ДВИЖИТЕЛЬ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, СПОСОБ РАБОТЫ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ДВИЖИТЕЛЯ И ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
AIRCRAFT PROPULSION SYSTEM, THE METHOD OF OPERATION OF THE PROPULSION SYSTEM AND THE AIRCRAFT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[001] Настоящее изобретение относится в целом к летательным аппаратам и, в частности, к выработке электрической энергии движителем летательного аппарата. Некоторые движители летательных аппаратов могут приводить в действие генератор переменной частоты для подачи электрической энергии на летательный аппарат. Такой генератор переменной частоты может быть соединен с внутренним контуром двигателя в движителе летательного аппарата посредством зубчатой передачи прямого привода, которая может иметь коэффициент демпфирования, обычно не превышающий примерно 0,02, или 2%. Вследствие такого низкого коэффициента демпфирования, в зубчатой передаче могут возникать крутильные колебания в виде режима предельного цикла с колебаниями на одной или более собственных (например, резонансных) частотах. Крутильные колебания на таких частотах могут быть усилены управлением с обратной связью, что приводит к незатухающим крутильным колебаниям, также известным как субсинхронные колебания.
[002] Такие крутильные колебания могут приводить к ухудшению качества электрической энергии, вырабатываемой генератором переменной частоты. В частности, крутильные колебания могут приводить к появлению в электрической энергии колебаний напряжения и/или тока, связанных с одной или более собственными частотами зубчатой передачи. Такие колебания могут, таким образом, привносить нежелательный шум в электрическую энергию, подаваемую на летательный аппарат, который, если его не нейтрализовать, может вызывать чрезмерный износ и/или повреждение электрических систем летательного аппарата.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[003] Системы и способы, раскрытые в настоящем документе, предназначены для ослабления нежелательного влияния выработки электроэнергии, обусловленного крутильными колебаниями зубчатой передачи движителя летательного аппарата, соединенного с генератором электроэнергии. В одном примере может быть раскрыта система летательного аппарата для выработки электрической энергии. Система летательного аппарата для выработки электрической энергии может включать в себя:
генератор переменной частоты, соединенный с зубчатой передачей, имеющей связанную с ней частоту крутильных колебаний,
схему возбуждения для наведения магнитного поля в генераторе переменной частоты исходя из сигнала возбуждения для выработки электрической энергии генератором переменной частоты при вращении зубчатой передачи, и
компенсационную схему, имеющую электрическое соединение со схемой возбуждения для регулировки сигнала возбуждения, с тем чтобы фильтрами устранять влияние частоты крутильных колебаний зубчатой передачи на электрическую энергию, выдаваемую генератором переменной частоты.
[004] Еще в одном примере может быть раскрыт способ работы системы выработки электроэнергии. Способ может включать:
вращение генератора переменной частоты посредством зубчатой передачи, имеющей связанную с ней частоту крутильных колебаний,
наведение магнитного поля в генераторе переменной частоты посредством схемы возбуждения исходя из сигнала возбуждения,
выработку электрической энергии генератором переменной частоты и прием указанной электрической энергии компенсационной схемой,
регулировку сигнала возбуждения посредством компенсационной схемы и
подачу отрегулированного сигнала возбуждения на схему возбуждения, с тем чтобы фильтрами устранять влияние частоты крутильных колебаний зубчатой передачи на электрическую энергию, выдаваемую генератором переменной частоты.
[005] Еще в одном примере может быть раскрыт летательный аппарат. Летательный аппарат может включать в себя фюзеляж, крыло и движитель летательного аппарата, соединенный с фюзеляжем и/или крылом. Движитель летательного аппарата может включать в себя:
силовую установку,
зубчатую передачу, соединенную с силовой установкой и имеющую связанную с ней частоту крутильных колебаний,
генератор переменной частоты, соединенный с зубчатой передачей,
схему возбуждения для наведения магнитного поля в генераторе переменной частоты исходя из сигнала возбуждения для выработки электрической энергии генератором переменной частоты при вращении зубчатой передачи, и
компенсационную схему, имеющую электрическое соединение со схемой возбуждения для регулировки сигнала возбуждения, с тем чтобы фильтрами устранять влияние частоты крутильных колебаний зубчатой передачи на электрическую энергию, выдаваемую генератором переменной частоты.
[006] Объем настоящего изобретения определен формулой изобретения, которая включена в этот раздел посредством ссылки. Более полное понимание раскрытия настоящего изобретения, а также представление его дополнительных преимуществ будет доступно специалистам в данной области техники после рассмотрения последующего подробного описания одного или более вариантов осуществления настоящего изобретения. Будет сделана ссылка на прилагаемые фигуры чертежей, которые сначала будут описаны кратко.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[007] На ФИГ. 1А показан вид сверху летательного аппарата в соответствии с вариантом реализации раскрытия настоящего изобретения.
[008] На ФИГ. 1В показан перспективный вид движителя летательного аппарата в соответствии с вариантом реализации раскрытия настоящего изобретения.
[009] На ФИГ. 2А показан перспективный вид приведенной в качестве примера системы выработки электрической энергии движителем летательного аппарата с системой компенсации крутильных колебаний в соответствии с вариантом реализации раскрытия настоящего изобретения.
[0010] На ФИГ. 2В показана структурная схема компенсационной схемы в соответствии с вариантом реализации раскрытия настоящего изобретения.
[0011] На ФИГ. 2С показана структурная схема приведенной в качестве примера системы выработки электрической энергии движителем летательного аппарата в соответствии с вариантом реализации раскрытия настоящего изобретения.
[0012] На ФИГ. 3 показана подробная блок-схема работы системы выработки электрической энергии движителем летательного аппарата с системой компенсации крутильных колебаний в соответствии с вариантом реализации раскрытия настоящего изобретения.
[0013] На ФИГ. 4 показан смоделированный режим системы выработки электрической энергии движителем летательного аппарата без системы компенсации крутильных колебаний.
[0014] На ФИГ. 5 показан смоделированный режим движителя летательного аппарата с системой компенсации крутильных колебаний в соответствии с вариантом реализации раскрытия настоящего изобретения.
