ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АРХИТЕКТУРА ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ
ELECTRIC ARCHITECTURE OF A HYBRID POWER UNIT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к гибридизации двигательной системы летательного аппарата и, в частности, к концепции электрической системы, связанной с летательным аппаратом и по меньшей мере с одним газотурбинным двигателем для получения гибридной тепловой/электрической тяги.
Уровень техники
Такие летательные аппараты все больше работают с системами гибридного движения, то есть с системой, содержащей газотурбинный двигатель, по меньшей мере один электрический генератор и по меньшей мере одну батарею, так как чисто электрические системы, работающие только при помощи батареи, могут использоваться только для транспортировки груза на короткое расстояние, как системы внутригородских перевозок, поскольку автономии батарей, связанной с низкой плотностью энергии батарей, по сравнению с автономией, обеспечиваемой топливом, находящимся в баке летательного аппарата для питания газотурбинных двигателей, недостаточно для других перевозок, например, таких как ближние-средние перевозки.
Раскрытие сущности изобретения
Изобретение призвано предложить электрическую систему летательного аппарата, соединяющую между собой свободные источники энергии в газотурбинных двигателях и корпус летательного аппарата и позволяющую подавать или отбирать контролируемую мощность при помощи одной или нескольких электрических машин на валах высокого давления и низкого давления, обеспечивать совместимость всех этих функций, связанных с движением, с функциями обеспечения других энергетических потребностей, и обеспечивать оптимизированное управление всех этих отборов и подач с различными источниками энергии и средствами накопления энергии.
Первым объектом изобретения является летательный аппарат с гибридной тепловой/электрической силовой установкой, содержащий по меньшей мере один газотурбинный двигатель, первый электрический источник, второй электрический источник, оснащенный средствами накопления электрической энергии, нетяговую электрическую распределительную сеть и электрическую распределительную сеть низкого напряжения.
Согласно общему отличительному признаку изобретения, летательный аппарат дополнительно содержит тяговую электрическую распределительную сеть, при этом все три сети получают электрическое питание от первого и второго электрических источников и электрически соединены между собой через статические преобразователи.
Тяговая электрическая распределительная сеть предназначена для питания оборудования большой мощности, в частности, оборудования, связанного с двигательной системой. Эта сеть имеет самый высокий уровень напряжения. Использование этой распределительной сети только для оборудования большой мощности позволяет минимизировать подаваемый ток и, следовательно, позволяет уменьшить число кабелей большого сечения и, таким образом, уменьшить габарит и массу, связанные с электрическими кабелями.
Предпочтительно тяговая электрическая распределительная сеть является сетью постоянного тока и с уровнем напряжения, зависящим от применяемых мощностей: 540 В, 750 В, 1000 В, 1500 В, 3000 В. Уровень напряжения определяют в зависимости от следующих параметров: мощности, тока, электрической топологии и архитектуры и массы. Увеличение электрической мощности на борту существенно влияет на массу. Выбор уровня напряжения предпочтительно представляет собой оптимальный компромисс между энергетическим КПД и массой электрической системы.
Нетяговая электрическая распределительная сеть предназначена для питания электричеством оборудования промежуточной мощности, то есть в основном оборудования, связанного с нетяговой системой и называемого также нагрузками «самолета». Предпочтительно эта сеть является сетью постоянного тока.
Нетяговая электрическая распределительная сеть имеет промежуточный уровень напряжения (например, 540 В постоянного тока), меньший уровня напряжения тяговой электрической распределительной сети.
Электрическая распределительная сеть низкого напряжения предназначена для питания электричеством нагрузок небольшой мощности газотурбинных двигателей или самолета. Обычно эта сеть является сетью постоянного тока, например, порядка 28 В постоянного тока.
Предпочтительно летательный аппарат может также содержать главную электрическую систему, установленную в корпусе летательного аппарата, и для газотурбинного двигателя или каждого газотурбинного двигателя - локальную электрическую систему, установленную в газотурбинном двигателе.
