СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СЕТЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
METHOD OF CONTROLLING NETWORK OF ELECTRIC POWER SUPPLY OF AIR VEHICLE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области электрического питания летательного аппарата и, в частности, к способу управления сетью электрического питания летательного аппарата.
Летательный аппарат классически содержит сеть электрического питания для питания различных устройств летательного аппарата (механические приводы, органы управления летательным аппаратом, мультимедийная система для пассажирских кресел, система вентиляции кабины и т.д.). С точки зрения электрики, любое устройство летательного аппарата считается нагрузкой, которая потребляет электрическую энергию.
Для обеспечения правильного управления электрической энергией в сети электрического питания нагрузки можно распределить по двум типам: так называемые «основные» нагрузки, которые являются важными для работы летательного аппарата (органы управления и т.д.), и так называемые «не основные» нагрузки, которые является менее важными для работы летательного аппарата (мультимедийная система для пассажирских кресел, система вентиляции кабины и т.д.). Нагрузки подразделены также по их географическому расположению, чтобы получать питание от ближайших источников и чтобы избегать, насколько это возможно, потери избыточности и/или функциональной связи между устройствами.
Сеть электрического питания классически содержит главный источник энергии, которую отбирают на двигателях летательного аппарата, участвующих в создании тяги летательного аппарата. Иначе говоря, двигатель летательного аппарата обеспечивает, с одной стороны, тяговую энергию для обеспечения перемещения летательного аппарата и, с другой стороны, не тяговую энергию, которую используют в качестве главного источника энергии для сети электрического питания.
Потребности в электрической энергии для летательного аппарата со временем все больше возрастают. Поэтому когда двигатели летательного аппарата работают на низких оборотах, например во время посадки, сеть электрического питания иногда не получает достаточного питания, что является недостатком и не позволяет питать не основные нагрузки (мультимедийная система для пассажирских кресел и т.д.), что создает неудобства для пассажиров летательного аппарата. Прямым решением для устранения этого недостатки могло бы быть увеличение режима работы двигателей летательного аппарата во время посадки, но это привело бы к увеличению расхода топлива, что является нежелательным.
В патентной заявке FR 2 964 087, поданной на имя компании TURBOMECA, было предложено использовать главную силовую установку, когда двигателей не хватает для удовлетворения потребностей сети электрического питания, то есть в качестве вспомогательного источника питания. Таким образом, по умолчанию двигатели летательного аппарата задействованы постоянно, их параметры необходимо увеличить, чтобы они соответствовали электрическим потребностям. Такое управление сетью электрического питания приводит к повышенному расходу топлива, что является недостатком.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для устранения по меньшей мере некоторых из этих недостатков изобретением предложен способ управления сетью электрического питания летательного аппарата, при этом сеть питания содержит по меньшей мере одну распределительную шину, выполненную с возможностью питания электрических нагрузок, по меньшей мере один генератор тягового двигателя летательного аппарата, выполненный с возможностью обеспечения источника электрической энергии, по меньшей мере одну главную силовую установку класса двигатель, выполненную с возможностью обеспечения источника электрической энергии, множество контакторов, выполненных с возможностью электрического соединения распределительной шины с генератором тягового двигателя и/или с главной силовой установкой, и модуль управления, выполненный с возможностью управления контакторами, в котором в нормальных условиях работы летательного аппарата модуль управления управляет контакторами таким образом, чтобы питать распределительную шину от главной силовой установки класса двигатель, и во время работы в аварийном режиме летательного аппарата модуль управления управляет контакторами таким образом, чтобы питать распределительную шину от генератора тягового двигателя.
Согласно способу управления, двигатель больше не используют по умолчанию для производства электрической энергии в нормальных условиях полета. Иначе говоря, больше нет необходимости в увеличении параметров двигателя летательного аппарата, чтобы он мог производить большую не движительную энергию. Действительно, согласно изобретению, генератор двигателя летательного аппарата используют только в аварийном режиме, то есть в случае нарушения в работе главной силовой установки класса двигатель. Предпочтительно двигатель летательного аппарата меньше задействован в нормальных условиях полета, что позволяет уменьшить его расход топлива. Энергия, производимая двигателем летательного аппарата, в основном является движительной энергией, тогда как не движительную энергию производит главная силовая установка класса двигатель при нормальной работе.