[0015] Примеры согласно настоящему раскрытию и их преимущества лучше всего будут понятны со ссылкой на раздел "Осуществление изобретения", который следует далее. Следует отметить, что сходные ссылочные номера использованы для обозначения сходных элементов, показанных на одной или более фигурах чертежей.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Раскрыты системы и способы для уменьшения влияния крутильных колебаний на вырабатываемую электрическую энергию, например, посредством фильтрации вырабатываемой электрической энергии, посредством подачи отрегулированного сигнала возбуждения, выдаваемого компенсационной схемой, как описано далее в настоящем документе. В некоторых примерах системы и способы, описанные в настоящем документе, могут быть встроены в генератор, соединенный с силовым агрегатом, таким как движитель летательного аппарата. Движитель летательного аппарата включает в себя силовую установку (например, внутренний контур движителя летательного аппарата и/или другую подходящую силовую систему), соединенную с генератором переменной частоты. Силовая установка может быть соединена с генератором переменной частоты посредством зубчатой передачи прямого привода. Такая зубчатая передача прямого привода может иметь низкий коэффициент демпфирования.
[0017] Низкий коэффициент демпфирования может привести к появлению в зубчатой передаче крутильных колебаний в виде режима предельного цикла с колебаниями на одной или более собственных (например, резонансных) частотах. Такие крутильные колебания могут приводить к ухудшению качества электрической энергии, вырабатываемой генератором переменной частоты. В частности, крутильные колебания могут приводить к появлению в электрической энергии колебаний напряжения и/или тока, связанных с режимом предельного цикла зубчатой передачи. Например, электрическая энергия, вырабатываемая генератором переменной частоты, может быть представлена в виде сложного волнового сигнала, который включает в себя составляющие на множестве частот, при этом по меньшей мере одна из этих составляющих (например, составляющая на определенной частоте) может возникать вследствие режима предельного цикла и может быть нежелательной.
[0018] Движитель летательного аппарата также может содержать схему возбуждения. Сигнал возбуждения может быть использован для питания схемы возбуждения, с тем чтобы создать магнитное поле внутри генератора переменной частоты. Сигнал возбуждения может быть основан на электрической энергии, вырабатываемой генератором переменной частоты. Таким образом, между генератором переменной частоты и схемой возбуждения может существовать контур обратной связи, который может приводить к усилению нежелательной частотной составляющей электрической энергии, вырабатываемой генератором переменной частоты.
[0019] Для эффективной фильтрации нежелательной частотной составляющей может быть использована компенсационная схема для выработки отрегулированного сигнала возбуждения. Компенсационная схема может включать в себя регулятор напряжения, процессор и запоминающее устройство. Компенсационная схема может регулировать сигнал возбуждения, с тем чтобы вызывать взаимодействие схемы возбуждения с генератором переменной частоты таким образом, который обеспечивает эффективную фильтрацию нежелательной частотной составляющей. Таким образом, компенсационная схема сводит к минимуму или уменьшает влияние крутильных колебаний зубчатой передачи на электроэнергию, вырабатываемую генератором переменной частоты, что приводит к улучшению качества электроэнергии, а также предотвращает дальнейшее усиление нежелательных частотных составляющих. Соответственно, срок службы электрических компонентов может быть увеличен и/или требования к техническому обслуживанию могут быть уменьшены. Хотя раскрытие настоящего изобретения в целом описывает эффективную реализацию узкополосного заграждающего фильтра посредством компенсационной схемы, другие примеры компенсационной схемы могут эффективно реализовывать другие типы фильтров, такие как фильтры нижних частот, фильтры высоких частот и/или полосовые фильтры.
[0020] В целом, системы и способы, описанные в настоящем документе, компенсируют возмущения в электрической энергии, вырабатываемой генератором переменной частоты, приводящие на некоторых собственных частотах к нежелательной вибрации и/или колебаниям (например, режиму предельного цикла) зубчатой передачи, которая соединяет силовую установку с генератором переменной частоты. Примеры таких собственных частот включают частоты менее 20 герц, от 20 до 40 герц, от 40 до 60 герц и более 60 герц. Конкретные неограничивающие примеры таких собственных частот включают в себя 25 герц, 34 герц, 37 герц и 60 герц. Компенсационная схема может по существу фильтровать узкую часть частотного содержимого электрической энергии, вырабатываемой генератором переменной частоты. В конкретных неограничивающих примерах компенсационная схема может по существу фильтровать величину менее +/- 0,5 герц, менее +/- 1 герц и/или более +/- 1 герц необходимого частотного диапазона (например, 25 герц, 34 герц, 37 герц и/или 60 герц) в пределах частотного содержимого электрической энергии.
[0021] Хотя раскрытие настоящего изобретения относится к движителям летательных аппаратов (например, энергетическим системам летательного аппарата, которые вырабатывают тягу и электрическую энергию), системы и способы, раскрытые в настоящем документе, также применимы к другим движительным системам, которые вырабатывают прямую тягу и электрическую энергию (например, двигателям внутреннего сгорания, морским энергетическим системам и движительным системам космических аппаратов).
[0022] На ФИГ. 1А показан вид сверху летательного аппарата в соответствии с вариантом реализации раскрытия настоящего изобретения. Летательный аппарат 50 по ФИГ. 1А включает в себя фюзеляж 170, крылья 172, горизонтальные стабилизаторы 174, движители 100А и 100 В летательных аппаратов и вертикальный стабилизатор 178. На летательном аппарате 50 есть различные средства управления и датчики. Например, летательный аппарат 50 содержит кабину 104 экипажа, в которой пилот может осуществлять ввод инструкций для работы летательного аппарата 50. Кабина 104 экипажа летательного аппарата 50 может включать в себя средства управления, которые могут управляться пилотом (пилотами) летательного аппарата 50 для выдачи инструкций, обеспечивающих работу летательного аппарата. Например, кабина 104 экипажа может включать в себя средство управления или средства управления, выполненные с возможностью управления работой движителей 100А и 100 В летательного аппарата. Кабина 104 экипажа также может включать в себя средства управления для определения конфигурации горизонтального стабилизатора или других аэродинамических устройств летательного аппарата 50, а также конфигурации вертикального стабилизатора.