Предпочтительно локальная электрическая система содержит первую электрическую машину, механически связанную с валом низкого давления газотурбинного двигателя, по меньшей мере одну вторую электрическую машину, механически связанную с валом высокого давления газотурбинного двигателя, силовые преобразователи, такие как реверсивные преобразователи переменного тока в постоянный, и локальный электронный блок управления, выполненный с возможностью управления питанием локальных нагрузок газотурбинного двигателя в зависимости от свободных электрических источников летательного аппарата, при этом первая и вторая электрические машины являются первыми электрическими источниками, когда они работают в режиме генератора, и локальными нагрузками, когда они работают в режиме двигателя, в частности, для запуска.
Первая электрическая машина может быть механически связана с валом низкого давления газотурбинного двигателя напрямую или через редукторный блок, то есть через систему зубчатых передач.
Под свободными электрическими источниками следует понимать электрические источники, выдающие ток питания.
Силовые преобразователи позволяют управлять двигателями во время фаз работы в режиме двигателя и обеспечивать регулирование сетевого напряжения во время фаз генерирования электрической энергии.
Предпочтительно локальная электрическая система может содержать электрический разъем, обеспечивающий подсоединение внешнего электрического источника.
Электрический разъем электрической системы позволяет вращать газотурбинный двигатель, оснащенный этой локальной электрической системой, с низкой скоростью, например, без запуска, при помощи наземных устройств.
Электрический разъем может быть связан с преобразователем переменного тока в постоянный в случае, когда внешний электрический источник, связанный с электрическим разъемом, не является источником постоянного тока.
Предпочтительно локальная электрическая система может содержать первую локальную электрическую распределительную коробку, соединенную с электрической распределительной сетью низкого напряжения, вторую локальную электрическую распределительную коробку, соединенную с тяговой электрической распределительной сетью, при этом первая и вторая локальные электрические распределительные коробки обеспечивают соединения между электрическими источниками летательного аппарата и соединения между локальными нагрузками газотурбинного двигателя или с нагрузками главной электрической системы.
Предпочтительно локальная электрическая система может также содержать однонаправленный преобразователь тока между второй локальной электрической распределительной коробкой и первой локальной электрической распределительной коробкой для обеспечения питания локальных нагрузок низкого напряжения.
Предпочтительно локальная электрическая система может дополнительно содержать локальное средство накопления энергии, связанное с преобразователем постоянного тока в постоянный.
Предпочтительно главная электрическая система содержит две первые подсистемы и вторую аварийную подсистему, при этом каждая первая подсистема содержит первую главную электрическую распределительную коробку, соединенную с электрической распределительной сетью низкого напряжения, вторую главную электрическую распределительную коробку, соединенную с тяговой электрической распределительной сетью, третью главную электрическую распределительную коробку, соединенную с нетяговой электрической распределительной сетью, при этом главные электрические распределительные коробки обеспечивают соединения между свободными электрическими источниками летательного аппарата, нагрузками главной электрической системы и электрическими подсистемами.
Предпочтительно каждая первая электрическая подсистема может дополнительно содержать однонаправленный преобразователь между третьей главной электрической распределительной коробкой и первой главной электрической распределительной коробкой, и двунаправленный преобразователь между второй главной электрической распределительной коробкой и третьей главной электрической распределительной коробкой для обеспечения питания нагрузок в различных конфигурациях.
Предпочтительно каждая первая электрическая подсистема содержит вспомогательную электрическую машину, связанную с вспомогательной силовой установкой и с реверсивным силовым преобразователем переменного тока в постоянный, и электронный блок управления, выполненный с возможностью управления питанием нагрузок первой подсистемы в зависимости от свободных электрических источников летательного аппарата, при этом вспомогательная электрическая машина является первым электрическим источником, когда она работает в режиме генератора, и локальной нагрузкой, когда она работает в режиме двигателя.
Предпочтительно каждая первая электрическая подсистема может содержать электрический разъем, обеспечивающий подсоединение внешнего электрического источника для обеспечения функций питания летательного аппарата и двигателей, когда на борту летательного аппарата нет ни одного свободного электрического источника.
