Генератор с переключением потока

Генератор переменного тока с переключением потока — это разновидность высокоскоростного генератора переменного тока , электрического генератора переменного тока , предназначенного для прямого привода от турбины . Они просты по конструкции, ротор не содержит катушек и магнитов, что делает их прочными и способными работать на высоких скоростях вращения. Это делает их пригодными только для широкого применения — в управляемых ракетах . ^{[ я ]}

Управляемые ракеты

Управляемым ракетам во время полета требуется источник электроэнергии. Это необходимо для питания систем наведения и взрывателя , а также, возможно, мощных нагрузок активной радиолокационной ГСН ракеты (т.е. передатчика) и, реже, поверхностей управления . управляющей поверхности Приводы высокоскоростной ракеты требуют большой силы, поэтому они обычно приводятся в действие некоторыми неэлектрическими средствами, такими как отбор выхлопных газов пороха из двигателя ракеты. ^{[ 1 ]} Редкими исключениями, где используются поверхности управления с электроприводом, являются в основном дозвуковые морские ракеты средней дальности, например Exocet , Harpoon и Martel . ^{[ 2 ]} Общая нагрузка варьируется для разных ракет от 100 Вт до нескольких кВт. ^{[ 2 ]}

Электроснабжение ракеты должно быть надежным, особенно после длительного хранения. В зависимости от типа ракеты также может потребоваться начать подачу мощности почти сразу после запуска или даже перед запуском, чтобы гироскопы могли разогнаться до скорости. ^{[ 2 ]} и обеспечивать питание в течение разного периода времени. ^{[ 2 ]} Небольшим противотанковым ракетам или ракетам «воздух-воздух» может потребоваться мощность только на несколько секунд полета. Другие, такие как тактические ракеты или межконтинентальные баллистические ракеты , могут потребовать питания в течение нескольких минут. с турбореактивными двигателями Крылатые ракеты имеют самое продолжительное время полета (большая дальность полета, но при этом самая медленная в полете); однако у них также есть двигатели, способные приводить в действие более традиционный генератор.

На практике для питания ракет используются две технологии: батареи и генераторы. Используемые батареи обычно представляют собой экзотические типы, редко встречающиеся за пределами ракет, такие как серебряно-цинковые или тепловые батареи . Используемые генераторы представляют собой простые высокоскоростные генераторы, приводимые в движение непосредственно ротором турбины, который питается либо от выхлопных газов ракетного двигателя, либо от специального газогенератора . ^{[ 3 ]}

Принципы генератора переменного тока

Генератор должен быть прочным и способным развивать очень высокие скорости, поскольку он приводится в движение со скоростью турбины без понижающей передачи. Таким образом, ротор должен иметь простую конструкцию и не должен иметь скользящих контактов с контактными кольцами или другими щеточными механизмами . ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Хотя для ракеты требуется электропитание в основном постоянного тока, генератор переменного тока и необходимость в выпрямителе по-прежнему отдают предпочтение из-за его механической прочности. ^{[ 5 ]}

Необычно то, что и катушки возбуждения , и обмотка якоря закреплены на неподвижном статоре. Ротор представляет собой простое зубчатое колесо без обмоток и электрических компонентов. ^{[ 6 ]}

В простейшем случае статор имеет четыре полюса, а катушки возбуждения и обмотки якоря расположены попеременно вокруг статора между полюсами. Полевые магниты расположены полюсами друг напротив друга, т.е. один якорь находится между двумя северными полюсами, другой - между двумя южными. Ротор представляет собой простой зубчатый диск из магнитного, но не намагниченного железа. Вращаясь между полюсами, он связывает поток между одной парой противоположных полюсов. Таким образом, магнитная цепь статора представляет собой пару треугольников, каждый из которых содержит поле, якорь и общий путь через ротор. Поток проходит в каждой цепи от одного поля и через один якорь. Когда ротор вращается, формируется другой треугольный путь, переключающий поток с одной пары поля и якоря на другую, а также меняющий направление потока в катушке якоря. Именно это изменение направления потока создает переменную ЭДС . ^{[ 6 ]}