[0023] Входные сигналы могут быть переданы в системный контроллер 108, который затем может выдавать выходные сигналы в различные системы летательного аппарата 50 (например, движители 100А и 100В летательного аппарата). Различные системы летательного аппарата 50 связаны с каналами 106 цифровой связи, которые обеспечивают передачу сигналов от одного компонента летательного аппарата 50 к одному или более другим компонентам. Каналы 106 цифровой связи могут, например, представлять собой схему проводной связи или систему беспроводной связи. Канал 106 цифровой связи может связывать различные компоненты с системным контроллером 108.
[0024] Системный контроллер 108 может включать в себя, например, одноядерный или многоядерный процессор или микропроцессор, микроконтроллер, логическое устройство, устройство обработки сигналов, запоминающее устройство для хранения исполняемых инструкций (например, программного обеспечения, прошивки или других инструкций) и/или любых элементов для выполнения любых различных операций, описанных в настоящем документе. В различных примерах системный контроллер 108 и/или связанные с ним операции могут быть реализованы в виде одного устройства или множества устройств (например, связанных с возможностью передачи данных посредством проводных или беспроводных соединений, таких как канал 106 цифровой связи), с тем чтобы совместно образовывать системный контроллер 108.
[0025] Системный контроллер 108 может включать в себя один или более запоминающих компонентов или устройств для хранения данных и информации. Запоминающее устройство может включать в себя энергозависимое и энергонезависимое запоминающее устройство. Примеры таких запоминающих устройств включают в себя запоминающие устройства RAM (Random Access Memory), ROM (Read-Only Memory), EEPROM (Electrically-Erasable Read-Only Memory), флэш-память или другие типы запоминающих устройств. В некоторых примерах системный контроллер 108 может быть выполнен с возможностью исполнения инструкций, сохраненных в запоминающем устройстве для реализации различных способов и процессов, описанных в настоящем документе, включая реализацию и исполнение алгоритмов управления при поступлении входных сигналов от датчиков и/или оператора (например, экипажа самолета).
[0026] Летательный аппарат 50, описанный на ФИГ. 1А, является примером и следует понимать, что в других вариантах реализации изобретения летательный аппарат 50 может включать в себя меньше компонентов или дополнительные компоненты (например, отсутствующие горизонтальные стабилизаторы, дополнительные стабилизаторы, дополнительные датчики и/или дополнительные контроллеры). Кроме того, идеи, описанные в настоящем документе, могут быть применимы для других летательных аппаратов, таких как вертолеты, беспилотные летательные аппараты и т.д.
[0027] На ФИГ. 1В показан перспективный вид движителя летательного аппарата в соответствии с вариантом реализации раскрытия настоящего изобретения. Движитель 100 летательного аппарата (например, движители 100А и 100В летательного аппарата, показанного на ФИГ. 1А) включает в себя гондолу 102 и силовую установку 136. В примере, показанном на ФИГ. 1В, гондола 102 содержит силовую установку 136 (связанную с зубчатой передачей 210, имеющую вращающийся вал, как показано на ФИГ. 2А) и другие компоненты движителя 100 летательного аппарата, используемые для получения тяги, однако в других примерах движителя летательного аппарата может быть такое размещение вентилятора, при котором он не содержится в гондоле (например, в конфигурации с турбовинтовым двигателем). Гондола 102 также может включать в себя одну или более частей, которые могут быть перемещены и/или удалены, с тем чтобы обеспечивать возможность доступа технического специалиста или другого персонала к внутренним компонентам движителя 100 летательного аппарата, например, для вставки и/или установки одного или более электрических компонентов (например, приборов) для мониторинга одного или более режимов движителя 100 летательного аппарата.
[0028] Силовая установка 136 включает в себя один или более вентиляторов, которые всасывают и/или сообщают энергию воздуху, поступающему в гондолу 102, например, в направлении 140А воздушного потока. Воздух, поступающий в гондолу 102 в направлении 140А воздушного потока, может проходить по различным внутренним путям потока внутри гондолы 102 и/или силовой установки 136. Силовая установка 136 может включать в себя один или более вентиляторов и одну или более камер сгорания и других компонентов, которые могут быть выполнены с возможностью доставки и/или сжигания топлива, подаваемого в камеры сгорания. Силовая установка 136 может создавать тягу для подачи энергии на летательный аппарат, с которым соединен движитель 100 летательного аппарата. В некоторых примерах работа силовой установки 136 может включать в себя вращение по меньшей мере определенных частей силовой установки 136. Силовая установка 136 может быть соединена с генератором переменной частоты и/или может включать в себя генератор переменной частоты. Вращательное движение силовой установки 136 посредством зубчатой передачи может быть использовано для вращения генератора переменной частоты движителя 100 летательного аппарата.
[0029] На ФИГ. 2А показан перспективный вид приведенной в качестве примера системы выработки электрической энергии движителем летательного аппарата с системой компенсации крутильных колебаний в соответствии с вариантом реализации раскрытия настоящего изобретения. ФИГ. 2А может включать в себя силовую установку 136, зубчатую передачу 210, генератор 212 переменной частоты, схему 214 возбуждения, компенсационную схему 222, электрические системы 218 летательного аппарата и контроллер 220 фильтра.
[0030] Силовая установка 136 может быть силовым агрегатом любого типа, например двигателем или силовой установкой движителя летательного аппарата. Соответственно, силовая установка 136 может представлять собой силовую установку на основе турбовентиляторного, турбовинтового, турбовального, винтовентиляторного, турбореактивного, роторно-поршневого, поршневого двигателя и/или двигателя другого типа. Силовая установка 136 соединена с генератором 212 переменной частоты посредством зубчатой передачи 210. В некоторых примерах зубчатая передача 210 может являться зубчатой передачей прямого привода, а другие примеры могут включать в себя другие типы зубчатых передач.