Использование главной силовой установки класса двигатель позволяет удовлетворять потребности сети питания независимо от двигателей летательного аппарата, что позволяет повысить энергетический КПД. Кроме того, главная силовая установка класса двигатель отличается повышенной надежностью по сравнению с классической вспомогательной силовой установкой, что является преимуществом.
Предпочтительно в нормальных условиях работы летательного аппарата распределительная шина получает питание исключительно от главной силовой установки класса двигатель, чтобы избегать любого использования генератора тягового двигателя.
Предпочтительно, сеть питания содержит первую главную силовую установку класса двигатель и вторую главную силовую установку класса двигатель, при этом сеть питания содержит по меньшей мере две распределительные шины, принадлежащие соответственно к правой части и к левой части сети питания, при этом первая главная силовая установка класса двигатель и вторая главная силовая установка класса двигатель питают соответственно распределительную шину первой части и распределительную шину второй части сети питания в нормальных условиях работы летательного аппарата, чтобы повысить надежность электрического питания, при этом летательный аппарат может продолжать работу в случае отказа одной части сети питания.
Согласно варианту выполнения изобретения, вторая главная силовая установка класса двигатель самостоятельно питает распределительные шины первой части и второй части сети питания в случае нарушения в работе первой главной силовой установки класса двигатель. Иначе говоря, параметры каждой силовой установки предусмотрены для обеспечения непрерывного питания всей электрической сети.
Согласно другому варианту изобретения, вторая главная силовая установка класса двигатель питает распределительную шину второй части сети питания, и генератор тягового двигателя питает распределительную шину первой части сети питания в случае нарушения в работе первой главной силовой установки класса двигатель. Если параметры силовой установки предусмотрены для обеспечения питания только одной части сети питания, генератор тягового двигателя обеспечивает питание той части сети, силовая установка которой вышла из строя.
Предпочтительно сеть питания содержит первый генератор тягового двигателя и второй генератор тягового двигателя, при этом первый генератор и второй генератор питают соответственно распределительную шину первой части и распределительную шину второй части сети питания в аварийном режиме работы летательного аппарата.
Предпочтительно, сеть питания содержит подсеть аварийного питания, при этом модуль управления управляет контакторами таким образом, чтобы питать подсеть аварийного питания от независимого аварийного источника энергии в случае неисправности генератора тягового двигателя в аварийном режиме работы. Таким образом, в случае одновременного отказа главной силовой установки и генератора тягового двигателя жизненно важные функции летательного аппарата продолжают получать питание.
ОПИСАНИЕ ФИГУР
Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схема сети питания в соответствии с изобретением в отсутствие питания.
Фиг.2 - схема сети питания с питанием от батареи.
Фиг.3 - схема сети питания с питанием от внешнего источника.
Фиг.4 - схема сети питания с питанием от главных силовых установок класса двигатель в нормальных условиях работы.
Фиг.5А - схема активации главных силовых установок класса двигателя при помощи единственного газогенератора летательного аппарата.
Фиг.5В - схема активации главных силовых установок класса двигатель при помощи двух газогенераторов летательного аппарата.
Фиг.6 - схема сети питания с питанием от единственной главной силовой установки класса двигатель.
Фиг.7 - схема сети питания, левая часть которой получает питание от единственной главной силовой установки класса двигатель и правая часть которой получает питание от двигателя летательного аппарата.
Фиг.8 - схема сети питания, в которой левая часть и правая часть получают питание от единственной главной силовой установки класса двигатель.
Фиг.9 - схема сети питания, в которой левая часть и правая часть получают питание от двигателей летательного аппарата.
Фиг.10 - схема сети питания с аварийным источником энергии.
Следует отметить, что фигуры детально иллюстрируют изобретение и его осуществление, но, разумеется, указанные фигуры могут, в случае необходимости, служить для лучшего определения изобретения.
