СИСТЕМА ПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕМ ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И ЕГО ОСНАЩЕНИЕ
POWER AND CONTROL SYSTEM OF ELECTRIC EQUIPMENT OF AIRCRAFT ENGINE, AND ITS INSTRUMENTATION

Настоящее изобретение касается электропитания и электроуправления двигателем летательного аппарата и/или его оснащения.
В частности, изобретение может быть использовано для авиационных двигателей, в частности газотурбинных двигателей. Изобретение в любом случае применимо к двигателям вертолетов.
Использование двигателя летательного аппарата или его оснащения предполагает не только использование электрического оборудования, необходимого для функционирования двигателя, но и оборудования капота двигателя с использованием для него антиобледенительных цепей, а также электромеханических приводов реверсоров тяги для газотурбинных авиационных двигателей, а также антиобледенительных цепей, размещенных на крыле самолета.
Традиционная схема генерирования и распределения электроэнергии, получаемой от газотурбинного двигателя, представлена на фиг.1.
Два генератора 1, 1' (может быть больше в случае резервирования или оптимизации генерирования электрической мощности в зависимости от необходимости) установлены на коробке передач или коробке привода аксессуаров AGB, которые механически связаны с валом турбины двигателя. Генераторы обычно являются пусковыми устройствами или стартер/генераторами, содержащими синхронный генератор, который связан с возбудителем и который подает напряжение переменного тока с изменяемой в зависимости от режима двигателя частотой на возбудитель и синхронный генератор, при этом возбудитель и синхронный генератор включаются синхронно с двигателем и турбиной.
Переменные напряжения от генераторов 1, 1' поступают по линиям 2, 2' в электрическую сеть 3 распределения энергии борта самолета или бортовой сети самолета. Блок 4 бортовой сети самолета, подключенный к линиям 2, 2', подает точное напряжение переменного тока, обычно 115 В или 230 В, на одну или несколько распределительных шин. Блок 4 питает также преобразователь 5 напряжения, который подает точное напряжение постоянного тока, обычно 270 В или ±270 В на одну или несколько шин. Напряжения, вырабатываемые блоками 4 и 5, питают различные электрические нагрузки на борту самолета, главным образом в фюзеляжной зоне.
В зоне двигателя электронный блок 6 управления двигателя питается от генератора 7 переменного напряжения на постоянных магнитах, установленного на коробке передач AGB. Электронный блок управления соединен с одной из шин, например с шиной с точным переменным напряжением, чтобы получать от нее питание, когда двигательный режим недостаточен для обеспечения работы генератора 7, либо в случае неисправности последнего. Электронный блок управления использует получаемую энергию для собственного функционирования и для управления различными элементами двигателя, такими как зонды или датчики, приводы или сервоклапаны, требующие ограниченной электрической мощности.
В настоящее время существует тенденция замены электрической энергии гидравлической для привода различного электрического оборудования двигателя летательного аппарата и его оснащения. Так, некоторые самолеты оборудованы электрическими реверсорами тяги, при этом линия 8 электропитания связывает бортовую сеть 3 с таким электрическим реверсором 9 тяги. Эта линия добавляется к линиям питания статического оборудования, таким как линии 10, 11 питания цепей 12,13 антиобледенителей капота двигателя и крыла, несущего двигатель.
Технической задачей настоящего изобретения является создание простой и безопасной системы, обеспечивающей активирование возрастающего количества электрического оборудования двигателя и его оснащения без увеличения количества связей между бортовой сетью самолета и соответствующим электрическим оборудованием.
