Высокоиспользованные электрические машины для современной энергетики: проблемы создания и исследований

Экономика передовых промышленно развитых стран ориентирована на инновационно-технологические модели развития, в которой роль энергетики является ведущей в структуре национальной экономики [1−4].

Объем производства электроэнергии в России в настоящее время составляет порядка 1,5 трлн кВт ч. Установленные энергетические мощности в 2010 г. составляют 217 ГВт, 60% из них — оборудование, выработавшее свой ресурс [5]. Россия имеет электрические сети протяженностью 2,5 млн километров. Потери на транспортировку электроэнергии сегодня составляют 105−110 млрд кВт-ч/год. На долю малой энергетики приходится порядка 49 000 электростанций общей мощностью 17 000 МВт, работающих как в энергосистемах, так и автономно.

Повышенный интерес к автономной энергетике диктуется насущными потребностями энергоснабжения обширных территорий России, отдельных промышленных объектов и отдаленных и изолированных районов, транспортными и экологическими проблемами. Автономные энергоустановки малой мощности с одновременной выработкой электрической и тепловой энергии по ряду технико-экономических показателей имеют преимущество перед крупными установками. Эффективность их использования определяется:

— повышением надежности энергоснабжения,.

— независимостью работы от энергосистемы,.

— снижением масштабов отчуждаемых территорий,.

— сокращением сроков сооружения, уменьшением инвестиций,.

— ориентацией на широкий выбор топлив (жидкое, газообразное, твердое) и близость к первичным источникам энергии (газопроводов, геотермальных источников, концентрированных накопителей бытовых отходов) и местам ее потребления, что существенно снижает затраты на транспортировку [4].

Варианты энергетической стратегии до 2020;2030 годов [1−4] предусматривают, в частности, как приоритетные, помимо атомной энергетики, продолжение работ:

— по созданию опытных образцов энергоустановок на водородном топливе,.

— по созданию головных промышленных энергоустановок на альтернативных и возобновляемых источниках энергии, особенно для автономной энергетики (ветровые установки, энергоустановки, использующие энергию солнца, биомассы, биогаза, попутного газа, геотермальную энергию и энергию приливов морей и океанов).

Характерные технические ограничения применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ), такие как, нестабильность во времени, невысокая единичная мощность установок, низкая плотность потока энергии и связанная с этим показателем высокая стоимость генерирующего оборудования определяют актуальной технической, экономической и социально значимой проблемой разработку эффективных технологий автономного энергоснабжения удаленных потребителей. По мнению экспертов Института энергетической стратегии на основании исследования тенденций развития мировой энергетики «.в настоящее время мировая экономика вступает в фазу, для которой характерны тенденции регионализации и децентрализации энергетических рынков», а «возобновляемая энергетика демонстрирует наиболее высокие темпы прироста и потребления с начала 1990;х годов» [6]. Ожидается, что в ближайшее десятилетие роль природного газа и ВИЭ продолжит увеличиваться, а роль нефти и атомной генерации будет постепенно сокращаться, что должно способствовать развитию автономной энергетики.

По данным за 2008 г. доля нетрадиционной энергетики в структуре общего производства электроэнергии составила 0,7% в России и 2,2% в США. Прогноз на 2020 г. отражает увеличение этих показателей до 1,7% в России и до 6,7% в Америке [5]. Доля возобновляемых источников энергии (без учета ГЭС) в 2005 г. составляла в странах ЕЭС 4,8%, из которых доля ветроэнергетики — 1,9%. К 2020 г., учитывая огромные усилия, вкладываемые в развитие ВИЭ в Европе, одна треть (31,3%) в структуре производства электроэнергии будет получена от ВИЭ, включая водные ресурсы, причем на долю ветроэнергетики отведено из них 13% [7].

В XX веке тенденцией развития энергетики было наращивание единичных мощностей энергоблоков. Современные пути развития энергетического машиностроения в XXI веке характеризуются интересами в области автономной энергетики и расширением класса генераторов средней и малой мощности нетрадиционного исполнения, с высокими энергетическими показателями и надежностью.

Эти задачи развития энергетики требуют модернизации и интенсификации энергомашиностроения для выхода на уровень, не уступающий по технико-экономическим показателям лучшим зарубежным образцам, на базе инновационных технологий и новых фундаментальных и прикладных исследований в следующих направлениях:

— разработки конструкций на основе новых материалов;

— отладки рабочих режимов, повышения коэффициентов полезного действия (КПД), коэффициентов мощности (соб^);

— совершенствования систем диагностики и мониторинга;

— повышения ресурса и показателей надежности эксплуатации;

— повышения энергетической, технологической, техногенной, экологической безопасности оборудования.

Аналогичные задачи перед машиностроителями ставились и в 80−90-х гг. Основными целями исследовательских и опытно-конструкторских работ на головном предприятии отрасли ЛПЭО «Электросила» были снижение материалоемкости, повышение КПД и надежности, экономической эффективности при наращивании единичной мощности машин [8], совершенствование изоляции, охлаждения машин, применение новых марок холоднокатаных сталей, развития системы стандартизации и унификации [9], направленными на достижение уровня высокого использования машин.

Тенденция повышения уровня электромагнитного использования активной части электрических машин и уменьшения потерь различных видов остается актуальной задачей проектирования современных машин для автономной энергетики. Сокращение потерь в машине в сочетании с уменьшением материалоемкости достигается благодаря использованию новых материалов с улучшенными характеристиками и прогрессу в области проектирования и технологии [10]. Для увеличения линейной нагрузки статора в настоящее время ведутся работы по повышению теплопроводности X ее пазовой изоляции примерно вдвое (до X = 0,40,45 Вт/м-град) — для всыпных обмоток, часто применяемых для машин малой мощности, достигнуто снижение толщины, А изоляции элементарных проводников до, А = 0,08−0,10 мм. Для роторов синхронных машин, предназначенных для работы в автономных установках, с целью повышения магнитодвижущей силы (МДС) применяются постоянные магниты (ПМ) на основе редкоземельных элементов, например, ЫёРеВ, а для асинхронных машин с массивными роторамисталь ротора с требуемыми величинами электропроводности и относительной магнитной проницаемости [11].

