АВИАЦИОННАЯ СИСТЕМА ГЕНЕРАТОРА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ТОПЛИВНЫЕ БАТАРЕИ
AIRCRAFT ELECTRIC POWER GENERATOR SYSTEM INCORPORATING FUEL CELLS

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к авиационной системе генератора электроэнергии, используемой в самолетах, система использует топливную батарею.
Уровень техники
В самолетах электричество, необходимое для работы в полете различных частей электрического оборудования, обычно обеспечено при помощи одного или большего количества генераторов, которые соединены с двигателем самолета. При использовании газовой турбины для этой цели применяется устройство стартера/генераторов (S/Gs). Они механически присоединены к оси турбины через коробку передач и работают так же, как электрический генератор во время полета или как электрический двигатель для запуска. Дополнительный источник электроэнергии (APU) обеспечивает электричество на земле, когда двигатель самолета выключен. Обычно APU содержит газовую турбину, которая приводит в действие генератор.
С того момента, как электроэнергия стала преобладать над гидравлической энергией, для привода в действие оборудования самолетов и их двигателей, возникла потребность в производстве увеличенного количества электроэнергии на борту самолетов. Для удовлетворения возросших потребностей без увеличения количества и мощности генераторов, таких как S/Gs, было сделано предложение использовать топливные батареи в APU.
В документе CA 2427448 описана система производства электроэнергии, которая содержит твердоокисную топливную батарею (SOFC). Батарея получает гидроуглеродное топливо и сжатый воздух от компрессора и производит электричество постоянного тока (DC) вместе с потоком горячего газа под давлением. Турбина получает поток газа и приводит в действие компрессор.
Устройство, содержащее SOFC, турбину и компрессор, работает таким образом, который похож на работу обычной турбины газового горения, с присутствием SOFC в камере сгорания, и в то же время производит электроэнергию без загрязняющего выброса окиси азота (NОx).
Сущность изобретения
Данное изобретение предлагает авиационную систему генератора электроэнергии, которая выводит использование возможностей топливной батареи за рамки обычного прямого производства электроэнергии, подобная система содержит:
- первый компрессор
- топливную батарею, имеющую входное отверстие для сжатого воздуха, которое соединено с первым компрессором, имеет входное отверстие для топлива, и производит электричество постоянного тока;
- турбину, получающую поток газа под давлением из топливной батареи, которая механически присоединена к первому компрессору и приводит его в действие; и
- второй компрессор для использования в полете для снабжения салона самолета воздухом под давлением, при этом второй компрессор механически присоединен к оси турбины.
Использование APU с обычной газовой турбиной для привода в действие компрессора, который позволяет воздуху перемещаться в авиационной камере, применялось ранее, но только когда самолет находился на земле, APU недостаточно производителен для поддержания необходимого давления воздуха на высоте полета. Можно представить размер обычного APU, который был бы пригоден для этой цели, но, учитывая общий энергетический баланс, это становится невыгодным, что является причиной того, что компрессор, обеспечивающий салон сжатым воздухом, во время полета, обычно приводится в действие электрическим двигателем, который питается от электрической сети самолета.
Использование топливной батареи увеличивает производительность электроэнергии и делает возможным, во время полета, для компрессора циркуляции, обеспечивать салон воздухом и приводится в действие при помощи механического присоединения к оси турбины системы генератора электроэнергии, без того чтобы становиться невыгодным, по сравнению с использованием электрического двигателя, который питается от электрической сети самолета. Это делает возможным отказаться от соответствующего электрического двигателя вместе с его источником энергии, которые приводят в действие компрессор. В одном осуществлении первый компрессор и второй компрессор приводятся в действие при помощи общей оси турбины.
В другом осуществлении турбина имеет первую ступень турбины, которая получает поток газа под давлением от топливной батареи и приводит в действие первую ось турбины, и вторую ступень турбины, которая получает поток газа под давлением от первой ступени турбины и приводит в действие вторую ось турбины. Это обеспечивает схему, схожую с обычной турбиной газового горения с высоко- и низконагруженными осями турбины.
Также возможно обеспечить электрическую машину, прикрепленную вместе со вторым компрессором на одну и ту же ось турбины.
Электрическая машина может иметь первый режим работы, как генератор электроэнергии, и второй режим работы, как электрический двигатель, схема управления может быть обеспечена для переключения электрической машины между первым режимом и вторым режимом, для поддержания значения механического крутящего момента, образующегося на оси турбины, на которой прикреплена электрическая машина, не меньше чем определенное минимальное значение, или для поддержания скорости вращения электрической машины на определенном заданном значении.
Краткое описание чертежей
Данное изобретение будет более понятным после прочтения дальнейшего описания, которое выполнено со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
Фиг.1 - подробная схема одного осуществления системы генератора электроэнергии в соответствии с данным изобретением; и
Фиг.2 - подробная схема другого варианта осуществления системы генератора электроэнергии, представленного на фиг.1.
Подробное описание осуществления
4
Система генератора электроэнергии, используемая в самолете, как показано на фиг.1, содержит топливную батарею 10, такую как твердоокисную топливную батарею (SOFC), изготовленную из множества ячеек, которые расположены одна к другой и соединены в блоки. Топливная батарея 10 заряжена углеводородным топливом и сжатым воздухом, кислород сжатого воздуха, вступая в реакцию с водородом топлива, производит электричество. Способ производства SOFC и способ его работы общеизвестны и по этой причине подробно не рассматриваются. Топливо, которое поступает из резервуара (не показан) при помощи трубки 12, может являться метаном (CH). Надо заметить, что возможно применение другого углеводородного топлива, включая керосин, так что SOFC 10 может питаться от резервуара, который содержит топливо для двигателя самолета.