Ротор должен перекрывать путь между противоположными полюсными наконечниками, но никогда не должен перекрывать все четыре полюса одновременно. Таким образом, у него должно быть четное число полюсов, но оно не должно делиться на четыре. ^{[ 4 ]} В практичных роторах используется шесть полюсов. ^{[ 6 ]} Поскольку вращения на один шаг зуба достаточно для генерации одного цикла переменного тока, выходная частота, таким образом, является произведением скорости вращения (в оборотах в секунду) и количества зубьев ротора. ^{[ 6 ]} Ранние системы переменного тока использовали стандартную частоту 400 Гц, что ограничивало генераторы переменного тока двухполюсными роторами и максимальной скоростью вращения 24 000 об/мин. ^{[ 7 ]} Использование более высоких частот многополюсных роторов уже было признано будущим средством достижения большей мощности при том же весе. ^{[ 8 ]} Генератор ракеты Seaslug использовал скорость 24 000 об/мин для производства электроэнергии мощностью 1,5 кВА при частоте 2 400 Гц. ^{[ 6 ]}

Поле может создаваться либо постоянными магнитами, либо катушками возбуждения. Регулирование выходного напряжения достигается за счет управления током через обмотку, либо катушку возбуждения, либо обмотку управления вокруг постоянного магнита. ^{[ 6 ]}

Привод генератора

Маршевый двигатель

Самое простое решение — отводить часть горячих выхлопных газов из маршевого двигателя и направлять их через турбину генератора. ^{[ 3 ]}^{[ 9 ]} Этот газ также может использоваться для питания исполнительных механизмов рулевой поверхности, как это было использовано в Vigilant. ^{[ 1 ]} Это один из самых простых и легких источников электропитания ракеты. ^{[ 3 ]}

Удаление выхлопных газов из двигателя увеличивает количество требуемого топлива, но этот эффект незначителен и составляет около 1%. Выхлоп горячий, возможно, до 2400 °C, а давление варьируется от 2600 фунтов на квадратный дюйм на этапе наддува до 465 фунтов на квадратный дюйм во время поддержания . ^{[ 1 ]} Более серьезным недостатком является количество сажистых частиц в выхлопе. ^{[ 10 ]} для чего требуется фильтр, чтобы не допустить их попадания в турбину. ^{[ 3 ]} Поскольку такие фильтры сами по себе могут засориться, этот метод лучше всего подходит для коротких полетов.

Газовый генератор

Газогенератор – это химическое устройство , которое горит для обеспечения подачи газа под давлением. Несмотря на то, что этот газ все еще горячий, сравнимый с выхлопами ракетных двигателей, он может быть холоднее и чище от твердых частиц, чем выхлопы ракеты. ^{[ 3 ]} Могут использоваться как твердотопливные, так и жидкотопливные газогенераторы. ^{[ 3 ]}

Преимуществами газогенераторного привода, а не моторного, являются:

Более чистый и прохладный выхлоп, который с меньшей вероятностью вызовет проблемы с турбиной.
Возможность запуска газогенератора перед запуском, что дает время для гироскопов до нужной скорости, мощности для поверхностей управления и т. д. разгона
Возможность продолжать выработку электроэнергии после перегорания двигателя во время фазы баллистического выбега .

История развития

Первые генераторы этого типа начались с первых ракет, требующих значительной электроэнергии, использующих радиолокационные ГСН (первоначально полуактивное радиолокационное самонаведение ). Их разработка началась в конце 1940-х годов с ракет класса «воздух-воздух», таких как Sparrow . ^{[ 4 ]} «Спэрроу» представлял собой относительно крупную ракету с корпусом диаметром 8 дюймов. К концу 1950-х годов генераторы с турбинным приводом также использовались в легких противотанковых ракетах, таких как Vigilant . ^{[ 1 ]} Vigilant имеет диаметр тела 4. 1 ⁄ включая дюйма, 3 ⁄ дюйма Центральная реактивная труба диаметром . Генератор и турбина были размещены в оставшемся кольцевом пространстве размером всего 1 7 ⁄ 8 дюймов. ^{[ 1 ]}^{[ 11 ]}

Постоянные магниты – это магниты.