Согласно изобретению предложена система питания и управления электрическим оборудованием двигателя летательного аппарата и/или его оснащения, содержащая:
по меньшей мере, одну шину питания электрическим напряжением постоянного тока,
по меньшей мере, множество модулей питания, подключенных параллельно шине питания и соединенных с соответствующей группой электрооборудования, при этом количество модулей множества модулей превышает минимальное количество для активации группы оборудования по меньшей мере на один резервный модуль, причем каждый модуль содержит преобразователь напряжения для получения на выходе модуля напряжения переменного тока из напряжения постоянного тока шины питания,
цепь коммутации, подключенную между выходами модулей совокупности модулей и оборудованием группы оборудования, и
устройство управления модулями и цепью коммутации для активирования каждого вида оборудования группы оборудования и соединения его по меньшей мере с одним из модулей, а также для ввода в эксплуатацию резервного модуля в случае определения неисправности одного из модулей.
В варианте реализации устройство управления содержит центральный блок управления и блоки обработки, встроенные соответственно в различные модули для управления подачей напряжения переменного тока модулем на электрическое оборудование, подключенное к этому модулю, в зависимости от информации, поступающей из центрального блока управления. Информация управления из центрального блока управления может быть передана по шине, с которой связаны блоки обработки модулей. Один или каждый из резервных модулей может иметь конфигурацию, адаптированную к какому-либо из видов оборудования, с которым он может быть связан, в зависимости от программы, заложенной в блок обработки этого резервного модуля из центрального блока управления.
В другом варианте реализации устройство управления содержит центральный блок управления, связанный с различными модулями для управления подачей напряжения переменного тока модулем на электрическое оборудование, с которым он связан в зависимости от информации, поступающей из центрального блока управления.
В зависимости от особенностей системы, центральный блок управления связан с датчиками, установленными на оборудовании группы оборудования, для управления подачей напряжения переменного тока модулем в зависимости от информации, получаемой по меньшей мере от одного датчика, соединенного с оборудованием, с которым связан модуль, и/или информации, поступающей из электронного блока управления двигателем.
В соответствии с первым вариантом воплощения изобретения дополнительный выход модуля связан с блоком управления цепью коммутации, имеющим первое неактивное состояние, в котором выход резервного модуля вообще не связан с оборудованием, и активное состояние, в котором выход резервного модуля связан с необходимым оборудованием в группе. Коммутационный блок может связать резервный блок с любым видом оборудования из группы оборудования.
В соответствии со вторым вариантом реализации выход резервного блока связан с блоком коммутации цепи коммутации, при этом блок коммутации имеет первый активное состояние, при котором выход резервного блока связан с первым типом оборудования параллельно выходу другого модуля, а также второе активное состояние, в котором выход резервного модуля связан с другим типом оборудования.
В соответствии с другим вариантом реализации цепь коммутации содержит блок коммутации, позволяющий избирательно связывать выход модуля с одним из множества типов оборудования, которые не должны работать одновременно.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает известную схему генерирования и распределения электроэнергии в летательном аппарате;
фиг.2 - схему электропитания и управления оборудованием двигателя летательного аппарата и его оснащения согласно изобретению;
фиг.3 - электрическую схему электропитания, составляющую часть цепи на фиг.2 согласно изобретению;
фиг.4 - более подробную схему системы электропитания оборудования по фиг.2 согласно изобретению;
фиг.5 - схему модуля питания по варианту реализации системы на фиг.4 согласно изобретению;
фиг.6 - схему модуля питания по другому варианту реализации системы на фиг.4 согласно изобретению;
фиг.7-9 - различные варианты соединения модулей питания с группой электрооборудования в системе на фиг.4 согласно изобретению.
На фиг.2 представлена общая схема цепи электропитания и управления электрооборудованием двигателя летательного аппарата, в частности газотурбинного двигателя самолета.
Схема содержит один или два генератора 20, 20' типа “стартер-генератор”, установленных на коробке 21 передач, приводом которых является вал турбины двигателя. Напряжения переменного тока с генераторов 20, 20' типа «стартер-генератор» подаются по линиям 22 и 22' в электрическую сеть 23 распределения электрической энергии на борту самолета, или иначе в бортовую сеть самолета. Цепь 24 бортовой сети самолета подает на одну или несколько распределительных шин точное напряжение переменного тока, обычно 115 В или 230 В, частота которого изменяется в зависимости от скорости вращения турбины. Цепь 24 питает также преобразователь 25 напряжения, который подает точное напряжение постоянного тока, обычно 270 В или ±270 В на одну или несколько шин. Напряжения цепи 24 и блока 25 питают различные нагрузки в зоне фюзеляжа самолета.
