ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВИАЦИОННОГО ВОЗДУШНОГО ВИНТА С УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТОЙ

Область техники
[1] Полезная модель относится к области авиации, в частности, к устройствам для удаления или предотвращения образования льда на поверхностях лопастей воздушных винтов летательных аппаратов. По мнению авторов полезной модели основной областью ее использования являются противообледенительные устройства для хвостовых вертолетных винтов.
Предпосылки к созданию полезной модели
[2] Обледенение воздушного винта летательного аппарата несет существенные риски для безопасности полета. Ледяная корка, образованная на лопастях, значительно снижает КПД воздушного винта, что отрицательно сказывается на эксплуатационных качествах летательного аппарата.  Кроме того, неравномерное скалывание льда с лопастей воздушного винта вызывает дисбаланс, способный разрушить воздушный винт или вывести из строя двигатель. Куски отколовшегося льда при этом могут повредить фюзеляж летательного аппарата или закрепленное на нем оборудование.
[3] Уровень техники содержит сведения о противообледенительных устройствах для воздушного винта (далее – противообледенительные устройства), которые включают в себя нагревательные элементы, прикрепленные к лопастям воздушного винта. При пропускании через нагревательные элементы электрического тока они способны нагревать лопасти и тем самым препятствовать обледенению лопастей. Однако возможное прерывание подачи электроэнергии на один из нагревательных элементов, сопровождающееся обледенением соответствующей лопасти, вызывает упомянутый выше дисбаланс воздушного винта, неизбежным следствием которого станет наступление аварийной ситуации. Таким образом, в противообледенительном устройстве должны быть предусмотрены:
- функция по незамедлительному выявлению нарушения целостности любой из электрических цепей, питающих нагревательные элементы, и при возникновении данной неисправности
- функция по экстренному отключению всех нагревательных элементов и оповещения пилота для скорейшего безаварийного прекращения полета.
[4] Прототипом полезной модели является противообледенительное устройство для воздушного винта, раскрытое в патентной публикации RU2093426C1, 20.10.1997. Прототип содержит генератор, индуктор которого прикреплен к корпусу летательного аппарата, а якорь установлен на валу воздушного винта. Данная конфигурация позволяет бесконтактным способом создать ЭДС в фазах обмотки якоря и обеспечить протекание электрического тока в подключенных к ним нагревательным элементам, закрепленным на каждой лопасти воздушного винта. Прерывание электрического соединения между какой-либо фазой обмотки якоря и соответствующим ей нагревательным элементом диагностируется по факту возникновения в электрической цепи возбуждения колебаний электрического тока с частотой, равной удвоенной частоте вращения якоря.
[5] Как было установлено авторами полезной модели, недостаток прототипа состоит в том, что, указанная диагностика прерывания электрического соединения между фазой обмотки якоря и нагревательным элементом может быть реализована только в случае выполнения обмотки индуктора с одной парой полюсов. Однако ввиду рассеяния магнитного потока такая обмотка индуктора не обеспечивает надлежащую эффективность передачи электроэнергии на обмотку якоря, или другими словами, она не способна создать в обмотке якоря, а значит и в нагревательных элементах, электрический ток той величины, которая является достаточной для эффективного нагрева лопастей.
[6] Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в создании противообледенительного устройства, в котором обмотка индуктора генератора содержит больше одной пары полюсов, и которое при этом способно обеспечить надежную диагностику электрических цепей на стороне якоря генератора.
Сущность полезной модели
[7] Для решения указанной технической проблемы в качестве полезной модели предложено противообледенительное устройство для авиационного воздушного винта, содержащее генератор, нагревательные элементы, распределенные по всем лопастям воздушного винта, и блок аварийной защиты. Индуктор генератора установлен неподвижно относительно корпуса летательного аппарата, причем обмотка индуктора содержит больше одной пары полюсов и подключена к источнику постоянного напряжения с образованием электрической цепи возбуждения. Якорь генератора прикреплен к валу воздушного винта, причем обмотка якоря содержит три фазы, и каждый из нагревательных элементов соединен со своей фазой обмотки якоря. Блок аварийной защиты способен прерывать электрическую цепь возбуждения, когда в электрической цепи возбуждения возникают колебания электрического тока на частоте, равной частоте вращения вала воздушного винта, умноженной на число полюсов обмотки индуктора.