Одним из современных подходов к оптимизации проектирования электрических машин с позиции экономии потребляемой энергии является критерий минимума потерь энергии при переменном характере нагрузки и длительном периоде работы [12]. Методики разработки высокоэффективных асинхронных тяговых двигателей и мотор-генераторов транспортных средств построены на оптимизации геометрии полюсного деления для достижения оптимальных соотношений момент/масса или момент/потери [13].

Варианты Энергетической стратегии России предусматривают и техническое перевооружение неэффективных тепловых газовых электростанций на парогазовые и газотурбинные установки. По рыночным оценкам доля дизель-генераторов в объеме генерирующего оборудования малой мощности составляет порядка 41%, газотурбинных установок (ГТУ) — 28%, газо-поршневых агрегатов -17%, паротурбинных — 14%. На ближайшие 10 лет объем рынка систем распределенной генерации в России оценивается экспертами в 20⁴⁰ тыс. мегаватт [4−6]. Одновременное производство электричества и тепла на месте потребления с высоким КПД с помощью автономных теплоэлектростанций или когенерационных установок является энергосберегающей технологией и соответствует требованиям современной энергетики.

В настоящее время возрастает интерес к сериям как высокооборотных синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов (СГПМ) в диапазоне мощностей от десятков и сотен киловатт до десятков мегаватт при частотах вращения от (12 000;15000) мин" 1 до 100 000 мин" 1 [14, 15] (частота на выходе генератора 200−1660 Гц), так и низкооборотных генераторов для микроГЭС и ветростанций. Это связано с решением проблем экологии и энергосбережения и соответствует мировой тенденции все большего использования возобновляемых низкопотенциальных источников энергии — ветра, приливов, волн, морских и речных течений.

Такая тенденция обусловлена ростом стоимости нового оборудования и снижением эффективности систем централизованного энергоснабжения. Особенностью современной энергетики является признание необходимости развития автономной энергетики из-за отсутствия централизованного энергоснабжения на значительной части обширной территории России и в труднодоступных районах Севера. Мини-турбогенераторы могут использоваться в качестве автономных источников электроснабжения, резервных источников в случае природных катаклизмов и аварийных ситуаций, а также в системах автоматического управления оборудованием при нефтегазодобыче, бурении скважин для геологоразведки, для диагностики и мониторинга окружающей среды.

Интерес к разработкам высокооборотных машин различной мощности в широком диапазоне частот вращения связан с расширяющимся их применением в составе микрогазотурбинных установок [16−17], появившихся на рынке с 1997 г. Возможность широкого применения их в России обусловлена климатическими условиями, большими территориями с размещением основных топливно-энергетических ресурсов в малонаселенных районах. Основными требованиями, предъявляемыми к установкам этого типа, являются: компактность и блочность, обеспечение экологической безопасности (минимальность вредных выбросов в окружающую среду, низкий уровень шума). Мировыми лидерами в разработке и производстве микротурбин (до 1 МВт) являются компании: Elliot Energy Systems, Calnetix, Ingersoll, фирма Turbec, Capstone Turbine Corporation, Nissan, Toyota, Bowmen. Конкурентоспособных малоразмерных ГТУ российского производства на сегодня на рынке нет, потенциальная же емкость российского рынка оценивается в количестве 500 установок в год, а при применении в гибридных автомобилях — до 5000 генераторов в год.

Типичными являются ТЭЦ с двумя и четырьмя газотурбинными агрегатами с электрической мощностью каждой турбины 9 МВт, причем частота вращения турбины 6000 мин" 1, а генератора 3000 мин" 1. По нашим оценкам перспективным турбогенератором для децентрализованной энергетики является высокооборотный турбогенератор с возбуждением от постоянных магнитов и частотами вращения 6000−12 000 мин" 1, соответствующими частотам на выходе генератора 100— 200 Гц [14, 15, 16, 18].

Министерство промышленности и инновационной политики республики Башкортостан инициировало в 2010 г. инновационный проект «Создание унифицированного комплекса энергогенерирующего оборудования единичной электрической мощностью до 300 кВт с возможностью объединения в кластеры мощностью до 5 МВт для децентрализованных систем энергетики».

Требование обеспечения высокой надежности, простоты конструкции и обслуживания оправдывает применение постоянных магнитов в качестве источника возбуждения мини-туробогенераторов. Кроме того, машины с постоянными магнитами имеют более высокий коэффициент полезного действия, надежное возбуждение (нет щеточного аппарата), улучшенные выходные характеристики, отличаются быстрым затуханием переходных процессов, у них более простая система охлаждения (из-за отсутствия потерь на возбуждение). При увеличении частоты вращения синхронных генераторов в некотором диапазоне частот и мощностей улучшаются массогабаритные показатели. Использование синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов в газотурбинной установке дает возможность непосредственного сочленения с газовой турбиной без мультипликатора, что существенно повышает надежность агрегата в целом [14, 19].

К недостаткам применения ПМ в высокооборотных машинах относится удорожание стоимости установки, вызванное необходимостью применения силовой электроники для обеспечения частоты сети на выходе генератора.

Для создания высокоиспользованных высокооборотных СГПМ требуется решить ряд принципиальных актуальных научно-технических проблем (методологических, материаловедческих и технологических задач):

— оценить возможности создания мини-турбогенераторов предельных мощностей и разработки размерного ряда СГПМ в диапазоне частот вращения до 100 000 мин" 1;

— обеспечить целостность магнитной системы ротора и выбор натягов и посадок, выбрать бандажный цилиндр, по критериям ограничения величины воздушного зазора и допустимых механических напряжений;

— оценить силы одностороннего магнитного тяжения ротора высокооборотной синхронной машины при наличии эксцентриситета для выбора магнитных подшипников;

— оценить возможности снижения механических потерь трения бочки ротора о воздух, повышения электромагнитных нагрузок и снижения потерь в стали путем применения новых материалов.

Для оперативного автоматизированного проектирования малоразмерных газотурбинных установок важной практической задачей является разработка расчетных моделей для определения рациональной геометрии СГПМ, включающей ЗБ модель для численного исследования напряженно-деформированного состояния магнитной системы ротора, уточнения размеров и оценки выбора материаловпостроение закономерностей изменения параметров рядов высокооборотных СГПМ. Это позволяет осуществить серии расчетов, связанные с уточнением геометрических размеров конструкций, расширить номенклатуру при необходимости введения модификаций, что особенно ценно в условиях рынка.

