ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВИАЦИОННОГО ВОЗДУШНОГО ВИНТА С УСОВЕРШЕНСТОВОВАННОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ НАГРЕВА

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 в зависимости от режима полета скорость вращения воздушного винта может изменяться, при этом на процесс образования льда на лопастях данное обстоятельство заметного влияния не оказывает. Соответственно, представляется весьма желательным, чтобы сила тока, протекающего в нагревательных элементах, всегда имела заданную величину и не имела какой-либо взаимосвязи со скоростью вращения воздушного винта.
[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 и соединен с источником постоянного напряжения, 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 нагревательных элементах, закрепленных на каждой лопасти воздушного винта.
[5] Если в прототипе полезной модели напряжение, подаваемое на обмотку индуктора от источника постоянного напряжения, будет оставаться неизменным, то при увеличении скорости вращения воздушного винта ток, протекающий в нагревательных элементах, будет также увеличиваться, а при уменьшении – соответственно уменьшаться.  В результате этого в первом указанном случае возможен перегрев нагревательных элементов и выход их из строя, а во втором – недостаточный нагрев с соответствующим снижением эффективности по предотвращению обледенения лопастей.
[6] Для исключения этих нежелательных явлений прототип полезной модели содержит стабилизатор, способный увеличивать напряжение в электрической цепи возбуждения индуктора, когда скорость вращения вала винта понижается, и уменьшать напряжение в электрической цепи возбуждения, когда скорость вращения вала винта повышается, с тем, чтобы ЭДС в фазах обмотки якоря и нагревательных элементах всегда оставалась неизменной.
[7] Однако принцип действия и устройство стабилизатора в прототипе не раскрыты. В то же время является критически важным, чтобы такой стабилизатор был способен обеспечивать высокую точность и быстроту регулировки напряжения в электрической цепи возбуждения индуктора, а также иметь компактные размеры, небольшой вес и не требовать дополнительного вспомогательного оборудования, например, охлаждающих вентиляторов и т.п. Соответственно, техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в создании противообледенительного устройства, обладающего указанными свойствами.
Сущность полезной модели
[8] 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, транзисторный ключ и блок стабилизации нагрева. Индуктор генератора установлен неподвижно относительно корпуса вертолета, причем обмотка индуктора подключена к источнику постоянного напряжения с образованием электрической цепи возбуждения. Якорь генератора прикреплен к валу винта, а каждый из нагревательных элементов соединен со своей фазой обмотки якоря. Транзисторный ключ включен в электрическую цепь возбуждения последовательно с обмоткой индуктора. Блок стабилизации нагрева при этом способен через управление транзисторным ключом выполнять такую широтно-импульсную модуляцию напряжения в электрической цепи возбуждения, которая позволяет увеличивать силу тока в электрической цепи возбуждения, когда скорость вращения вала винта понижается, и уменьшать силу тока в электрической цепи возбуждения, когда скорость вращения вала винта повышается.
[9] Технический результат полезной модели состоит в том, что благодаря широтно-импульсной модуляции напряжения, реализуемой с помощью транзисторного ключа, электрическая цепь возбуждения предложенного противообледенительного устройства выделяет меньше тепла по сравнению, например, с электрической цепью возбуждения, в которой напряжение регулируется посредством резистора с изменяемым сопротивлением. В результате этого предложенное противообледенительной устройство может быть реализовано без громоздких радиаторов и иных охлаждающих устройств, например, вентиляторов и т.п., при этом его электрическая цепь возбуждения является более энергоэффективной. Одновременно с этим широтно-импульсная модуляция напряжения, реализуемая с помощью транзисторного ключа, позволяет обеспечить более точную и быструю регулировку напряжения в электрической цепи возбуждения.
[10] В частном случае полезной модели в электрическую цепь возбуждения последовательно с обмоткой индуктора включен измерительный резистор. Блок стабилизации нагрева при этом подключен к электрической цепи возбуждения параллельно с измерительным резистором и способен выполнять такую широтно-импульсную модуляцию напряжения в электрической цепи возбуждения, которая для каждой скорости вращения вала винта обеспечивает на концах измерительного резистора напряжение заданной величины, соответствующей этой скорости.
