УСТРОЙСТВО ВЕНТИЛЯЦИИ И ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
FLYING APPARATUS ENGINE CALCULATING UNIT ELECTRIC POWER SUPPLY AND VENTILATION DEVICE

Изобретение относится к устройству вентиляции и электропитания вычислительного устройства двигателя летательного аппарата, в частности турбореактивного или турбовинтового двигателя самолета.
Вычислительное устройство этого типа, которое обычно называют ECU (акроним от Electronic Control Unit (электронный блок управления)) в авиационной области, имеет функцию регулирования мощности и скорости вращения двигателя в зависимости от нескольких параметров.
Это вычислительное устройство подключено с помощью средств соединения/разъединения к средствам электропитания летательного аппарата и к генератору переменного тока на постоянных магнитах или PMA (акроним от Permanent Magnet Alternator), который установлен в коробке приводов агрегатов или AGB (акроним от Accessory Gear Box) двигателя. Когда летательный аппарат находится на земле, вычислительное устройство запитывается электричеством с помощью средств электроснабжения летательного аппарата, а когда летательный аппарат находится в полете, вычислительное устройство питается от PMA. Однако PMA - громоздкое оборудование, которое занимает относительно значительное место в AGB.
Вычислительное устройство охлаждается вентиляционным воздухом, который подается в непосредственной близости к вычислительному устройству или в корпус, вмещающий вычислительное устройство. В текущем уровне техники, двигатель содержит ковш забора части воздушного потока, протекающего за пределами двигателя, этот отобранный воздух направляется через трубопровод к вычислительному устройству. Тем не менее, поток отобранного воздуха зависит, в частности, от размеров ковша, завышение которых соответственно увеличивает сопротивление и, следовательно, увеличивает удельный расход двигателя. К тому же, эти средства вентиляции являются эффективными только тогда, когда летательный аппарат находится в полете. Когда летательный аппарат неподвижен на земле, воздушный поток не отбирается ковшом и вычислительное устройство не охлаждается в то время, как оно должно оставаться в рабочем состоянии в течение некоторых фаз обслуживания и когда двигатель остановлен, но продолжает испускать тепловое излучение (явление, называемое "soack-back").
Уже было предложено охлаждать вычислительное устройство с помощью осевого вентилятора, в частности, когда летательный аппарат неподвижен на земле. Ротор вентилятора приводится в движение двигателем, который питается и управляется вычислительным устройством. Тем не менее, когда летательный аппарат находится в полете, вычислительное устройство всегда питается с помощью PMA, который является громоздким.
Настоящее изобретение имеет целью обеспечить простое, эффективное и экономичное решение проблем предшествующего уровня техники.
Оно предлагает для этой цели устройство вентиляции и электропитания вычислительного устройства двигателя летательного аппарата, включающее в себя воздушный винт, соединенный с приводными средствами и способный генерировать воздушный поток для вентиляции вычислительного устройства, и средства подачи воздуха вблизи от вычислительного устройства, отличающиеся тем, что воздушный винт установлен в средствах подачи воздуха или на выходе этих средств, а также тем, что приводные средства включают в себя электрическую машину, способную функционировать в качестве двигателя для приведения в движение воздушного винта, когда летательный аппарат находится на земле, так, чтобы генерировать воздушный поток для вентиляции вычислительного устройства, и в качестве генератора для электропитания вычислительного устройства, когда летательный аппарат находится в полете, причем ротор электрической машины функционирует в качестве генератора, являясь приводимым в движение воздушным винтом, который в свою очередь приводится в движение воздушным потоком, отобранным снаружи двигателя, когда летательный аппарат находится в полете, и циркулирующим или выходящим из средств подачи воздуха.
В устройстве согласно изобретению воздушный винт выполнен с возможностью работы в качестве турбины, когда летательный аппарат находится в полете, и в качестве компрессора, когда летательный аппарат находится на земле. Когда воздушный винт работает в качестве турбины, он приводится в движение воздушным потоком, циркулирующим в средствах подачи воздуха к вычислительному устройству, и, в свою очередь, приводит в движение ротор электрической машины, которая работает в качестве генератора тока или напряжения для питания вычислительного устройства. Когда воздушный винт работает в качестве компрессора, он порождает воздушный поток для вентиляции вычислительного устройства, и он приводится в движение ротором электрической машины, которая функционирует в качестве двигателя и которая может управляться с помощью вычислительного устройства и подключена к средствам электропитания летательного аппарата.