ОПИСАНИЕ ОДНОГО ИЛИ НЕСКОЛЬКИХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ И ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Как показано на Фиг.1, обычно летательный аппарат содержит сеть 1 электрического питания для питания различных устройств летательного аппарата (механические приводы, рули, мультимедийная система для пассажирских кресел, система вентиляции кабины и т.д.). С точки зрения электрики устройство летательного аппарата считается нагрузкой, которая потребляет электрическую энергию и которая получает питание через распределительную шину переменного тока или постоянного тока. В этом примере сеть 1 электрического питания содержит пять распределительных шин, в том числе две главные шины переменного тока (ACBUS1, ACBUS2) и три шины постоянного тока (DCBUS1, DCBUS2, DCBATBUS), а также подсеть аварийного питания EEPDC, называемую также центром аварийного питания.
Иначе говоря, каждая шина доставляет электрическую энергию к нагрузкам сети 1 питания в зависимости от ее потребностей (постоянный ток или переменный ток).
Сеть питания классически подразделена географически в летательном аппарате на две части: так называемую «левую» часть и так называемую «правую» часть. В этом примере левая часть содержит две левые распределительные шины (ACBUS1, DCBUS1), тогда как правая часть содержит две правые распределительные шины (ACBUS1, DCBUS1), при этом шина батареи (DCBATBUS) является общей для правой и левой частей. Предпочтительно сеть питания является симметричной, что облегчает ее реконфигурацию.
Как показано на той же Фиг.1, сеть 1 питания содержит также электрические батареи ВАТ1, ВАТ2, которые питают шину батареи DCBATBUS. Кроме того, электрические батареи ВАТ1, ВАТ2 можно подзаряжать через шину батареи DCBATBUS во время полета летательного аппарата или во время стоянки летательного аппарата. Показанную на Фиг.1 сеть 1 питания можно подключить к электрическим сетям ЕХТ аэродрома, которые позволяют обеспечивать электрической энергией всю сеть 1 питания без использования бортовых источников энергии летательного аппарата.
В этом примере, как известно специалисту, шины постоянного тока (DCBUS1 и DCBUS2) получают питание либо через шину батареи (DCBATBUS), либо через шины переменного тока (ACBUS1, АCBUS2) с использованием трансформаторов, либо друг от друга.
Как показано на Фиг.1, сеть 1 питания содержит два генератора G1, G2, вращаемых главными тяговыми двигателями МОТ1, МОТ2 (не показаны) летательного аппарата и выполненных с возможностью производства электрической энергии. Главные двигатели МОТ1, МОТ2 установлены на летательном аппарате и обеспечивают мощность, необходимую для перемещения летательного аппарата. Производство электрической энергии генератором тягового двигателя G1, G2 известно специалисту, и его подробное описание опускается. В зависимости от типа летательного аппарата и/или соответствующей сети питания, число генераторов тягового двигателя G1, G2 может быть больше двух. Кроме того, число генераторов тягового двигателя G1, G2 не зависит от числа главных двигателей МОТ1, МОТ2 летательного аппарата.
Согласно изобретению и как показано на Фиг.1, сеть 1 питания дополнительно содержит две главных силовых установки MPS1, MPS2 класса двигатель, выполненных с возможностью производства электрической энергии. Такие главные силовые установки известны из патентной заявки FR 2 964 087, поданной на имя компании TURBOMECA.
В дальнейшем главная силовая установка будет обозначаться сокращением MPS от “Main Power Source”. Силовая установка MPS выполнена на базе вспомогательной силовой установки (известной под английским сокращением APU от “Auxiliary Power Unit”), надежность которой повысили таким образом, чтобы она была эквивалентна надежности тягового двигателя летательного аппарата. Поэтому силовую установку MPS называют силовой установкой «класса двигатель». Силовая установка MPS состоит из одного или нескольких теплогенераторов, вращающих один или несколько электрогенераторов. Теплогенераторы могут представлять собой газотурбинные двигатели или поршневые двигатели, и электрогенераторы могут быть генераторами с постоянным магнитом или с тремя ступенями (генератор с постоянным магнитом, называемый PMG, возбудитель, генератор переменного тока), напрямую связанными с реактивным двигателем через усилитель мощности и, в случае необходимости, через умножитель частоты.