Каждая первая электрическая подсистема предпочтительно может содержать средство накопления энергии, связанное с преобразователем постоянного тока в постоянный и образующее второй электрический источник.
Средство накопления может быть использовано полностью для нужд гибридизации газотурбинного двигателя и нетяговых нагрузок или может быть разделено, чтобы использовать одну его часть для нетяговых нагрузок и одну часть - для гибридизации. Средство накопления может быть также использовано для обеспечения переконфигурирования без отключения нагрузок (Function No Break Power Transfer).
Преобразователь, например, преобразователь постоянного тока в постоянный, позволяет поддерживать постоянный уровень напряжения со стороны сети, несмотря на значительные перепады со стороны накопителя, и обеспечивать зарядку накопителя, если этим источником энергии является батарея. Эта архитектура дает возможность адаптировать уровень напряжения к уровню сети для обеспечения режима распределения мощности, называемого также на английском языке “sharing power mode”.
Предпочтительно вторая электрическая подсистема содержит первую аварийную электрическую распределительную коробку, соединенную с электрической распределительной сетью низкого напряжения, вторую аварийную электрическую распределительную коробку, соединенную с нетяговой электрической распределительной сетью, при этом аварийные электрические распределительные коробки питаются указанными по меньшей мере первым и/или вторым электрическими источниками, когда по меньшей мере один из них является свободным, и аварийные электрические распределительные коробки обеспечивают соединения между свободными электрическими источниками летательного аппарата и нагрузками второй электрической подсистемы.
Предпочтительно первая и вторая аварийные электрические распределительные коробки могут получать питание, каждая, от аварийного генератора или от другого электрического источника, напрямую соединенного с аварийной электрической распределительной коробкой.
Предпочтительно вторая электрическая подсистема может содержать аварийный электронный блок управления, выполненный с возможностью управления питанием нагрузок второй подсистемы в зависимости от свободных электрических источников летательного аппарата.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет более понятно из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на единственную фигуру, где показана электрическая архитектура летательного аппарата согласно варианту осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
На единственной фигуре показана электрическая архитектура летательного аппарата с гибридной тепловой/электрической силовой установкой согласно варианту осуществления изобретения.
Летательный аппарат 1 содержит корпус 2, включающий в себя фюзеляж и два крыла, и два газотурбинных двигателя 3. Корпус 2 летательного аппарата 1 содержит главную электрическую систему 4, компоненты которой смонтированы в корпусе 2 летательного аппарата 1, и каждый газотурбинный двигатель 3 содержит локальную электрическую систему 5, компоненты которой смонтированы в гондоле газотурбинного двигателя 3.
Кроме того, летательный аппарат 1 содержит нетяговую электрическую распределительную сеть 6, электрическую распределительную сеть 7 низкого напряжения и тяговую электрическую распределительную сеть 8, электрически соединенные между собой через статические преобразователи.
Все три электрические распределительные сети 6-8 являются поперечными по отношению к электрическим системам 4 и 5, то есть каждая из электрических распределительных сетей 6-8 расположена в главной электрической системе 4 и в локальных электрических системах 5. Таким образом, каждая из трех электрических распределительных сетей 6-8 соединяет главную электрическую систему 4 с локальными электрическими системами 5.
Тяговая электрическая распределительная сеть предназначена для питания оборудования большой мощности, в частности, оборудования, связанного с двигательной системой. Эта сеть имеет самый высокий уровень напряжения. Предпочтительно тяговая электрическая распределительная сеть является сетью постоянного тока и с уровнем напряжения, зависящим от применяемых мощностей, которые могут составлять от нескольких сот вольт до нескольких тысяч вольт.
Нетяговая электрическая распределительная сеть предназначена для питания электричеством оборудования промежуточной мощности, то есть в основном оборудования, связанного с нетяговой системой и называемого также «нагрузками самолета». Предпочтительно эта сеть является сетью постоянного тока. Нетяговая электрическая распределительная сеть имеет промежуточный уровень напряжения (например, 540 В постоянного тока), меньший уровня напряжения тяговой электрической распределительной сети.