В высокооборотных СГПМ актуальна проблема снижения потерь, таких, как механические потери от трения бочки ротора о воздух, составляющих в СГПМ до 1% полезной мощности [20], а в электрических машинах малой и средней мощности, в том числе асинхронных, — добавочных потерь на циркуляционные и вихревые токи во всыпных обмотках. Целесообразна разработка методов расчета способов снижения этих видов потерь.

Уточнение расчета сил одностороннего магнитного тяжения ротора в высокооборотных синхронных машинах малой и средней мощности, которые могут достигать значительных величин при наличии эксцентриситета, представляет практический интерес при выборе магнитных подшипников. Наличие эксцентриситета в электрической машине приводит к асимметрии магнитного потока в зазоре машиныувеличению потерь и уменьшению КПДповышению температурыпоявлению в спектре тока гармонических высокого и низкого порядкапоявлению пульсирующих сил электромагнитного происхождения, обуславливающих возникновение вибрации. Поскольку в конструкциях современных СГПМ демпферная обмотка, характерная для синхронных машин с электромагнитным возбуждением, отсутствует, ослабление полей от высших гармоник не имеет места.

Особенности создания низкооборотных СГПМ, применяемых в ветрои гидроэнергетике, рассматриваются в связи с созданием ветроустановки с карусельной турбиной, низкооборотным генератором и безредукторным приводом.

В низкооборотных СГПМ для ветрои гидроэнергетики возникают проблемы, связанные с выбором рационального расположения магнитов в зависимости от частоты вращения, оказывающим влияние и на массогабаритные показатели, а также проблемы проектирования обмоток с дробным числом пазов на полюс и фазу. Для этих машин целесообразно построение размерного параметрического ряда для оперативного оценочного выбора требуемого варианта генератора с сочетанием заданной мощности, частоты вращения и геометрии магнитов. Ряд строится на тех же принципах, что и для высокооборотных машин.

Следовательно, проблемы создания нового поколения высокоиспользован-ных СГПМ связаны как с обеспечением высокого технического уровня разработки новых конструктивных решений благодаря совершенствованию и развитию методов моделирования и расчета электромагнитных полей, напряженно-деформированного состояния отдельных элементов конструкции машин, уточнению методов расчета рабочих характеристик машин, так и определением возможностей применения новых материалов с требуемыми свойствами с целью обеспечения прочностных свойств бандажа и целостности магнитной системы ротора и повышения энергетических показателей.

Именно недостаточно высокий уровень таких параметров, как КПД и соБ (р, ограничивает применение асинхронных двигателей с массивным ротором (АДМР), хотя они незаменимы в ряде современных практических применений: электроприводы с тяжелыми условиями пуска, повторно-кратковременные режимы работы, системы автоматики, управления, ориентации и наведения с широким диапазоном регулирования частоты вращения, погружные асинхронные электродвигатели для геологоразведки, откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин и т. п. Двигатели малой и средней мощности с массивным или многослойным ротором востребованы в связи с высокой кратностью пускового момента, возможностью регулирования частоты вращения изменением подводимого напряжения за счет мягкой механической характеристики двигателя, повышенной термической стойкостью в переходных процессах, отсутствием пульсаций вращающего момента. Особая актуальность разработки машин с массивным ротором очевидна для высокооборотных машин, в которых наиболее остро выражены проблемы механической и динамической прочности ротора, обусловленные высокими центробежными силами, и имеются повышенные потери при частотах вращения свыше 3000 мин" 1. Указанные выше преимущества пока еще не приводят к рекомендациям по широкому применению этого типа машин, так как проблемы повышения их энергетических параметров не решены, и, в первую очередь, недостаточно разработаны методы исследования. Наиболее простым конструктивным исполнением является массивный ротор, но в конструкции ротора могут присутствовать стержни, шлицы, короткозамыкающие кольца, многослойность. Все эти проблемы охватываются методом на основе комбинации задач теории цепей и электромагнитных полей, предложенным в работе для исследования рабочих характеристик АДМР, открывающим возможности исследования целого класса конструкций.

Актуальность проводимых в диссертационной работе исследований связана с выполнением работ по Программе Фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008;2012 гг., решением фундаментальных научных проблем по приоритетным направлениям «Энергетика и энергосбережение» и «Индустрия наносистем и материалы» Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 годы», ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009;2013 годы», ФЦП «Национальная технологическая база» в части создания компактных передвижных электростанций мощностью 100−200 кВт на основе высокоскоростных (до 100 мин" 1) газовых турбин с электромагнитными подшипниками для автономных потребителей, реализацией программ по организации отечественного производства малоразмерных газотурбинных установок современной энергетики.

Цели и задачи. В практике современного электромашиностроения потребности в электрических машинах (нетрадиционного исполнения) различных типов велики и определяются практическими задачами энергетики.

Номенклатура разрабатываемых машин и выбор критериев оптимизации при проектировании зависит от требований к их техническим, эксплуатационным, экономическим и другим характеристикам.

Целью настоящей работы является решение ряда методологических, технологических и материаловедческих проблем создания высокоиспользованных электрических машин для современной энергетики — высокооборотных и низкооборотных синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов (СГПМ) и асинхронных двигателей с массивным ротором (АДМР) — апробация расчетных и материаловедческих решений в экспериментальных исследованиях опытных образцов для анализа их влияния на энергетические показатели электрических машин.

Решение этих проблем обеспечивается разработкой эффективных методов и средств исследования выбранных объектов (СГПМ и АДМР).