[0031] Во время работы движителя 100 летательного аппарата, один или более компонентов (например, выходной вал) силовой установки 136 вращают зубчатую передачу 210, и зубчатая передача 210 затем вращает генератор 212 переменной частоты. Когда схема 214 возбуждения принимает сигнал возбуждения, схема 214 возбуждения вырабатывает электромагнитные волны, которые взаимодействуют с обмоткой генератора 212 переменной частоты для получения электрической энергии 232, которая может быть использована для питания систем летательного аппарата. По меньшей мере часть вырабатываемой электрической энергии 232 также может быть использована для последующего питания схемы 214 возбуждения в виде сигнала 230 возбуждения и, таким образом, образования контура обратной связи, который включает в себя по меньшей мере генератор 212 переменной частоты и схему 214 возбуждения.
[0032] Зубчатая передача 210 может представлять собой зубчатую передачу, которая имеет низкий коэффициент демпфирования. В некоторых примерах зубчатая передача 210 может быть зубчатой передачей прямого привода. В некоторых примерах работа зубчатой передачи 210 может приводить к режиму предельного цикла на одной или более резонансных частотах.
[0033] Поскольку зубчатая передача 210 может быть непосредственно соединена с генератором 212 переменной частоты, такой резонанс и/или режим предельного цикла могут ухудшать качество электрической энергии 232, вырабатываемой генератором 212 переменной частоты, вследствие выработки электрической энергии, которая включает в себя некоторые нежелательные составляющие (например, нежелательные частотные составляющие). Ухудшенное качество электрической энергии может быть компенсировано и/или сведено к минимуму использованием компенсационной схемы 222. Кроме того, компенсационная схема 222 может сводить к минимуму и/или предотвращать усиление резонанса.
[0034] Компенсационная схема 222 может включать в себя по меньшей мере регулятор 216 напряжения и контроллер 220 фильтра. В некоторых таких примерах компенсационная схема 222 может регулировать сигнал 230 возбуждения, подаваемый в схему 214 возбуждения, так что схема 214 возбуждения взаимодействует с генератором 212 переменной частоты для эффективной фильтрации узкополосным заграждающим фильтром электрической энергии 232, вырабатываемой генератором 212 переменной частоты. Компенсационная схема 222 может регулировать сигнал 230 возбуждения посредством, например, применения разностного уравнения к сигналу 230 возбуждения для ослабления некоторой частоты составляющих сигнала 230 возбуждения. Например, в некоторых примерах электрическая энергия 232, вырабатываемая генератором 212 переменной частоты, может быть представлена в виде сложного волнового сигнала, который включает в себя составляющие на множестве частот. По меньшей мере одна из этих составляющих (например, составляющая на определенной частоте) может возникать в результате режима предельного цикла зубчатой передачи 210 и/или может быть усилена этим режимом предельного цикла зубчатой передачи 210 и может быть нежелательной. В некоторых примерах компенсационной схемы 222 подают компенсационный сигнал в виде отрицательного волнового сигнала на частоте нежелательной составляющей для устранения или уменьшения нежелательной составляющей электрической энергии.
[0035] Соответственно, компенсационная схема 222 может быть выполнена с возможностью ослабления (например, демпфирования посредством уменьшения или фильтрации) определенной частоты составляющих сигнала 230 возбуждения (например, частоты, которая может возникать вследствие резонанса и/или режима предельного цикла в зубчатой передаче 210 и/или генераторе 212 переменной частоты). Частота и/или частотный диапазон могут соответствовать собственной частоте зубчатой передачи 210 и/или генератора 212 переменной частоты и/или включать в себя такую собственную частоту. Неограничивающие примеры таких частот включают в себя 25 герц, 34 герц, 37 герц и 60 герц, однако такая частота и/или такой частотный диапазон могут включать в себя и другие частоты. На такие частоты может оказывать влияние конструкция зубчатой передачи 210 и/или генератора 212 переменной частоты, например количество зубьев, масса зубчатых колес, количество зубчатых колес, ориентация зубчатых колес, конструкция подшипников, вес, конфигурация и/или размеры компонентов зубчатой передачи 210 и/или генератора 212 переменной частоты и/или другие такие факторы.
[0036] Хотя в настоящем примере описывается использование эффективной фильтрации компенсационной схемой 222 с узкополосным заграждающим фильтром, в других примерах может быть использован фактический узкополосный заграждающий фильтр, который может быть выполнен с возможностью фильтрации определенных частот сигнала возбуждения, и затем такой отрегулированный сигнал возбуждения может быть подан в компенсационную схему 222.
[0037] В иллюстративном примере зубчатая передача 210 и/или генератор 212 переменной частоты могут оказаться в режиме предельного цикла, который приводит к крутильным колебаниям. Крутильные колебания могут возникать на частоте от 1 до 1000 герц (например, 25 герц, 34 герц, 37 герц и/или 60 герц). Сигнал 230 возбуждения может использовать и/или быть основан на электрической энергии 232, вырабатываемой генератором 212 переменной частоты. Компенсационная схема 222 может быть выполнена с возможностью регулировки и/или ослабления части сигнала 230 возбуждения, подаваемого для управления схемой 214 возбуждения, для компенсации такого режима предельного цикла (например, посредством фильтрования составляющих электрической энергии на такой частоте перед подачей сигнала 230 возбуждения для питания схемы 214 возбуждения). Компенсационная схема 222 соответственно фильтрует и/или сводит к минимуму составляющие на такой частоте (например, 34 герц) и таким образом уменьшает составляющую сигнала 230 возбуждения, находящуюся на частоте 34 герц, подаваемого в схему 214 возбуждения. При запитывании схемы 214 возбуждения таким фильтрованным и/или отрегулированным сигналом 230 возбуждения может быть улучшено качество энергии, вырабатываемой генератором 212 переменной частоты. Кроме того, магнитное поле, создаваемое схемой 214 возбуждения, питаемой таким фильтрованным сигналом 230 возбуждения может взаимодействовать с генератором 212 переменной частоты таким образом, чтобы предотвратить усиление предельного цикла в зубчатой передаче 210 и/или генераторе 212 переменной частоты.
