УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОДАЧИ АВАРИЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НА БОРТ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
DEVICE AND METHOD FOR EMERGENT ELECTRIC POWER SUPPLY TO AIRCRAFT SYSTEMS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству и способу подачи аварийного электропитания на борт летательного аппарата, например «полностью электрифицированного» летательного аппарата.
Уровень техники
В описании рассмотрение дается на примере, в котором летательный аппарат представлен в виде самолета.
Одним источником аварийного электропитания, часто использующимся на «в большей степени электрифицированном» летательном аппарате, является турбина с приводом от набегающего потока воздуха - RAT, которая приводит в движение электрический генератор через повышающую зубчатую передачу.
При аварийной ситуации на борту самолета указанная турбина с приводом от набегающего потока воздуха может быть использована для того, чтобы вырабатывать электрическую энергию, достаточную для полета этого самолета в течение достаточного промежутка времени и совершения посадки.
Турбина с приводом от набегающего потока содержит пропеллер, который раскручивается высокоскоростным потоком встречного воздуха. Вращающийся пропеллер приводит в движение электрический генератор, который обеспечивает подачу необходимого аварийного электропитания для «жизненно важной» части цепи подачи питания с целью подключения критических систем самолета, например, управления полетом и ключевых цепей самолета с целью продолжения его функционирования. При нормальных условиях полета агрегат убирается и помещается в фюзеляже или крыле самолета.
На так называемых «в большей степени электрифицированных» самолетах полетные команды, используемые для маневрирования самолета, передаются с помощью гидравлических и электрических приводов. Типовая структура соответствующих гидравлических и электрических цепей представлена на фиг.1 при нормальных рабочих условиях, при этом турбина с приводом от набегающего потока не задействована.
На этом чертеже первый двигатель M1 самолета механически приводит в действие основной электрический генератор GEN1 и гидравлический насос РН1, а второй двигатель М2 самолета механически приводит в действие второй электрический генератор GEN2 и второй насос PH2.
Каждый электрический генератор GEN1 и GEN2 соединен с трехфазной электрической распределительной шиной 10 и 11 соответственно, причем каждая из них соединена с «основной» трехфазной электрической распределительной шиной 12 и 13. Кроме того, каждый гидравлический насос PH1 или РН2 используется для питания гидравлических приводов 20 или 21.
«Существенная» часть 15 электрической цепи подачи питания, кроме шин 12 и 13, содержит электрические приводы 16 и 17, например электрические электроприводы для полетных команд, и другие критические нагрузки 18.
К этим основным трехфазным распределительным шинам 12 и 13 может быть подсоединена турбина с приводом от набегающего потока воздуха RAT.
В случае полного отказа или потери питания от двигателей M1 и М2 используются только электрические приводы 16 и 17 и другие критические нагрузки 18. Аварийный источник питания, которым в этом случае служит турбина с приводом от набегающего потока воздуха RAT, является электрическим. В процессе аварийной работы электрический генератор турбины с приводом от набегающего потока воздуха RAT может питать «существенную» часть 15 электрической цепи питания, например, трехфазным напряжением переменного тока 115/200 В.
После «в большей степени электрифицированного» самолета рассматривается «полностью электрифицированный» самолет. В этом типе самолета управление полетом осуществляется только с помощью электрических приводов. Один пример соответствующей структуры приводится на фиг.2 при нормальных условиях работы, причем турбина с приводом от набегающего потока воздуха не задействована. Элементы этой фиг.2, которые уже были проиллюстрированы на фиг.1, сохраняют те же самые ссылочные обозначения.
На этом чертеже два новых электрических генератора GEN3 и GEN4 соединены с трехфазными электрическими распределительными шинами соответственно 25 и 26, к которым подсоединены электрические приводы 27 и 28.
Вырабатываемое аварийное электропитание может составлять, например, 115/200 В переменного тока или 230/400 В переменного тока. «Существенная» часть 15 цепи электропитания рассчитана на эти же самые напряжения для того, чтобы питать «существенное» потребляющее электроэнергию оборудование.