Электрическая распределительная сеть низкого напряжения предназначена для питания электричеством нагрузок малой мощности газотурбинных двигателей или самолета. Как правило, эта сеть является сетью постоянного тока, например, около 28 В постоянного тока.
Главная электрическая система 4 летательного аппарата 1 содержит две базовые подсистемы 10 и аварийную подсистему 11.
Каждая подсистема содержит вспомогательную электрическую машину 12, образующую первый электрический источник, и накопитель 13 энергии, связанный с преобразователем постоянного тока в постоянный (DC/DC) и образующий второй электрический источник.
Преобразователь DC/DC 14 позволяет поддерживать постоянный уровень напряжения со стороны сети, несмотря на значительные перепады со стороны накопителя 13, и обеспечивает подзарядку накопителя 13, если, например, этот источник энергии является батареей.
Накопитель 13 энергии и его преобразователь DC/DC 14 могут использоваться вместе для нужд гибридизации газотурбинного двигателя и для нужд нетяговых нагрузок, или могут быть распределены на две части, из которых одна часть предназначена для нетяговых нагрузок и одна часть для гибридизации, например, при помощи двух накопителей энергии и двух преобразователей DC/DC 14.
Каждая базовая подсистема 10 содержит электрическую распределительную коробку 15 низкого напряжения, соединенную с электрической распределительной сетью 7 низкого напряжения, тяговую электрическую распределительную коробку 16, соединенную с тяговой электрической распределительной сетью 8, и нетяговую электрическую распределительную коробку 17, соединенную с нетяговой электрической распределительной сетью 6.
Электрические распределительные коробки 15-17 каждой базовой подсистемы 10 обеспечивают соединения между свободными электрическими источниками летательного аппарата, например, такими как вспомогательные электрические машины 12 и накопители 13 энергии главной электрической системы 4, электрическими подсистемами 10 и 11, локальными электрическими системами 5 и нетяговыми нагрузками 18 и нагрузками 22 низкого напряжения главной электрической системы 4.
Нетяговая электрическая распределительная коробка 17 каждой базовой электрической подсистемы 10 электрически соединена с вспомогательной электрической машиной 12 через преобразователь 19 переменного тока в постоянный (АC/DC).
Каждая базовая электрическая подсистема 10 содержит также первый преобразователь DC/DC 20, подсоединенный между тяговой электрической распределительной коробкой 16 и нетяговой электрической распределительной коробкой 17, и второй преобразователь DC/DC 21, подсоединенный между нетяговой электрической распределительной коробкой 17 и электрической распределительной коробкой 15 низкого напряжения. Таким образом, энергия, производимая вспомогательной электрической машиной 12, может поступать в тяговую электрическую распределительную коробку 16 через первый преобразователь DC/DC 20 и в электрическую распределительную коробку 15 низкого напряжения через второй преобразователь DC/DC 21 для питания нагрузок 22 низкого напряжения главной электрической системы 4.
Первый преобразователь DC/DC 20 является двунаправленным, чтобы передавать электрическую энергию в двух направлениях между тяговой электрической распределительной коробкой 16 и нетяговой электрической распределительной коробкой 17, то есть между тяговой электрической распределительной сетью 8 и нетяговой электрической распределительной сетью 6. Второй преобразователь DC/DC 21 является однонаправленным по току.
В варианте между вспомогательной электрической машиной 12 и тяговой электрической распределительной коробкой 16 может быть подсоединен преобразователь АC/DC 19, при этом энергия, выдаваемая вспомогательной электрической машиной 12, может проходить в нетяговую электрическую распределительную коробку 17 через первый преобразователь DC/DC 20, затем в электрическую распределительную коробку 15 низкого напряжения через второй преобразователь DC/DC 21.
