УСТРОЙСТВО И СПОСОБ РЕЗЕРВНОГО ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА БОРТУ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
DEVICE AND METHOD FOR BACKUP ELECTRIC ENERGY GENERATION ON AIRCRAFT BOARD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение касается устройства и способа резервного генерирования электроэнергии на борту летательного аппарата, например самолета.
Уровень техники
После «частично электрического» самолета «полностью электрический» самолет претерпел многочисленные изменения по сравнению с современными самолетами. Так, отказ от отбора воздуха от двигателей ("bleed"), который использовали, кроме всего прочего, для кондиционирования воздуха в кабине экипажа и в салоне, является существенным изменением. Этот отказ предполагает необходимость такого кондиционирования воздуха в кабине экипажа и в салоне за счет электричества, вырабатываемого на борту самолета, если следовать философии частично электрического самолета.
Для осуществления этого кондиционирования воздуха, которое требует очень большой электрической мощности, порядка мощности, вырабатываемой в настоящее время на гражданских транспортных самолетах, можно использовать четыре отдельных привода для приведения во вращение воздушных компрессоров.
На фиг.1 показана упрощенная схема бортовой электрической сети с традиционным резервным электрическим устройством.
Эта схема включает основное трехфазное генерирование электрического переменного тока (AC) (например, 230/400 вольт AC) и смешанное распределение с высоким постоянным напряжением (например, +/- 270 вольт DC).
В этой схеме основное электрическое генерирование осуществляется четырьмя генераторами GEN1, GEN2, GEN3 и GEN4, каждый из которых питает шину трехфазного электрического распределения (например, 230/400 вольт AC), где шины обозначены соответственно 10, 11, 12, 13.
Генерирование постоянного (DC) высокого напряжения +/- 270 вольт DC (шины обозначены 15, 16, 17, 18) получают путем выпрямления вышеуказанного переменного напряжения, например, при помощи блоков автотрансформаторов-выпрямителей ATRU1, ATRU2, ATRU3 и ATRU4.
Группы системы кондиционирования воздуха ECS1, ECS2, ECS3, ECS4 питаются высоким постоянным напряжением через инверторы напряжения MC1, MC2, MC3 и MC4.
Таким образом, эта бортовая электрическая сеть содержит четыре полностью отдельные зоны 20, 21, 22 и 23, что позволяет обеспечивать наличие электричества на борту самолета в случае неисправности.
«Основная» часть сети (основные потребители 25) соединена с «основной» шиной 26 высокого постоянного напряжения +/- 270 вольт DC. Как показано на фиг.1, эта шина 26 обычно подключена к шине 15 высокого напряжения.
Как показано на фиг.2, в случае прекращения всего основного электрического генерирования (GEN1, GEN2, GEN3, GEN4), питание этой основной шины 26 обеспечивается резервным генератором EMER GEN. В этом случае питание подается только на основные потребители 25 сети.
Этим резервным генератором EMER GEN может быть турбина, приводимая в действие набегающим потоком, развернутая под самолетом (RAT или "Ram Air Turbine"). В «частично электрическом» или «полностью электрическом» самолете эта турбина может вращать электрический генератор и обеспечивать, таким образом, питание основных потребителей сети в аварийной ситуации.
Можно предусмотреть также другие генераторы такого же типа: например, турбины типа APU ("Auxiliary Power Unit"), работающие на керосине или гидразине, топливные батареи и т.д.
Использование резервного генератора типа турбины, приводимой в действие набегающим потоком, характеризуется несколькими недостатками. Она имеет существенную массу и объем. Ее установка на самолете представляет сложность, так как ее необходимо размещать в стратегическом месте, обеспечивающем ее правильное направление по отношению к потоку воздуха: от этого зависит ее эффективность. Неправильное позиционирование может привести к увеличению размеров и массы для обеспечения соответствующей производительности. Аналогичные недостатки характерны и для использования любого другого резервного генератора (APU, топливная батарея и т.д.).
Существует первый переходный период, во время которого резервное электрическое устройство находится в нерабочем состоянии: начиная с момента прекращения всего основного электрического генерирования до реального запуска резервного генератора EMER GEN.
Действительно, время запуска резервного генератора EMER GEN является относительно долгим. Оно может превышать несколько секунд. Во время этого переходного периода между моментом, когда происходит прекращение основного генерирования, и запуском резервного генератора, питание на основные потребители не подается, что само по себе недопустимо.