[8] Технический результат полезной модели состоит в том, что в противообледенительном устройстве, в котором обмотка индуктора генератора содержит больше одной пары полюсов, блок аварийной защиты способен отследить появление несимметричной реакции якоря, свидетельствующей о возникновении неисправности, и прервать электрическую цепь возбуждения, не допуская возникновения дисбаланса на воздушном винте.
[9] В частном случае полезной модели в электрическую цепь возбуждения последовательно с обмоткой индуктора включен транзисторный ключ, при этом блок аварийной защиты способен прерывать электрическую цепь возбуждения через управление транзисторным ключом. Благодаря высокой скорости срабатывания транзисторного ключа данное исполнение позволяет уменьшить время несимметричного нагрева лопастей воздушного винта, снижая риск развития аварийной ситуации.
[10] В другом частном случае полезной модели в электрическую цепь возбуждения последовательно с обмоткой индуктора включен измерительный резистор, при этом блок аварийной защиты подключен к электрической цепи возбуждения параллельно с измерительным резистором. Данное исполнение позволяет определить силу тока и частоту его колебаний по падению напряжения на измерительном резисторе.
[11] В еще одном частном случае полезной модели противообледенительное устройство предназначено для хвостового вертолетного винта. Данная предпочтительная область использования полезной модели обусловлена сравнительно малым диапазоном частот вращения вала хвостового вертолетного винта, что облегчает выявление в электрической цепи возбуждения колебаний электрического тока на частоте вращения вала воздушного винта, умноженной на число полюсов обмотки индуктора.
Краткое описание чертежей
[12] Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:
Фиг. 1 – принципиальная схема противообледенительного устройства, выполненного согласно полезной модели;
Фиг. 2 – сила тока в электрической цепи возбуждения при работающих трех фазах (качественная временная зависимость);
Фиг. 3 – сила тока в электрической цепи возбуждения при прерванном электрическом контакте на одной фазе (качественная временная зависимость).
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов противообледенительного устройства, отображенных на фигурах, могут являться условными и могут быть показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов противообледенительного устройства и их причинно-следственную связь с заявленным техническим результатом.
Осуществление полезной модели
[13] Осуществление полезной модели будет показано на наилучших известных авторам примерах реализации полезной модели, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[14] Противообледенительное устройство для авиационного воздушного винта, выполненное согласно полезной модели, показано на Фиг. 1. В контексте настоящего изложения понятие «авиационный воздушный винт» следует понимать как воздушный винт, установленный на летательном аппарате.
[15] Противообледенительное устройство 1 включает в себя генератор 2, нагревательные элементы 21, 22, 23 и блок 60 аварийной защиты. Генератор 2 содержит индуктор 30 и якорь 40. В отношении нагревательных элементов 21, 22, 23 заметим, что в данном случае их число равно числу лопастей воздушного винта (три), т.е. на каждой из трех лопастей (не показаны) закреплен один из нагревательных элементов 21, 22 или 23. Тем не менее, число нагревательных элементов может отличаться от числа лопастей, и на каждой лопасти может быть закреплено несколько нагревательных элементов.
[16] Индуктор 30 образован магнитопроводом 31 и обмоткой 32. Магнитопровод 31 жестко прикреплен к фюзеляжу летательного аппарата (не показан). Обмотка 32 выполнена в виде четырех катушек, последовательно соединенных друг с другом и закрепленных на магнитопроводе 31 так, что они образуют две пары полюсов 33, 34, 35, 36, при этом полюса, соседние друг с другом, имеют разную полярность N и S. Концы обмотки 32 соединены с источником 5 постоянного напряжения, в результате чего обмотка 32 вместе с источником 5 образуют электрическую цепь 51 возбуждения.
[17] Согласно полезной модели обмотка 32 образует по меньшей мере две пары полюсов, что позволяет обеспечить эффективную передачу электроэнергии на якорь 40. Тем не менее, являются предпочтительными исполнения, в которых число пар полюсов в обмотке 32 составляет существенно больше двух, например, 6, 7 или 8 пар полюсов.
[18] Якорь 40 образован магнитопроводом 41 и обмоткой 42. Магнитопровод 41 жестко прикреплен к валу 4 воздушного винта (сам воздушный винт не показан). Вал 4 вращается на заданной частоте и приводится во вращение электродвигателем (не показан). Обмотка 42 выполнена в виде трех фаз 43, 44, 45, каждая из которых представляет собой катушку, закрепленную на магнитопроводе 41.