Вспомогательная электрическая машина 12 механически связана с вспомогательной силовой установкой. Вспомогательная электрическая машина 12 и соответствующий преобразователь АC/DC 19 обеспечивают запуск вспомогательной силовой установки и питают нетяговые нагрузки 18 главной электрической системы 4, называемые «нагрузками самолета», но могут также выдавать дополнительную мощность в тяговую электрическую распределительную сеть 8.
Каждая базовая электрическая подсистема 10 содержит также электрический разъем 23, позволяющий подсоединять внешний электрический источник для обеспечения питания различных нагрузок летательного аппарата 1 и двигателей 3, когда внутри летательного аппарата 1 нет ни одного свободного электрического источника.
Аварийная подсистема 11 содержит аварийную электрическую распределительную коробку 24 низкого напряжения, соединенную с электрической распределительной сетью 7 низкого напряжения, и нетяговую аварийную электрическую распределительную коробку 25, соединенную с нетяговой электрической распределительной сетью 6. Аварийные электрические распределительные коробки 24 и 25 питают только аварийные нагрузки 26 низкого напряжения и нетяговые аварийные нагрузки 27 главной электрической системы 4.
Аварийные электрические распределительные коробки 24 и 25 получают питание от одной из электрических машин 12 и от одного из накопителей 13 энергии двух базовых подсистем 10, когда по меньшей мере один из этих электрических источников является свободным. Таким образом, аварийные электрические распределительные коробки обеспечивают соединение между свободными электрическими источниками главной электрической системы 4 и аварийными нагрузками 26 и 27.
В варианте осуществления, представленном на единственной фигуре, аварийная подсистема содержит также дополнительный аварийный генератор 28, соединенный с нетяговой аварийной электрической распределительной коробкой 25, которая электрически связана с аварийной электрической распределительной коробкой 24 низкого напряжения через однонаправленный преобразователь DC/DC 29, для питания аварийной электрической распределительной коробки 24 низкого напряжения.
Дополнительный аварийный генератор 28 может приводиться во вращение приводным средством, например, таким как вспомогательная электрическая машина 12, если потребность в мощности является значительной, или аварийной авиационной турбиной или “ram air turbine” на английском языке, если требуемая мощность является ограниченной.
В варианте дополнительный аварийный генератор 28 можно заменить другим источником на борту, напрямую связанным с нетяговой аварийной электрической распределительной коробкой 25, то есть без прохождения через одну из электрических распределительных коробок 15-17 базовой подсистемы 10. Другим бортовым источником может быть один из накопителей энергии 13 или часть этих накопителей или одна из вспомогательных электрических машин 12.
Каждая локальная электрическая система 5 содержит первую электрическую машину 31, механически связанную с валом низкого давления газотурбинного двигателя 3 либо напрямую, либо через редукторный блок, то есть через систему зубчатых передач, и вторую электрическую машину 32, механически связанную с валом высокого давления газотурбинного двигателя 3 либо напрямую, либо через редукторный блок, то есть через систему зубчатых передач.
В варианте каждая локальная электрическая система 5 может содержать две вторые электрические машины, механически связанные с валом высокого давления, или электрическую машину, содержащую два независимых статора, связанных с двумя преобразователями АC/DC, или электрическую машину, содержащую только один статор, связанный с двумя преобразователями АC/DC.
Каждая локальная электрическая система 5 дополнительно содержит накопитель 45 энергии, связанный с электрическим преобразователем 46 постоянного тока в постоянный.
Первая и вторая электрические машины 31 и 32 локальных электрических систем 5 образуют первый электрический источник летательного аппарата, тогда как накопители 45, связанные со своим преобразователем 46 постоянного тока в постоянный образуют второй электрический источник летательного аппарата.
Каждая локальная электрическая система 5 дополнительно содержит локальную электрическую распределительную коробку 33 низкого напряжения, соединенную с электрической распределительной сетью 7 низкого напряжения, тяговую локальную электрическую распределительную коробку 34, соединенную с тяговой электрической распределительной сетью 8, и нетяговую локальную электрическую распределительную коробку 35, соединенную с нетяговой электрической распределительной сетью 6.