Сжатый воздух доставляется через трубку 14 от компрессора 20. Воздух, питающий компрессор 20, может быть воздухом, который прошел через салон самолета 40 и доставлен к компрессору при помощи трубки 42.
SOFC 10 производит электроэнергию в виде электричества постоянного тока, которое доступно на линии 16. Линия 16 соединена с электрической сетью 44 самолета. Батарея 18 также присоединена к линии 16 и предназначена для аккумулирования неиспользуемого электричества и гашения электрических помех, которые могут быть больших амплитуд, например, при отсоединении от сети, или при подключении к сети, или неожиданного включения или отключения частей электрического оборудования. Электрическая сеть 44 самолета также обеспечена обычными генераторами, такими как S/Gs, которые приводятся в действие при помощи двигателя самолета.
2
2
Сжатый горячий газ от SOFC 10, содержащий диоксид углерода CO и водяной пар HO, доставляется на турбину 30 при помощи трубки 32. Турбина 30 приводится во вращение при помощи сжатого горячего газа и механически присоединена к компрессору 20, роторы турбины 30 и компрессора 20 присоединены на общую ось 34 турбины.
Газ, поступающий из турбины 30, выводится через трубку 36. Теплообменник 38 использует оставшуюся тепловую энергию газа, выходящего из турбины для нагрева сжатого воздуха, который направляется к SOFC 10.
Турбина 30 также приводит в действие второй компрессор 46, образуя часть схемы снабжения салона 40 воздухом. Компрессор 46 обеспечен внешним воздухом, который он компрессирует для снабжения салона 40 при помощи трубки 48 через систему 49, которая служит для регулировки температуры и сжатия воздуха, и известна как система управления климатом (ESC).
В осуществлении на фиг.1 компрессор 46 прикреплен на ось 34 турбины 30.
Турбина 30 также механически присоединена к электрической машине 50, которая имеет ротор, прикрепленный к оси 34. Другие механические нагрузки могут быть дополнительно присоединены к турбине 30.
Электрическая машина 50 может работать в режиме генератора электроэнергии или в режиме электрического двигателя. Электрическая машина 50 может быть изготовлена как S/G машина, которая содержит основной синхронный генератор 50a с главным ротором, имеющим основную обмотку, и основной статор, имеющий дополнительную обмотку, и дополнительный возбудитель 50b, имеющий статор с основной обмоткой и ротор с дополнительной обмоткой, вторичная обмотка возбудителя присоединена к основной обмотке синхронного генератора через выпрямитель, который образован при помощи роторного диодного моста.
Режим работы электрической машины 50 управляется при помощи схемы управления 52, электрическая машина работает как генератор электроэнергии, когда крутящий момент или механическая сила, которая образуется при помощи турбины, превосходит потребности компрессора 20 и 46 и любые другие нагрузки, которые могут присутствовать, и электрическая машина 50 работает как электрический двигатель для поддержания обеспечения турбины минимально необходимым количеством механической силы или крутящим моментом, необходимым для нужд компрессоров 20 и 46 и любых других нагрузок, которые могут присутствовать.
В режиме работы генератора схема 52 обеспечивает основную обмотку возбудителя 50b переменным током (AC), поставляемым при помощи электрической сети 44, и переменное напряжение, поступающее от синхронного генератора 50а, подается в электрическую сеть 44 самолета через линию 53.
В режиме работы двигателя схема 52 обеспечивает основную обмотку возбудителя 50b постоянным током (DC), в то время как вторичная обмотка генератора 50a обеспечена переменным током (AC) при помощи линии 53 от электрической сети. Постоянный ток (DC), необходимый для обеспечения основной обмотки возбудителя, может быть получен из сети 44, возможно через выпрямитель, или может быть получен из выхода SOFC 10 или от батареи 18.
Управляющая схема 52 управляет режимами работы машины 50 так, чтобы поддерживать уровень крутящего момента турбины на уровне не меньше чем определенное минимальное значение. Для этой цели управляющая схема 52 получает команды от датчика 54, обозначающие крутящий момент турбины, то есть команды, обозначающие скорость вращения оси 34. Мощность электрической машины может управляться при помощи управления значением скорости вращения и отсюда скоростью вращения компрессора 46 для поддержания необходимого значения.
На фиг.2 показан вариант осуществления, который отличается от осуществления показанного на фиг.1 тем, что турбина 30 содержит первую ступень турбины 30a, которая приводит в действие ось 34 и вторую ступень турбины 30b, которая обеспечивается потоком газа от первой ступени 30a и приводит в действие ось 35, второй компрессор 46 и электрическая машина присоединены к оси 35. Теплообменник 38 получает поток газа от второй ступени 30b турбины. Оси 34 и 35 находятся на одной геометрической оси, ось 35 приводится в действие со скоростью вращения, которая меньше, чем скорость оси 34. Эта схема подобна той, которая используется при высоко- и слабонагруженных осях обычных турбин газового горения.
Так как машина 50 присоединена на ту же ось 35, что и компрессор 46, то делается возможным, когда необходимо, восполнять нехватку энергии от ступени турбины 30b. Датчик скорости 54 соединен с осью 35. Как говорилось, мощность электрической машины может управляться при помощи схемы управления 52 путем управления значением скорости вращения и следовательно поддерживать скорость нагнетания компрессора 46 на определенном значении.