Альтернативным высокоскоростным генератором является магнето с постоянными магнитами . Достижение необходимой мощности зависит от использования современных редкоземельных магнитов , таких как самарий-кобальт или неодим . Выходная катушка выполнена в виде статора с осевым магнитным потоком от вращающегося многополюсного кольцевого магнита. ^{[ 12 ]}

См. также

Ссылки

^ « Ракета » здесь понимается в широком смысле и может относиться к любому управляемому снаряду , потенциально включая торпеды , а также авиационные ракеты.

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Форбат, Джон (2006). Управляемое оружие «Виккерс» . Издательство Темпус. стр. 155–161. ISBN 0-7524-3769-0 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Ли, полковник Р.Г.; Гарланд-Коллинз, ТК; Джонсон, Делавэр; Арчер, Э.; Спаркс, К.; Мосс, генеральный директор; Моват, AW (1988). «Электроснабжение». Управляемое оружие . Том. 1. Брасси . п. 43. ИСБН 0-08-035828-4 . {{cite book}}: |work= игнорируется ( помогите )
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Брасси, Управляемое оружие (1988) , с. 55
^ Jump up to: ^а ^б ^с Раух, SE; Джонсон, LJ (январь 1955 г.). «Принципы проектирования генераторов переменного тока с переключателем потока». Энергетические аппараты и системы . 74 (3). AIEE : 1261–1268. дои : 10.1109/AIEEPAS.1955.4499226 . S2CID 51633745 .
^ Манн (1957) , стр. 82–83.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Брасси, Управляемое оружие (1988) , с. 57
^ Манн (1957) , с. 84.
^ Манн (1957) , стр. 155–165.
^ Манн, Роберт Уэлсли (июнь 1957 г.). «Внутренняя мощность ракеты» (PDF) . Массачусетский технологический институт : 91 . Проверено 14 мая 2018 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Манн (1957) , с. 35.
^ «Викерс Бдительный» . Рейс : 716–717. 22 мая 1959 г. , чертеж основных компонентов ракеты Vigilant в разрезе.
^ Брасси, Управляемое оружие (1988) , с. 58.

[1] « Ракета » здесь понимается в широком смысле и может относиться к любому управляемому снаряду , потенциально включая торпеды , а также авиационные ракеты.

[Forbat,_Vigilant-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Форбат, Джон (2006). Управляемое оружие «Виккерс» . Издательство Темпус. стр. 155–161. ISBN 0-7524-3769-0 .

[Brasseys,_Requirements-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Ли, полковник Р.Г.; Гарланд-Коллинз, ТК; Джонсон, Делавэр; Арчер, Э.; Спаркс, К.; Мосс, генеральный директор; Моват, AW (1988). «Электроснабжение». Управляемое оружие . Том. 1. Брасси . п. 43. ИСБН 0-08-035828-4 . {{cite book}}: |work= игнорируется ( помогите )

[Brasseys,_Alternator_drives-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Брасси, Управляемое оружие (1988) , с. 55

[Rauch,_1955-5] Jump up to: ^а ^б ^с Раух, SE; Джонсон, LJ (январь 1955 г.). «Принципы проектирования генераторов переменного тока с переключателем потока». Энергетические аппараты и системы . 74 (3). AIEE : 1261–1268. дои : 10.1109/AIEEPAS.1955.4499226 . S2CID 51633745 .

[FOOTNOTEMann195782–83-6] Манн (1957) , стр. 82–83.

[Brasseys,_Inductor_Alternator-7] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Брасси, Управляемое оружие (1988) , с. 57

[FOOTNOTEMann195784-8] Манн (1957) , с. 84.

[FOOTNOTEMann1957155–165-9] Манн (1957) , стр. 155–165.

[MIT,_1957-10] Манн, Роберт Уэлсли (июнь 1957 г.). «Внутренняя мощность ракеты» (PDF) . Массачусетский технологический институт : 91 . Проверено 14 мая 2018 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[FOOTNOTEMann195735-11] Манн (1957) , с. 35.

[12] «Викерс Бдительный» . Рейс : 716–717. 22 мая 1959 г. , чертеж основных компонентов ракеты Vigilant в разрезе.

[FOOTNOTEBrassey's,_Guided_Weapons198858-13] Брасси, Управляемое оружие (1988) , с. 58.

[ я ]

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]