СПОСОБ СНАБЖЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ МОЩНОСТЬЮ ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ
METHOD FOR ADDITIONAL POWER SUPPLY BY AUXILIARY POWER INSTALLATION AND RELATED CONSTRUCTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение касается способа снабжения дополнительной мощностью летательных аппаратов вспомогательной силовой установки, сокращенно APU (ВСУ) (от «auxiliary power unit» в английской терминологии), а также конструкции для соответствующего снабжения дополнительной мощностью.
Изобретение применимо к двигателям летательных аппаратов, то есть как к самолетным двигателям (турбореактивным, турбовинтовым), так и к газотурбинным двигателям вертолетов, а также к нетяговым генераторам мощности.
Летательные аппараты снабжены основными двигателями, предназначенными для приведения в движение и в крейсерском режиме для производства нетяговой энергии (кондиционирование воздуха, наддув кабины, электричество и т.д.). ВСУ является малым турбогенератором или дополнительным двигателем, который снабжает нетяговой энергией на земле или в полете, при этом основные двигатели больше не могут снабжать нетяговой энергией: например, в случае, когда условия полета становятся тяжелыми или в сложных фазах при выполнении особых заданий (поиск, враждебная среда и т.д.), или в случае отказа одного или нескольких генераторов, встроенных в основные двигатели.
Летательный аппарат также снабжен другим дополнительным источником вспомогательной мощности для специальных систем в случае экстренной необходимости или помощи: речь идет о небольшой ветроустановке или малой турбине (называемой RAT от «ram air turbine» в английской терминологии), которая размещается снаружи для снабжения мощностью путем соединения с гидравлическим насосом или генератором переменного тока. RAT подает необходимую энергию жизненно важным системам аппарата (контроль полета, соответствующие гидравлические контуры и критические полетные приборы).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Обычно основные двигатели летательного аппарата являются работоспособными и ВСУ, как и RAT, не используются в полете и представляют собой таким образом груз. Более того, RAT должна отвечать жестким ограничительным условиям по техническому обслуживанию.
Для того чтобы по меньшей мере частично сделать рентабельным наличие ВСУ, были предложены решения для использования этого оборудования как источника нетяговой энергии в процессе полета. В этом плане настоящим Заявителем были поданы заявки на патент, например заявка, опубликованная под номером FR 2 964 086.
Использование RAT позволяет соответствовать регламентным требованиям в плане источника вспомогательной мощности. Однако, это оборудование не может быть использовано в условиях стандартного полета или на земле.
Основные недостатки известного оборудования для соответствия требованиям дополнительного снабжения мощностью состоят в бесполезном грузе при полете и в строгих ограничительных условиях при техническом обслуживании, в особенности для RAT.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение направлено на устранение указанных недостатков путем исключения RAT, предлагая также предназначить ВСУ для подачи вспомогательной мощности вместо RAT. Для того чтобы ВСУ мог полностью выполнить свою функцию вспомогательного оборудования, предусмотрено, чтобы ВСУ был бы предохранен от основной причины неисправности, общей с двигателями, а именно загрязнения топливом - с помощью использования специального питания топливом.
Точнее, объектом настоящего изобретения является способ снабжения дополнительной мощностью летательного аппарата, оборудованного основными двигателями и потребителями энергии, посредством вспомогательной силовой установки типа ВСУ, в котором ВСУ используют в основном качестве - для снабжения нетяговой мощности потребителей летательного аппарата от источника топлива, общего для двигателей летательного аппарата и для ВСУ, за которым следует базовая циркуляция этого общего топлива до ВСУ. В этом способе ВСУ также используют также в аварийном режиме для подачи вспомогательной мощности на жизненно важные системы летательного аппарата. ВСУ таким образом питается вспомогательным топливом от специального источника по независимой и отдельной циркуляции по меньшей мере в части основной сети, соединяемой со специальным источником, от базовой циркуляции.
Предпочтительно, вспомогательное топливо имеет природу, отличную от общего топлива. Более того, в случае подачи мощности в аварийном режиме, вспомогательное топливо может быть впрыснуто  для его сгорания в ВСУ - отдельно от впрыскивания общего топлива в основном режиме.