[19] Каждый из нагревательных элементов 21, 22, 23 соединен своим первым концом с первым концом своей фазы 43, 44, 45 соответственно, а своим вторым концом – с вторыми концами всех других нагревательных элементов. В свою очередь, фазы 43, 44, 45 соединены между собой своими вторыми концами. Таким образом, в противообледенительном устройстве 1 соединение фаз 43, 44, 45 обмотки 42 с нагревательными элементами 21, 22, 23 выполнено по типу «звезда».
[20] Последовательно с обмоткой 32 индуктора 30 в электрическую цепь 51 возбуждения включен измерительный резистор 61. Блок 60 аварийной защиты подключен к электрической цепи 51 возбуждения параллельно с измерительным резистором 61 и способен по падению напряжения на измерительном резисторе 61 определять наличие в электрической цепи 51 возбуждения колебаний электрического тока на частоте, равной частоте вращения вала 4 воздушного винта, умноженной на число полюсов обмотки 42 индуктора 40, т.е. в данном случае умноженной на четыре (далее – диагностическая частота электрического тока).
[21] Информацию о частоте вращения вала 4 блок 60 аварийной защиты получает по шине 52 от внешнего устройства (не показано), которое управляет упомянутым электродвигателем, создающим приводной крутящий момент для вала 4. Блок 60 аварийной защиты может получать питание от источника 5 постоянного напряжения, как это показано на Фиг. 1, или от внешнего источника.
[22] Далее, последовательно с обмоткой 32 индуктора 30 в электрическую цепь 51 возбуждения включен транзисторный ключ 70, который управляется блоком 60 аварийной защиты. Когда блок 60 аварийной защиты с учетом установленного допуска на погрешность измерений и т.п. фиксирует в электрической цепи 51 возбуждения колебания электрического тока на диагностической частоте, он подает на транзисторный ключ 70 упомянутый управляющий сигнал. При получении управляющего сигнала от блока 60 аварийной защиты транзисторный ключ 70 переходит в выключенное состояние и размыкает электрическую цепь 51 возбуждения.
[23] Следует отметить, что в контексте настоящего изложения понятие «блок 60 аварийной защиты» означает прежде всего описанное выше функциональное содержание данного элемента. Техническая реализация блока 60 аварийной защиты является очевидной для специалиста в данной области техники, и может иметь различную конфигурацию. Например, блок 60 аварийной защиты может быть выполнен с использованием одного или нескольких полосовых фильтров, или иных подобных элементов.
[24] Здесь обратим внимание, что если выявление колебаний электрического тока, имеющих диагностическую частоту, осуществляется с использованием полосовых фильтров, то в конструктивном плане имеет преимущество тот случай, когда диагностическая частота изменяется в достаточно узких пределах. Это обстоятельство определяет предпочтительное направление для использования противообледенительного устройства 1, а именно - хвостовые вертолетные винты.
[25] Далее, блок 60 аварийной защиты может быть выполнен в виде отдельного физически обособленного устройства или может быть выполнен без физического обособления в составе более сложного управляющего устройства, содержащего также блок управления, способный управлять напряжением в электрической цепи 51 возбуждения. Цель блока управления при этом может состоять в таком управлении напряжением, чтобы в электрической цепи 51 возбуждения протекал электрический ток заданной величины. Одновременно с этим, возможно исполнение, когда компоненты блока 60 аварийной защиты могут быть распределены по разным устройствам.
[26] Противообледенительное устройство 1 работает следующим образом. Вал 4 вращает воздушный винт, а вместе с ним и якорь 40 генератора 2. При нахождении транзисторного ключа 70 во включенном состоянии обмотка 32 индуктора 30 находится под постоянным напряжением, создаваемым источником 5. В результате этого в фазах 43, 44, 45 обмотки 42 индуцируется переменный ток, который протекая по нагревательным элементам 21, 22, 23, вызывает их разогрев. От нагревательных элементов 21, 22, 23 тепло передается на лопасти воздушного винта, к которым прикреплены нагревательные элементы 21, 22, 23, благодаря чему имеющийся на поверхностях лопастей лед тает и удаляется, а образование нового льда становится невозможным. Таким образом, противообледенительное устройство 1 обеспечивает бесконтактную передачу электроэнергии от источника 5, неподвижного относительно корпуса летательного аппарата, к нагревательным элементам 21, 22, 23, вращающимся вместе с валом 4 воздушного винта.