[11] Данное исполнение обеспечивает блоку стабилизации нагрева обратную связь с электрической цепью возбуждения, позволяющую повысить быстроту и точность регулирования силы тока в электрической цепи возбуждения. Следует также отметить, что данная обратная связь реализована простым и надежным способом.
[12] В другом частном случае полезной модели число фаз обмотки якоря равно числу лопастей воздушного винта, при этом все нагревательные элементы, расположенные на одной и той же лопасти, соединены с одной и той же фазой обмотки якоря. В этом исполнении обеспечивается наиболее простая схема соединения нагревательных элементов с фазами обмотки якоря.
[13] В еще одном частном случае полезной модели число фаз обмотки якоря равно трем, а число лопастей отличается от трех. Данное исполнение позволяет упростить конструкцию якоря и снизить его вес.
[14] В предпочтительном случае полезной модели противообледенительное устройство предназначено для хвостового вертолетного винта, что обусловлено сравнительно малым диапазоном скоростей вращения и сравнительно малой предельной скоростью вращения вала хвостового вертолетного винта. В данной предпочтительной области использования полезной модели широтно-импульсная модуляция напряжения может обеспечить наиболее высокую точность и быстроту регулировки напряжения.
Краткое описание чертежей
[15] Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуру с принципиальной схемой противообледенительного устройства, выполненного согласно полезной модели.
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов противообледенительного устройства, отображенных на фигуре, 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
[16] Осуществление полезной модели будет показано на наилучших известных авторам примерах реализации полезной модели, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[17] Противообледенительное устройство для авиационного воздушного винта, выполненное согласно полезной модели, показано на фигуре. В контексте настоящего изложения понятие «авиационный воздушный винт» следует понимать как воздушный винт, установленный на летательном аппарате.
[18] Противообледенительное устройство 1 включает в себя генератор 2, нагревательные элементы 21, 22, 23 и блок 60 стабилизации нагрева. 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.
[19] 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.
[20] 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.
[21] Якорь 40 образован магнитопроводом 41 и обмоткой 42. Магнитопровод 41 жестко прикреплен к валу 4 воздушного винта (сам воздушный винт не показан). Вал 4 приводится во вращение электродвигателем (не показан), выполненным с возможностью изменения скорости вращения вала 4. Обмотка 42 выполнена в виде трех фаз 43, 44, 45, каждая из которых представляет собой катушку, закрепленную на магнитопроводе 41.
[22] Каждый из нагревательных элементов 21, 22, 23 соединен своим первым концом с первым концом своей фазы 43, 44, 45 соответственно, а своим вторым концом – со 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».
[23] Обратим внимание, что в рассматриваемом случае число фаз обмотки 42 совпадает с числом лопастей, которое не обязательно должно быть равно трем. В других возможных случаях число лопастей и число фаз обмотки 42, оставаясь равными друг другу, могут быть равны четырем, пяти, шести, семи или иметь любое иное значение. Равенство числа лопастей и числа фаз обмотки 42 позволяет упростить соединение нагревательных элементов с фазами обмотки 42, исключив разветвление цепи, что требуется в случае, когда число лопастей отличается от числа фаз обмотки 42.
[24] Тем не менее, возможна конфигурация, когда число фаз обмотки 42 по-прежнему равно трем, а число лопастей отличается от числа фаз обмотки 42, и равно, например, семи. Однако в целях равномерного распределения нагрузки между фазами, число нагревательных элементом всегда остается кратным числу фаз обмотки 42. На одной лопасти при этом может быть установлено больше одного нагревательного элемента, а нагревательные элементы, установленные на одной лопасти, могут быть подключены к разным фазам обмотки 42.