Для достижения поставленной цели были решены следующие методологические, материаловедческие и технологические задачи:

— разработаны 2Э и ЗБ модели для оценки влияния свойств материалов и особенностей конструкции массивного ротора на рабочие характеристики АДМР;

— разработан метод расчета рабочих характеристик АДМР на основе комбинации задач теории цепей и электромагнитных полей;

— разработаны новые расчетные модели для определения рациональной геометрии СГПМ, в том числе ЗЭ модель для численного исследования напряженно-деформированного состояния магнитной системы ротора, уточнения размеров и оценки выбора материалов;

— уточнен общий метод расчета радиальных сил магнитного тяжения при наличии эксцентриситета ротора в режимах холостого хода и предложен метод расчета этих сил под нагрузкой в синхронных машинах, включая высокооборотные СГПМ;

— получены закономерности построения размерного параметрического ряда СГПМ;

— предложены методологические и материаловедческие способы снижения потерь:

— разработан метод расчета добавочных потерь от циркуляционных и вихревых токов во всыпных обмотках, применяемых в асинхронных и синхронных машинах малой мощности;

— обоснованы материаловедческие возможности обеспечения необходимой прочности ротора высокооборотных СГПМ, повышения электромагнитных нагрузок и снижения потерь в стали;

— предложены экспериментально подтвержденные материаловедческие способы снижения механических потерь трения бочки ротора о воздух применением антифрикционных покрытий поверхности ротора высокооборотных СГПМ;

— предложены технологические решения:

— выбора натягов и посадок в конструкции ротора высокооборотных СГПМ;

— способа исключения гармоник четных порядков из кривой МДС однослойных всыпных обмоток;

— выбора типа расположения постоянных магнитов в низкооборотных СГПМ в зависимости от частоты вращения.

Краткая характеристика выполненных работ.

В первой главе обозначен ряд актуальных научно-технических проблем создания высокоиспользованных высокооборотных СГПМ и предложены способы их решения. Проблемы создания высокооборотных СГПМ для автономной энергетики связаны с необходимостью решения методологических, материало-ведческих и технологических задач, обусловленных наличием больших центробежных сил, действующих на ротор, и перспективами применения новых материалов для повышения показателей эффективности. Проблема механической прочности включает необходимость исследования напряженно-деформированного состояния вращающихся элементов конструкции и разработки ряда:

1) локальных технологических аспектов:

— способов, обеспечивающих целостность магнитной системы ротора,.

— выбора натягов и посадок;

2) методологических аспектов: метода оценки возможностей создания высокоиспользованных высокооборотных СГПМ предельных мощностей и размерного мини-турбогенератора в диапазоне частот вращения до 100 000 мин" 1,.

— разработки новых расчетных моделей для рационального выбора геометрических размеров при заданных эксплуатационных характеристиках;

3) материаловедческих аспектов:

— выбора и оценки комплекса требуемых физических характеристик материала бандажного цилиндра для обеспечения необходимых прочностных свойств.

Оценка повышения эффективности СГПМ основана на возможностях применения материалов магнитов с улучшенными свойствами для повышения электромагнитных нагрузок и стали статора со сниженными потерями для уменьшения величины потерь в стали.

Монолитность металлических конструкций магнитной системы обеспечивается сопряжением магнитной системы с валом ротора посредством «горячей» посадки (что в значительной степени ограничено допустимой температурой нагрева собственно постоянных магнитов) с определенным натягом, обеспечивающим контакт элементов магнитной системы по ее радиальным поверхностям при номинальной частоте вращения генератора. Максимально возможные натяги посадки определялись из условия захолаживания подложки с магнитами (при посадке бандажа), либо тела ротора (при посадке всей магнитной системы) до температуры жидкого азота. Возможности создания СГПМ предельных мощностей для автономной энергетики связаны с электрическими, магнитными и механическими ограничениями. Исходные геометрические размеры генератора оцениваются исходя из критерия механической прочности.

Для выбора и оптимизации конструктивных решений разработана расчетная модель (EXCEL), включающая следующие блоки: блок ввода исходных данныхэлектромагнитный расчет обмотки статорарасчет магнитной цепи постоянных магнитоврасчет магнитной цепи при нагрузкерасчет магнитной цепи при коротком замыканиирасчет угловых характеристикрасчет характеристики холостого ходарасчет внешней характеристикивентиляционный расчеттепловой расчет.

Разработанные варианты конструкции уточнялись далее с использованием дополнительных расчетных моделей для численной реализации в пакетах прикладных программ (например, ELCUT, ANSYS):

— 2D модель (ELCUT) для определения параметров электромагнитного поля в режимах холостого хода, номинальной нагрузки и короткого замыкания;

— 3D модель (ANSYS) для исследования напряженно-деформированного состояния магнитной системы ротора, позволяющая определить численными методами напряженно-деформированное состояние ротора, контактные давления по поверхностям сопряжения, суммарные перемещения, расчетные зазоры по поверхностям сопряжения.

Серии расчетов для окончательного выбора геометрических размеров выполнялись на базовой патентозащищенной конструкции магнитной системы СГПМ с различными типами материалов и соотношением геометрических размеров магнитов и бандажного цилиндра [19].

Метод поэтапной разработки новых СГПМ предполагает создание размерных (параметрических) рядов синхронных генераторов, устанавливающих рациональную увязку их выходных параметров и характеристик с габаритными размерами при заданном наборе эксплуатационных требований. Данный способ проектирования позволяет обеспечить расширение номенклатуры при сокращении сроков разработки новых модификаций и работ по совершенствованию конструкций по мере накопления опыта проектирования и анализа результатов эксплуатации первых образцов.

Во второй главе предложены методы и способы снижения потерь: механических потерь от трения бочки ротора о воздух в высокооборотных электрических машинах и добавочных потерь во всыпных обмотках.

Предложен и проверен способ использования антифрикционных покрытий поверхности ротора для снижения в высокооборотных машинах механических потерь от трения бочки ротора о воздух, пропорциональных третьей степени частоты вращения.

Для экспериментальной проверки эффективности применения антифрикционных покрытий для снижения механических потерь от трения о воздух разработана и изготовлена лабораторная модель высокооборотного синхронного генератора СГПМ-1,2−18 000. Проверена гипотеза о влиянии степени гладкости и гидро-фобности покрытия на величину механических потерь от трения бочки ротора о воздух. Проведена экспериментальная оценка снижения механических потерь от трения бочки ротора о воздух при испытаниях различных видов нанокомпозитных покрытий.

В главе изложен метод расчета добавочных потерь от циркуляционных и вихревых токов во всыпной обмотке. Предложены способы исключения гармоник четных порядков из кривой МДС однослойных обмоток.