В случае полной потери питания от двигателей возникает техническая проблема, связанная с длительностью переходного процесса, происходящего между этой общей потерей и рабочим вводом в действие аварийного источника питания.
На «в большей степени электрифицированном» самолете смешанного типа таком, который представлен на фиг.1 и с электрическими, и с гидравлическими приводами, генерация энергии в течение этого переходного периода естественно осуществляется с помощью гидравлических насосов за счет инерционности двигателей. С другой стороны, генерация электричества очень скоро прекращается после остановки двигателя в связи с ограничением по электрической частоте, что не допускает использования электрических генераторов на низких скоростях вращения.
Фиг.3 показывает результат отключения двигателя на электрических генераторах GEN1 и GEN2 и на обычных гидравлических насосах РН1 и РН2. Она представляет кривую зависимости N/Nmax от времени, при этом N является скоростью вращения двигателя, где:
Р - диапазон нормальной работы двигателя,
t1 - отключение двигателя на скорости N, равной максимальной скорости Nmax,
t2 - отключение двигателя на скорости N=50% Nmax и остановка выработки электроэнергии (генераторы GEN1 GEN2),
Δt - переходный период (t2→t3),
t4 - остановка выработки гидравлической энергии (гидравлические насосы РН1 и РН2).
Таким образом, если начальная скорость двигателя составляет 50% от максимальной скорости, выработка электроэнергии (GEN1, GEN2) мгновенно падает после отключения двигателей (Ml и М2). Зато обеспечивается подача гидравлической энергии (PH1, РН2) в течение нескольких секунд (вплоть до момента времени t4).
Достаточная электрическая и гидравлическая энергия может обеспечиваться во время запуска аварийного источника питания (турбина с приводом от набегающего потока воздуха RAT), способного гарантировать маневренность самолета.
На «полностью электрифицированном» самолете отсутствие гидравлической энергии означает, что зона перекрытия переходного периода Δt не обеспечивается вскоре после того, как происходит отключения двигателя и, следовательно, не может быть обеспечена маневренность самолета.
Также следует отметить, что второй переходный период наблюдается при приземлении самолета. Турбина с приводом от набегающего потока воздуха RAT неэффективна при низкой скорости самолета, после приземления. Кроме того, торможение колес самолета требует существенной мощности и энергии.
На «в большей степени электрифицированном» самолете, имеющем гидравлическую цепь, аварийное торможение достигается посредством гидравлических аккумуляторов, которые могут снабжать энергией тормоза путем выпускания рабочей жидкости при заданном давлении. Зато в «полностью электрифицированном» самолете энергия, требующаяся для торможения, должна производиться электрическим источником питания, отличном от турбины с приводом от набегающего потока воздуха.
Задачей изобретения является создание устройства и способа подачи аварийного питания, позволяющих обеспечить перекрытие этих переходных периодов.
Раскрытие изобретения
Изобретение относится к устройству подачи аварийного питания на борт самолета, способного обеспечивать питание «существенной» части электрической цепи подачи питания, характеризующемуся тем, что содержит первую синхронную электрическую машину с независимым возбуждением, связанную с инерционным маховиком, и вспомогательное устройство для приведения маховика во вращение и поддержания его вращения.
В одном предпочтительном варианте реализации изобретения предлагаемое устройство также содержит вторую синхронную электрическую машину с независимым возбуждением, связанную с турбиной с приводом от набегающего потока воздуха.
Первая синхронная электрическая машина соединяется:
- с вспомогательным устройством, которое, в свою очередь, соединено с «основной» шиной через первый трехфазный контактор,
- с этой шиной через второй трехфазный контактор,
- со второй синхронной электрической машиной через второй трехфазный контактор и третий трехфазный контактор.
Вспомогательное устройство содержит два статических преобразователя. Первый преобразователь представляет собой трехфазный выпрямитель, применяемый для получения напряжения постоянного тока. Второй преобразователь представляет собой трехфазный инвертор, который позволяет обеспечить самоуправление первой синхронной электрической машины.