Устройство согласно изобретению, таким образом, позволяет обеспечить вентиляцию вычислительного устройства так же, как его электропитание, без использования PMA. PMA предшествующего уровня техники не обязательно устанавливается в AGB, что освобождает значительное место в AGB для установки другого оборудования. Приведение в движение PMA с помощью AGB может быть заменено пневматическим приводом. РМА может быть снабжен функцией двигателя для обеспечения функции вентиляции вычислительного устройства. В таком случае этот двухфункциональный PMA позволяет обойтись без специализированного двигателя вентилятора. Кроме того, в режиме генератора переменного тока приведение в движение осуществляется воздухом, это позволяет удалить линию в передаточной коробке двигателя и приводит, таким образом, к выигрышу в массе и размере.
Таким образом, изобретение обеспечивает решение вышеупомянутых двух проблем охлаждения вычислительного устройства на земле и габаритов PMA электропитания вычислительного устройства в полете.
Электрическая машина может быть бесщеточным двигателем с постоянным магнитом, питаемым, например, трехфазным статором. В случае когда эта машина подключена к средствам электропитания летательного аппарата, для ее питания на земле, эти средства питания также могут быть трехфазного типа. Электрическая машина, функционирующая в режиме ветротурбины или в режиме компрессор-вентилятор, потребляет электрическую мощность, близкую к генерируемой для функционирования вычислительного устройства и которая является порядка 100-300 Вт и, например, 150-200 Вт.
Электрическая машина преимущественно содержит два статора, электрически соединенных с вычислительным устройством с помощью независимых каналов. Эта избыточность позволяет повысить надежность устройства, в частности, когда активна функция генератора. Когда электрическая машина функционирует в качестве генератора, каждый статор питает канал, связанный с вычислительным устройством. В случае выхода из строя одного из этих каналов другой канал обеспечивает питание вычислительного устройства. Когда электрическая машина работает в качестве двигателя, один единственный канал может быть использован для питания электрической машины.
Воздушный винт состоит из радиальных лопастей фиксированного углового шага или переменного шага вокруг их соответствующих радиальных осей.
В случае когда лопасти винта являются фиксированными, они могут иметь ориентацию, которая определяется для оптимизации одной из двух вышеупомянутых функций (компрессора или турбины) или которая представляет собой компромисс между этими двумя функциями.
В случае когда лопасти воздушного винта относятся к типу с переменным шагом, электрическая машина может содержать ротор, подвижный в поступательном движении внутри статора и конец которого связан со средствами привода и поворота лопастей вокруг их осей, а другой конец связан с центробежным регулятором.
Работа центробежного регулятора хорошо известна специалистам в данной области. Центробежный регулятор сконфигурирован для поступательного перемещения ротора в статоре электрической машины в зависимости от его скорости вращения. Когда скорость вращения центробежного регулятора относительно низка, регулятор находится в первом положении, в котором его грузики приближены друг к другу, и ротор расположен в осевом конце статора. Когда скорость вращения центробежного регулятора относительно велика, то регулятор находится во втором положении, в котором его шарики отдалены друг от друга, и ротор расположен на противоположном осевом конце статора. Эти скорости зависят, в частности, от размеров электрической машины. Это увеличение скорости вращения регулятора и, следовательно, грузиков вызывает смещение грузиков в радиальном направлении наружу (за счет центробежных сил) и осевое смещение ротора.
Альтернативно, электрическая машина может содержать ротор, конец которого окружен ступицей поддержки лопастей и вокруг которого установлено кольцо, подвижное во вращении, и соединено с помощью тяг со средствами поворота лопастей вокруг их соответствующих радиальных осей, ступица выполнена подвижной во вращении вокруг ротора, который содержит по меньшей мере один радиальный палец, проходящий через окружную прорезь ступицы и отверстие кольца, угловое отклонение кольца вокруг ступицы зависит от углового отклонения радиального пальца ротора в прорези ступицы.