Точнее говоря, общее топливо, используемое в основном режиме, является керосином, а вспомогательное топливо, используемое в аварийном режиме, может быть водородом. Водород может либо непосредственно храниться в твердом, жидком или газообразном состояниях в специальном источнике, либо производиться соответствующим рафинированием керосина, хранящегося в этом специальном источнике.
Предпочтительно, хранение водорода осуществляется в твердой форме, в частности стабильной, и которая позволяет осуществить квазимгновенное изменение в жидкую или газообразную форму путем пиротехнического воспламенения.
При обнаружении неисправности, аварийный режим включают централизованным управлением, которое высвобождает вспомогательное топливо, очищает циркуляции топлива, регулирует расход специального топлива и, в случае необходимости, переключает независимую циркуляцию в базовую циркуляцию и вызывает запуск ВСУ.
Изобретение относится также к конструкции для снабжения вспомогательной мощностью летательного аппарата, выполненной с возможностью осуществить упомянутый выше способ. Эта конструкция включает в себя ВСУ и базовый контур питания топливом, содержащий бак хранения топлива, общего силовой установки летательного аппарата, включая ВСУ, первичный трубопровод циркуляции общего топлива и вторичные трубопроводы впрыска этого топлива в камеры сгорания ВСУ соответствующими инжекторами. Упомянутая конструкция включает в себя также другой контур питания ВСУ топливом. Этот независимый контур содержит вспомогательный бак, первичный специальный трубопровод циркуляции вспомогательного топлива и вторичные трубопроводы впрыска вспомогательного топлива в камеры сгорания ВСУ соответствующими инжекторами.
В соответствии с предпочтительными вариантами воплощения:
- вспомогательным топливом является водород, первичный специальный контур может содержать установку для рафинирования керосина, хранящегося в баке, в водород через установку для конверсии;
- вторичные трубопроводы впрыска топлива базового контура и независимого контура либо являются различными, с инжекторами, предназначенными для общего топлива, и другими инжекторами, предназначенными для вспомогательного топлива, или сгруппированными так, что первичные трубопроводы и вторичные трубопроводы установлены соответственно на входе и на выходе переключающего клапана, при этом вторичные трубопроводы заставляют циркулировать общее топливо или вспомогательное топливо до инжекторов общих для этих видов топлива;
- вспомогательный бак, который содержит часть для хранения водорода в твердом состоянии и часть для промежуточного хранения водорода в газообразном состоянии, соединен с пиротехническим генератором, а также с регулирующим клапаном, установленным на первичном трубопроводе на выходе газообразного водорода;
- конструкция содержит также вспомогательный электронный блок управления, который управляет регулирующим клапаном расхода водорода, пиротехническим генератором, а также ВСУ на основе информации об открывании клапана и давлении на уровне ВСУ;
- система очистки высокого давления, управляемая электронным блоком управления, предназначена для удаления осадков из контуров.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг. 1 изображает схему примера конструкции по изобретению, содержащую независимый контур питания водородом в качестве вспомогательного топлива, хранящегося в баке;
- фиг. 2 изображает схему другого примера конструкции по изобретению, содержащую независимый контур питания водородом, полученным посредством рафинирования керосина, при этом базовый и независимый контуры сгруппированы для впрыска топлива через переключающий клапан, и
- фиг. 3 изображает схему другого примера конструкции по изобретению, содержащую независимый контур питания твердым водородом в качестве вспомогательного топлива, хранящегося в баке, и средства управления и регулирования независимого контура.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
В представленном тексте термины «входной» и «выходной» относятся к местоположению в зависимости от направления циркуляции топлива. Идентичные позиции на различных чертежах относятся к одинаковым элементам, представленным в соответствующих разделах описания.
На схеме по фиг. 1 изображен пример 1 конструкции для снабжения дополнительной мощностью летательного аппарата, содержащей ВСУ 2 и базовый контур 3 питания топливом 4 ВСУ 2. Этот контур содержит бак 31 для хранения топлива, в данном примере керосина, для общего питания двигателей летательного аппарата (не изображенных на чертеже) и ВСУ 2. Он содержит также первичный трубопровод 32 для циркуляции общего топлива и вторичные трубопроводы 33, 34 впрыска этого топлива 4 в камеры сгорания 21 ВСУ 2. Этот впрыск осуществляется инжекторами 22.