[0038] Электрические системы 218 летательного аппарата могут включать в себя любую электрическую систему летательного аппарата, включая батареи, приборы, огни, салонные системы и/или другие системы. В некоторых примерах летательный аппарат может сохранять по меньшей мере часть электрической энергии, вырабатываемой генератором 212 переменной частоты, однако в других примерах может использоваться вся электроэнергия, вырабатываемая генератором 212 переменной частоты, для питания систем летательного аппарата. Кроме того, электрические системы 218 летательного аппарата в некоторых других примерах могут принимать электрическую энергию от генератора 212 переменной частоты через схему, выполненную отдельно от схемы, которая передает электрическую энергию 232 через компенсационную схему 222. Такие примеры могут принимать электроэнергию непосредственно от генератора 212 переменной частоты и/или принимать электроэнергию от генератора 212 переменной частоты, которая была профильтрована другими фильтрами.
[0039] Контроллер 220 фильтра может включать в себя, например, одноядерный или многоядерный процессор или микропроцессор 226, микроконтроллер, логическое устройство, устройство обработки сигналов, запоминающее устройство 224 для хранения исполняемых инструкций (например, программного обеспечения, прошивки или других инструкций) и/или любых элементов для выполнения любых различных операций, описанных в настоящем документе. В различных примерах контроллер 220 фильтра и/или связанные с ним операции могут быть реализованы в виде одного устройства или множества устройств (например, связанных с возможностью передачи данных посредством проводных или беспроводных соединений), с тем чтобы совместно образовывать контроллер 220 фильтра.
[0040] Контроллер 220 фильтра может включать в себя один или более запоминающих компонентов или устройств для хранения данных и информации, которые совместно образуют запоминающее устройство 224. Запоминающее устройство 224 может включать в себя энергозависимое и энергонезависимое запоминающее устройство. Примеры таких запоминающих устройств включают в себя запоминающие устройства RAM (Random Access Memory), ROM (Read-Only Memory), EEPROM (Electrically-Erasable Read-Only Memory), флэш-память или другие типы запоминающих устройств. В некоторых примерах контроллер 220 фильтра может быть выполнен с возможностью исполнения инструкций, сохраненных в запоминающем устройстве 224 для реализации различных способов и процессов, описанных в настоящем документе, включая реализацию и исполнение алгоритмов управления при поступлении входных сигналов от датчиков и/или оператора (например, экипажа самолета), а также хранения характеристик, связанных с зубчатой передачей 210 и/или генератором 212 переменной частоты.
[0041] В некоторых примерах компенсационная схема 222 может быть выполнена с возможностью фильтрации заданной частоты и/или заданного диапазона частот сигнала 230 возбуждения. Другие примеры компенсационной схемы 222 могут быть выполнены с возможностью определения частоты режима предельного цикла зубчатой передачи 210 и/или генератора 212 переменной частоты. Например, летательный аппарат может включать в себя один или более датчиков, которые могут обнаруживать крутильные колебания зубчатой передачи 210 и/или генератора 212 переменной частоты. Контроллер 220 фильтра затем может определять частоту, приводящую к режиму предельного цикла и/или частоту для фильтрации электрической энергии, с тем чтобы компенсировать режим предельного цикла. Например, контроллер 220 фильтра может быть выполнен с возможностью вызвать фильтрацию компенсационной схемой 222 определенных частот сигнала 230 возбуждения и может быть изменен во время работы для фильтрации различных частот сигнала 230 возбуждения. Контроллер 220 фильтра может, при обнаружении крутильных колебаний зубчатой передачи 210 и/или генератора 212 переменной частоты, указывающих на предельный цикл, выполнять циклическую обработку посредством фильтрации различных частот и отмечать отфильтрованные частоты, которые устраняют предельный цикл. Фильтрация на таких частотах компенсационной схемой 222 может затем поддерживаться.
[0042] В некоторых примерах контроллер 220 фильтра может определять фазу и амплитуду крутильных колебаний зубчатой передачи 210. После определения фазы и амплитуды контроллер 220 фильтра может определять регулировку сигнала 230 возбуждения на основании характеристик генератора 212 переменной частоты и характеристик крутильных колебаний. Сигнал 230 возбуждения может быть отрегулирован так, что когда отрегулированный сигнал 230 возбуждения подают в схему 214 возбуждения, создаваемое магнитное поле взаимодействует с генератором 212 переменной частоты, так что генератор 212 переменной частоты вырабатывает электрическую энергию 232, которая не содержит частотных составляющих, возникающих в результате крутильных колебаний. В некоторых таких примерах контроллер 220 фильтра может изменять фазу генератора 212 переменной частоты в качестве реакции на крутильные колебания.
[0043] На ФИГ. 2В показана структурная схема компенсационной схемы 222 в соответствии с вариантом реализации раскрытия настоящего изобретения. На ФИГ. 2 В компенсационная схема 222 включает в себя регулятор 216 напряжения, двухступенчатый регулятор напряжения и контроллер 220 фильтра.
CMD
EFF
[0044] На первой ступени регулятора сравнивают управляющее напряжение с измеряемым напряжением. Управляющее напряжение (V на ФИГ. 2 В) является целевым напряжением для обеспечения работы летательного аппарата (например, 270 вольт или любое другое напряжение). Управляющее напряжение может быть принято, например, от контроллера 220 фильтра. Измеряемое напряжение (V на ФИГ. 2 В, также называемое "напряжением на зажимах" генератора 212 переменной частоты) изменяют с учетом управляющего напряжения, и после изменения электрическую энергию (например, выход 228), имеющую первоначально отрегулированное напряжение (например, результат корректировки измеряемого напряжения управляющим напряжением), подают на первую ступень регулятора. В некоторых примерах измеряемое напряжение может быть измерено в качестве выхода от генератора 212 переменной частоты. В некоторых таких примерах измеряемое напряжение может составлять приблизительно 270 вольт для генератора переменной частоты переменного тока (например, трехфазного генератора переменной частоты переменного тока).
