УСТРОЙСТВО БЫСТРОЙ ПОМОЩИ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ СО СВОБОДНОЙ ТУРБИНОЙ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
QUICK-RELIEF DEVICE FOR ENGINE WITH FREE AIRCRAFT TURBINE

Область техники
Изобретение лежит в области двигателей со свободной турбиной типа, обычно встречаемого на вертолетах.
Необходимо напомнить, что газотурбинный двигатель (GT), имеющий свободную турбину, содержит силовую турбину или свободную турбину, которая, в вертолете, приводит в действие несущие винты вертолета через обгонную муфту, или "муфту свободного хода", и главный редуктор (MGB), и что двигатель также содержит газогенератор, который состоит, главным образом, из компрессора, камеры сгорания, и турбины высокого давления.
Ступенчатое снижение передачи или промежуточный редуктор служит, чтобы соединять вал газогенератора с электрической машиной (сокращенно EM), состоящей из статора и ротора и приспособленной функционировать одинаково хорошо в качестве мотора (стартера) или в качестве генератора. В режиме мотора электрическая машина снабжается энергией посредством источника электрической мощности и развивает крутящий момент привода так, чтобы приводить газогенератор двигателя во вращение, в частности, с целью его запуска, тем самым, предоставляя помощь при запуске. В режиме генератора электрическая машина приводится во вращение посредством газогенератора с тем, чтобы предоставлять возможность снятия механической мощности и затем преобразования в электрическую мощность.
Уровень техники
Для летательного аппарата с двумя двигателями в крейсерском полете документы FR 2 967 132 и FR 2 967 133 предлагают переведение одного из двух двигателей в режим ожидания с тем, чтобы десинхронизировать свою свободную турбину от главного редуктора, в то же время увеличивая мощность, предоставляемую посредством другого двигателя, тем самым, предоставляя возможность уменьшения общего расхода топлива системы.
Изобретение, таким образом, находится, в частности, в контексте вертолета, имеющего, по меньшей мере, два двигателя, и уменьшения его расхода топлива, пока он выполняет крейсерский полет, т.е. во время стадии полета, которая характеризуется относительно малой мощностью, требуемой от каждого двигателя, таким образом, порождая удельный расход (сокращенно SC), который очень высок. Чтобы делать крейсерский полет экономичным, один из двигателей переводится в режим ожидания, так что другой двигатель работает с высокой мощностью, тем самым, делая возможным для вертолета получать выгоду от удельного расхода, который является гораздо более низким.
Было предложено несколько вариантов этого режима ожидания.
В первом варианте, называемом "суперхолостой ход", газогенератор десинхронизированной газовой турбины регулируется на медленной скорости холостого хода.
Во втором варианте, называемом "суперхолостой ход с помощью", газогенератор газовой турбины, которая десинхронизируется от MGB, аналогично регулируется на малой скорости холостого хода, и одновременно вспомогательный крутящий момент привода прикладывается к газогенератору через электрическую машину и промежуточный редуктор.
В третьем варианте камера сгорания двигателя полностью гасится, и затем предлагается поддерживать газогенератор во вращении со скоростью, подходящей для облегчения повторного зажигания в конце стадии крейсерского полета. Диапазон скоростей, которые являются подходящими, может называться предпочтительным окном зажигания. Этот режим работы, называемый режимом "вращения", требует предоставления продленной помощи газогенератору.
Во всех трех этих режимах работы, которые вероятно должны поддерживаться на протяжении всего крейсерского полета, величина мощности, передаваемой к MGB двигателем в режиме ожидания, в целом, равна нулю, и, в целом, невозможно забирать мощность от его газогенератора.
В трех вышеупомянутых вариантах необходимо иметь возможность быстро повторно активировать десинхронизированный двигатель, в частности, в экстренной ситуации, например, в случае отказа еще одного двигателя, если существуют три или более двигателей всего, -или в случае отказа другого двигателя, если существуют два двигателя. В частности, это является причиной того, почему газогенератор поддерживается вращающимся со скоростью для обеспечения повторного зажигания в системе, где камера сгорания гасится.
Поддержание газогенератора вращающимся в предпочтительном окне зажигания (режим "вращения") и предоставление продленной помощи газогенератору, когда он отрегулирован на холостой ход (режим "суперхолостого хода с помощью"), оба требуют относительно низкой мощности, но требуют в результате большого количества энергии, поскольку преимущество системы лежит в использовании ее на всем длительном протяжении полета.
Среди других решений, документы FR 2 967 132 и FR 2 967 133 предлагают использование электрического стартера, питаемого стартером/генератором, соединенным с газогенератором другого двигателя или с генератором, приводимым в действие непосредственно или опосредованно свободной турбиной другого двигателя.