При исследовании особенностей проектирования пазовой зоны статора показано, что для асинхронных и синхронных машин малой и средней мощности целесообразно применение однослойных обмоток, имеющих ряд преимуществ перед двухслойными. Снижение реактивностей Х'0 и Х" 0 уменьшает «провал» напряжения при внезапных набросах нагрузки в процессе эксплуатации генераторов, что имеет особую актуальность в СГПМ, т.к. в них исключается возможность форсировки возбуждения в момент наброса нагрузки. Технология изготовления катушечных всыпных обмоток, укладываемых в полузакрытые пазы, не обеспечивает транспозиции проводников, что вызывает добавочные потери в меди.

В общем случае при сокращении шага обмотки ф Ф 1) МДС однослойной трехфазной обмотки содержит помимо нечетных гармоник порядков п = 6к + 1 и п = 6к + 5 также гармоники четных порядков п = вк + 4 и п = 6к + 2. Возможность появления в кривой МДС статора четных гармоник вызывает помимо дополнительного нагрева контуров ротора также и повышенные вибрации машины от дополнительных моментов, что обосновывает необходимость разработки способа исключения этих гармоник из МДС обмотки статора. Эти трудности можно устранить, если выбрать число пазов четным и выполнить однослойную обмотку при РФ 1 по типу двухслойной. Шаг такой однослойной обмотки должен быть нечетным.

Получено расчетное выражение для распределения токов по высоте паза однослойной обмотки. При аналогичном расчете двухслойных обмоток учтены не только поток взаимоиндукции между нижней и верхней катушками двухслойной обмотки, но и потоки взаимоиндукции между витками одной катушки.

Третья глава посвящена вопросам изучения влияния эксцентриситета на величину сил радиального магнитного тяжения в синхронных машинах. Эти силы имеют решающее значение при выборе магнитных подшипников и вала в высо-коиспользованных синхронных машинах, поскольку асимметрия магнитного потока в зазоре машины, обусловленная эксцентриситетом ротора, приводит к увеличению потерь и уменьшению КПДповышению температурыпоявлению в спектре тока гармонических высокого и низкого порядкапоявление пульсирующих сил электрического происхождения, создающих вибрации.

В заводской практике для расчета усилий используют общепринятую методику, описанную В. П. Шуйским [137], основанную на расчете усилий по первой гармонике индукции поля в зазоре в режиме холостого хода.

Для уточнения метода расчета радиальных усилий магнитного тяжения, возникающих в синхронных машинах, включая высокооборотные СГПМ, в режимах холостого хода и нагрузки, в исследованиях с применением двумерных математических моделей учтены следующие факторы: влияние высших гармоник в кривой поля в воздушном зазоре, вызванных как эксцентриситетом ротора, формой полюсного наконечника (для явнополюсных синхронных машин), так и расположением магнитов (для СГПМ), зубчатой конструкцией статора, насыщением магнитной цепи.

Сопоставление результатов расчета по общепринятой методике и численного расчета показало, что значительные расхождения между ними обусловлены наличием допущения о синусоидальном распределении индукции в воздушном зазоре.

Для повышения точности расчета усилий разработан численный метод расчета одностороннего магнитного тяжения при эксцентриситете ротора, реализованный в программе ЕЬСиТ методом конечных элементов (МКЭ), моделирующий реальные условия эксплуатации машины (ее работу в номинальном режиме при протекании токов в обмотках статора и ротора), который может быть использован как для явнополюсных, так и неявнополюсных машин. В предложенном методе расчета при определении результирующего поля (поля взаимоиндукции) в зазоре учтены высшие гармоники, вызванные дискретным расположением обмотки статора в пазах, а также зубчатостью статора. Распределение индукции результирующего поля вдоль расточки статора использовано для вычисления радиальных усилий тяжения, а также их компонент, при возникновении эксцентриситета. Метод может быть распространен и актуален для высокооборотных синхронных машин, отличающихся от машин промышленной частоты малыми зазорами.

В четвертой главе сформулированы некоторые проблемы и особенности разработки низкооборотных синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов, применяемых в ветрои гидроэнергетике, в связи с созданием безре-дукторной ветроустановки карусельного типа.

Исследованы конструкции низкооборотных синхронных генераторов, применяемых для ветроустановок малой мощности 3−30 кВт и малых ГЭС мощностью до 500 кВт с аксиальным, тангенциальным и радиальным расположением магнитов. Показаны преимущества тангенциального расположения магнитов по сравнению с радиальным в зависимости от снижения частоты вращения. Проанализированы конструкции созданных вариантов моделей вертикальных ветротур-бин и рекомендации по выбору их геометрических размеров, даны прогнозные оценки зависимостей мощности и частоты вращения от скорости ветра и установлена возможность создания вертикально-осевых ветроустановок в диапазоне мощностей 10−18 кВт с коэффициентом использования ветра на уровне 0,4.

Представлена разработка опытного образца ветрогенератора СГПМ-10−150Т (10 кВт, 380 В, 16,9 А, 150 мин" 1) для вертикально-осевой карусельной ветростанции. Предложенные разработки низкооборотных синхронных генераторов с постоянными магнитами отличаются техническими решениями, направленными на повышение показателей эффективности за счет выбора рационального расположения магнитов, уменьшения потерь и вибрации: применения многофазных обмоток с дробным числом пазов на полюс и фазу. (При q < 1 гармонические составляющие обмотки статора (как высшие, так и низшие) могут увеличить ЭДС основной гармоники на 15−20%).

Использован опыт создания СГПМ-10−150Т для разработки размерного ряда низкооборотных синхронных генераторов для применения как для ветротурбин с вертикальной осью, так и для гидротурбин малых ГЭС, построенный на расточке статора 550 мм, трех длинах сердечника (56, 84 и 112 мм) и трех частотах вращения (75, 150 и 300 мин-1). Данный размерный ряд позволяет соответственно реализовать мощности при частоте вращения 75 мин" 1 2,0- 3,5 и 5,0 кВтпри частоте вращения 150 мин" 1 5,0- 12,0 и 18,0 кВтпри частоте вращения 300 мин" 1 14,0- 22,0 и 27,0 кВт. Полученные результаты исследований могут быть использованы для внедрения оборудования, отличающегося повышенной надежностью и эффективностью, как на модернизируемые действующие, так и на новые малые гидростанции.