В случае турбины, приводимой в действие набегающим потоком, во время посадки можно наблюдать второй переходный период. Действительно, такая турбина теряет эффективность на низкой скорости после посадки. Однако торможение колес самолета требует наличия соответствующей электрической энергии, производство которой является императивным.
Задачей настоящего изобретения является решение проблем, связанных с использованием турбины, приводимой в действие набегающим потоком, в качестве резервного источника энергии и с наличием таких переходных периодов.
Раскрытие изобретения
Объектом настоящего изобретения является электрическое устройство на борту летательного аппарата, например самолета, содержащего несколько генераторов и несколько групп кондиционирования воздуха, оборудованных забором внешнего воздуха, отличающееся тем, что содержит средства управления работой групп кондиционирования воздуха в режиме резервных генераторов и устройство накопления.
Предпочтительно оно содержит основную шину, к которой подключены основные потребители летательного аппарата и устройство накопления, и средства соединения статических преобразователей, которые соединены с группами кондиционирования воздуха, с основной шиной. Это устройство накопления может содержать несколько устройств: аккумуляторные батареи, суперконденсаторы, кинетические аккумуляторы (инерционные маховики) и т.д. Предпочтительно устройство накопления содержит две отдельные субсистемы: одну на + 270 вольт DC и другую на - 270 вольт DC. Предпочтительно устройство накопления использует электрохимическое накопление при помощи аккумуляторных батарей или суперконденсаторов и содержит два блока накопления и два статических преобразователя постоянного тока в постоянный DC/DC. Предпочтительно устройство накопления включает также функцию активного фильтрования.
Объектом настоящего изобретения является также способ электрического генерирования на борту летательного аппарата, например самолета, содержащего несколько генераторов и несколько групп кондиционирования воздуха с забором внешнего воздуха, отличающийся тем, что в нормальном режиме работы группы кондиционирования воздуха питаются высоким напряжением, и тем, что в аварийном режиме работы группы кондиционирования воздуха используют в качестве резервных генераторов, и тем, что подачу электроэнергии во время переходных периодов между нормальным режимом работы и аварийным режимом работы при посадке летательного аппарата обеспечивают при помощи устройства накопления.
Предпочтительно в нормальном режиме работы питание на группы кондиционирования воздуха подается через статические преобразователи, используемые в качестве инверторов, а в аварийном режиме работы используют группы кондиционирования воздуха для питания основной шины, к которой подключены основные потребители летательного аппарата и устройство накопления, через статические преобразователи, используемые в качестве выпрямителей.
Объектом изобретения является также летательный аппарат, содержащий описанное выше устройство, а также летательный аппарат, содержащий устройство, выполненное с возможностью применения описанного выше способа.
Изобретение характеризуется многими преимуществами, в частности, следующими преимуществами:
- использование реверсивности мощности групп кондиционирования воздуха и, в частности, воздушных компрессоров позволяет использовать их в качестве резервных генераторов. Их высокая мощность позволяет отказаться от любого другого генератора типа RAT, APU, топливной батареи и т.д. Получают существенный выигрыш в габаритах и в массе;
- применение устройства накопления позволяет обеспечить эксплуатацию электрической сети во время переходных периодов нерабочего состояния резервного генератора. Эта функция представляет особый интерес в моменты, следующие за полным отказом основного генерирования, и при посадке самолета;
- взаимодействие устройства накопления с группами кондиционирования воздуха позволяет использовать различные стратегии управления. Изменение конфигурации команд управления каждым резервным генератором обеспечивает хорошее управление подачей и качеством напряжения в сети. Кроме того, устройство накопления можно использовать и не в аварийном режиме в качестве активного фильтра для повышения качества напряжения в сети;
- использование групп кондиционирования воздуха позволяет сократить переходный период, наступающий после аварии электрического генерирования. Действительно, поскольку эти группы находятся в рабочем состоянии еще до наступления аварии, они уже имеют высокую скорость вращения. Перевод этих групп из режима привода (в нормальном режиме) в режим генератора (в аварийном режиме) происходит, таким образом, почти мгновенно. Этого не происходит в случае резервных генераторов, таких как ветряная турбина, APU топливная батарея и т.д., которые требуют запуска.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 и 2 показано известное устройство резервного генерирования электрической энергии на борту летательного аппарата соответственно в нормальном режиме работы и в аварийном режиме работы.
На фиг.3 и 4 показано устройство резервного генерирования электрической энергии в соответствии с настоящим изобретением на борту летательного аппарата соответственно в нормальном режиме работы и в аварийном режиме работы.