Экстренный перезапуск из состояния низкой скорости, или из состояния погашенной камеры сгорания требует приложения высокой мощности к валу газогенератора вследствие большой величины инерции его вращающихся узлов и вследствие противодействующего момента от компрессора двигателя. Эта мощность должна быть доставлена в течение интервала, который является коротким, порядка нескольких секунд, для того, чтобы предоставлять возможность быстрого запуска двигателя.
В документе FR 2 967 133, среди других решений, предлагается, что электроэнергия, в частности, от конденсатора большой емкости, может быть использована, чтобы обеспечивать импульс помощи газогенератору.
Документ EP 2 581 586 также предлагает использование двух конденсаторов большой емкости (которые являются элементами для аккумулирования электричества), каждый из которых заряжается соответствующим электрогенератором, приводимым в действие посредством газогенератора одного из двух двигателей, и каждый из которых может быть использован в течение короткого периода, чтобы запускать другой двигатель, когда он находится в отключенном состоянии.
В этом контексте, конкретной целью настоящего изобретения является предоставление технического средства, которое является практичным для использования на борту летательного аппарата, имеющего, по меньшей мере, два двигателя, чтобы обеспечивать функцию "быстрой повторной активации" при запуске из экономичного режима работы турбины, посредством использования, вместо традиционного электрического стартера, электротехнической системы, которая снабжается энергией посредством бортовой сети или посредством специальной сети подачи электрической мощности, и которая делает возможным следующие различные режимы работы:
- запуск газовой турбины на земле;
- экономичный режим;
- повторная активация в полете турбины, которая была ранее в экономичном режиме; и
- быстрая повторная активация в полете турбины, которая была ранее в экономичном режиме.
Другой целью настоящего изобретения является эффективное предоставление на летательном аппарате с единственным двигателем функции быстрой повторной активации двигателя в случае нежелательного возникновения режима отключения посредством использования, вместо традиционного электрического стартера, электротехнической системы, которая снабжается энергией посредством бортовой сети или посредством специальной сети подачи электрической мощности.
Изобретение находится, в частности, в контексте французской патентной заявки № 14/00753, зарегистрированной 27 марта 2014 года, и относится, более конкретно, к предоставлению архитектуры электрической системы, предоставляющей средство для выполнения режима быстрой повторной активации на газовой турбине в полете улучшенным образом.
Архитектуры электрических систем, которые были предложены в прошлом для гибридизации газовой турбины, всегда используют аккумуляторный элемент "вторичного" типа, подключенный к шине постоянного тока высокого напряжения (HVDC) и имеющий функцию аккумулирования величины электрической мощности, которая необходима для режима быстрой повторной активации. Термин "вторичный" означает, что такие аккумуляторные элементы являются перезаряжаемыми. Большинство из них требуют системы управления аккумуляторной батареей (BMS).
Существующие решения, таким образом, представляют несколько недостатков, при этом главным недостатком является следующий:
1) Независимо от технологии вторичного аккумулирования (литиево-ионный аккумулятор, NiMH, конденсатор большой емкости, гибридные конденсаторы,...), BMS содержит оборудование, которое называется "сложным", поскольку оно включает в себя силовые переключающие устройства и использует электронику для наблюдения за состоянием заряда, рабочими параметрами и исправностью аккумуляторного элемента, и, следовательно, регулируется стандартами сертификации авиационной радиоэлектроники, такими как стандарты DO-178 и DO-254 Радиотехнической комиссии по аэронавтике (RTCA).
BMS увеличивает вес системы и вероятность ее отказа.
2) Известные вторичные гальванические пары имеют довольно большую скорость саморазряда, что делает необходимым выполнение периодического перезаряда для аккумуляторной батареи и, таким образом, требует наличия зарядного устройства, либо на борту летательного аппарата, либо в наземных инфраструктурах.
3) Вторичные гальванические пары постепенно деградируют, даже когда они используются редко (срок службы). Это означает, что они должны периодически проверяться и заменяться.
4) Такие вторичные аккумуляторные элементы также имеют недостаток в том, что являются активными все время, т.е. система может предоставлять электрическую мощность в любой момент в нежелательных обстоятельствах, таких как короткие замыкания, или они могут преждевременно разряжаться в результате явления тока утечки.
5) Такие вторичные аккумуляторные элементы имеют другой общий недостаток плохого выдерживания тяжелых окружающих условий, таких как высокие и низкие температуры, а также недостаток плохого выдерживания механического напряжения (колебание, удары). Для того, чтобы приспосабливаться к таким ограничениям, накладываемым окружающими условиями, вторичные элементы должны соблюдать нужные размеры соответственно, что ведет к критическому увеличению веса системы для установки на борту летательного аппарата, а более конкретно, на борту вертолета.