Изобретение также относится к способу подачи аварийного электропитания на борт самолета, характеризующемуся тем, что применяется первая синхронная электрическая машина с независимым возбуждением, связанная с маховиком, для подвода питания к «существенной» части электрической цепи самолета в случае полного прекращения выработки электроэнергии, а также тем, что маховик приводится во вращение и поддерживается в состоянии вращения при помощи вспомогательного устройства.
Применяется вторая машина с независимым возбуждением, связанная с турбиной с приводом от набегающего потока воздуха. В случае полного прекращения выработки электроэнергии маховик немедленно соединяется с «существенной» частью электрической цепи и после нескольких секунд, необходимых для ввода в действие и приведения во вращение турбины с приводом от набегающего потока, маховик отсоединяется от цепи. Маховик перезаряжается, используя «существенную» часть электрической цепи питания, через вспомогательное устройство.
При приземлении летательного аппарата, когда турбина с приводом от набегающего потока становится недействующей, маховик соединяется с цепью таким образом, чтобы обеспечить необходимое питание для торможения летательного аппарата.
Изобретение также относится к летательному аппарату, содержащему вышеописанное устройство.
Летательным аппаратом является «полностью электрифицированный» самолет.
Устройство в соответствии с изобретением имеет многочисленные преимущества:
- оно может гарантировать перекрытие переходных периодов: наличие накопителя типа маховика может гарантировать работоспособность электрической силовой цепи в течение переходных периодов бездействия электрического источника питания, например турбины с приводом от набегающего потока воздуха. Эта функция особенно важна в моменты времени, следующие за полной остановкой двигателя и при приземлении самолета. Указанное преимущество применимо к любому самолету, имеющему источник аварийного электропитания,
- оно может подсоединяться непосредственно к трехфазной цепи переменного тока: маховик, связанный с трехфазной электрической машиной дает возможность прямого соединения с трехфазной цепью самолета без использования статических преобразователей. Это обстоятельство представляет особый интерес, поскольку приобретается значительный опыт в отношении использования переменного тока в авиационной технике. Отсутствие статического преобразователя обеспечивает повышенный запас прочности благодаря применению только простых систем. Указанное преимущество важно для самолета, имеющего, по меньшей мере, часть цепи аварийной подачи электропитания, работающей от переменного тока.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет упрощенную структурную схему системы электропитания в «большей степени электрифицированном» самолете, имеющем и электрический, и гидравлический привод.
Фиг.2 представляет упрощенную структурную схему системы электропитания «полностью электрифицированного» самолета при отсутствии гидравлической энергии.
max
Фиг.3 представляет кривую N/N зависимости от времени t, где N является скоростью вращения двигателя, в случае, проиллюстрированном на фиг.1 при остановке двигателя.
Фиг.4 представляет устройство подачи аварийного электропитания в соответствии с изобретением.
Фиг.5, 6 и 7 представляют примеры вариантов реализации устройства аварийной подачи электропитания и его функционирования согласно изобретению.
Варианты осуществления изобретения
Как показано на фиг.4, устройство подачи аварийного электропитания согласно изобретению содержит накопитель, например маховик R1, связанный (что не является обязательным) с турбиной с приводом от набегающего потока воздуха RAT. Другие элементы этого чертежа, уже проиллюстрированные на фиг.2, сохраняют те же самые ссылочные номера.
Фиг.4 представляет упрощенную структуру системы электропитания в «полностью электрифицированном» самолете, т.е. при отсутствии гидравлической энергии, при аварийном функционировании в течение переходных периодов, когда турбина с приводом от набегающего потока RAT воздуха не работает. Маховик R1 (или кинетический аккумулятор) питает «существенную» часть 15 системы электропитания.