ВСУ 2 содержит газогенератор, состоящий из турбины 23 для привода воздушного компрессора 24 с помощью трансмиссионного вала 25, и сопла 26 выброса газов. На трансмиссионном валу 25 установлена коробка 27 приводов агрегатов, которая передает механическую мощность потребителям энергии (воздушный кондиционер кабины, наддув, электрическая сеть, гидравлический контур, системы контроля полета и т.д.) через насосы и соответствующие генераторы переменного тока (не изображенные на чертеже).
Обычно нетяговая мощность подается потребителям летательного аппарата посредством питания керосином из общего бака 31 не только на земле, что является первой функцией ВСУ, но также в полете - во время нескольких или всех фаз полета - дополняя или заменяя двигатели.
Конструкция 1 содержит также независимый контур 5 питания ВСУ 2, в данном примере контур, полностью отделенный от базового контура 3. Этот независимый контур 5 содержит вспомогательный бак 51 для хранения вспомогательного топлива 6 - в данном примере водорода, первичный специальный трубопровод 52 для циркуляции вспомогательного топлива и вторичные трубопроводы 53 и 54 впрыска вспомогательного топлива 6 в камеры сгорания 21 ВСУ 2.
Трубопроводы 52-54 образуют специфический распределитель, калиброванный для водорода. Инжекторы 28 вспомогательного топлива 6 по вторичным трубопроводам 53 и 54 также являются специфическими, то есть предназначенными для вспомогательного топлива 6. Но они могут быть одинаковыми по конструкции, когда вспомогательное топливо имеет ту же природу, что и общее топливо 4, например керосин. Предназначенная для этого система воспламенения может быть соединена со специальным распределителем. Однако, по возможности, использование основной системы воспламенения предпочтительно.
Хранение водорода может быть осуществлено в твердой, жидкой или газообразной форме. Предпочтительно, хранение в твердой форме имеет большую стабильность, а также квазимгновенную скорость использования, например, с пиротехническим генератором (см. пример конструкции на фиг. 3). Кроме того, такой генератор упрощает операции технического обслуживания и обеспечивает выигрыш во времени.
В аварийном режиме независимый контур 5 задействуется для обеспечения специальным топливом 6 - не загрязненным и не загрязняемым общим топливом 4 - жизненно важных систем (систем контроля, инструментов и т.д.), связанных с коробкой приводов агрегатов 27.
Другой пример конструкции по изобретению иллюстрируется схемой по фиг. 2. В этой конструкции 10 один и тот же базовый контур 3 используется с общим баком 31, первичным 32 и вторичными 33, 34 трубопроводами и инжекторами 22.
Независимый контур 50 содержит вспомогательный бак 51’ и первичный специальный трубопровод 52’ для циркуляции вспомогательного топлива. Бак 51’ и трубопровод 52’ выполняют те же функции, что и бак 51 и трубопровод 52 в предыдущем примере. В баке 51’ хранится керосин, а установка 55 для рафинирования керосина в водород через установку для каталитической конверсии встроена в первичный контур 52’. Такая каталитическая конверсия описана, например, в патентном документе WO2009/040112.
В настоящем примере два контура - базовый 3 и независимый 50 - частично разделены: эти контуры действительно объединяют их вторичные трубопроводы, например, приспосабливая трубопроводы 33 и 34 основного контура (или вторичные трубопроводы независимого контура) путем установки выхода этих трубопроводов на переключающем клапане 7. Этот клапан позволяет производить переключение между питанием общим топливом, керосином и вспомогательным топливом, в данном примере, водородом. В соответствии с командой положения, передаваемой на клапан 7, вторичные трубопроводы впрыскивают керосин из основного контура 3 или водород из независимого контура 50 камер сгорания 21.
Эта команда зависит от обнаружений неисправностей или аварийной ситуации, которая определяет режим функционирования, основной режим или вспомогательный.