Осуществление изобретения
Устройство резервного электрического генерирования в соответствии с настоящим изобретением предполагает схему электрической сети, в которой группы системы кондиционирования воздуха ECS1, ECS2, ECS3 и ECS4, показанные на фиг.1 и 2, используются в качестве резервных электрических генераторов.
Действительно, если говорить упрощенно, группы кондиционирования воздуха сжимают воздух, поступающий снаружи самолета. В каждой группе кондиционирования воздуха воздушный компрессор приводится во вращение электрической вращающейся машиной, питающейся от статического преобразователя MC, используемого в качестве инвертора. Этот компрессор является реверсивным по мощности, то есть его механический вал можно приводить во вращение, нагнетая воздух на турбину. Электрическая вращающаяся машина, а также преобразователь MC тоже являются реверсивными по мощности. Согласно изобретению, каждая из групп кондиционирования воздуха, используемая в качестве резервного электрического генератора, подает электричество в сеть, пока самолет имеет достаточную скорость.
На фиг.3 показана упрощенная схема бортовой электрической сети «полностью электрического самолета» с резервным электрическим генерированием при помощи этих групп кондиционирования воздуха ECS1, ECS2, ECS3 и ECS4, при этом элементы, уже показанные на фиг.1 и 2, обозначены теми же позициями.
Как показано на этой фиг.3, в нормальном режиме работы группы кондиционирования воздуха ECS1, ECS2, ECS3 и ECS4 питаются через шины 15, 16, 17 и 18.
Как показано на фиг.4, в аварийном режиме работы группы кондиционирования воздуха ECS1, ECS2, ECS3 и ECS4 используются в качестве резервных генераторов. Статические преобразователи MC1, MC2, MC3 и MC4 отсоединяют от их первоначальных шин 15, 16, 17 и 18. Эти преобразователи подключают к основной шине +/- 270 вольт DC 26. В этом случае эти преобразователи уже не используют в качестве инверторов, а в качестве выпрямителей.
Даже если производительность групп ECS1, ECS2, ECS3 и ECS4 в аварийном режиме ниже, чем в режиме привода, используемом для сжатия воздуха, за счет большой номинальной мощности каждой группы ECS1, ECS2, ECS3 и ECS4 можно получить необходимую соответствующую мощность.
Как показано на фиг.3 и 4, в момент перевода из нормального режима работы на аварийный режим устройство 30 накопления может обеспечить очень короткий переходный период, необходимый для переключения групп ECS1, ECS2, ECS3 и ECS4 из режима привода в режим генератора. Во время посадки самолета эта система накопления обеспечивает подачу электричества, необходимого для его торможения. Действительно, скорость самолета в этот момент является слишком низкой, чтобы получить достаточную мощность от групп ECS1, ECS2, ECS3 и ECS4.
Предпочтительно это устройство 30 накопления состоит из двух отдельных субсистем накопления: одной для + 270 вольт DC и другой для - 270 вольт DC. Эти системы напрямую подключены к основной шине 26. В случае электрохимического накопления при помощи аккумуляторных батарей или суперконденсаторов это устройство 30 накопления содержит два блока SD1 и SD2 накопления и два статических преобразователя SC1 и SC2.
Это устройство 30 накопления постоянно соединено с электрической сетью даже в нормальном режиме работы, что позволяет поддерживать его в заряженном состоянии. Таким образом, оно всегда готово к работе в случае выхода из строя главного генерирования.
Интересной функцией этого устройства 30 накопления является возможность поглощения мощности, возвращаемой реверсивным потребителем сети. К этому устройству 30 накопления можно также добавить функцию активного фильтрования для повышения качества напряжения в нормальном режиме работы.
На фиг.4 показана схема электрической сети в аварийном режиме работы с использованием групп ECS1, ECS2, ECS3 и ECS4. Возможная стратегия управления этими различными группами состоит в передаче функции регулирования сетевого напряжения блокам SD1 и SD2 накопления. В этом случае группы ECS1, ECS2, ECS3 и ECS4 управляются таким образом, чтобы подавать ток, необходимый для основных потребителей 25. Таким образом, блоки SD1 и SD2 накопления позволяют сохранять хорошее качество напряжения в электрической сети. Кроме того, за счет этого они могут мгновенно включиться в работу, когда группы ECS1, ECS2, ECS3 и ECS4 больше не могут обеспечивать большую мощность во время посадки.