В пятой главе дан анализ известных методов расчета асинхронных машин с массивным ротором. Несмотря на имеющиеся преимущества АДМР (высокий пусковой момент, меньшие нагревы при пуске, простоту и технологичность конструкции, особенно для высокооборотных машин), эти машины не имеют широкого использования из-за невысоких энергетических параметров и недостаточно развитых методов исследования.

Моделирование численными методами на 2Б моделях АДМР мощностью 12 кВт и 3150 кВт применено для оценки возможностей влияния свойств материалов и особенностей конструкции ротора на энергетические показатели машин. Сравнение результатов исследований вариантов машин с исполнением ротора из железомедных сплавов с различным содержанием меди, при наличии щлицов в конструкции ротора или выполнении ротора двухслойным показало возможности повышения КПД и со$ср по сравнению с исходным вариантом массивного ротора из стали 3. Материаловедческие перспективы повышения этих параметров связаны с возможностями влиять на величину удельного электрического сопротивления сплавов при сохранении магнитных характеристик или при одновременном изменении магнитной проницаемости.

Наиболее простым конструктивным вариантом является АДМР с массивным роторомно в конструкции ротора могут присутствовать стержни, шлицы, короткозамыкающие кольца, многослойность. Все эти проблемы охватываются методом, предложенным в работе, открывающим возможности исследования целого класса конструкций.

В шестой главе предложена новая математическая модель, основанная на решении комбинации задач теории цепей и электромагнитных полей на базе обобщения одного из современных методов расчета магнитосвязанных контуров, разработанного для асинхронного двигателя с короткозамкнутым или фазным ротором. Использована Т-образная схема замещения, для которой решается система уравнений асинхронной машины с учетом насыщения магнитной цепи, поверхностного эффекта в контурах ротора, определяются электромагнитные нагрузки машины. Определяющей при решении уравнений системы является индукция в воздушном зазоре. Распределение токов в массиве ротора по всей его длине и МДС ротора определяются численным решением электромагнитного поля. Особенностью решения является выделение осевой составляющей тока массивного ротора, первых гармоник индукции и МДС ротора. Задача распределения тока в цепной схеме решается методом итераций по критерию сходимости расчетного и входного напряжений.

Рассмотрены особенности численной реализации метода исследования характеристик АДМР, построения ступенчатой кривой МДС ротора с использованием приема дискретизации массива ротора на сектора в тангенциальном направлении и диски в осевом направлении.

Предложенная математическая модель позволяет исследовать рабочие характеристики АДРМ любой конструкции, с использованием различных материалов, оценить ее рациональность по отношению потерь в роторе, рассчитанных по осевой составляющей, к полным потерям в роторе, что имеет большую практическую ценность.

В Приложении приведены данные экспериментальных исследований моделей ветротурбин с вертикальным валом — модели турбины типа Дарье и моделей карусельных ветротурбин с числом лопастей 6, 8 и 9, контрроторной ветротурби-ны, на основе которых выявлены оптимальные геометрические соотношения для модельных образцов.

Методы исследования.

В работе использован комплексный подход к решению задачи с применением теоретических и экспериментальных методов исследований: методы теории электрических машин, теоретических основ электротехники, теории упругости, метод конечных элементов.

Для определения рабочих характеристик асинхронных двигателей с массивным ротором (комбинация задач теории цепей и электромагнитных полей), определения усилий магнитного тяжения при наличии эксцентриситета ротора, определения характеристик синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов используется численное моделирование (метод конечных элементов (МКЭ)), реализуемые в прикладных расчетных пакетах ELCUT, ANS YS.

Для определения потерь от трения о воздух на модели высокооборотного СГПМ при различных вариантах нанесенных антифрикционных покрытий проведены экспериментальные исследования на испытательном стенде.

Для оценки достоверности результатов моделирования численными методами сопоставлялись расчетные данные, полученные в различных пакетах прикладных программ, результаты экспериментальных исследований и литературные данные.

Научная новизна. В работе на базе современных методов численного расчета решены актуальные проблемы создания современных высокоиспользован-ных синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов для автономной энергетики в широком диапазоне мощностей и частот вращения и асинхронных двигателей с массивным ротором.

Получены закономерности построения размерных параметрических рядов СГПМ.

Созданы и обоснованы новые расчетные модели для: выбора рациональной геометрии магнитопровода высокооборотных СГПМ на основе исследования напряженно-деформированного состояния ротора, оценки влияния на энергетические показатели электрических машин свойств материалов массивного ротора (АДМР) — бандажного цилиндра, стали статора (высокооборотные СГПМ) — выбора расположения магнитов (низкооборотные СГМП).

Разработаны новые эффективные методы расчета: рабочих характеристик АДМР, усилий магнитного тяжения при наличии эксцентриситета ротора в синхронных машинах в режиме холостого хода и под нагрузкой с учетом высших пространственных гармоник, добавочных потерь на циркуляционные и вихревые токи от поперечных пазовых потоков рассеяния с учетом временных гармоник во всыпных обмотках статора.

Предложены новые материаловедческие решения — способы снижения механических потерь трения бочки ротора о воздух применением антифрикционных покрытий поверхности ротора, конструктивные решения исполнения однослойных всыпных обмоток высокооборотных машин.

Достоверность полученных расчетных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается строгостью используемого математического аппарата, использованием теоретически обоснованного современного численного методаМКЭ, сопоставлением полученных численных решений с данными экспериментальных исследований. Защищаемые автором положения диссертационной работы апробированы на международных и отечественных конференциях и семинарах специалистов, а также в публикациях в рецензируемых журналах. Результаты диссертации могут быть применены:

— для создания высокоиспользованных синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов на газотурбинных станциях автономной энергетикидля модернизации оборудования действующих малых гидростанций и оснащение вновь вводимых гидроагрегатами на базе синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов как машинами повышенной надежности и эффективностидля оснащения автономной энергетики многофункциональными энергетическими комплексами на базе ветростанции с вертикальной осью вращения ветроколеса, в том числе и для производства и накопления водорода с последующим преобразованием в электрическую энергию с помощью топливных элементов.