[25] Заметим, что выполнение обмотки 42 с тремя фазами даже в тех случаях, когда число лопастей отличается от трех, существенно упрощает конструкцию якоря 40 и лишь незначительно усложняет схему соединения нагревательных элементов с фазами обмотки 42. Кроме того, якорь 40 с тремя фазами обмотки 42 имеет существенно меньший вес по сравнению с якорем, обмотка которого содержит большее число фаз.
[26] Следует отметить, что количество тепла, выделяемого нагревательными элементами 21, 22, 23, определяется силой тока, протекающего в них, которая в свою очередь зависит от силы тока в обмотке 32 и скорости вращения вала 4. Сила тока в обмотке 32 может колебаться из-за изменяющегося сопротивления обмотки 32 даже при неизменной скорости вращения вала 4, что вызвано, например, изменяющейся температурой внешней среды. Скорость вращения вала 4 устанавливается в зависимости от режима полета и может изменяться в определенных пределах. Соответственно, в устройстве 1 обеспечено такое управление напряжением в электрической цепи 51 возбуждения, которое обеспечивает низменную силу тока в обмотке 32, когда скорость вращения вала 4 остается неизменной, и соответствующее изменение силы тока в обмотке 32, когда скорость вращения вала 4 изменяется.
[27] Последовательно с обмоткой 32 индуктора 30 в электрическую цепь 51 возбуждения включен транзисторный ключ 70, который управляется блоком 60 стабилизации нагрева. Транзисторный ключ 70 может находиться во включенном состоянии, в котором электрическая цепь 51 возбуждения замкнута, и в выключенном состоянии, в котором электрическая цепь 51 возбуждения разомкнута.  Блок 60 стабилизации нагрева способен выдавать на транзисторный ключ 70 управляющие сигналы, переводящие транзисторный ключ 70 во включенное или выключенное состояние. Блок 60 стабилизации нагрева может получать питание от источника 5 постоянного напряжения, как это показано на фигуре, или от внешнего источника.
[28] Последовательно с обмоткой 32 индуктора 30 в электрическую цепь 51 возбуждения включен измерительный резистор 61. Блок 60 стабилизации нагрева подключен к электрической цепи 51 возбуждения параллельно с измерительным резистором 61 и способен определять напряжение на концах измерительного резистора 61.
[29] Напряжение в электрической цепи 51 возбуждения, под которым понимается напряжение на клеммах источника 5, равно сумме напряжения на концах обмотки 32 и напряжения на концах измерительного резистора 61. В свою очередь, сила тока, протекающего в электрической цепи 51 возбуждения, является одной и той же, как в обмотке 32, так и в измерительном резисторе 61. Соответственно, поддерживая на концах измерительного резистора 61 напряжение заданной величины, можно обеспечить требуемую силу тока в электрической цепи 51 возбуждения, и в частности, в обмотке 32.
[30] Через включение и выключение транзисторного ключа 70 блок 60 стабилизации нагрева способен выполнять такую широтно-импульсную модуляцию (далее также – ШИМ) напряжения в электрической цепи 51 возбуждения, которая для каждой скорости вращения вала 4 обеспечивает на концах измерительного резистора 61 напряжение заданной величины, соответствующей этой скорости. Заданные величины напряжения на концах измерительного резистора 61 определены для каждой скорости вращения вала 4 заранее и сохранены в памяти блока 60 стабилизации нагрева, при этом чем выше скорость вращения вала 4, тем ниже заданная величина напряжения на концах измерительного резистора 61 и наоборот. Информацию о скорости вращения вала 4 блок 60 стабилизации нагрева получает по шине 52 от внешнего устройства (не показано), которое управляет упомянутым электродвигателем, приводящим вал 4 во вращение.
[31] С увеличением скорости вращения вала 4 блок 60 стабилизации нагрева выполняет ШИМ напряжения в электрической цепи 51 возбуждения так, чтобы уменьшить напряжение на концах измерительного резистора 61 до заданной величины, соответствующей новой скорости вращения вала 4. Сила тока в электрической цепи 51 возбуждения также уменьшается соответствующим образом. Поскольку сила тока одинакова для всех элементов электрической цепи 51 возбуждения, то сила тока уменьшится и в обмотке 32.