[27]  Блок 60 аварийной защиты по падению напряжения на измерительном резисторе 61 определяет, имеются ли в электрической цепи 51 возбуждения колебания электрического тока на частоте, равной частоте вращения вала 4, умноженной на число полюсов обмотки 32 индуктора 30.  Информацию о частоте вращения вала 4 блок 60 аварийной защиты получает от внешнего устройства по шине 52.
[28] Здесь обратим внимание на то, что когда противообледенительное устройство 1 является исправным, и все нагревательные элементы 21, 22, 23 получают электроэнергию от своих фаз 43, 44, 45, колебания электрического тока в электрической цепи 51 возбуждения также присутствуют. Если в это время производить измерение силы тока в электрической цепи 51 возбуждения, то при отображении на графике она примет вид, показанный на Фиг. 2 в виде качественной временной зависимости.
[29] Указанные колебания электрического тока могут быть объяснены некоторой неравномерностью расположения фаз 43, 44, 45 по окружности магнитопровода 41, что влияет на реакцию якоря 40. Тем не менее, реакция якоря 40 в данном случае является в основном симметричной, в результате чего такие колебания являются высокочастотными и имеют малую амплитуду, как это показано на Фиг. 2. Таким образом, колебания электрического тока в электрической цепи 51 возбуждения при работе всех нагревательных элементов 21, 22, 23 могут считаться пренебрежимо малыми аналогично тому, как считаются пренебрежимо малыми колебания напряжения в источнике 5, которые обусловлены процессом выпрямления напряжения, подаваемого в бортовую сеть от основного генератора.
[30] Когда происходит прерывание электрического соединения между какой-либо из фаз 43, 44, 45 и соответствующим нагревательным элементом 21, 22, 23, реакция якоря 40 перестает быть симметричной. При прохождении обесточенной фазы мимо каждого из полюсов 33, 34, 35, 36 индуктивное сопротивление в этом полюсе значительно падает, что приводит и к заметному снижению сопротивления в обмотке 32. В результате этого сила тока в электрической цепи 51 возбуждения возрастает, что фиксируется блоком 60 аварийной защиты по увеличению падения напряжения на измерительном резисторе 61.
[31] Качественная временная зависимость силы тока в электрической цепи 51 возбуждения в это время будет вид, показанный на Фиг. 3, где Т – это время, за которое обесточенная фаза проходит мимо одного из полюсов 33, 34, 35, 36 от середины окружного расстояния между данным полюсом и предыдущим к нему до середины окружного расстояния между данным полюсом и следующим за ним. Как следует из Фиг. 3, за время Т сила тока в электрической цепи 51 возбуждения совершает полный цикл колебания, что позволяет считать время Т периодом колебаний электрического тока в электрической цепи 51 возбуждения.
[32] Однако за полный оборот якоря 40 обесточенная фаза пройдет мимо всех четырех полюсов 33, 34, 35, 36, а значит сила тока в электрической цепи 51 возбуждения совершит четыре цикла колебаний, соответствующих периоду Т. Другими словами, частота колебаний электрического тока в электрической цепи 51 возбуждения в данном случае превысит частоту вращения вала 4 в четыре раза, а в общем случае – кратно числу полюсов в обмотке 32 индуктора 30.
[33] Когда блок 60 аварийной защиты по падению напряжения на измерительном резисторе 61 определяет, что в электрической цепи 51 возбуждения имеются колебания электрического тока на диагностической частоте, он подает на транзисторный ключ 70 управляющий сигнал, который переводит транзисторный ключ 70 в выключенное состояние. Таким образом, электрическая цепь 51 возбуждения размыкается, и риск разбалансировки воздушного винта по причине неравномерного обледенения лопастей исключается. Соответственно, предоставляется возможность для безаварийной посадки летательного аппарата, которая впрочем, должна быть произведена незамедлительно.
[34] Кроме этого, блок 60 аварийной защиты будет выключать транзисторный ключ 70 не только при прерывании соединения между какой-либо из фаз 43, 44, 45 и соответствующим нагревательным элементом 21, 22, 23, но также и в случае короткого замыкания между двумя фазами. Форма и амплитуда колебаний электрического тока в электрической цепи 51 возбуждения в этом случае могут быть иными, однако, его частота по-прежнему будет равна диагностической частоте.
[35] В описанном выше предпочтительном варианте осуществления полезной модели для прерывания электрической цепи 51 возбуждения использован транзисторный ключ 70. Однако это не является обязательным, вместо транзисторного ключа 70 может быть использовано электромагнитное реле.