На основе предложенных методов расчета и моделирования разработаны, созданы и испытаны модельные машины СГПМ мощностью 1,2 КВт, 18 000 мин" 1 и 50 кВт, 15 000 мин" 1, опытно-промышленный образец 200 кВт, 3000 мин" 1 для каталитической ТЭЦ (Приложение, акт внедрения), низкооборотный генератор СГПМ -10−150Т (10 кВт, 380 В, 16,9 А, 150 мин" 1) для энерговетроустановки с карусельной ветротурбиной.

Созданы опытные образцы вертикальных ветротурбин, демонстрационных и опытных ветроустановок. Макеты созданы для проверки и подтверждения разработанных методов и являются этапом для создания головных образцов машин.

Выполнены расчетные варианты СГПМ для широкого ряда мощностей (от 50 до 6000 кВт) и частоты вращения от 12 000 до 48 000 мин" 1.

По заказу ФГУП «УАП „Гидравлика“ для малоразмерной газотурбинной установки МТГ-250 разработан эскизный проект турбогенератора СГПМ мощностью 250 кВт частотой вращения 48 000 мин» 1 (Приложение, акт по контракту № 09/ЭМК от 15.10.2010).

Разработаны модельный турбогенератор СГПМ-1,0−24 000 (1000 кВт, 400 В, 24 000 мин" 1) и перспективный турбогенератор для децентрализованной энергетики мощностью 6,0 МВт на частоту вращения 12 000 мин" 1, имеющий повышенные технико-экономические показатели за счет материаловедческих решений.

Теоретические материалы диссертации нашли применение в учебном процессе. Материал диссертации вошел в сборники «Современная электромеханика. Проблемы и перспективы» (часть I, 2008 г. и часть II, 2011 г.), выпущенные ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», предназначенные для подготовки магистров по направлению 140 600 «Электротехника, электромеханика и электротехнология».

Теоретические материалы диссертации и разработанные на их основе методы расчета нашли применение в учебном процессе при разработке лекционного курса «Высокоскоростные синхронные машины для децентрализованной энергетики» для магистерской подготовки по программам «Общая теория электромеханических преобразователей энергии» и «Технология проектирования и производства электромеханических преобразователей энергии» кафедры «Электрические машины» электромеханического факультета ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

С использованием лекционного курса ведется курсовое и дипломное проектирование, выполняются циклы лабораторных работ на базовой кафедре «Нано-материалы в электромеханических и электротехнических системах» факультета интеллектуальных систем управления и нанотехнологий ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения».

Разработанные методы исследований используется аспирантами при выполнении исследований по заданным темам.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на 6 российских и 8 международных научных конференциях: ICEM 2004 (Польша, Краков), ICEM 2006 (Греция, Кипр), ISEF 2007 (Чехия, Прага), ICEM 2008 (Португалия, Виламоура), ISEF 2009 (Франция, Аррас), International IEEE Conference devoted to the 150-annivesary of Alexander S. Popov (Санкт-Петербург, 2009), ICEM 2010 (Италия, Рим), Роснанофорум-2009 (Москва), Пятая российская конференция «Физические проблемы водородной энергетики» (2009 г., Санкт-Петербург), Общее собрание Академии электротехнических наук РФ (2011 г., Москва) и др.

Автор являлся в 2007;2008 гг. ответственным исполнителем работ по государственным контрактам по поддержке ведущих научных школ РФ: в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 годы» по темам: «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований по созданию транспортабельных микро ГЭС. Выбор компоновочных решений и оптимизация требований к основным элементам конструкций», «Разработка высокоскоростного турбогенератора мощностью 6 МВт с частотой 12 000 об/мин для децентрализованной (локальной) энергетики» (руководитель академик Я.Б. Данилевич) — в 2009;2011 гг. — ответственным исполнителем работ по государственному контракту «Проведение научных исследований коллективом научно-образовательного центра по разработке физико-химических основ создания новых композиционных и гибридных наноматериалов для энергетики, оптики, экологии, медицины» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 гг. (руководитель академик В.Я. Шевченко).

Под личным руководством автора выполняются: проект «Разработка нового поколения энергетических микротурбогенераторных установок с применением инновационных технологий получения керамики на основе наноразмерных орто-фосфатов редкоземельных элементов для турбин и антифрикционных покрытий для снижения потерь трения высокооборотных мини-турбогенераторов» (20 122 013 гг.) Программы «Поддержка научных исследований, проводимых научными группами под руководством кандидатов наук по научному направлению «Энергетика, энергосбережение, ядерная энергетика» в области «Новые и возобновляемые источники энергии, включая водородную энергетику» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годыгранты РФФИ по проектам: 07−08−345-а «Исследования по созданию микротурбогенераторов предельных мощностей на основе современных материалов» (20 072 009 гг.) — 11−08−287-а «Исследование влияния антифрикционных покрытий ротора на процессы теплообмена в высокооборотных электромеханических преобразователях энергии» (2011;2013 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы и ее результаты отражены в 46 печатных работах, включая 16 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК (в том числе «Известия РАН. Энергетика», «Электротехника», «Альтернативная энергетика и экология», «Научно-технические ведомости СПбГПУ», «Информационно-управляющие системы»), тезисы докладов (15) и доклады (4) в трудах международных и российских конференций, 2 статьи в зарубежных журналах, 2 патента. Материалы диссертации вошли в сборники аналитических обзоров СПбГПУ «Современная электромеханика. Проблемы и перспективы» 2008 г. (часть I) и 2011 г. (часть II) и в монографию «Турбогенераторы малой мощности для децентрализованных систем энергообеспечения» (изд-во «Наука», 2009 г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 287 страницах основного текста с 58 таблицами, иллюстрирована 82 рисунками, состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 237 наименований.

ВЫВОДЫ.

Впервые предложена математическая модель, предусматривающая комбинацию из численного метода расчета цепей (в рамках схемы замещения двигателя) и численного метода расчета поля токов в массиве ротора на основе обобщения одного из современных методов расчета магнитосвязанных контуров, разработанного для асинхронного двигателя с короткозамкнутым или фазным ротором.

