Способ синхронизации и обеспечения симметрии тяги воздушных винтов силовой установки летательного аппарата и электрическая синхронизирующая трансмиссия для его реализации
METHOD OF SYNCHRONIZATION AND PROVISION OF SYMMETRY OF PROPELLERS THRUST OF AIRCRAFT POWER PLANT AND ELECTRIC SYNCHRONIZING TRANSMISSION FOR ITS REALIZATION

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к силовой установке летательных аппаратов.
Известно, что для современных самолетов, имеющих силовую установку с количеством двигателей больше одного и размещенных на крыле симметрично относительно фюзеляжа, существует проблема обеспечения безопасности полета в случае отказа одного или более двигателей. Наиболее критичен такой отказ на режимах взлета и посадки для самолетов с турбовинтовыми двигателями, а также для конвертируемых летательных аппаратов-конвертопланов, имеющих силовую установку с несколькими поворотными винтами. В случае отказа одного двигателя на самолете с двумя (Бе-30, Л-410, АН-24, ATR-42) или четырьмя (Ил-18, Ан-12, Ан-70) турбовинтовыми двигателями, возникает значительная асимметрия тяги винтов по курсу, которую приходится компенсировать рулем направления, и подъемной силы в поперечной плоскости, из-за уменьшения обдувки крыла за отказавшим двигателем, при этом крен приходится компенсировать с помощью элеронов и интерцепторов. Ситуация с отказом двигателя на самолетах с несколькими ТВД неоднократно приводила к катастрофам.
Известен самолет местных авиалиний Бе-30 (Самолеты и вертолеты СССР. 1966-1991 гг. Редакторы-составители К.Ю. Косминков, Д.А. Соболев. – М.: Русское авиационное общество (РУСАВИА), 2007), для силовой установки которого была разработана механическая синхронизирующая трансмиссия, фиг. 1, содержащая трансмиссионный вал; коробку приводов в левом и правом исполнениях; опоры вала с подшипниками; шлицевую муфту; шарнирные муфты.
Основным преимуществом системы механической синхронизации является возможность мгновенной передачи крутящего момента от одного двигателя к другому, что исключает необходимость парирования моментов по крену и курсу в случае отказа двигателя при взлете.
Однако такая система обладает и существенным недостатком. Большое количество элементов механической передачи ставит вопрос о необходимости расчета надежности данной системы. Ее эффективность может быть доказана только в случае, если вероятность ее безотказной работы будет существенно превышать вероятность отказа одного двигателя.
В случае разрушения любого из элементов кинематической цепочки синхронизация выходит из строя, при этом сохраняется возможность работы обоих двигателей, как при отсутствии синхронизации. Однако, в случае заклинивания одного из элементов, может быть заблокированы оба воздушных винта, что является более серьезным последствием, нежели отказ одного двигателя.
Еще более критичен отказ двигателя на конвертоплане с двумя подъемно-маршевыми винтами. Даже небольшая потеря тяги на одном винте при поперечной схеме их расположения приводит к крену и опрокидыванию аппарата. Вследствие этого, современные конвертопланы с поперечным расположением винтов (V-22 «Osprey», пресс-релиз - http://www.boeing.com/defense/v-22-osprey/, AW 609, пресс-релиз - http://www.finmeccanica.com/en/product-services/elicotteri_helicopters/aw609) имеют механическую синхронизирующую трансмиссию, обеспечивающую в случае отказа одного из двигателей передачу вращающего момента и мощности от другого, не отказавшего двигателя, что позволяет сохранить устойчивость и управляемость, а также возможность совершить аварийную посадку. Такие летательные аппараты должны иметь запас по мощности двигателей в случае отказа при взлете. В патенте США US 7866598 В2, МПК B64C 35/00, 2011 г. отражена конструкция силовой установки двухвинтового конвертоплана поперечной схемы с механической синхронизирующей трансмиссией.
В основе всех описанных выше конструкций лежит принцип передачи мощности и крутящего момента от одного вала воздушного винта к другому посредством длинного трансмиссионного вала, проходящего вдоль конструкции крыла, и нескольких редукторов, изменяющих направление передачи. При условии значительных деформаций крыла в полете, а также аэроупругих колебаний конструктивно сложно обеспечить надежную работу механической трансмиссии. Для поддержки вала требуются подшипниковые опоры, для компенсации его деформации - муфты и шарниры. При значительном количестве таких элементов общая надежность системы складывается из их суммарной надежности.