[32] Соответственно, фактор, повышающий ЭДС в фазах 43, 44, 45 и нагревательных элементах 21, 22, 23, в качестве которого выступает увеличение скорости вращения вала 4, компенсируется фактором, понижающим ЭДС в фазах 43, 44, 45 и нагревательных элементах 21, 22, 23, в качестве которого выступает уменьшение силы тока в обмотке 32. Таким образом, сила тока в нагревательных элементах 21, 22, 23 не увеличивается при увеличении скорости вращения вала 4, а значит, риск их повреждения в результате перегрева исключен.
[33] С уменьшением скорости вращения вала 4 блок 60 стабилизации нагрева выполняет ШИМ напряжения в электрической цепи 51 возбуждения так, чтобы увеличить напряжение на концах измерительного резистора 61 до заданной величины, соответствующей новой скорости вращения вала 4. Сила тока в электрической цепи 51 возбуждения также увеличивается соответствующим образом. Поскольку сила тока одинакова для всех элементов электрической цепи 51 возбуждения, то сила тока увеличится и в обмотке 32.
[34] Соответственно, фактор, понижающий ЭДС в фазах 43, 44, 45 и нагревательных элементах 21, 22, 23, в качестве которого выступает уменьшение скорости вращения вала 4, компенсируется фактором, повышающим ЭДС в фазах 43, 44, 45 и нагревательных элементах 21, 22, 23, в качестве которого выступает увеличение силы тока в обмотке 32. Таким образом, сила тока в нагревательных элементах 21, 22, 23 не уменьшается при уменьшении скорости вращения вала 4, а значит риск их недостаточного нагрева, не способного предотвратить обледенение лопастей, исключен.
[35] При неизменной скорости вращения вала 4, блок 60 стабилизации нагрева выполняет ШИМ напряжения в электрической цепи 51 возбуждения так, чтобы поддерживать напряжение на концах измерительного резистора 61 на заданной величине, соответствующей текущей скорости вращения вала 4. Поскольку сила тока одинакова для всех элементов электрической цепи 51 возбуждения, то при неизменной силе тока в измерительном резисторе 61 сила тока в обмотке 32 также останется неизменной.
[36] Следовательно, фактор, изменяющий ЭДС в фазах 43, 44, 45 и нагревательных элементах 21, 22, 23 в одну сторону, в качестве которого выступает увеличение или уменьшение сопротивления обмотки 32, компенсируется фактором, изменяющим ЭДС в фазах 43, 44, 45 и нагревательных элементах 21, 22, 23 в обратную сторону, в качестве которого выступает соответственно увеличение или уменьшение напряжения на концах обмотки 32. Таким образом, сила тока в нагревательных элементах 21, 22, 23 не изменяется при изменении сопротивления обмотки 32, а значит риск их перегрева или недостаточного нагрева исключен.
[37] Управление напряжением синхронного генератора посредством ШИМ является общеизвестным. В контексте полезной модели ШИМ напряжения заключается в импульсном подключении источника 5 постоянного напряжения к обмотке 32, которое осуществляется с высокой частотой, позволяющей принимать усредненное напряжение на концах обмотки 32 в качестве постоянного напряжения. В зависимости от соотношения периодов нахождения транзисторного ключа 70 во включенном и выключенном состояниях, напряжение на концах обмотки 32 может быть изменено в сторону увеличения или уменьшения. Предельным величинами такого изменения являются напряжение, фиксируемое на клеммах источника 5, и нулевое напряжение.
