ГИБРИДНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА
HYBRID POWER PLANT

Изобретение относится к силовым установкам для летательных аппаратов, а именно к гибридным силовым установкам для самолетов с двумя или более движителями в виде воздушных винтов или вентиляторов.
Известна гибридная силовая установка для самолетов с винтовым движителем (RU 2589532, 2016), содержащая двигатель внутреннего сгорания, подключенный к системе подачи топлива, электродвигатель, систему управления силовой установкой, электрическую сеть постоянного тока, блок генерирования электрической энергии, блок аккумулирования электрической энергии, при этом электродвигатель включает модуль управления электродвигателем и кинематически связан с одним из винтовых движителей, блок генерирования электрической энергии содержит электрический генератор, кинематически связанный с двигателем внутреннего сгорания, и выпрямитель, установленный на электрическом выходе электрического генератора, электрические выходы блока генерирования электрической энергии, блока аккумулирования электрической энергии и электрический вход модуля управления электродвигателем подключены к электрической сети постоянного тока, при этом блок аккумулирования электрической энергии включает по меньшей мере два блока аккумуляторных батарей.
Известна гибридная силовая установка для самолетов с двумя или более винтовыми движителями (US 20160304214, 2016), содержащая двигатель внутреннего сгорания, подключенный к системе подачи топлива, два электродвигателя, электрическую сеть постоянного тока, блок генерирования электрической энергии, блок аккумулирования электрической энергии, при этом каждый электродвигатель включает модуль управления электродвигателем и кинематически связан с соответствующим винтовым движителем, блок генерирования электрической энергии содержит электрический генератор, кинематически связанный с двигателем внутреннего сгорания, и выпрямитель, установленный на электрическом выходе электрического генератора, электрические выходы блока генерирования электрической энергии, блока аккумулирования электрической энергии и электрический вход модуля управления каждым электродвигателем подключены к электрической сети постоянного тока.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является гибридная силовая установка для самолетов (DE 102008014404, 2011), содержащая двигатель внутреннего сгорания с системой его автоматического управления, подключенный к системе подачи топлива, электродвигатель, систему управления силовой установкой, электрическую сеть постоянного тока, блок генерирования электрической энергии, блок аккумулирования электрической энергии, при этом электродвигатель включает модуль управления электродвигателем и кинематически связан с винтовым движителем силовой установки, блок генерирования электрической энергии содержит электрический генератор, кинематически связанный с двигателем внутреннего сгорания, и выпрямитель, установленный на электрическом выходе электрического генератора, электрические выходы блока генерирования электрической энергии, блока аккумулирования электрической энергии и электрический вход модуля управления электродвигателем подключены к электрической сети постоянного тока.
Общими недостатками известных технических решений является то, что известные схемы установок не предусматривают средств, позволяющих электрически изолировать электродвигатели, блок генерирования электрической энергии, блок аккумулирования электрической энергии и их отдельные компоненты в случае выхода их из строя, а также управлять электродвигателями, двигателем внутреннего сгорания и электрическими компонентами гибридной силовой установки в едином информационном потоке.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание схемы гибридной силовой установки для самолетов с множеством электродвигателей и блоков аккумуляторных батарей, позволяющей электрически изолировать вышедшие из строя электродвигатели, электрический генератор, блоки аккумуляторных батарей и управлять работой электродвигателей, двигателем внутреннего сгорания и электрическими компонентами гибридной силовой установки в едином информационном потоке.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является повышение надежности и отказоустойчивости гибридной силовой установки.