Этот маховик R1, который подсоединен к вращающейся обратимой электрической машине, т.е. к машине, позволяющей преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот. Следовательно, он может накапливать электрическую энергию в механической форме за пределами переходных периодов и передавать механически накопленную энергию системе электропитания в течение переходных периодов.
Применение указанной электрической машины дает возможность подсоединять маховик непосредственно к трехфазной цепи переменного тока самолета, например 115/200 В переменного тока или 230/400 В переменного тока, что позволяет отказаться от существующего множества систем для электрохимического аккумулирования такими, как аккумуляторные батареи и огромные конденсаторы, которые применяются исключительно при использовании постоянного тока. Указанное соединение устраняет необходимость установки статического преобразователя, требующего мощной электронной аппаратуры. В результате происходит экономия с точки зрения веса, стоимости и, главным образом, эксплуатационной надежности.
Эта электрическая машина может быть синхронной электрической машиной с независимым возбуждением, дающей возможность контролировать напряжение цепи в течение переходных периодов посредством воздействия на ее возбуждение. В указанной машине основная машина соединена с дополнительной машиной, что часто используется в электрических генераторах в авиационной технике, при этом возбуждение основной машины происходит не прямым образом, а путем возбуждения дополнительной машины.
Однако указанная синхронная электрическая машина с независимым возбуждением не может быть постоянно подсоединенной к электрической цепи, поскольку это создавало бы резкое отклонение напряжения. Малейшее изменение частоты, даже при фиксированной частоте цепи 400 Гц цепи, создавало бы изменение скорости вращения маховика. Его высокая инерционность, противодействующая созданному изменению, затем привела бы к существенному изменению механического крутящего момента и, следовательно, к высоким пиковым значениям мощности, которые могли бы разрушить электрическую цепь.
Эта синхронная электрическая машина с независимым возбуждением подсоединяется только к цепи электропитания на время переходного периода независимо от того, питается ли цепь при помощи электрического генератора при нормальных условиях работы или при помощи турбины с приводом от набегающего потока воздуха при аварийных условиях.
Дополнительное устройство применяется для того, чтобы устанавливать маховик в состояние вращения и поддерживать его вращение.
Установка маховика в состояние вращения, использующегося для накопления в нем кинетической энергии, происходит при запуске самолета. Это можно достичь с помощью самоуправляемой синхронной электрической машины с маломощным вспомогательным статическим преобразователем или с помощью второй машины малой мощности.
Маховик удерживается в состоянии вращения во время работы самолета и поэтому способен в любой момент вступить в действие, так как энергия, требуемая для сохранения его вращения, в основном предназначаемая для компенсации потерь вследствие механического трения, является низкой.
На фиг.5 представлен пример варианта реализации устройства согласно изобретению, которое содержит вспомогательное устройство 30, связанное с маховиком R1, подсоединенным к первой синхронной машине MS1 с независимым возбуждением Е1, и турбину с приводом от набегающего потока воздуха RAT, подсоединенную ко второй синхронной электрической машине MS2 с независимым возбуждением Е2.
Первая синхронная электрическая машина MS1 соединяется:
- с вспомогательным устройством 30, которое в свою очередь подсоединяется к «основной» шине 33 через первый трехфазный контактор KMFWaux,
- с этой шиной 33 через второй трехфазный контактор KMFW,
- со второй синхронной электрической машиной MS2 через этот второй трехфазный контактор KMFW и третий трехфазный контактор KMRAT.
Вспомогательное устройство 30 содержит два статических преобразователя 31 и 32. Первый преобразователь 31 является трехфазным выпрямителем, через который может быть получен постоянный ток (DC). Это напряжение затем «переворачивается» посредством второго преобразователя 32, который является трехфазным выпрямителем, дающим возможность самоуправления первой синхронной электрической машины MS1 так, чтобы постепенно установить в состояние вращения эту первую синхронную электрическую машину MS1 и маховик R1.