Известен способ полета вертолета в случае отказа двигателей силовой установки (патент RU 2333866 С2, МПК В64С 27/04 от 30.08.2006). Данный способ заключается в использовании вспомогательного пневматического устройства с баллоном высокого давления, в который закачан сжатый воздух. В случае отказа и отключения основного двигателя (двигателей) сопловое устройство, работающее в режиме пневматического двигателя, через специальный вал и трансмиссию приводит во вращение основной воздушный винт вертолета. Работа данного устройства целесообразна для обеспечения безопасности полета вертолета при отказе двигателей на этапе авторотационного планирующего спуска, для уменьшения вертикальной скорости снижения. Данный способ интересен для вертолетов и конвертопланов, но его недостатком является кратковременность работы пневмодвигателя и неэффективность аккумулирования энергии в баллоне высокого давления, что позволяет только снизить вертикальную скорость при посадке в случае аварийного отказа основного двигателя.
На фоне актуальности вопроса синхронизации работы винтомоторных групп силовых установок самолетов и конвертопланов весьма привлекательной выглядит идея реализации синхронизирующей электрической трансмиссии.
Задачей и техническим результатом является разработка способа синхронизации и обеспечения симметрии тяги воздушных винтов силовой установки летательных аппаратов и электрической синхронизирующей трансмиссии, реализующей способ, позволяющих повысить безопасность полета и уменьшить взлетную дистанцию летательного аппарата.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в способе синхронизации и обеспечения симметрии тяги воздушных винтов силовой установки летательных аппаратов, заключающемся в том, что в случае отказа одного из двигателей, являющихся двигателями внутреннего сгорания, отсоединяют неработающий двигатель от воздушного винта и передают мощность и крутящий момент от работающего двигателя к воздушному винту неработающего двигателя в размере 35-65% от максимальной мощности работающего двигателя с помощью электрической энергии переменного или постоянного тока.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в электрической синхронизирующей трансмиссии силовой установки летательного аппарата с четным количеством винтомоторных групп, расположенных на крыле или пилоне в равном количестве по обе стороны от продольной оси фюзеляжа, каждая винтомоторная группа кроме основного двигателя содержит дополнительно мотор-генератор, соединенный с воздушным винтом, а каждый основной двигатель соединен с воздушным винтом через устройство, позволяющее его отключить от привода винта в случае его отказа, также трансмиссия содержит датчик отказа и блок управления, мотор-генераторы обеих винтомоторных групп соединены проводами переменного трехфазного тока через контроллер загрузки. Устройством, позволяющим отключать основной двигатель от привода винта в случае его отказа, является муфта свободного хода.
Решение задачи и технический результат также достигаются тем, что в электрической синхронизирующей трансмиссии силовой установки летательного аппарата с четным количеством винтомоторных групп, расположенных на крыле или пилоне в равном количестве по обе стороны от продольной оси фюзеляжа, каждая винтомоторная группа кроме основного двигателя содержит дополнительно мотор-генератор, соединенный с воздушным винтом, а каждый основной двигатель соединен с воздушным винтом через устройство, позволяющее его отключить от привода винта в случае его отказа, также трансмиссия содержит датчик отказа, блок управления, контроллеры-преобразователи, блок распределения энергии, дополнительный источник постоянного тока.
Устройством, позволяющим отключать основной двигатель от привода винта в случае его отказа, является муфта свободного хода.
Фиг. 1 - синхронизирующая трансмиссия самолета Бе-30.
Фиг. 2 - вариант синхронизирующей электрической трансмиссии с прямой передачей переменного тока.
Фиг. 3 - вариант синхронизирующей электрической трансмиссии с расположением мотор-генератора на соединяющем валу.
Фиг. 4 - синхронизирующая электрическая трансмиссия с преобразованием электроэнергии в постоянный ток с дополнительным источником энергии.
Основной смысл изобретения заключается в передаче механической энергии от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) к движителю (колесо, воздушный винт) посредством преобразования ее в электрическую энергию и затем снова в механическую с помощью электродвигателя. Такая схема реализуется с целью избежать сложной механической передачи с большим передаточным соотношением на большое расстояние. Также весьма привлекательна возможность управления работой движителя (винта, колеса) посредством управления электродвигателя, что проще и эффективней, чем управление ДВС.
На фиг. 2 - схема первого варианта синхронизирующей электрической трансмиссии с прямой передачей переменного тока. Приведены две винтомоторные группы (ВМГ). Каждая винтомоторная группа содержит воздушный винт (ВВ) 1, основной двигатель (двигатель внутреннего сгорания) 2, редуктор 3, муфту свободного хода 4, мотор-генератор 5, установленный на соединяющий вал между муфтой свободного хода и редуктором, датчик отказа 6 и блок управления 7. Мотор-генераторы 5 обеих винтомоторных групп соединены проводами переменного трехфазного тока через контроллер загрузки 8. Контроллер загрузки должен обеспечить в момент отказа переход моторов-генераторов из нейтрального режима в режим передачи энергии.