[38] Использование ШИМ в паре с транзисторным ключом 70 для регулирования напряжения на концах обмотки 32 обеспечивает противообледенительному устройству 1 ряд преимуществ. Транзисторный ключ 70 выделяет тепло только в моменты своего включения и выключения, при этом, когда транзисторный ключ 70 находится во включенном и выключенном состояниях, он тепла не выделяет. В результате этого противообледенительное устройство 1 может быть реализовано без громоздких радиаторов и иных охлаждающих устройств, таких как вентиляторы, по сравнению, например, с аналогичным устройством, в электрической цепи возбуждения которого напряжение регулируется посредством резистора с изменяемым сопротивлением, выделяющим тепло непрерывно. Кроме того, в сравнении с данным аналогом противообледенительное устройство 1 является и более энергоэффективным. Данные преимущества имеют особую важность для устройств, предназначенных для использования в авиационной технике.
[39] Одновременно с этим в сравнении с указанным аналогом широтно-импульсная модуляция напряжения, реализуемая с помощью транзисторного ключа 70, обеспечивает более точную и быструю регулировку напряжения в электрической цепи 51 возбуждения.
[40] Следует отметить, что в контексте настоящего изложения понятие «блок 60 стабилизации нагрева» означает прежде всего описанное выше функциональное содержание данного элемента. Техническая реализация блока 60 стабилизации нагрева является очевидной для специалиста в данной области техники, и может иметь различную конфигурацию.
[41] Блок 60 стабилизации нагрева может быть выполнен в виде отдельного физически обособленного устройства или может быть выполнен без физического обособления в составе более сложного управляющего устройства. Помимо блока 60 стабилизации нагрева такое управляющее устройство может содержать блок аварийной защиты, способный определять прерывание соединения в электрических цепях на стороне якоря 40 и размыкать электрическую цепь 51 возбуждения путем выдачи на транзисторный ключ 70 управляющего сигнала, переводящего транзисторный ключ 70 в выключенное состояние. Одновременно с этим, возможно исполнение, когда компоненты блока 60 стабилизации нагрева могут быть распределены по разным устройствам.
[42] 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.
[43] При увеличении или уменьшении скорости вращения вала 4 блок 60 стабилизации нагрева управляет транзисторным ключом 70 так, чтобы посредством ШИМ соответственно уменьшить или увеличить напряжение на концах измерительного резистора 61 до заданной величины, которая соответствует вновь установившейся скорости вращения вала 4. Тем не менее, данное исполнение является лишь предпочтительным вариантом устройства 1, и любое другое уменьшение или увеличение напряжения на концах измерительного резистора 61 также соответственно уменьшает или увеличивает степень нагрева нагревательных элементов 21, 22, 23, а значит, способствует снижению риска их повреждения в результате перегрева или риска обледенения лопастей.
[44] Одновременно с этим, даже если скорость вращения вала 4 остается неизменной, то под влиянием изменяющейся температуры окружающей среды сопротивление обмотки 32 может изменяться. В частности, при повышении температуры сопротивление обмотки 32 увеличивается, а при снижении – уменьшается. Это вызывает обратно направленное изменение силы тока в обмотке 32 и соответствующее ему изменение количества тепла, выделяемого нагревательными элементами 21, 22, 23. Однако блок 60 стабилизации нагрева управляет транзисторным ключом 70 так, чтобы посредством ШИМ поддерживать на концах измерительного резистора 61 напряжение заданной величины, соответствующей текущей скорости вращения вала 4. Благодаря этому сила тока в обмотке 32 остается неизменной, а влияние изменяющегося сопротивления обмотки 32 на степень нагрева нагревательных элементов 21, 22, 23 исключается.
[45] Следует также отметить, что для обеспечения точности и быстроты регулировки ЭДС в фазах 43, 44, 45 обмотки 42, частота переключения транзисторного ключа 70 при осуществлении ШИМ должна определенным образом соотноситься со скоростью вращения якоря 40. При значительных скоростях вращения якоря 40 частота переключения транзисторного ключа 70 также должна быть высока, что отрицательно сказывается на его ресурсе. Хвостовой вертолетный винт характеризуется тем, что имеет сравнительно малый диапазон скоростей вращения и сравнительно малую максимальную скорость вращения вала 4, что не требует чрезвычайно высокой частоты переключения транзисторного ключа 70. Именно поэтому предпочтительной областью использования полезной модели являются хвостовые вертолетные винты.