Кольцо может быть центрировано и направлено во вращении вокруг ступицы. Ротор может содержать два диаметрально противоположных радиальных пальца, и каждый проходит через окружную прорезь ступицы и отверстие кольца. Радиальные пальцы ротора вставлены почти без зазора в отверстия кольца. Прорези ступицы имеют окружные размеры, определенные в зависимости от вышеуказанных угловых отклонений, которые являются порядка 20-60°.
Смещение радиальных пальцев в прорезях ступицы вызывает смещение лопастей во вращении вокруг их осей. В первом положении, в котором каждый радиальный палец расположен на окружном конце соответствующей прорези, лопасти воздушного винта могут иметь оптимальную ориентацию для работы воздушного винта в качестве компрессора, и в противоположном втором положении, в котором каждый радиальный палец расположен на противоположном конце прорези, лопасти воздушного винта могут быть оптимально ориентированы для работы воздушного винта в качестве турбины. Ротор двигателя/генератора должен приводится во вращение в первом направлении, например, по часовой стрелке, чтобы радиальные пальцы находились в вышеупомянутом первом положении и приводили во вращение ступицу, кольцо и лопасти для работы в качестве компрессора, и в противоположном направлении (против часовой стрелки), чтобы радиальные пальцы находились в вышеупомянутом втором положении и приводили во вращение ступицу, кольцо и лопасти для функционирования в качестве турбины.
Настоящее изобретение также относится к способу использования устройства, такого как описано выше, отличающемуся тем, что, когда летательный аппарат находится в полете, воздух, циркулирующий в средствах подачи, проходит через и приводит во вращение воздушный винт, который в свою очередь приводит во вращение ротор электрической машины для питания вычислительного устройства, которое охлаждается воздухом, выходящим из средств подачи, и когда летательный аппарат находится на земле, средства электропитания летательного аппарата питают вычислительное устройство и электрическую машину для приведения в движение воздушного винта, который генерирует воздушный поток для вентиляции вычислительного устройства.
Изобретение будет более понятно, и его другие свойства, детали и преимущества станут более очевидными из нижеследующего описания, приведенного в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг. 1 представляет собой очень схематический вид устройства для вентиляции и электропитания вычислительного устройства двигателя летательного аппарата в соответствии с предшествующим уровнем техники;
- фиг. 2 представляет собой схематический вид другого устройства для вентиляции и электропитания вычислительного устройства двигателя летательного аппарата в соответствии с предшествующим уровнем техники;
- фиг. 3 представляет собой схематический вид устройства вентиляции и электропитания вычислительного устройства двигателя летательного аппарата в соответствии с изобретением;
- фиг. 4 и 5 представляют собой схематические виды в осевом сечении электрической машины для устройства в соответствии с изобретением и представляют собой соответственно два различных осевых положения ротора в статоре этой машины;
- фиг. 6 представляет собой схематический вид в осевом сечении альтернативного варианта электрической машины для устройства в соответствии с изобретением;
- фиг. 7 представляет собой вид в разрезе по линии А-А фиг. 6.
Обратимся сначала к фиг. 1, которая показывает устройство 10 в соответствии с предшествующим уровнем техники для вентиляции и электропитания вычислительного устройства 12 (ECU) двигателя летательного аппарата и, в частности, турбомашины самолета, такой как турбовинтовой двигатель или турбореактивный двигатель.
Вычислительное устройство 12 электрически соединено средствами 14 подключения/отключения со средствами 16 электропитания летательного аппарата и с PMA 18, который установлен в AGB 20 двигателя и ротор которого приводится в действие этим AGB.
Турбомашина включает в себя ковш (не показан) для забора части воздушного потока, протекающего вокруг двигателя, когда летательный аппарат находится в полете, этот ковш соединен со средствами 22 подачи воздуха к вычислительному устройству 12 для его охлаждения.
В полете вычислительное устройство 12 получает питание от PMA 18 и охлаждается воздушным потоком, доставляемым средствами 22 подачи. На земле вычислительное устройство 12 получает питание от средств 16 питания летательного аппарата и не охлаждается, что является критичным.