6) Другим недостатком некоторых технологий для вторичных аккумуляторных элементов является опасность, которую такие элементы представляют в случае термической нестабильности, когда термическая нестабильность может быть вызвана, в частности, короткими замыканиями, которые являются внешними или внутренними по отношению к вторичным аккумуляторным элементам, посредством перегрузки, или по другим причинам, в частности, причинам, возникающим в окружающей среде.
7) Соединение вторичного аккумуляторного блока с бортовой сетью является проблематичным с учетом взаимодействий между сетью, имеющей напряжение, которое может изменяться в любое время, и вторичной батареей, имеющей напряжение, которое является функцией ее состояния заряда. Следовательно, необходимо предпринимать предупредительные меры (которые делают систему более сложной) для того, чтобы избегать любого электрического риска, или, в действительности, любого риска того, что аккумуляторный блок не является функционально доступным.
Сущность изобретения
Для того, чтобы исправлять вышеупомянутые недостатки, изобретение предлагает летательный аппарат, включающий в себя, по меньшей мере, один первый двигатель со свободной турбиной, имеющий газогенератор и ассоциированный с электрической машиной, приспособленной работать как в качестве стартера, так и в качестве генератора, первый двигатель приспособлен приводиться в режим ожидания или в нежелательный режим отключения, электрическая машина соединяется со специальной сетью подачи электрической мощности, такой как бортовая сеть, летательный аппарат дополнительно включает в себя устройство быстрой помощи, по меньшей мере, с одним элементом аккумулирования электрической энергии, приспособленным электрически соединяться с упомянутой электрической машиной, ассоциированной с упомянутым первым двигателем, для того, чтобы предоставлять импульс помощи газогенератору этого двигателя, летательный аппарат характеризуется тем, что упомянутый элемент аккумулирования электрической энергии составляет неперезаряжаемый "первичный" элемент аккумулирования энергии, подходящий для однократного использования только после активации, для исключения какого-либо "вторичного" элемента аккумулирования энергии, содержащего аккумуляторную батарею, конденсатор большой емкости или гибридный конденсатор, сконфигурированный, чтобы быть перезаряжаемым и активироваться постоянно, и тем, что устройство быстрой помощи включает в себя средство для активации элемента аккумулирования электрической энергии и соединительное средство для соединения элемента аккумулирования электрической энергии с системой подачи электрической мощности упомянутой электрической машины.
В первом возможном варианте осуществления элемент аккумулирования электрической энергии содержит готовое к использованию устройство с низким саморазрядом, включающее в себя анод и катод в контакте с электролитом.
Во втором возможном варианте осуществления элемент аккумулирования электрической энергии содержит устройство, которое инертно перед активацией и включает в себя анод, катод и электролит, который не смачивает анод и катод.
В таких обстоятельствах элемент аккумулирования электрической энергии может содержать аккумуляторную батарею с отдельным электролитом, имеющим отдельный резервуар для хранения электролита и средство для высвобождения электролита из отдельного резервуара для того, чтобы предоставлять возможность ему приходить в соприкосновение с анодом и катодом при активации элемента аккумулирования электрической энергии.
В качестве альтернативы, элемент аккумулирования электрической энергии может содержать термоэлемент, приспособленный сохранять электролит твердым при окружающей температуре во время хранения и превращать в жидкое состояние электролит посредством нагрева при активации элемента аккумулирования электрической энергии.
Средство для активации элемента аккумулирования электрической энергии может содержать пиротехническое средство активации.
В другом возможном варианте осуществления средство для активации элемента аккумулирования электрической энергии содержит электрическое средство активации.
В конкретном варианте осуществления элемент аккумулирования электрической энергии соединяется параллельно с упомянутой специальной сетью подачи электрической мощности, которая может быть сетью подачи электрической мощности постоянного тока (DC). Односторонний диод может быть вставлен, где необходимо, между элементом аккумулирования электрической энергии и бортовой DC-сетью. Бортовая DC-сеть сама обычно питается бортовой сетью подачи электрической мощности переменного тока (AC) через выпрямляющий элемент или преобразователь переменного тока в постоянный ток (AC/DC).
В другом конкретном варианте осуществления элемент аккумулирования электрической энергии соединяется последовательно с выпрямляющим элементом или AC/DC-преобразователем, который создает напряжение DC-сети от специальной сети подачи электрической мощности, такой как бортовая AC-сеть, и параллельно с диодом.
Диоды могут быть полупроводниками или управляемыми переключателями электромеханического типа или статического типа.
В целом, элемент аккумулирования электрической энергии может содержать один или более элементов или наборы элементов, соединенных последовательно, параллельно или последовательно-параллельно.