Технический результат достигается за счет того, что гибридная силовая установка для самолетов с двумя или более винтовыми движителями содержит двигатель внутреннего сгорания с системой его автоматического управления, подключенный к системе подачи топлива, электродвигатель, систему управления силовой установкой, основную электрическую сеть постоянного тока, блок генерирования электрической энергии, блок аккумулирования электрической энергии, при этом электродвигатель включает модуль управления электродвигателем и кинематически связан с одним из винтовых движителей, блок генерирования электрической энергии содержит электрический генератор, кинематически связанный с двигателем внутреннего сгорания, и выпрямитель, установленный на электрическом выходе электрического генератора, электрические выходы блока генерирования электрической энергии, блока аккумулирования электрической энергии и электрический вход модуля управления электродвигателем подключены к основной электрической сети постоянного тока, установка содержит по меньшей мере один дополнительный электродвигатель и коммутирующие устройства, каждое из которых включает размыкатель и модуль управления размыкателем, при этом общее количество электродвигателей соответствует количеству винтовых движителей, каждый дополнительный электродвигатель включает модуль управления электродвигателем и кинематически связан с соответствующим винтовым движителем, электрический вход модуля управления каждым дополнительным электродвигателем подключен к основной электрической сети постоянного тока, блок аккумулирования электрической энергии включает по меньшей мере два блока аккумуляторных батарей, соединенных параллельно, и устройства контроля блоков аккумуляторных батарей, коммутирующие устройства установлены на электрическом входе каждого модуля управления электродвигателем, электрическом выходе выпрямителя и электрическом выходе каждого блока аккумуляторных батарей, система управления гибридной силовой установкой связана информационными каналами связи с каждым модулем управления электродвигателем, модулем управления размыкателем каждого коммутирующего устройства, устройствами контроля блоков аккумуляторных батарей, системой автоматического управления двигателем внутреннего сгорания и выполнена с возможностью управления ими.
Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение:
- установка содержит дополнительный блок аккумулирования электрической энергии и дополнительную электрическую сеть постоянного тока, причем электрический выход дополнительного блока аккумулирования электрической энергии подключен к дополнительной электрической сети постоянного тока, а дополнительная электрическая сеть соединена с основной электрической сетью и предназначена для электроснабжения системы автоматического управления двигателем внутреннего сгорания, системы управления силовой установкой, коммутирующих устройств и модулей управления электродвигателями;
- двигатель внутреннего сгорания выполнен в виде турбовального газотурбинного двигателя (ТвГТД), содержащего газогенератор и силовую турбину, вал электрического генератора через рессору соединен с валом силовой турбины ТвГТД, причем рессора выполнена с пределом прочности, соответствующим усилию при блокировке ротора электрического генератора, который меньше предела прочности ротора силовой турбины ТвГТД;
- каждый электродвигатель содержит не менее 4 фаз;
-каждый электродвигатель содержит более 6 фаз, при этом фазы соединены параллельно, образуя как минимум 3 независимые группы;
- блок генерирования электрической энергии содержит несколько электрических генераторов и выпрямителей, причем каждый электрический генератор кинематически связан посредством передачи с двигателем внутреннего сгорания, а каждая передача содержит муфту свободного хода;
- блок генерирования электрической энергии содержит совмещенную систему охлаждения электрического генератора и выпрямителя;
- система охлаждения электрического генератора и выпрямителя выполнена жидкостной и содержит теплообменник, гидравлически соединенный с системой подачи топлива;
- электрический генератор содержит не менее 4 фаз;
- электрический генератор содержит более 6 фаз, при этом фазы соединены параллельно, образуя как минимум 3 независимые группы.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как только совокупность существенных признаков, составляющих изобретение, позволяет электрически изолировать вышедшие из строя электродвигатели, электрический генератор, блоки аккумуляторных батарей и управлять работой электродвигателей, двигателя внутреннего сгорания и электрическими компонентами (а именно коммутирующими устройствами и устройствами контроля блоков аккумуляторных батарей) гибридной силовой установки в едином информационном потоке при повышении надежности и отказоустойчивости гибридной силовой установки.
Изобретение поясняется иллюстрациями, где
на фиг. 1 представлена схема гибридной силовой установки;
на фиг. 2 - схема блока аккумулирования электрической энергии.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Гибридная силовая установка для самолетов с двумя или более винтовыми движителями 1 содержит двигатель 2 внутреннего сгорания с системой 3 его автоматического управления, подключенный к системе 4 подачи топлива, электродвигатели 5, общее количество которых соответствует количеству винтовых движителей 1, систему 6 управления силовой установкой, основную электрическую сеть 7 постоянного тока, блок 8 генерирования электрической энергии, блок 9 аккумулирования электрической энергии и коммутирующие устройства 10 (фиг. 1).
Электрические выходы блока 8 генерирования электрической энергии и блока 9 аккумулирования электрической энергии подключены к электрической сети 7 постоянного тока.
Блок 8 генерирования электрической энергии содержит электрический генератор 11, кинематически связанный с двигателем 2 внутреннего сгорания, и выпрямитель 12, установленный на электрическом выходе электрического генератора 11.