Кроме того, сеть 1 питания содержит аварийную подсеть EEPDC от “Emergency Electrical Power Distribution Center”, выполненную с возможностью питания наиболее важных нагрузок при выходе из строя источников энергии сети 1 электрического питания (неисправность главных силовых установок MPS1, MPS2 и генераторов G1, G2).
Аварийная подсеть EEPDC соединена с аварийным источником энергии S, который выполнен, например, в виде крыльчатки производства энергии, известной специалисту под обозначением RAT от “Ram Air Turbine”. Таким образом, крыльчатка RAT позволяет, наподобие ветрового двигателя, питать электроэнергией жизненные функции летательного аппарата.
Как показано на Фиг.1, различные шины и различные источники электрической энергии связаны между собой через множество контакторов С1-С18, которыми управляет модуль управления (не показан), известный специалисту под английской аббревиатурой РEPDC от “Primary Electrical Power Distribution Center”. Такой модуль управления позволяет управлять контакторами С1-С18, чтобы соединять определенные источники энергии с определенными распределительными шинами в зависимости от необходимой конфигурации сети 1 питания. Предпочтительно модуль управления позволяет распределить по значению источники энергии, чтобы управлять их использованием в нормальных условиях полета, в условиях аварийного или экстренного режима работы, что будет описано ниже.
Как показано на Фиг.1, сеть 1 питания содержит два контактора С1-С2, обеспечивающих электрическое соединение двух главных силовых установок MPS1, MPS2, и два контактора С3-С4 для электрического соединения двух генераторов тягового двигателя G1, G2, при этом контактор С3 обеспечивает также подключение к внешним источникам электроэнергии.
Контакторы С6-С7 позволяют соединить соответственно шины переменного тока ACBUS1, ACBUS2 с главными силовыми установками MPS1, MPS2. Контакторы С8-С9 позволяют соединить шины переменного тока ACBUS1, ACBUS2 с аварийной подсетью EEPDC. Аналогично, контакторы С10-С11 позволяют соединить соответственно трансформаторы TR, TR2 с шинами постоянного тока DCBUS1, DCBUS2, которые соединены соответственно с шиной батареи DCBATBUS через контакторы С12-С13. Батареи ВАТ1, ВАТ2 соединены соответственно с шиной батареи DCBATBUS через контакторы С14-С15.
Контактор С16 соединяет аварийную подсеть EEPDC с аварийным источником энергии S, при этом контактор С17 соединяет аварийную подсеть EEPDC с шиной батареи DCBATBUS. Как показано на Фиг.1, контактор С18 соединяет левую часть сети питания с ее правой частью.
Модуль управления управляет контакторами С1-С18 для реконфигурации сети питания и для соединения определенных источников энергии и определенными распределительными шинами. В примере, показанном на Фиг.1, все контакторы С1-С18 разомкнуты.
Согласно изобретению, в нормальных условиях работы летательного аппарата распределительные шины получают питание от главных силовых установок MPS1, MPS2 класса двигателя, тогда как при работе в аварийном режиме летательного аппарата распределительные шины получают питание от генераторов G1, G2 тягового двигателя. Под аварийным режимом работы следует понимать, что по меньшей мере одна из главных силовых установок MPS1, MPS2 неисправна. Модуль управления управляет контакторами С1-С18 таким образом, чтобы главные силовые установки MPS1, MPS2 выдавали по умолчанию электрическую энергию в распределительные шины, чтобы не задействовать главные двигателя МОТ1, МОТ2 летательного аппарата, что позволяет ограничить расход топлива упомянутыми двигателями МОТ1, МОТ2.
Как показано на Фиг.1, распределительные шины «левой» части сети 1 питания выполнены с возможностью получения питания в нормальных условиях от первой силовой установки MPS1 и в аварийных условиях - от первого генератора G1 тягового двигателя. Аналогично, распределительные шины «правой» части сети 1 питания получают питание в нормальных условиях от второй силовой установки MPS2 и в аварийных условиях - от второго генератора G2 тягового двигателя.