RAT
FW
FWaux
Вспомогательное устройство 30 используется непрерывно, пока к «основной» шине 33 переменного тока подводится питание от основных генераторов (GEN1-GEN4) или от турбины с приводом от набегающего потока воздуха RAT, при этом переключатель KM в последнем случае замкнут. Это устройство 30 поддерживает номинальное значение скорости вращения маховика R1. С помощью этого устройства энергия от цепи электропитания передается для поддержания ее подзарядки. Контактор KM в этом случае разомкнут, а контактор KM замкнут.
FW
FWaux
Когда маховик R1 соединен с питающей его шиной 33, то положения контакторов меняются на противоположные: контактор KM замыкается, а контактор KM размыкается. Тогда мощность передается от маховика R1 на «основную» шину 33 переменного тока. Маховик R1 теряет свой заряд.
На фиг.6 стрелкой 35 показан единственно возможный путь для потока мощности для зарядки маховика R1. Стрелкой 36 показан единственно возможный путь потока мощности для разряда маховика R1.
FW
В случае полного отказа при выработке электроэнергии система электропитания отключается от любого источника питания. Маховик R1 мгновенно подсоединяется к цепи (замыкание контактора KM), тем самым поддерживая требуемый уровень напряжения и снабжая необходимой мощностью и энергией для обеспечения правильного функционирования самолета.
FW
RAT
По истечении нескольких секунд, требующихся для ввода в действие и установки в состояние вращения турбины с приводом от набегающего потока воздуха RAT, маховик R1 отсоединяется от цепи, чтобы дать возможность ввода в действие этой турбине (размыкание KM и замыкание RM). Далее эта турбина принимает на себя функцию поддержания напряжения цепи и обеспечения мощностью и энергией для правильного функционирования самолета.
В течение переходного периода маховик R1 отдает значительное количество энергии. Далее ему необходима перезарядка, чтобы обеспечить его готовность для любого переходного периода в будущем. Такое восстановление скорости маховика, как и в случае его начальной установки во вращение, описанном ранее, получается с помощью «существенной» части 33 цепи через вспомогательное устройство 30.
RAT
FW
При приземлении самолета турбина с приводом от набегающего потока воздуха RAT, которая больше не задействована, отсоединяется от цепи. Маховик снова подсоединяется к цепи, чтобы отдавать энергию, требуемую для торможения самолета (размыкание контактора KM и замыкание контактора KM).
Хронограмма на фиг.7 показывает функционирование маховика R1, как описано выше, в зависимости от времени t, причем скорость вращения V маховика R1 представляет состояния его заряженности.
На этом графике представлены следующие моменты времени:
0
- Т - запуск самолета,
1
- Т - взлет,
2
- Т - прекращение выработки электроэнергии (генераторы GEN1-GEN4),
3
- Т - ввод в действие турбины с приводом от набегающего потока воздуха RAT,
4
- Т - приземление,
1
- ΔТ - выработка электроэнергии генераторами GEN1-GEN4,
2
- ΔТ - выработка электроэнергии турбиной с приводом от набегающего потока воздуха RAT.
max
2
3
4
5
0
2
3
4
5
При номинальной скорости (V=V) имеющаяся энергия является максимальной. На хронограмме показаны два переходных периода, которые не перекрываются работой турбины с приводом от набегающего потока воздуха RAT, лежащие между моментами времени Т и Т и моментами времени Т и Т. Можно ясно видеть, что первоначальная зарядка маховика R1 происходит при запуске самолета (момент времени T) и затем поддерживается в течение полета. Во время первого переходного периода (период Т→Т) маховик теряет свой заряд. Затем он заряжается повторно. При приземлении турбина с приводом от набегающего потока RAT не действует, работа полностью переходит на маховик (период Т→Т).
Принимая во внимание рассматриваемые мощности, уровень мощности вспомогательного устройства 30, который равен по значению примерно 10% мощности турбины с приводом от набегающего потока воздуха RAT, дает возможность маховику зарядиться в течение приблизительно одной минуты. Например, при наличии в турбине RAT генератора мощностью 50 кВт для периода зарядки достаточно дополнительной мощности 5 кВт.