В частном случае двигатель 2 внутреннего сгорания может быть выполнен в виде турбовального газотурбинного двигателя (ТвГТД), содержащего газогенератор и силовую турбину (на схеме не показаны), а вал электрического генератора через рессору соединен с валом силовой турбины ТвГТД. Рессора выполнена с пределом прочности, соответствующим усилию при блокировке ротора электрического генератора 11, который меньше предела прочности ротора силовой турбины ТвГТД.
ТвГТД может быть выполнен одновальным или двухвальным. В случае одновального ТвГТД механическая мощность передается от вала турбины газогенератора. В случае двухвального ТвГТД механическая мощность передается от вала силовой (свободной) турбины, кинематически независимой от турбины газогенератора.
Каждый электродвигатель 5 включает модуль 13 управления электродвигателем 5 и кинематически связан с соответствующим винтовым движителем 1. Электрические входы модулей 13 управления электродвигателями 5 подключены к электрической сети 7 постоянного тока.
В качестве электродвигателя 5 может быть использован вентильный электродвигатель с высококоэрцитивными постоянными магнитами в роторе. В этом случае модулем 13 управления электродвигателем 5 является вентильный преобразователь электрической энергии. Каждый электродвигатель 5 может быть снабжен понижающим редуктором (на схеме не показан), а с целью повышения отказоустойчивости может содержать 4 и более фаз. Если электродвигатель 5 содержит более 6 фаз, то фазы могут соединяться параллельно, образуя как минимум 3 независимые группы.
Блок 8 генерирования электрической энергии может содержать систему охлаждения (на схеме не показана), представляющую собой совмещенную жидкостную систему охлаждения электрического генератора 11 и выпрямителя 12 и включающую теплообменник, гидравлически соединенный с системой 4 подачи топлива.
В частном случае блок 8 генерирования электрической энергии может включать несколько электрических генераторов 11 и выпрямителей 12. Каждый электрический генератор 11 кинематически связан с помощью зубчатой, ременной или цепной передачи с двигателем внутреннего сгорания, при этом каждая передача содержит муфту свободного хода. Выходы выпрямителей 12 подключаются к электрической сети 7 постоянного тока параллельно.
С целью сглаживания пульсаций тока и напряжения после точки параллельного подключения выпрямителей 12 может быть установлен сглаживающий фильтр 14.
В другом частном случае электрические генераторы 11 могут быть установлены последовательно на одном валу.
С целью повышения отказоустойчивости каждый электрический генератор 11 может содержать 4 или более фаз. Если электрический генератор 11 содержит более 6 фаз, то фазы могут соединяться параллельно, образуя как минимум 3 независимые группы.
С целью повышения надежности гибридная силовая установка может содержать дополнительный блок 16 аккумулирования электрической энергии и дополнительную электрическую сеть 15 постоянного тока, причем электрический выход дополнительного блока 16 аккумулирования электрической энергии подключен к дополнительной электрической сети 15 постоянного тока. Дополнительная электрическая сеть 15 соединена с основной электрической сетью 7 постоянного тока и предназначена для электроснабжения системы 3 автоматического управления двигателем 2 внутреннего сгорания, системы 6 управления силовой установкой, коммутирующих устройств 10 и модулей 13 управления электродвигателями 5.
К дополнительной электрической сети 15 может быть подключено зарядное устройство 17 для осуществления процесса заряда дополнительного блока 16 аккумулирования электрической энергии.
Если напряжения основной и дополнительной электрических сетей 7, 15 постоянного тока различны, дополнительная электрическая сеть 15 может соединяться с основной электрической сетью 7 посредством устройства 18 для преобразования электрического напряжения, а если напряжения основной и дополнительной электрических сетей 7, 15 равны, дополнительная электрическая сеть 15 может соединяться с основной электрической сетью 7 напрямую.
Каждое коммутирующее устройство 10 включает размыкатель, представляющий собой электромеханическое или полупроводниковое устройство, выполненное с возможностью коммутации силовых цепей электрических сетей 7, 15, и модуль управления размыкателем (на схеме не показаны), который может представлять собой микроконтроллер, к которому подключаются датчики, в частности, датчики тока и напряжения в сетях 7 и 15 постоянного тока, датчики температуры размыкателя и управляющего модуля, и модуль информационного взаимодействия. Информационный вход-выход модуля информационного взаимодействия является непосредственным информационным входом-выходом коммутирующего устройства 10.