Пример управления режимом в зависимости от обнаружений будет описан ниже.
Для питания вторичных трубопроводов керосином или водородом в зависимости от режима функционирования первичные трубопроводы 32 и 52’ базового 3 и независимого 50 контуров подключены входом к переключающему клапану 7.
Кроме того, для хорошей работы контуров, предпочтительно, добавлена система очистки 8. Эта система очистки может быть либо воздухом высокого давления, либо химическим раствором высокого давления.
Третий пример конструкции по изобретению изображен схемой на фиг. 3. Эта конструкция 100 содержит независимый контур 15 питания твердым водородом как вспомогательным топливом - типа, описанного выше со ссылкой на фиг. 2, - с первичным трубопроводом 52’ и вторичными трубопроводами, общими с трубопроводами базового контура 3, как описано выше со ссылкой на фиг. 2.
Водород хранится во вспомогательном баке 150, который содержит часть хранения 15а водорода в твердом состоянии и часть промежуточного хранения 15b водорода в газообразном состоянии. Наличие этой промежуточной зоны гарантирует уровень повышения давления. Пиротехнический газогенератор, который содержит патрон 15d для воспламенения блока с ракетным топливом, соединен с баком 150. На выходе бака 150 на первичном трубопроводе 52’ установлен регулирующий клапан 9.
Первичные трубопроводы 32 и 52’, соответственно базового 3 и независимого 150 контуров установлены на входе переключающего клапана 7, как в конфигурации по фиг. 2. Этим клапаном является, например, скоростной динамический электромеханический клапан или гильотинный клапан с электромеханическим или пиротехническим срабатыванием. Кроме того, объединенные вторичные трубопроводы 33 и 34 установлены на выходе клапана 7 для питания инжекторов 22. Таким образом, независимый контур 150 отделен от базового контура 3 только в своей первичной части для того, что остается главным для сохранения незагрязненным вспомогательного топлива.
Конструкция 100 содержит также вспомогательный электронный блок управления 16 с аббревиатурой ECU (от «Electronic Control Unit» в английской терминологии), который управляет клапаном 9 регулирования расхода водорода, пиротехническим генератором 15с, а также воспламенением, при необходимости, ВСУ 2. Это управление осуществляется на основе информации об открывании клапана 9, выдаваемой датчиком 11, и о давлении на уровне компрессора 24 ВСУ 2. Блок управления 16 соединен также с центром пилотирования 17 авиационной системы. Вспомогательный блок ECU может быть резервным блоком по отношению к основному блоку ECU летательного аппарата или специальной платой блока основного ECU, предназначенной для выполнения вспомогательной функции с устройством специального питания.
Как в предыдущем примере, система очистки 8 высокого давления управляется вспомогательным блоком ECU 16 для удаления осадков, которые могут закупорить контуры. Эта система, например, основана на системе наддува высоким давлением, подаваемым или из баллона сжатого воздуха в 300 бар, или от генератора инертного газа - 700 бар. Ее включение может осуществляться устройством, идентичным устройству для создания твердого водорода.
При обнаружении неисправности, например, неисправности электропитания, авиационная система 17 передает команду на переключение на вспомогательный режим вспомогательному блоку ECU 16. Переключение во вспомогательный режим осуществляется в соответствии с существующим способом переключения RAT. Блок ECU 16 далее воспламеняет пиротехнический патрон 15d для генерирования водорода и системы очистки 8, передавая переключающую команду на клапан 7, управляет клапаном регулирования водорода 9 для регулирования расхода водорода, а также приведения во вращение и зажигания ВСУ 2. Управление ВСУ 2 во вспомогательном режиме осуществляется через блок ECU 16.
Изобретение не ограничено описанными и представленными примерами.
Например, можно комбинировать один из вспомогательных источников топлива, описанных выше, с какой-либо из конфигураций впрыска топлива в камеры сгорания ВСУ, как изложено выше.
Однако средства впрыска могут быть скомбинированы со средствами смешивания двух отдельных видов топлива, одно общее топливо и одно вспомогательное топливо. Переключающий или регулирующий клапаны могут быть заменены любым эквивалентным средством выбора или регулирования расхода.