Несколько вариантов осуществления способа управления сети электрического питания, показанной на Фиг.1, будут представлены со ссылками на Фиг.2-10, на которых сплошные линии соответствуют электрическому питанию, а пунктирные линии соответствуют отсутствию электрического питания. В этих различных вариантах осуществления модуль управления управляет контакторами С1-С18 в зависимости от наличия различных источников энергии.
Питание от батарей
Как показано на Фиг.2, когда летательный аппарат находится на земле, батареи ВАТ1, ВАТ2 летательного аппарата активированы, поскольку контакторы С14-С15 подключены таким образом, чтобы питать распределительную шину DCBATBUS. Такое питание при помощи батарей аналогично известным техническим решениям.
Питание от внешних электрических сетей
Как показано на Фиг.3, когда летательный аппарат находится на земле, сеть 1 электрического питания получает питание от внешних электрических сетей ЕХТ аэропорта, которые питают распределительные шины левой части и правой части сети 1 электрического питания за счет включения контакторов С5. С6, С7, С8, С10, С11 и С12. В частности, внешние сети обеспечивают питание шин переменного тока (ACBUS1, ACBUS2), шин постоянного тока (DCBATBUS, DCBUS1 и DCBUS2) и трансформаторов (TR1 и TR2).
Предпочтительно внешние электрические сети ЕХТ обеспечивают зарядку батарей ВАТ1, ВАТ2 летательного аппарата за счет включения контакторов С14-С15. Такое питание при помощи внешних электрических сетей аналогично известным техническим решениям.
Автономное питание в нормальных условиях
Как показано на Фиг.4, когда летательный аппарат движется автономно, например, во время полета или на земле (самолет во время руления), сеть 1 электрического питания получает питание от главных силовых установок MPS1, MPS2, которые питают соответственно распределительные шины левой части и правой части сети 1 электрического питания благодаря подключению контакторов С1, С2, С6, С7, С8, С10 и С12. Предпочтительно силовые установки MPS1, MPS2 обеспечивают питание шин переменного тока (ACBUS1, ACBUS2), шин постоянного тока (DCBATBUS, DCBUS1 и DCBUS2) и трансформаторов (TR1 и TR2), а также зарядку батарей ВАТ1, ВАТ2 летательного аппарата, как показано на Фиг.4.
В нормальных условиях генераторы тягового двигателя G1, G2 не участвуют в генерировании электроэнергии для сети электрического питания. Такое управлению сетью 1 электрического питания идет в разрез с известными решениями, которые предусматривали питание распределительных шин от генераторов тягового двигателя G1, G2. Благодаря изобретению, больше нет необходимости использовать режим тяговых двигателей летательного аппарата для удовлетворения потребностей летательного аппарата в электрической энергии. Иначе говоря, в нормальных условиях двигатели летательного аппарата производят только движительную энергию, что позволяет ограничить их расход топлива. Предпочтительно электрические потребности не связаны с движительными потребностями.
Питание в полете в аварийных условиях: отказ одной силовой установки MPS
Согласно первому варианту, показанному на Фиг.5А, обе главных силовых установки MPS1, MPS2 содержат единственный газогенератор GG для питания всей сети 1. Как было указано выше, учитывая, что главные силовые установки MPS1, MPS2 являются силовыми установками класса двигателя, генератор GG имеет повышенную степень надежности, эквивалентную тяговым двигателям летательного аппарата. Иначе говоря, параметры каждой главной силовой установки MPS1, MPS2 предусмотрены, чтобы самостоятельно обеспечивать работу всей сети 1 питания.
В соответствии с этим предположением, как показано на Фиг.6, если вторая главная силовая установка MPS2 неисправна, а ее газогенератор GG исправен, то по команде модуля управления первая силовая установка MPS1 может самостоятельно обеспечивать питание правой части и левой части сети 1 электрического питания, как показано на Фиг.6. Для этого контактор С2 разомкнут, чтобы отключить вторую главную силовую установку MPS2. Контактор С18 замкнут для обеспечения питания обеих частей сети 1 питания.