В конкретном варианте осуществления изобретение применяется к летательному аппарату, включающему в себя множество двигателей со свободной турбиной, каждый имеет газогенератор и каждый ассоциируется с электрической машиной, приспособленной работать и в качестве стартера, и в качестве генератора, по меньшей мере, один из множества двигателей приспособлен переводиться в режим ожидания, в то время как, по меньшей мере, один другой двигатель из множества двигателей находится в режиме нормальной работы.
В таких обстоятельствах, в конкретном варианте осуществления, устройство быстрой помощи изобретения имеет единичный элемент аккумулирования электрической энергии, приспособленный электрически соединяться через переключающее устройство с электрической машиной, которая ассоциируется с таким одним из множества двигателей, который требует импульса помощи газогенератору двигателя, ранее переведенного в режим ожидания.
Изобретение предоставляет летательный аппарат, имеющий, по меньшей мере, один двигатель со свободной турбиной и включающий в себя устройство помощи, как упомянуто, причем этот летательный аппарат может, в частности, быть вертолетом.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества изобретения очевидны из последующего описания конкретных вариантов осуществления изобретения, предоставленных со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 - это схема устройства быстрой помощи в первом варианте осуществления изобретения, с первичным элементом аккумулирования энергии, соединенным параллельно с бортовой сетью летательного аппарата;
Фиг. 2 - это схема устройства быстрой помощи во втором варианте осуществления изобретения, с первичным элементом аккумулирования энергии, соединенным последовательно с бортовой сетью летательного аппарата;
Фиг. 3 - это схема, показывающая систему изобретения, интегрированную в двигательные и электрические системы летательного аппарата;
Фиг. 4 - это схема устройства быстрой помощи в третьем варианте осуществления изобретения, с единичным первичным элементом аккумулирования энергии, соединенным параллельно с бортовой сетью летательного аппарата; и
Фиг. 5 - это схема устройства быстрой помощи в четвертом варианте осуществления изобретения, с единичным первичным элементом аккумулирования энергии, соединенным последовательно с бортовой сетью летательного аппарата.
Подробное описание
Со ссылкой на фиг. 3, общая электрическая архитектура примерной системы, к которой применимо изобретение, является следующей. Электричество генерируется в летательном аппарате посредством, по меньшей мере, двух генераторов переменного тока (сокращенно ALT1 и ALT2) 18, 19, которые приводятся в действие посредством главного редуктора (MGB) 20 и типично состоят из машин "3-ступенчатого" типа, доставляющих переменный ток с напряжением 115 Вольт (В) и с частотой 400 Герц (Гц), представляется возможным рассматривать другие ротационные машины.
Эта архитектура полезна в контексте экономичного крейсерского полета на одном двигателе, поскольку она гарантирует функциональную и органическую независимость между выработкой электричества и работой турбовальных двигателей 11, 21, таким образом, делая возможным поддерживание достаточного уровня доступности и избыточности для выработки электричества, когда находится в экономичном крейсерсом полете, в то время как один из двух двигателей 11, 21 сохраняется в режиме ожидания, который несовместим с получением какой-либо мощности от газогенератора этого двигателя, работающего в режиме ожидания.
Кроме того, эта архитектура менее ставится в невыгодное положение за работу двигателей 11, 21, чем получение мощности от газогенераторов двигателей 11, 21, в частности, с точки зрения воздействия на их ускорение и на их характеристику удельного расхода, поскольку электрическая мощность, потребляемая бортовой сетью 17 летательного аппарата, получается механически от свободной турбины, а не от газогенератора.
Генераторы 18, 19 (ALT1 и ALT2) переменного тока питают электрическую сеть 17 летательного аппарата. Таким образом, бортовая сеть 17 питается посредством одного или более генераторов 18, 19 переменного тока, которые приводятся в действие непосредственно или опосредованно, по меньшей мере, через один из двигателей 11, 21. Когда один из двигателей 11, 21 отключается, необходим другой двигатель, который питает бортовую сеть 17 пролонгированным образом.
Тем не менее, могут быть другие источники энергии, доступные для питания сети 17 и служащие, в частности, для питания всей электрической системы 100, ассоциированной с двигателями 11, 21, причем эти другие источники могут состоять из бортовой вспомогательной силовой установки 53 (сокращенно APU), одной или более аккумуляторных батарей 51 или, безусловно, при нахождении на земле, наземного источника 52 питания.
Главный редуктор 20 (MGB) приводится в действие двигателями 11, 21. В этом варианте осуществления они являются турбовальными двигателями со свободной турбиной. Каждый из них содержит газогенератор и силовую турбину (свободную турбину), приводящую в действие MGB 20 через обгонную муфту или "муфту свободного хода".