ex
ex
ex
[0045] Регулятор на первой ступени может корректировать измеряемое напряжение для получения управляющего напряжения с использованием регулятора любого типа. Примеры таких регуляторов включают в себя регулятор, выполненный с возможностью регулирования одного или более напряжения переменного тока и/или постоянного тока, напряжения электронного регулятора, такого как резистор, соединенный последовательно с одним или более диодами, регулятор напряжения схемы с обратной связью, электромеханический регулятор, статический ШИМ-регулятор напряжения, регулятор постоянного напряжения, автоматический регулятор напряжения, стабилизатор напряжения постоянного тока, активный регулятор, ограничитель напряжения, решающее устройство и/или регулятор напряжения другого типа. Первоначально отрегулированное напряжение принимают второй ступенью регулятора, где его суммируют или изменяют с учетом тока I возбуждения (например, тока, подаваемого в схему 214 возбуждения) для выдачи электрической энергии, имеющей дополнительно отрегулированное выходное напряжение, и добавленного тока. В некоторых примерах ток I возбуждения является возмущающим входом, а вторая ступень регулятора выполнена с возможностью регулировки влияния тока I возбуждения. После этого дополнительно отрегулированное выходное напряжение и добавленный ток подают в контроллер 220 фильтра.
[0046] В некоторых примерах регулятор 216 напряжения может также выполнять преобразование Парка и Кларка (direct-quadrature-zero transformation), так что напряжение переменного тока от генератора 212 переменной частоты преобразуется в постоянный ток перед выдачей его в схему 214 возбуждения. Таким образом, схема 214 возбуждения в таких примерах может быть выполнена с возможностью запитывания постоянным током. Как описано, регулятор 216 напряжения является системой управления с одним входом и одним выходом. Другие примеры могут включать в себя регуляторы напряжения систем управления других типов.
[0047] Контроллер 220 фильтра может принимать дополнительно отрегулированное выходное напряжение и добавленный ток от регулятора 216 напряжения и ослаблять часть этого (например, часть электрической энергии, связанную с ней составляющей электрической энергии, связанной с собственной частотой зубчатой передачи 210 и/или генератора 212 переменной частоты) посредством подачи компенсационного сигнала. Подача компенсационного сигнала может, таким образом, предотвращать или сводить к минимуму составляющие электрической энергии на частотах, которые могут соответствовать собственным частотам зубчатой передачи 210 и/или генератора 212 переменной частоты, вырабатываемых генератором 212 переменной частоты. Таким образом предотвращается и/или сводится к минимуму усиление любых предельных циклов схемы 214 возбуждения на таких частотах. Хотя на ФИГ. 2В показан контроллер 220 фильтра, размещенный после регулятора 216 напряжения, в других примерах контроллер 220 фильтра может быть размещен в других местоположениях (например, в зависимости от конфигурации и требований таких примеров), например, между ступенями регулятора 216 напряжения и/или перед регулятором 216 напряжения. После этого контроллер 220 фильтра может выводить отрегулированный сигнал 230 возбуждения по меньшей мере в схему 214 возбуждения.
[0048] На ФИГ. 2С показана структурная схема приведенной в качестве примера системы выработки электрической энергии движителем летательного аппарата в соответствии с вариантом реализации раскрытия настоящего изобретения. ФИГ. 2С включает в себя силовую установку 136, зубчатую передачу 210, генератор 212 переменной частоты и схему 214 возбуждения по ФИГ. 2А. На ФИГ. 2С, схема 214 возбуждения дополнительно включает в себя возбудитель 250 и обмотку 252 возбуждения. Возбудитель 250 может принимать сигнал 230 возбуждения от компенсационной схемы 222 (не показано на ФИГ. 2С, но показано на ФИГ. 2А) и затем может запитывать обмотку 252 возбуждения. Генератор 212 переменной частоты включает в себя статор 240 и ротор 242. Генератор 212 переменной частоты и схема 214 возбуждения по ФИГ. 2С показаны только в целях иллюстрации. Соответственно, другие примеры могут включать в себя больше, меньше компонентов или другие компоненты и/или могут включать размещение компонентов в отличающихся конфигурациях.
[0049] В некоторых примерах схема 214 возбуждения управляется сигналом 230 возбуждения, принимаемым от компенсационной схемы 222. Компенсационная схема 222 может принимать электрическую энергию 232 от генератора 212 переменной частоты. В некоторых примерах может быть необходим прием схемой 214 возбуждения "чистой" электрической энергии на необходимой частоте. Электрическая энергия 232, принимаемая от генератора 212 переменной частоты, может включать в себя некоторые нежелательные составляющие электрической энергии (например, составляющие на некоторых частотах, отличных от необходимой частоты), например составляющие, получаемые вследствие крутильных колебаний зубчатой передачи 210 и/или генератора 212 переменной частоты. Например, зубчатая передача 210 может оказаться в режиме предельного цикла с частотой 34 Гц, и, таким образом, электрическая энергия 232, вырабатываемая генератором 212 переменной частоты, может включать в себя нежелательную составляющую на частоте 34 Гц. Компенсационная схема 222 может фильтровать по меньшей мере составляющую электрической энергии 232 на частоте 34 Гц для "очистки" электрической энергии перед подачей отрегулированного сигнала 230 возбуждения на основании электрической энергии 232 в схему 214 возбуждения. Когда схема 214 возбуждения взаимодействует с генератором 212 переменной частоты для получения электроэнергии, питание схемы 214 возбуждения отрегулированным сигналом 232 возбуждения может привести к повышению качества электроэнергии, вырабатываемой генератором 212 переменной частоты.
[0050] На ФИГ. 3 показана подробная структурная схема способа 300 уменьшения влияния крутильных колебаний на выработку электрической энергии в соответствии с вариантом реализации раскрытия настоящего изобретения. Способ 300, описанный на ФИГ. 3, может быть реализован силовым агрегатом, таким как движитель 100 летательного аппарата, который включает в себя регулятор 216 напряжения.