Согласно второму варианту, как показано на Фиг.5В, каждая из двух главных силовых установок MPS1, MPS2 содержит газогенератор GG1, GG2. Как было указано выше, учитывая, что главные силовые установки MPS1, MPS2 являются силовыми установками класса двигатель, каждый генератор GG1, GG2 имеет повышенную степень надежности. Параметры каждой главной силовой установки MPS1, MPS2 рассчитаны таким образом, чтобы обеспечивать работу только одной части сети 1 питания. В этом примере, как было указано выше, силовые установки MPS1, MPS2 питают соответственно распределительные шины левой части и правой части сети 1 питания.
Согласно этой гипотезе, как показано на Фиг.7, если во второй главной силовой установке MPS2 имеется неисправность, правая часть сети 1 больше не получает прямого питания. Учитывая, что первая главная силовая установка MPS1 не может обеспечить питание распределительных шин правой части (ACBUS2, DCBUS2) дополнительно к питанию левой части сети 1 питания, активируют второй генератор G2 тягового двигателя для замещения второй главной силовой установки MPS2, как показано на Фиг.7. Для этого модуль управления подает команду на замыкание контактора С4, тогда как контактор С7 остается разомкнутым.
В этом примере второй генератор G1 питает электроэнергией распределительную шину ACBUS2, трансформатор TR2, а также распределительную шину DCBUS2. Что касается батарей ВАТ1, ВАТ2, то они заряжаются от первой силовой установки MPS1, как показано на Фиг.7.
Разумеется, изобретение можно применять аналогично в случае неисправности первой главной силовой установки MPS1, и в этом случае питание обеспечивает первый генератор G1.
Как показано на Фиг.8, если предположить, что неисправны вторая силовая установка MPS2 и распределительная шина ACBUS2, второй генератор G2 тягового двигателя не может питать распределительную шину DCBUS2.
Поэтому модуль управления подает команду на контактор С13, чтобы соединить распределительную шину DCBUS2 с шиной батареи DCBATBUS.
Иначе говоря, модуль управления обеспечивает питание правой части сети 1 в пределах мощности питания первой главной силовой установки MPS1. В этом примере, как показано на Фиг.8, первая силовая установка MPS1 питает всю левую часть сети 1, а также шину DCBUS2 через шину DCBATBUS.
Разумеется, изобретение можно применять аналогично в случае неисправности первой главной силовой установки MPS1 и шины ACBUS1, поскольку управление сетью питания предпочтительно является симметричным.
Разумеется, генератор тягового двигателя G1, G2 тоже можно использовать для обеспечения дополнительной энергии, тогда как параметры главной силовой установки рассчитаны для питания всей сети 1 питания. Такое управление электрической энергией позволяет сохранять запас энергии в случае необходимости.
Питание в полете в аварийных условиях: отказ двух силовых установок MPS
Согласно изобретению, в случае неисправности главных силовых установок MPS1, MPS2 модуль управления управляет питанием распределительных шин при помощи генераторов тягового двигателя G1, G2, как показано на Фиг.9. Для этого модуль управления замыкает контакторы С3 и С4, тогда как контакторы С1, С2 остаются разомкнутыми.
Как показано на Фиг.9, когда летательный аппарат находится в полете, сеть 1 электрического питания получает питание от генераторов тягового двигателя G1, G2, которые питают соответственно левую часть и правую часть сети 1 электрического питания. Предпочтительно генератор G1 обеспечивает подзарядку батарей ВАТ1, ВАТ2 летательного аппарата, как показано на Фиг.9.
В отличие от известных решений, в которых генераторы G1, G2 использовались при автономной работе (полет или руление) в нормальных условиях, их используют только во время работы в аварийном режиме.
Питание в полете в экстренных условиях
Согласно изобретению, в случае неисправности, с одной стороны, силовых установок MPS1, MPS2 и, с другой стороны, генераторов G1, G2 аварийная подсеть EEPDC получает питание от аварийного источника энергии S, который представляет собой в данном случае крыльчатку производства энергии RAT, при этом контактор С16 замкнут. Батареи ВАТ1, ВАТ2 тоже участвуют в обеспечении питания, и контактор С17 тоже замкнут. Такое экстренное питание аналогично известным техническим решениям.