Каждый двигатель 11, 21 ассоциируется с соответствующей ротационной машиной 12, 22, которая подходит для работы как в качестве стартера, так и в качестве генератора, и которая может питаться от бортовой сети 17 летательного аппарата через электрическую систему 50 управления, которая включает в себя устройство изобретения.
Первый и второй варианты осуществления изобретения описываются со ссылкой на фиг. 1 и 2. В дополнение к двигателям 11 и 21 и бортовой AC-сети 17, фиг. 1 и 2 показывают варианты осуществления электрического узла 100 на фиг. 3, составляющего электрическую систему стартера, которая может быть применена к двигателю 11 или к двигателю 21.
В варианте осуществления на фиг. 1 может быть видно, что двигатель 11 имеет электрическую систему стартера, содержащую преобразователь 16 переменного тока в постоянный ток, также называемый AC/DC-преобразователем, который питается от бортовой AC-сети 17, и преобразователь 13 постоянного тока в переменный ток, также называемый DC/AC-преобразователем, соединенный с AC/DC-преобразователем 16 и служащий для питания электрической машины 12, также называемой EM. Бортовая AC-сеть 17 и AC/DC-преобразователь 16 определяют DC-сеть подачи электрической мощности (выходное напряжение Vcc), однако, возможны другие варианты осуществления DC-сети.
В соответствии с изобретением, диод 15 может быть подключен между DC/AC-преобразователем 13 и AC/DC-преобразователем 16. Этот диод полезен, когда DC-сеть используется оборудованием, отличным от EM 12. Он служит, чтобы резервировать для EM 12 всю мощность, создаваемую аккумуляторным блоком 14 (описан ниже), когда напряжение, создаваемое аккумуляторным блоком 14, больше напряжения Vcc DC-сети. Он предоставляет возможность DC-сети способствовать питанию EM 12, когда напряжение, создаваемое аккумуляторным блоком 14, меньше напряжения Vcc DC-сети. Анод диода 15 соединяется с положительным полюсом вывода из AC/DC-преобразователя 16, а катод диода 15 соединяется с положительным полюсом DC/AC-преобразователя 13. Естественно, и эквивалентным образом, катод диода 15 может соединяться с отрицательным полюсом вывода из AC/DC-преобразователя 16, при этом анод диода 15 соединяется с отрицательным полюсом DC/AC-преобразователя 13. Диод 15 может быть полупроводником или управляемым переключателем, который может быть статическим или электромеханическим.
Кроме того, первичный аккумуляторный блок 14, т.е., неперезаряжаемый элемент аккумулирования электрической энергии, подходящий для однократного использования, подключается параллельно с преобразователями 13 и 16, положительный полюс первичного аккумуляторного блока 14 соединяется с катодом диода 15, а отрицательный полюс первичного аккумуляторного блока соединяется с отрицательными полюсами преобразователей 13 и 16.
Первичный аккумуляторный блок 14 оптимизируется для разрядов мощности, которые являются короткими и интенсивными. В качестве примера, это может быть готовое для использования устройство с низким саморазрядом, которое включает в себя анод и катод в контакте с электролитом.
Тем не менее, первичный аккумуляторный блок 14 может быть устройством, которое является инертным перед активацией, включающим в себя анод, катод и электролит, который не смачивает анод и катод.
В таких обстоятельствах элемент 14 аккумулирования электрической энергии может содержать аккумуляторную батарею с электролитом, который является отдельным, аккумуляторная батарея имеет отдельный резервуар для хранения электролита вместе со средством для высвобождения электролита из отдельного резервуара с тем, чтобы предоставлять ему возможность приходить в контакт с анодом и катодом, когда элемент 14 аккумулирования электрической энергии активируется.
Альтернативно, для устройства, которое является инертным перед активацией, элемент 14 аккумулирования электрической энергии может содержать термоэлемент, приспособленный сохранять электролит твердым при окружающей температуре во время хранения и превращать в жидкое состояние электролит посредством нагрева, когда элемент 14 аккумулирования электрической энергии активируется.
Первичный блок 14 аккумулирования электрической энергии активируется, когда двигатель 11 должен быть перезапущен в экстренной ситуации.
В качестве примера, средство для активации блока 14 аккумулирования электрической энергии может содержать пиротехническое средство активации, или даже механическое средство активации, или даже электрическое средство активации.