Блок 9 аккумулирования электрической энергии включает по меньшей мере два блока 19 аккумуляторных батарей, соединенных параллельно, и устройства 20 контроля блоков 19 аккумуляторных батарей (фиг. 2). Для осуществления процесса заряда блока 9 аккумулирования электрической энергии к основной электрической сети 7 постоянного тока может быть подключено зарядное устройство 21.
Система 6 управления гибридной силовой установкой связана информационными каналами 22 связи с каждым модулем 13 управления электродвигателем 5, модулями управления размыкателями каждого коммутирующего устройства 10, устройствами 20 контроля блоков 19 аккумуляторных батарей и системой 3 автоматического управления двигателем 2 внутреннего сгорания и выполнена с возможностью управления ими. В частном случае информационные каналы 22 связи, идущие от коммутирующих устройств 10, подключаются к системе 6 управления силовой установкой через распределительное устройство 23.
Коммутирующие устройства 10 установлены на электрическом входе каждого модуля 13 управления электродвигателем 5, электрическом выходе выпрямителя 12 и электрическом выходе каждого блока 19 аккумуляторных батарей. Если блок 8 генерирования электрической энергии включает несколько электрических генераторов 11 и выпрямителей 12, то коммутирующие устройства 10 устанавливают на электрическом выходе каждого выпрямителя 12. В частных вариантах реализации дополнительные коммутирующие устройства 10 устанавливают на входе в зарядное устройство 21 и входе в устройство 18 преобразования электрического напряжения.
Мощность блока 8 генерирования электрической энергии, двигателя 2 внутреннего сгорания (с учетом КПД блока 8 генерирования) и блока 9 аккумулирования электрической энергии выбирается следующим образом.
двс
Максимальная мощность N двигателя 2 внутреннего сгорания на выходном валу может рассчитываться по формуле:
где:
кр
N - суммарная механическая мощность на валу электродвигателей 5, вращающих движители 1, необходимая для создания ими тяги, обеспечивающей крейсерский полет самолета, на котором будет установлена гибридная силовая установка;
эд
η - суммарный КПД электродвигателя 5 и модуля 13 его управления;
г
η - суммарный КПД блока 8 генерирования электрической энергии.
двс
При этом на максимальной мощности N двигатель 2 внутреннего сгорания должен обладать минимальным удельным расходом топлива.
БА
Максимальная вырабатываемая электрическая мощность N блока 9 аккумулирования электрической энергии может быть рассчитана по формуле:
где:
max
N - максимальная суммарная механическая мощность на валу электродвигателей 5, вращающих движители 1, необходимая для создания ими тяги, обеспечивающей режим взлета и набора высоты самолета, на котором будет установлена гибридная силовая установка.
Гибридная силовая установка работает следующим образом.
При подготовке к полету происходит запуск двигателя 2 внутреннего сгорания и подача топлива, при этом все коммутирующие устройства 10 находятся в отключенном состоянии. Далее система 6 управления силовой установкой подает команду в соответствующие коммутирующие устройства 10 на коммутацию блока 8 генерирования электрической энергии и блока 9 аккумулирования электрической энергии к основной электрической сети 7 постоянного тока. Электрическая мощность, генерируемая электрическим генератором/генераторами 11, при этом не превышает 5-10% от номинальной.
При совершении взлета система 6 управления силовой установкой подает команду на систему 3 автоматического управления двигателем 2 внутреннего сгорания на увеличение подачи топлива до величины, обеспечивающей требуемую мощность двигателя 2 внутреннего сгорания. Одновременно подается команда в модули 13 управления электродвигателями 5 на увеличение их оборотов и команда на подключение блоков 19 аккумуляторных батарей в соответствующие коммутирующие устройства 10. Электрическая энергия одновременно подается на электродвигатели 5 по основной электрической сети 7 постоянного тока от блока 9 аккумулирования электрической энергии и от блока 8 генерирования электрической энергии. При достижении крейсерского режима полета блок 9 аккумулирования электрической энергии отключается от основной электрической сети 7 постоянного тока путем подачи команды на соответствующее коммутирующее устройство 10. После этого к основной электрической сети 7 постоянного тока может подключаться зарядное устройство 21, осуществляющее заряд блоков 19 аккумуляторных батарей. При необходимости увеличить электрическую мощность, подаваемую на электродвигатели 5, выше максимальной мощности, вырабатываемой блоком 8 генерирования электрической энергии, зарядное устройство 21 отключается, и блок 9 аккумулирования электрической энергии вновь подключается к основной электрической сети 7 постоянного тока для отдачи в нее энергии.