Локальные электрические распределительные коробки 33-35 вместе с электрическими распределительными коробками 15-17 базовых подсистем 10 обеспечивают соединения между свободными электрическими источниками газотурбинных двигателей 3 или корпуса 2 летательного аппарата, такими как электрические машины 12, 31 и 32 и накопители 13 и 45 энергии, и соединения между тяговыми локальными нагрузками 35, нетяговыми локальными нагрузками 37 и локальными нагрузками 38 низкого напряжения локальной электрической системы 5 или с нагрузками 18, 22, 26 и 27 главной электрической системы 4.
Аварийные электрические распределительные коробки 24 и 25 могут тоже питаться от одной из электрических машин 31 локальных электрических систем, если по меньшей мере один из этих электрических источников является свободным.
Каждая локальная электрическая система 5 содержит также два реверсивных силовых преобразователя АC/DC 39 и 40, подсоединенных соответственно между первой электрической машиной 31 и тяговой локальной электрической распределительной коробкой 34 и между второй электрической машиной 32 и тяговой локальной электрической распределительной коробкой 34. Силовые преобразователи АC/DC 39 и 40 выполнены с возможностью управлять газотурбинными двигателями 3 во время фаз подачи мощности или фаз работы в режиме двигатели, таких как фаза запуска, и для обеспечения регулирования напряжения тяговой электрической распределительной сети 8 во время фаз генерирования.
Каждая локальная электрическая система 5 содержит также электрический разъем 41, позволяющий проворачивать газотурбинный двигатель 3 на низкой скорости, например, без запуска газотурбинного двигателя 3, при помощи наземного оборудования.
В варианте осуществления, представленном на единственной фигуре, электрический разъем 41 связан с тяговой локальной электрической распределительной коробкой 34 через преобразователь АC/DC 42 для случая, когда подсоединяемый к электрическому разъему внешний электрический источник не является источником постоянного тока.
Каждая локальная электрическая система 5 содержит также первый однонаправленный преобразователь DC/DC 43, подсоединенный между тяговой локальной электрической распределительной коробкой 34 и тяговыми локальными нагрузками 36 для питания тяговых локальных нагрузок от тяговой электрической распределительной сети 8, и второй однонаправленный преобразователь DC/DC 44 между тяговой локальной электрической распределительной коробкой 34 и локальной электрической распределительной коробкой 33 низкого напряжения для питания локальных нагрузок 38 низкого напряжения локальной электрической системы 5.
Каждая локальная электрическая распределительная система 5 содержит локальный электронный блок 50 управления, выполненный с возможностью управления питанием локальных нагрузок 36-38 газотурбинного двигателя 3 в зависимости от свободных электрических источников 12, 13, 31, 32 и 45 летательного аппарата 1.
Каждая базовая электрическая распределительная система 10 содержит базовый электронный блок 51 управления, выполненный с возможностью управления питанием локальных нагрузок 18 и 22 базовой подсистемы 10 в зависимости от свободных электрических источников 12, 13, 31, 32 и 54 летательного аппарата 1.
Наконец, каждая аварийная электрическая подсистема 11 содержит аварийный электронный блок 52 управления, выполненный с возможностью управления питанием аварийных нагрузок 26 и 27 в зависимости от свободных электрических источников 12, 13, 28, 31, 32 и 45 летательного аппарата 1.
Таким образом, изобретением предложена электрическая система, взаимодействующая с летательным аппаратом и газотурбинным(ыми) двигателем(ями), позволяющая выдавать или отбирать контролируемую мощность при помощи одной или нескольких электрических машин на валах высокого давления и низкого давления газотурбинного двигателя, обеспечивать совместимость всех этих функций, связанных с движением, с функциями обеспечения других энергетических нужд и обеспечивать оптимизированное управление всеми этими отборами и подачами энергии с различными источниками энергии и средствами накопления энергии в зависимости от профиля задачи. Электрическая архитектура обеспечивает определенную дополнительную гибкость, благодаря полученной возможности отбирать и подавать энергию в соответствии с рабочим режимом, что позволяет уменьшить мощность на борту летательного аппарата.