В варианте осуществления на фиг. 1 элемент 14 аккумулирования электрической энергии соединяется параллельно с бортовой Dc-сетью Vcc подачи электрической мощности, но поскольку диод 15 вставляется между элементом 14 аккумулирования электрической энергии и AC/DC-преобразователем 16, который питается посредством бортовой AC-сети 17, когда элемент 14 аккумулирования электрической энергии активируется средством активации (не показано на чертежах) для того, чтобы доставлять энергию, необходимую для быстрой повторной активации двигателя 11, который был ранее в режиме ожидания, напряжение на клеммах аккумуляторного элемента 14 может быть больше уровня Vcc напряжения DC-сети, которое доставляется посредством бортовой сети 17, ассоциированной с AC/DC-преобразователем 16. Диод 15 тогда имеет отрицательную разность потенциалов между своим анодом и своим катодом и находится в непроводящем состоянии. Электрическая энергия, необходимая для быстрой повторной активации газовой турбины двигателя 11, таким образом, доставляется полностью посредством первичного блока 14 аккумулирования энергии, который представляет преимущества доставки всей энергии, подаваемой посредством аккумуляторного блока 14 к EM 12, без роста напряжения Vcc бортовой DC-сети летательного аппарата.
Когда напряжение, предоставляемое посредством аккумуляторного блока 14, нагруженного DC/AC-преобразователем 13 и EM 12, меньше напряжения Vcc DC-сети, диод 15 проводит ток, тем самым, предоставляя возможность DC-сети способствовать питанию EM 12.
Наконец, если желательно, чтобы DC-сеть не участвовала в питании EM 12, когда напряжение от аккумуляторного блока 14 меньше напряжения DC-сети, и при условии, что диод 15 может быть управляемым переключателем, как упомянуто выше, представляется возможным управлять переключателем 15, так что он не проводит ток в таких обстоятельствах.
Фиг. 1 показывает элементы 23-26, взаимодействующие со вторым двигателем 21 и второй электрической машиной 22, причем эти элементы соответствуют, соответственно, элементам 13-16, взаимодействующим с первым двигателем 11 и с первой электрической машиной 12. Элементы 23-26 не описываются снова. Элементы 23-26 выполняют роли, аналогичные ролям вышеописанных элементов 13-16, когда это двигатель 11, который работает с высокой номинальной мощностью, в то время как двигатель 21 находится в режиме ожидания и может нуждаться в быстрой повторной активации.
Поскольку никогда не нужно перезапускать оба двигателя 11 и 12 в одно и то же время, можно иметь только один бортовой аккумуляторный блок 14 для перезапуска одного или другого из двух двигателей 11 и 21. Электрический или электромеханический переключающий элемент 38, 48 соединяет единичный аккумуляторный блок 14 либо с DC/AC-преобразователем 13 (как показано на фиг. 4 с переключателем 38 в замкнутой позиции и переключателем 48 в разомкнутой позиции), либо иначе с DC/AC-преобразователем 23, в зависимости от требований.
Как показано на фиг. 4, представляется возможным использовать не только единичный аккумуляторный блок 14, но также единичный диод 15 и единичный AC/DC-преобразователь 16, обеспечивающие переключение элементы 38, 48 доступны, так что аккумуляторный блок 14 отправляет свою энергию EM 12 или EM 22. Вариант осуществления на фиг. 4, таким образом, отличается от варианта осуществления на фиг. 1 за счет исключения элементов 24-26. Кроме того, функция переключения является очень простой для реализации с помощью контакторов 38 и 48, т.е. простых включателей/выключателей для DC/AC-преобразователей 13 и 23.
В варианте осуществления DC/AC-преобразователь 23 на фиг. 4 может также быть исключен. В таких обстоятельствах представляется возможным исключать включатели/выключатели 38 и 48, при этом включатели/выключатели размещаются не на DC-входах DC/AC-преобразователей 13 и 23, а в интерфейсе между EM 12 и 22 и AC-выходе из DC/AC-преобразователя 13.
Таким образом, системы элементов 13-16 и 23-26 могут быть реализованы полностью или частично с помощью единых элементов, переключение имеет место, когда системы дублируют друг друга.
Также представляется возможным обеспечивать системой запуска только один из двигателей, например, двигатель 11, который должен подходить для перевода в режим ожидания, в то время как другой двигатель 21 всегда работает с высокой мощностью, в таком случае элементы 24 и 25 могут быть исключены без необходимой функции переключения, поскольку быстрая повторная активация не должна выполняться для второго двигателя 21.
Фиг. 2 показывает другой вариант осуществления, который аналогичен варианту осуществления на фиг. 1 и включает в себя аналогичные элементы, которым предоставлены те же ссылочные номера, и которые не описываются снова, но в котором соответствующие первичные аккумуляторные блоки 114 и 124 ассоциируются с соответствующими диодами 115 и 125.
Таким образом, на фиг. 2, во втором варианте осуществления изобретения, может быть виден первичный аккумуляторный блок 114, т.е., неперезаряжаемый элемент аккумулирования электрической энергии, подходящий для однократного использования, который соединяется параллельно с диодом 115 между преобразователями 13 и 16, отрицательный полюс первичного аккумуляторного блока 114 соединяется с анодом диода 115 и с положительным полюсом AC/DC-преобразователя 16, а положительный полюс первичного аккумуляторного блока 114 соединяется с катодом диода 115 и с положительным полюсом DC/AC-преобразователя 13.