При резком снижении нагрузки на электрический генератор 11 система 6 управления силовой установкой подает команду на прекращение или снижение подачи топлива, чтобы предотвратить раскручивание турбины двигателя 2 внутреннего сгорания за пределы допустимой частоты вращения. При обработке команд системой 6 управления силовой установкой в едином информационном потоке выравнивание частоты вращения турбины происходит с меньшей задержкой по времени, что обеспечивает надежность гибридной силовой установки.
В процессе работы в каждый модуль управления размыкателем коммутирующих устройств 10 поступает информация о состоянии коммутации, силе тока, величине напряжения, температуре от соответствующих датчиков. Поступившая информация далее передается в систему 6 управления силовой установкой. Модуль управления размыкателем коммутирующего устройства 10 с помощью соответствующей программы, встроенной в память модуля, анализирует характер и значения силы тока в электрической сети 7. При нештатном изменении тока, например, превышении его значения в течение определенного промежутка времени, которое может произойти в случае короткого замыкания, модуль управления размыкателем коммутирующего устройства 10 может самостоятельно принять решение об отключении коммутации соответствующего ему участка электрической сети 7, о чем передает информацию в систему 6 управления силовой установкой. При этом программа модуля управления размыкателем коммутирующего устройства 10 способна различать характер изменения тока при подключении индуктивной нагрузки, например, электродвигателя 5, при котором происходит резкое увеличение силы тока, и характер изменения тока при коротком замыкании.
Размыкание электрической сети 7 в случае короткого замыкания позволяет не допустить сильного разогрева обмоток электродвигателей 5, электрического генератора 11, силовых проводов, клемм, коммутирующих устройств 10, который может привести к воспламенению, что обеспечивает надежность гибридной силовой установки.
Устройства 20 контроля блоков 19 аккумуляторных батарей осуществляют мониторинг и управление процессом заряда/разряда аккумуляторных батарей, определяют температуру в различных точках блоков 19 аккумуляторных батарей, напряжение отдельных аккумуляторных ячеек блоков 19 аккумуляторных батарей. Управление устройствами 20 контроля блоков 19 аккумуляторных батарей осуществляется системой 6 управления силовой установкой.
В штатном режиме работы все блоки 19 аккумуляторных батарей, входящие в состав блока 9 аккумулирования электрической энергии, отдают энергию в электрическую сеть 7 постоянного тока. В случае выхода из строя одного из блоков 19 аккумуляторных батарей, например, при превышении температуры или большом дисбалансе напряжений на отдельных аккумуляторных ячейках, этот блок отключается с помощью соответствующего коммутирующего устройства 10, при этом оставшиеся блоки продолжают отдавать энергию в электрическую сеть 7.
В случае использования совмещенной системы охлаждения электрического генератора 11 и выпрямителя 12 жидкое авиационное топливо перед подачей в двигатель 2 внутреннего сгорания может проходить через теплообменник системы охлаждения, выполняя функцию охлаждающей жидкости. В другом случае жидкость, охлаждающая электрический генератор 11 и выпрямитель 12, проходит через теплообменник и нагревает топливо перед тем как оно попадает в двигатель 2 внутреннего сгорания.
При использовании рессоры в соединении вала электрического генератора 11 с валом силовой турбины ТвГТД в случае блокировки ротора электрического генератора 11, произошедшей по какой-либо причине, рессора разрушается, но при этом не разрушается ротор силовой турбины ТвГТД, что дополнительно повышает надежность гибридной силовой установки.
При использовании муфт свободного хода в случае выхода из строя одного из электрических генераторов 11 вращение его вала может быть прекращено независимо от остальных электрических генераторов 11.
Техническое решение реализует схему гибридной силовой установки для самолетов с множеством электродвигателей и блоков аккумуляторных батарей, которая позволяет электрически изолировать вышедшие из строя элементы конструкции и управлять ими в едином информационном потоке, тем самым обеспечивая бесперебойность питания установки, повышая ее надежность, эффективность, отказоустойчивость и КПД в целом.