , ДУ , - внутренний радиус обмотки возбуждения и радиус диска УГ, соответственно,

^»е - длина обмотки возбуждения УГ.

Так например, предэскизный проект УГ мощностью 25 мВт [2] показал, что удельный вес генератора может достигать 0,05 кг/кВт при э.д.с, равной ~ 500 В.При этом, магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения должно составлять: 1. 5Тл, 2. 10Тл. (рис. 2)

Если же мощность УГ заданных размеров не ограничивается по величине, то при увеличении размеров обмотки возбуждения в связи с ростом э.д.с, а следовательно, и мощности, развиваемой униполярным генератором, его удельный вес уменьшается (рис. 3).

Конечно, создание таких агрегатов является довольно сложной задачей, так как имеется ряд трудностей таких, как необходимость работы подвижного электрического контакта при высоких линейных скоростях вращения диска и в сильных магнитных полях, необходимость прохождения больших электрических токов через эти агрегаты и т.д.

Как известно, рабочие характеристики униполярного генератора в значительной степени определяются и линейной скоростью вращения ротора.

Однако, ограничивающим фактором увеличения скорости вращения ротора, а следовательно и более широкому применению УГ в энергоустановках, является не столько прочностные характеристики материала ротора, сколько способность к устойчивой роботе подвижного электрического контакта.

Рис. 3. Зависимость удельного веса УГ от мощности, развиваемой генератором.

В настоящие время в униполярных машинах применяются в основном щеточные и жидкометаллические подвижные электрические контакты

Щеточные контакты в стационарном режиме могут работать только до 20 - 30 м/с при плотности электрического тока 105 А/м2

В импульсном режиме, при использовании угольноволокнистых щеток с медным покрытием, была достигнута линейная скорость вращения, равная 350 м/с, при плотности тока 7·10⁶ А/м². Как показано в этих исследованиях, кроме механических потерь в зоне контакта возникают еще и электрические потери. Так при V р =150

м/с и плотности тока j=3·106 А/м6 падение напряжения в контакте в среде аргона составляло 1,5 В, в среде воздуха 1,9 В . Причем, увеличение скорости вращения ротора приводило к росту электрических потерь.

Применение жидкометаллического контакта является более эффективном решением токосъема в униполярном генераторе .Однако, с увеличением скорости вращения диска значительно растут потери в этом контакте. Кроме того, жидкометаллические подвижные контакты в сильных магнитных полях работают не устойчиво.

Кроме щеточных и жидкометаллических подвижных контактов в униполярных машинах может применяться электродуговой подвижный контакт, предложенный учеными НИИТП г. Москвы.

Показано, что при определенных условиях потери в этих контактах могут достигать незначительных величин, что дает возможность применять их при создании электрических генераторов.

Выводы

Таким образом, как следует из статьи в качестве источников электрической энергии постоянного тока в ГТПЭ могут применяться униполярные генераторы, которые по сравнению с другими типами электрических машин обладают рядом преимуществ, главные из которых: простота конструкции, большая перегрузочная способность, высокий к.п.д, отсутствие пульсаций в кривой тока и напряжение, возможность непосредственного подсоединения к турбине энергоустановки и т.д.