[0051] В блоке 302 зубчатую передачу 210 соединяют с генератором 212 переменной частоты. В некоторых примерах зубчатая передача 210 может являться зубчатой передачей прямого привода. Блок 302 может быть реализован во время, например, изготовления движителя 100 летательного аппарата, изготовления летательного аппарата 50, технического обслуживания движителя 100 летательного аппарата или в другой период времени.
[0052] В блоке 304 движитель 100 летательного аппарата совершает работу. Например, силовая установка 136 движителя 100 летательного аппарата может работать так, что она проворачивает один или более выходных валов, соединенных с зубчатой передачей 210. Зубчатая передача 210 проворачивает генератор 212 переменной частоты.
[0053] В блоке 306 электрическую энергию 232 вырабатывают посредством проворачивания генератора 212 переменной частоты с подачей питания на схему 214 возбуждения. Питание схемы 214 возбуждения, когда генератор 212 переменной частоты выполняет проворачивания, приводит к созданию магнитного поля. Обмотка вращающегося генератора 212 переменной частоты взаимодействует с магнитным полем, создаваемым схемой 214 возбуждения для получения электрической энергии. Часть электроэнергии, вырабатываемой генератором 212 переменной частоты, затем подают для питания электрических систем летательного аппарата в блоке 312, а другую часть электроэнергии подают на компенсационную схему 222. Компенсационная схема 222 может вырабатывать и/или регулировать сигнал 230 возбуждения, который запитывает схему 214 возбуждения, как подробно описано в блоках 308 и 310. Сигнал 230 возбуждения может быть основан на электрической энергии 232, вырабатываемой генератором 212 переменной частоты.
[0054] В блоке 308 компенсационная схема 222 вырабатывает и/или регулирует сигнал 230 возбуждения. Компенсационная схема 222 может регулировать сигнал 230 возбуждения посредством подачи компенсационного сигнала (например, обратного волнового сигнала) для уменьшения и/или удаления нежелательной составляющей в принимаемой электрической энергии. Другие примеры могут включать в себя физический узкополосный заграждающий фильтр. Отрегулированный сигнал 230 возбуждения может быть подан в схему 214 возбуждения в блоке 310.
[0055] Частоты, подлежащие фильтрации, могут быть определены в блоке 314. В некоторых примерах характеристики зубчатой передачи 210 и/или генератора 212 переменной частоты могут быть смоделированы и/или определены при проектировании и/или испытании движителя 100 летательного аппарата. Например, хотя зубчатая передача 210 и/или генератор 212 переменной частоты могут быть выполнены с возможностью работы при множестве различных скоростей вращения, крутильные колебания зубчатой передачи 210 и/или генератора 212 переменной частоты могут возникать на некоторых или всех таких скоростях вращения. Крутильные колебания могут быть колебаниями на установленной частоте (например, 25 Гц, 34 Гц, 37 Гц или 68 Гц), и частота такого колебания может не зависеть от скорости вращения зубчатой передачи 210 и/или генератора 212 переменной частоты. Моделирование и/или испытание движителя 100 летательного аппарата могут определять такие частоты колебаний.
[0056] В других примерах такие частоты колебаний могут быть определены во время стендовых испытаний и/или работы движителя 100 летательного аппарата. Например, компенсационная схема 222 может включать в себя полосовой фильтр. Во время пуска и/или работы движителя 100 летательного аппарата, полосовой фильтр может выборочно пропускать некоторые частоты или частотные диапазоны сигнала 230 возбуждения, а контроллер 220 фильтра может определять режим предельного цикла, возникающего вследствие пропуска таких частот или частотных диапазонов. Поскольку требуется время для того, чтобы обнаружить режим предельного цикла, каждая такая частота или каждый частотный диапазон может пропускаться в течение определенного периода времени.
[0057] Если в течение этого периода времени режим предельного цикла не обнаруживается, может быть определено, что такая частота или такой частотный диапазон не вызывают режима предельного цикла, и, соответственно, фильтрация узкополосным заграждающим фильтром не требуется. После этого может быть обеспечена возможность пропуска полосовым фильтром другой частоты и/или другого частотного диапазона для обнаружения режима предельного цикла.
[0058] Если режим предельного цикла обнаруживается, может быть определено, что такая частота и/или такой частотный диапазон вызывают режим предельного цикл, и в результате конфигурация компенсационной схемы 222 может быть настороена на фильтрацию и/или ослабление (например, посредством узкополосного заграждающего фильтра) частоты и/или частотного диапазона, на которой и/или в котором был обнаружен режим предельного цикла. После этого может быть обеспечена возможность пропуска полосовым фильтром другой частоты и/или другого частотного диапазона.
[0059] В приведенном в качестве примера варианте реализации способа 300, описанного на ФИГ. 3, зубчатая передача 210 движителя 100 летательного аппарата может быть соединена с генератором 212 переменной частоты в блоке 302. В блоке 304 после полной сборки летательного аппарата 50, содержащего движитель 100 летательного аппарата, летательный аппарат 50 может эксплуатироваться в блоке 304 посредством подачи питания на движитель 100 летательного аппарата.
[0060] Когда внутренний контур 136 движителя 100 летательного аппарата вращает зубчатую передачу 210, которая в свою очередь вращает генератор 212 переменной частоты, схема 214 возбуждения получает питание и вырабатывает магнитное поле, которое может взаимодействовать с обмоткой генератора 212 переменной частоты для выработки электрической энергии в блоке 304. Электрическая система летательного аппарата 50 может быть запитана вырабатываемой электрической энергией 232. Электрическая энергия 232, вырабатываемая генератором 212 переменной частоты, также может быть использована для питания схемы 214 возбуждения.