Особенностью разработанной модели является то, что она состоит из двух основных этапов:

— решения системы уравнений поля в активных элементах магнитной цепи машины с целью определения функции вида Frot =fi?s), где Frot — первая гармоника магнитодвижущей силы МДС ротора;

— определения электромагнитных нагрузок в активной части машины с целью получения решения нелинейного уравнения вида: t/расч =ABo),.

—? , где UpaC4 — текущее значение фазного напряжения на выводах машины, 17фзаданное значение фазного напряжения.

Сформулирована система уравнений для магнитосвязанных контуров асинхронной машины с учетом насыщения магнитной цепи и поверхностного эффекта в контурах ротора, из решения которой определяются электромагнитные нагрузки электрической машины. Особенность ее состоит в том, что в промышленных асинхронных двигателях токи в обмотках протекают в осевом направлении, создавая результирующее поле в зазоре и вращающий момент машины. Соответственно, применительно к асинхронным двигателям с массивным ротором, обозначение Irot относится к осевой составляющей тока.

Определяющей при решении системы уравнений является индукция В&-. При решении проблемы расчета рабочих характеристик машины с массивным ротором необходимо учесть, что каждый элемент массивного ротора характеризуется определенным уровнем насыщения, поэтому массивный ротор может характеризоваться только интегральным значением сопротивления согласно (6.15), которое.

U, при условии, что расч.

U* пропорционально отношению Лп>< ~ ^ и зависит от насыщения магнитопровоrot да.

Метод расчета отлажен и опробован с применением пакетов прикладных программ ELCUT, ANS YS, MathCAD. Результаты расчета сопоставлены с литературными данными, показали совпадение по величинам электромагнитного момента и тока статора в пределах от 5 до 15%.

Численная реализация предложенной математической модели позволяет оценить рациональность конструкций ротора, исследовать рабочие характеристики АДРМ, представляющих практический интерес, благодаря учету конечной длины машины, нелинейности магнитной цепи, удельной проводимости материала ротора, особенностей распределения токов в массиве ротора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Работа направлена на развитие научных основ разработки новых модификаций высокоиспользованных электрических машин для современной автономной энергетики, перспективных для применения в составе эффективных энергетических микрогазотурбинных установок, ветростанций и микроГЭС, нефтедобывающей промышленности и других направлений практического использования. В основу исследований положено создание новых и уточнения известных аналитических методов расчета параметров, рабочих характеристик, потерь, электродинамических усилий, а также применение численных методов для определения электромагнитных полей и напряженно-деформированного состояния основных узлов электрической машины.

2. Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований для синхронных генераторов с постоянными магнитами и асинхронных двигателей с массивным ротором. Разработанные научные подходы к решению проблем и полученные практические результаты могут быть распространены на любой тип электромеханических преобразователей энергии.

3. В процессе выполнения исследований разработаны новые математические модели на основе численных методов теории упругости для определения рациональной геометрии и сборки, обеспечивающей требуемую монолитность конструкции магнитной системы ротора высокооборотных синхронных машин с постоянными магнитами, которые использованы при проектировании ряда машин различных мощностей и частот вращения. Сформулирован подход к конструированию активной зоны ротора в низкооборотных синхронных машинах на основе выбора способа расположения магнитов ротора в зависимости от частоты вращения, влияющего на объем постоянных магнитов, необходимых для создания устройств с заданными номинальными параметрами.

Модели прошли верификацию на лабораторных и опытно-промышленных образцах.

4. Получены закономерности построения размерных параметрических рядов высокооборотных и низкооборотных синхронных генераторов с постоянными магнитами, определены рациональные электромагнитные характеристики рядов в диапазоне изменения определяющих параметров.

5. Осуществлена оценка влияния свойств материалов массивного ротора асинхронных двигателейбандажного цилиндра, стали статора, геометрии активной зоны ротора с постоянными магнитами синхронных генераторов на энергетические показатели электрических машин. Сформулированы требования к материалам, обеспечивающие заданные показатели электрических машин при их использовании. Предложен принципиально новый метод снижения механических потерь от трения бочки ротора о воздух в высокооборотных машинах за счет применения новых разработанных материалов, представляющих собой антифрикционные покрытия поверхности ротора, подтвержденный комплексом оригинальных экспериментальных исследований модели синхронной машины с постоянными магнитами в широком диапазоне частот вращения (9000−18 000 мин" 1). В результате установлено влияние свойств покрытий поверхности ротора на величину механических потерь от трения ротора о воздух и возможности их уменьшения.

6. Разработаны новые и более общие по сравнению с существующими методы исследований электромагнитных полей в синхронных и асинхронных машинах: метод определения рабочих характеристик асинхронных двигателей с массивным ротором на базе обобщения одного из современных способов расчета магнитосвязанных контуров, применяемого для асинхронных двигателей с корот-козамкнутым или фазным ротором, основанный на комбинации задач теории цепей и электромагнитных полей, что позволяет более глубоко раскрыть сущность происходящих в массивных элементах конструкции физических процессов;

— метод расчета добавочных потерь от циркуляционных и вихревых токов во всыпных обмотках статора, вызванных поперечными пазовыми потоками рассеяния с учетом временных гармоник;

— метод расчета радиальных сил магнитного тяжения при наличии эксцентриситета ротора в синхронных машинах в режиме холостого хода и под нагрузкой с учетом высших пространственных гармоник.

7. Разработанные методы позволяют определять рабочие характеристики асинхронных двигателей с массивным ротором с любыми конструктивными особенностями с учетом характеристик применяемых материаловоценить величину добавочных потерь во всыпных обмотках статорауточнить величины усилий радиального магнитного тяжения с учетом уровня насыщения магнитной цепи при выполнении расчетов на основе анализа электромагнитных полей, необходимого для корректного выбора магнитных подшипников. Проверка разработанных методов расчета для нескольких вариантов машин показала высокую достоверность полученных результатов.

8. Для проведения экспериментальных исследований создана современная экспериментальная база, включающая модели высокооборотных синхронных генераторов с постоянными магнитами и ветроэнергетическую установку с низкооборотным синхронным генератором с постоянными магнитами, предназначенные для проверки и подтверждения разработанных методов исследований и являющиеся необходимым этапом, предшествующим созданию головных образцов машин.