Фиг. 2 показывает другое устройство 10' предшествующего уровня техники для вентиляции и электропитания вычислительного устройства 12 двигателя летательного аппарата, это устройство отличается от устройства с фиг. 1 тем, что оно дополнительно содержит вентилятор 24 генерирования воздушного потока для вентиляции вычислительного устройства 12, когда летательный аппарат находится на земле.
Воздушный винт 24 вентилятора приводится во вращение двигателем 26, который управляется вычислительным устройством 12.
В полете вычислительное устройство 12 получает питание от PMA 18 и охлаждается воздушным потоком, доставляемым средствами 22 подачи. На земле вычислительное устройство 12 получает питание от средств 16 питания летательного аппарата и охлаждается воздушным потоком, подаваемым вентилятором 14.
Тем не менее, проблема громоздкости PMA не решена, поскольку PMA по-прежнему необходим в предшествующем уровне техники для обеспечения питания вычислительного устройства 112 в полете. Кроме того, двигатель 26 предназначен для приведения в действие вентилятора 24.
Изобретение позволяет решить эту проблему с помощью устройства 110 с Фиг. 3, которое включает в себя вычислительное устройство 112 (ECU), воздушный винт 124 вентилятора, установленный в средствах 122 подачи воздуха и выполненный с возможностью функционирования в качестве турбины или в качестве компрессора, и электрическую машину 126 (M/G), которая способна подавать электропитание на вычислительное устройство 112, когда воздушный винт работает в качестве турбины, и приводить во вращение винт, когда последний функционирует в качестве компрессора.
Вычислительное устройство 112 и электрическая машина 126 соединены с помощью средств 114 подключения/отключения с устройствами 116 электропитания летательного аппарата. AGB 120 не содержит PMA, привод которого является механизмом PMA (нет выделенной линии).
Когда летательный аппарат находится на земле, средства 116 питают электрическую машину 126 (которая работает как двигатель) и вычислительное устройство 112 охлаждается с помощью воздушного потока 130, подаваемого воздушным винтом 124 (который функционирует как компрессор). Воздушный винт 124 прикреплен к ротору электрической машины 126, вращение которой управляется и регулируется вычислительным устройством 112.
Электрическая машина 126 предпочтительно является бесщеточным двигателем с постоянным магнитом, статор которой питается от трехфазной сети летательного аппарата. Мощность, подводимая к этой машине, например, порядка 150 Вт.
Электрическая машина 126 предпочтительно содержит два независимых статора, электрически подключенных к вычислительному устройству 112 независимыми каналами. Один из этих каналов может быть использован для питания машины 126.
Когда летательный аппарат находится в полете, вычислительное устройство 112 питается от электрической машины 126 (которая функционирует как генератор) и охлаждается воздушным потоком 132, выходящим из средств 122 подачи воздуха, которые соединены выше по потоку со средствами отбора воздуха, например, ковшового типа. Этот воздушный поток 132 проходит через воздушный винт 124 и приводит его во вращение вокруг его оси перед использованием для вентиляции вычислительного устройства 112. Воздушный винт 124 работает, таким образом, в качестве турбины, которая приводится в действие воздушным потоком 132 и которая, в свою очередь, приводит в движение ротор электрической машины 126 для генерации электрического тока или напряжения питания вычислительного устройства 112.
В случае когда электрическая машина 126 включает в себя два независимых статора, электрически подключенных к вычислительному устройству 112 с помощью независимых каналов, эти два канала используются для питания вычислительного устройства и снижают риск выхода из строя одного из этих каналов. Мощность электрической машины 126, подаваемая вычислительному устройству, например, порядка 200 Вт.
Как описано выше, воздушный винт 124 имеет двойную функцию турбины и компрессора в зависимости от того, приводится он в движение воздухом, циркулирующим в средствах 122, или электрической машиной 126.
Для этого воздушный винт 124 может включать в себя фиксированные лопасти, т.е. угловой шаг каждой лопасти вокруг ее радиальной оси зафиксирован. Этот шаг может быть определен для оптимизации одной из двух функций (компрессора или турбины) или может представлять собой компромисс между этими двумя функциями. Вращение воздушного винта в одном направлении (например, по часовой стрелке) вокруг своей оси дает возможность работать в качестве компрессора и генерирует воздушный поток, а подача воздуха выше по потоку от воздушного винта позволяет его вращать и заставить его функционировать в качестве турбины привода ротора электрической машины.