Когда первичный аккумуляторный блок 114 не работает, EM 12 может питаться посредством бортовой DC-сети через диод 115. Если двигатель 11, который был ранее в режиме ожидания, должен быть быстро повторно активирован, диод 115 становится непроводящим, и первичный аккумуляторный блок 114 соединяется последовательно с преобразователями 13 и 16.
Таким образом, когда первичный блок аккумулирования энергии активируется, он последовательно переключает бортовую сеть 17, ассоциированную с AC/DC-преобразователем 16. Электрическая энергия, необходимая для быстрой повторной активации газовой турбины двигателя 11, доставляется посредством первичного блока 114 аккумулирования энергии и бортовой сети 17, которая, в сравнении с решением варианта осуществления, показанного на фиг. 1, предоставляет возможность уменьшать размеры блока 114 аккумулирования энергии с точки зрения мощности и энергии, которую он должен предоставлять. Тем не менее, DC/AC-преобразователь 13 тогда нуждается в таком определении размера, чтобы обеспечивать результирующее напряжение и быть способным пропускать всю электрическую мощность, необходимую для быстрой повторной активации.
Решение варианта осуществления на фиг. 2 делает возможным оптимизацию напряжения источника питания во время быстрой повторной активации, причем это напряжение равно сумме напряжения, предоставляемого посредством первичного аккумуляторного блока 114, плюс напряжение Vcc, выводимое от выпрямителя 16, тем самым, делая возможным минимизацию тока, протекающего во всей электрической цепи. Аккумуляторный блок 114 может иметь такой размер, чтобы предоставлять напряжение, которое меньше уровня напряжения, вырабатываемого в решении на фиг. 1, тем самым, представляя преимущество уменьшения веса и объема этого элемента.
По сравнению с решением варианта осуществления на фиг. 1 решение варианта осуществления на фиг. 2 не является независимым от бортовой сети 17, так что в некоторых применениях может быть необходимым добавлять фильтрующие элементы выше по потоку от преобразователя 16 для того, чтобы соответствовать требованиям стабильности сети.
В варианте осуществления на фиг. 2 элементы 23, 124, 125 и 26, ассоциированные со вторым двигателем 21 и со второй электрической машиной 22, выполняют те же роли, соответственно, что и элементы 13, 114, 115 и 16, ассоциированные с первым двигателем 11 и с первой электрической машиной 12, но задействуются, когда второй двигатель 21 переводится в режим ожидания и может нуждаться в быстрой повторной активации, в то время как первый двигатель 11 работает с высокой мощностью.
Как и в первом варианте осуществления, тем не менее, представляется возможным переключать единичный аккумуляторный блок 114 на двигатель 11 или на двигатель 21, или в ином случае, например, назначать роль нахождения в режиме ожидания только первому двигателю 11, в таком случае представляется возможным исключать элементы 124 и 125.
Фиг. 5 показывает конкретный вариант осуществления, в котором используются единичный аккумуляторный блок 114, единичный диод 115 и единичный AC/DC-преобразователь 16. Как и на фиг. 4, тогда представляется возможным использовать два включателя/выключателя 38 и 48 или просто прикладывать управляющий сигнал включения/выключения к DC/AC-преобразователям 13 и 23 или использовать опрокидывающийся элемент 39 (показан на фиг. 5), который может быть простым переключателем, для выбора между наличием единичного аккумуляторного блока 114 последовательно с DC/AC-преобразователем 13 (позиция, показанная на фиг. 5) или последовательно с DC/AC-преобразователем 23. В варианте, как и в варианте осуществления на фиг. 4, представляется возможным исключать DC/AC-преобразователь 23 и использовать единичный DC/AC-преобразователь 13. В таких обстоятельствах переключение должно выполняться не на DC-входе DC/AC-преобразователя 13, а на его AC-выходе.
Сущность аккумуляторного элемента 24, 114 или 124 может быть полностью аналогичной сущности, описанной выше относительно аккумуляторного элемента 14.
В настоящем изобретении аккумуляторный элемент 14 или 114, или 24 или 124, в зависимости от конкретного случая, который может быть интегрирован в электрическую систему двигателя, который может быть переведен в режим ожидания, т.е. двигателя 11 или двигателя 21 в зависимости от конкретного случая, является необходимым для того, чтобы предоставлять возможность быстро повторно активировать соответствующую газовую турбину, которая первоначально находится в режиме ожидания, например, вследствие проблемы с газовой турбиной, которая работала ранее. Вышеописанная ситуация предполагается как очень редкая, и она обязательно требует выполнения операции технического обслуживания впоследствии на газовой турбине. Следовательно, оказывается, что не существует главного недостатка в аккумуляторном элементе 14 или 114, или 24 или 124 в зависимости от конкретного случая, являющемся аккумуляторным элементом, который может быть использован только один раз, и который должен быть заменен при выполнении технического обслуживания по двигателю.