Способ работы следующий. Двигатель внутреннего сгорания 2 через муфту свободного хода 4 приводит во вращение мотор-генератор, затем редуктор 3 и воздушный винт 1. Оба мотора-генератора на взлете работают в режиме холостого хода, т.е. не дают нагрузки на вал основного двигателя 2.
В случае отказа одного из двигателей внутреннего сгорания, муфта свободного хода отключает его от кинематической схемы. При этом на блок управления 7 поступает сигнал от датчика отказа 6. На другом двигателе внутреннего сгорания (ДВС) 2 контроллер управления переменным током 8 обеспечивает загрузку мотор-генератора 5, работающего в режиме генератора, и передачу электроэнергии (переменный ток) на мотор-генератор 5 ВМГ отказавшего двигателя, который начинает работать в режиме электродвигателя (ЭД). Кинематически мотор-генератор 5 может быть размещен непосредственно на валу между МСХ 4 и редуктором воздушного винта 3, как показано на фиг. 3, в случае если рабочий диапазон его оборотов соответствует основному двигателю 2.
Редуктор 3 (фиг. 3) между мотором-генератором и воздушным винтом 1 также может быть упразднен в случае совпадения расчетных оборотов ВВ и основного двигателя, который может иметь собственный встроенный редуктор, установленный перед МСХ.
Мотор-генератор должен обладать расчетной мощностью чуть более 50% от мощности ДВС. В таком случае, мы сможем загрузить на 50% мощность работающего двигателя и передать его на ВМГ с отказавшим ДВС. Перспективно использовать только переменный ток для сокращения потерь. В первом варианте синхронизирующей электрической трансмиссии при расчете КПД передачи энергии учитывается суммарный КПД генератора и электродвигателя 90-94% по данным для серийных изделий (сайт компании производителя www.evo-electric.com).
На фиг. 4 приведена синхронизирующая электрическая трансмиссия с преобразованием электроэнергии в постоянный ток с дополнительным источником энергии 11. Данный вариант является последовательным развитием первого и использует преобразование переменного тока в постоянный посредством контроллеров-преобразователей 9. Управление подачей электроэнергии осуществляют посредством блока распределения энергии 10. Такое решение позволит применить дополнительный источник постоянного тока - аккумуляторную батарею, суперконденсатор или батарею топливных элементов, но, следовательно, увеличит вес системы.
Очевидно, что количество ВМГ - n применительно к данной схеме силовой установки, включая первый и второй варианты, - не ограничено, n может иметь любое четное значение. При этом расположение ВМГ должно быть симметрично относительно продольной оси фюзеляжа самолета. Кинематическая схема установки мотора-генератора применима и ко второму варианту.
Необходимо отметить, что в случае увеличения количества ВМГ n>2 в случае отказа одного из ДВС, компенсация потерянной мощности может осуществляться путем более равномерной загрузки генераторов ВМГ, расположенных на другой консоли крыла.
Очевидно, что второй вариант синхронизирующей трансмиссии будет иметь больший вес и меньший КПД при передаче энергии от одной ВМГ к другой. В случае двойного преобразования электроэнергии, что соответствует последовательной гибридной схеме, КПД схемы составит 82-87% при использовании современных бесколлекторных электродвигателей и генераторов. При наличии дополнительного источника энергии можно использовать мощность мотор-генератора на взлете и соответственно получить либо дополнительную тягу, либо уменьшить потребную мощность основного двигателя.
Предварительная весовая оценка показывает, что установка системы синхронизирующей электротрансмиссии увеличивает суммарную массу силовой установки с ТВД на 30-40%. Средняя удельная масса современных бесколлекторных электродвигателей с контроллером и системой охлаждения (характеристики ЭД и генераторов: www.evo-electric.com, www.rotexelectric.eu) близка к значению данного показателя для ТВД. Установка дополнительного источника энергии (аккумулятора) на 3-5 минут полета может увеличить массу СУ еще на 15-20%. Тем не менее, преимущества применения электрической синхронизирующей трансмиссии, такие как уменьшение взлетной дистанции, повышение безопасности полетов компенсируют весовые издержки. Прогресс в создании новых ЭД авиационного применения, а также перспективы создания сверхпроводниковых электродвигателей позволяет рассчитывать на значительное снижение удельной массы ЭД и генераторов (до 15-20 кВт/кг), что в сумме приведет к незначительным весовым издержкам в случае установки синхронизирующей электротрансмиссии на СУ самолета или конвертоплана.
Способ синхронизации и обеспечения симметрии тяги воздушных винтов силовой установки летательных аппаратов и электрическая синхронизирующая трансмиссия позволят повысить безопасность полета и уменьшить взлетную дистанцию летательного аппарата.