В другом варианте воздушный винт имеет лопасти переменного шага. Фиг. 4 и 5, с одной стороны, и 6 и 7, с другой стороны, представляют два различных варианта реализации этого воздушного винта и связанной с ними электрической машины.
В варианте осуществления на фиг. 4 и 5 электрическая машина 126 включает в себя статор 140 и ротор 142, подвижный в поступательном осевом движении внутри статора и имеющий осевой размер меньше, чем у статора.
Ротор 142 имеет осевой конец, соединенный с центробежным регулятором 144, его противоположный конец соединен со средствами привода и поворота лопастей 125 воздушного винта 124.
Центробежный регулятор 144 содержит по меньшей мере два грузика, распределенных по окружности с центром на продольной оси А ротора двигателя/генератора 126 и каждый из которых соединен с одним концом штока, противоположный конец которого шарнирно соединен вокруг оси, перпендикулярной оси А, с вышеупомянутым концом ротора. Когда ротор 142 электрической машины 126 вращается, грузики смещаются наружу под действием центробежных сил и перемещаются из первого положения, показанного на фиг. 4, где они приближены друг к другу и к оси А, во второе положение, показанное на фиг. 5, где они удалены друг от друга и от оси А.
В показанном примере, средства 146 привода лопастей 125 содержат кольцо на оси А, связанное с концом ротора 142, противоположным центробежному регулятору 144, и связаны тягами 154 с лопастями 125, каждая из которых подвижна во вращении вокруг радиальной оси.
Перемещение грузиков из первого во второе положение приводит к смещению ротора 142 от одного конца статора 140 к противоположному концу статора и повороту лопастей относительно их радиальных осей, как это можно видеть на фиг. 4 и 5.
В варианте реализации с фиг. 6 и 7 электрическая машина 126' содержит статор 140' и ротор 142', один конец которого выходит за пределы статора и окружен ступицей 148', которая несет лопасти 125' воздушного винта 124' и которая может свободно вращаться на этом конце ротора в заданном угловом диапазоне.
Ротор 142' жестко связан с двумя радиальными пальцами 150', которые диаметрально противоположны и вставлены в радиальные прорези 151', проходящими через ступицу. Эти прорези 151' имеют окружную ориентацию, и каждый палец 150' подвижен в направлении вдоль окружности в одной из этих прорезей, между первым положением (показанным на фиг. 7), где он упирается в один из кольцевых концов прорези, и вторым положением, в котором он упирается в противоположный конец прорези. Угловое отклонение пальцев в прорезях зависит от окружных размеров прорези и является, например, порядка 30-60°.
Ступица 148 окружена кольцом 152', которое центрировано и направляется во вращении на ступице вокруг продольной оси A электрической машины 126'. Кольцо 152' содержит радиальные отверстия 153', через которые проходят свободные концы пальцев 150', для приведения во вращение кольца вокруг оси А в вышеупомянутом диапазоне углов. Кольцо 152' соединено с помощью тяг 154' (например, L-образных) со средствами привода лопастей вокруг их осей.
Перемещение радиальных пальцев 150' в прорезях 151' ступицы 148' вызывает вращение кольца 152' по отношению к ступице 148' и поворот лопастей 125' вокруг их осей. Например, когда ротор 142' электрической машины 126' перемещается по часовой стрелке, радиальные пальцы 150' приходят в вышеупомянутое второе положение, и лопасти воздушного винта 124' ориентированы так, что чтобы работа воздушного винта в качестве компрессора была оптимизирована. Вращение воздушного винта по часовой стрелке позволяет в таком случае генерировать воздушный поток для вентиляции. Когда ротор 142' перемещается против часовой стрелки, радиальные пальцы 150' приходят в упомянутое первое положение, и лопасти воздушного винта 124' ориентированы так, чтобы работа воздушного винта в качестве турбины была оптимизирована. Воздушный поток, проходящий через воздушный винт, таким образом, приводит его в движение против часовой стрелки.