В этой концепции, где аккумуляторный элемент 14 или 114, или 24 или 124, в зависимости от конкретного случая, является элементом однократного применения, становится возможным использовать так называемую технологию "первичного" аккумулирования, т.е. аккумуляторные блоки не являются перезаряжаемыми.
Как упомянуто выше, первичные гальванические пары приходят в двух семействах:
1) Семейство первичных гальванических пар, которые готовы для использования
В этой ситуации электролит смачивает анод и катод.
Существуют различные высокопроизводительные первичные гальванические пары, которые представляют очень низкий саморазряд, таким образом, они не деградируют со временем, и, таким образом, не требуют периодического перезаряда, тем самым, делая возможным избегания использования системы управления аккумуляторной батареей (BMS), которая составляет оборудование, которое является сложным, а также увеличивает как вес системы, так и вероятность ее отказа.
2
2
2
2
2
В качестве примера можно упомянуть следующие гальванические пары Li-SO, Li-MnO, LiSOCl, Zn-MnO (соляные или щелочные), Zn-AgO, этот список не является исчерпывающим.
2) Семейство инертных первичных гальванических пар
Их электролит не смачивает анод и катод. Это семейство содержит два подсемейства:
2.1) Аккумуляторная батарея с отдельным электролитом: электролит берется из вспомогательного резервуара и выпускается при активации.
2
В качестве примера, можно упомянуть гальваническую пару серебро-цинк (Zn-AgO), этот список не является исчерпывающим.
2.2) Термоэлемент: электролит является твердым при окружающей температуре и нагревается и, таким образом, превращается в жидкость очень быстро при активации.
4
2
В качестве примера можно упомянуть гальванические пары Ca/CaCrO и Li/FeS, этот список не является исчерпывающим.
Эти гальванические пары имеют преимущество в том, что являются электрически и химически инертными, пока они неактивны.
Они предоставляют решение для всех недостатков предшествующего уровня техники, которые используют элементы аккумулирования электрической энергии так называемого "вторичного" типа.
a) Они не требуют BMS.
b) Не происходит саморазряда. Их не нужно заряжать.
c) Не происходит деградации со временем, и их функциональность может быть гарантирована в течение периода 15 или 20 лет, например.
d) Не существует ни электрической опасности, ни какого-либо риска нежелательного разряда, поскольку элементы 14, 114, 24, 124 аккумулирования энергии электрически инертны.
e) Поскольку элементы 14, 114, 24, 124 аккумулирования энергии химически инертны, они очень хорошо выдерживают тяжелые окружающие условия.
f) Не существует риска термической нестабильности в инертном состоянии.
g) Когда элементы 14, 114, 24, 124 аккумулирования энергии находятся в неактивном состоянии, они имеют свойство, посредством которого сопротивление изоляции между+и - полярностями аккумуляторного элемента является очень высоким, таким образом, предоставляя возможность установки такого элемента в электрической архитектуре без принятия предварительных мер предосторожности, и электрически инертная аккумуляторная батарея может, таким образом, быть соединена с бортовой сетью 17 очень просто посредством параллельного соединения (аккумуляторный блок 14 находится в изолирующем состоянии) или последовательного соединения (аккумуляторный блок обеспечивает состояние нулевого напряжения).
Даже если настоящее описание констатирует, что аккумуляторный блок 14 или 114, 24 или 124 является единичным с точки зрения функциональной сущности, следует отметить, что он не должен состоять из единичного элемента, а может, в действительности, содержать одну или более гальванических пар или наборов гальванических пар, соединенных параллельно или последовательно или последовательно-параллельно.
Кроме того, описание выше относится к двум двигателям 11 и 21, однако, изобретение применяется тем же образом к меньшему или большему числу двигателей, которые могут быть использованы на одном летательном аппарате, с одним или более устройствами изобретения, или с устройством изобретения, имеющим переключение и применяемым к одному или более двигателям.
Когда летательный аппарат с одним двигателем имеет единственный двигатель 11, соответствующий ситуации вариантов осуществления на фиг. 1 и 2, в которой существует только верхняя система элементов, взаимодействующих с двигателем 11, аккумуляторный блок 14 или 114 служит для предоставления быстрой помощи для того, чтобы предоставлять импульс быстрой помощи газогенератору двигателя 11 в случае отключения двигателя 11 нежелательным образом во время полета.
В целом, изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления, но распространяется на любой вариант в пределах рамок сопровождающей формулы изобретения.