[0061] Кроме того, зубчатая передача 210 может оказываться в режиме предельного цикла вследствие недостаточного демпфирования зубчатой передачи 210. Режим предельного цикла может относиться к крутильным колебаниям зубчатой передачи 210. Крутильные колебания могут быть колебаниями на некоторых конкретных частотах, и частоты таких колебаний могут не зависеть от скорости вращения зубчатой передачи 210. Таким образом, хотя скорость вращения зубчатой передачи 210 может ускоряться или замедляться, зубчатая передача 210 может продолжать колебаться на таких частотах. Такие крутильные колебания могут проявляться в вырабатываемой электрической энергии 232 в виде нежелательной составляющей электрической энергии. Нежелательная составляющая электрической энергии 232 может быть составляющей электрической энергии 232 на определенной частоте (например, 34 Гц). В некоторых примерах нежелательная составляющая электрической энергии 232 может проявляться в виде максимальной амплитуды некоторых составляющих электрической энергии 232 (например, составляющих на некоторых частотах). Соответственно, режим предельного цикла может приводить к ухудшению качества энергии, вырабатываемой генератором 212 переменной частоты.
[0062] Характеристики такого режима предельного цикла могут быть определены во время проектирования движителя 100 летательного аппарата, перед изготовлением и эксплуатацией движителя 100 летательного аппарата, в блоке 314. Соответственно, во время проектирования движителя 100 летательного аппарата могут быть смоделированы системные характеристики движителя 100 летательного аппарата для определения частоты нежелательной составляющей электрической энергии 232 вследствие крутильных колебаний зубчатой передачи 210. Когда сигнал 230 возбуждения основан на электрической энергии 232, компенсационную схему 222 конфигурируют так, что она вырабатывает компенсационный сигнал для регулировки сигнала 230 возбуждения, с тем чтобы ослабить нежелательные составляющие электрической энергии.
[0063] Отрегулированный сигнал 230 возбуждения вырабатывают в блоке 308. Такой отрегулированный сигнал 230 возбуждения может быть подан в схему 214 возбуждения в блоке 310. Таким образом, сигнал 230 возбуждения, принимаемый схемой 214 возбуждения, может представлять собой сигнал 230 возбуждения с отфильтрованными нежелательными составляющими. Когда схема 214 возбуждения запитана таким отрегулированным сигналом 230 возбуждения, качество электрической энергии 232, вырабатываемой генератором 212 переменной частоты, может быть улучшено. Таким образом, качество электрической энергии 232, вырабатываемой в блоке 306, может быть улучшено.
[0064] На ФИГ. 4 показан смоделированный режим системы выработки электрической энергии движителем летательного аппарата без системы компенсации крутильных колебаний. На ФИГ. 5 показан смоделированный режим движителя летательного аппарата с системой компенсации крутильных колебаний в соответствии с раскрытием настоящего изобретения. На ФИГ. 4 и 5 показана модель работы движителя летательного аппарата, работающего без узкополосного заграждающего фильтра, по сравнению с моделью работы движителя летательного аппарата с узкополосным заграждающим фильтром.
E
E
EGEN
EEX
[0065] На ФИГ. 4 и 5 верхний график иллюстрирует величину T, которая показывает искажение крутящего момента на зубчатой передаче 210 в результате воздействия силовой установки 136, как показано на ФИГ. 2А. В этом неограничивающем примере T представляет собой импульс, который представлен в виде нормализованного сигнала, которые в начале имеет максимальную интенсивность, падающую затем до величины приблизительно 5% (0,05) от максимального значения. Средний график иллюстрирует величину T, которая показывает крутящий момент от генератора 212 переменной частоты по ФИГ. 2А. Нижний график иллюстрирует величину T, которая показывает крутящий момент возбудителя от схемы 214 возбуждения по ФИГ. 2А. На осях x всех таких графиков обозначено время в секундах.
[0066] На ФИГ. 4 показана характеристика движителя летательного аппарата, работающего без системы компенсации крутильных колебаний. Как показано на нижнем графике по ФИГ. 4, имеет место резонанс крутящего момента возбудителя, возникающий вследствие режима предельного цикла зубчатой передачи 210 движителя летательного аппарата, возникающего вследствие взаимодействия между магнитным полем, создаваемым схемой 214 возбуждения, и резонирующей зубчатой передачей 210, влияющей на вращение генератора 212 переменной частоты. Между приблизительно 7 и 8 секундами количество электрической энергии, получаемой генератором 212 переменной частоты, изменяется, что приводит к перерыву в получении электрической энергии, приводящему к отсутствию резонанса крутящего момента возбудителя, как показано на нижнем графике. Затем, после возобновления получения электрической энергии генератором 212 переменной частоты резонанс крутящего момента возбудителя восстанавливается.
EEX
[0067] Модель на ФИГ. 5 отличается от модели на ФИГ. 4 компенсационной схемы 222, которая по существу выполняет фильтрацию узкополосным заграждающим фильтром сигнала 230 возбуждения, имеющимся в модели для регулировки электроэнергии, вырабатываемого генератором 212 переменной частоты. Как показано на ФИГ. 5, нижний график (T) иллюстрирует, что резонанс, представленный на ФИГ. 4, уменьшается вследствие компенсационной схемы 222 несмотря на то, что генератор 212 переменной частоты вырабатывает то же количество электроэнергии в тех же самые моменты времени, что и на ФИГ. 4.
[0068] Как описано в настоящем документе и показано на ФИГ. 4 и 5, система компенсации крутильных колебаний использует компенсационную схему 222 для эффективной фильтрации (например, узкополосным заграждающим фильтром) составляющих электрической энергии, вырабатываемых генератором переменной частоты и выдаваемых в качестве сигнала возбуждения. Регулировка сигнала возбуждения таким образом предотвращает и/или уменьшает обратную связь, вызываемую усилением крутильных колебаний зубчатой передачи и/или генератора переменной частоты, и, таким образом, приводит к увеличению срока службы электрических компонентов, уменьшению требований к техническому обслуживанию и/или улучшению качества электроэнергии, вырабатываемой генератором переменной частоты.
[0069] Примеры, описанные выше, иллюстрируют настоящее изобретение, но не ограничивают его. Также следует понимать, что возможно множество модификаций и вариаций в соответствии с принципами настоящего изобретения. Соответственно, объем изобретения задан только последующей формулой изобретения.