В зоне 26 двигателя генераторы 27, 27', отличные от генераторов 20, 20', например генераторы на постоянных магнитах, установленные на коробке передач AGB 21, снабжают электроэнергией переменного тока электронный блок 28 управления двигателя, а также резервное устройство 30 питания, являющееся частью распределительной сети электроэнергии, встроенной в двигатель. Блок 28 управления и устройство 30 питания соединены также со схемой 24 переменного напряжения линией 29 для запитывания точным напряжением, так как режим двигателя недостаточен для получения электроэнергии, требуемой от генераторов 27, 27'.
Устройство 30 питания выдает напряжение постоянного тока, не обязательно точное, но включающее в свой диапазон номинальных напряжений напряжение постоянного тока борта самолета, например 270 В или ±270 В. Это напряжение постоянного тока поступает на две распределительные шины 40, 40' напряжения постоянного тока, которые запитывают систему питания и управления электрооборудованием двигателя и/или его оснащения. Система питания и управления содержит модули питания, которые в иллюстрируемом примере разделены на несколько групп 50, 50', 50”, соединенных с соответствующими группами 60, 60', 60” электрооборудования 62, 62', 62” посредством соответствующих цепей коммутации 70, 70', 70”.
Электрооборудование содержит, в частности, электродвигатели насосов, приводы для изменения геометрии двигателя самолета, реверсоры тяги, электроприводные трапы для пассажиров, резистивные цепи антиобледенителей - все это оборудование является частью двигателя самолета и его оснащения (капот двигателя, система его крепления и крылья).
Модули 52, 52', 52” питания групп 50, 50', 50”, а также цепи 70, 70', 70” коммутации управляются центральным блоком 80 управления, который связан линиями 64, 64', 64” с датчиками 66, 66', 66” определенных групп электрического оборудования 60, 60', 60”, а также с электронным блоком 28 контроля. Питание центрального блока 80 управления осуществляется так же, как и питание блока 28. Модули 52, 52', 52” питания содержат инверторы для подачи на оборудование 62, 62', 62” групп 60, 60', 60” напряжения переменного тока, получаемого из постоянного напряжения шин 40, 40', с которыми модули 52, 52', 52” питания соединены параллельно. Центральный блок 80 управления управляет модулями 52, 53', 52” и цепями 70, 70', 70” коммутации для активирования каждого из видов оборудования 62, 62', 62” в зависимости от информации, получаемой от электронного блока 28 контроля и/или датчиков соответствующего оборудования. Для активации определенного оборудования требуется запуск электродвигателей, электрических или электромеханических приводов или включение резистивных нагревательных цепей.
Модули питания каждой группы подобны, распределение модулей по различным группам и оборудования в группах осуществляется в зависимости от требуемой мощности для оптимизации размеров инверторов модулей питания. В рассматриваемом примере число групп модулей и групп оборудования равно трем. Оно может быть отличным от трех, может быть даже равным 1, если мощность инверторов достаточна для всего оборудования. Как подробно описано ниже, каждая группа модулей содержит, по меньшей мере, один резервный модуль. Цепи 70, 70', 70” коммутации управляются таким образом, чтобы соединить оборудование в одной группе с модулем, соответствующим этой группе, либо с резервным модулем, если это необходимо.
На фиг.3 более детально представлено резервное устройство 30 питания. Вход преобразователя 31 напряжения переменного тока в постоянное соединение через коммутатор 32 с первым входом блока 30, соединенного с линией 29. Два других преобразователя 35, 35' соединены входами со вторым и третьим входами блока 30, получающими напряжение переменного тока соответственно от генераторов 27, 27'. Выходы преобразователей 35, 35' соединены через коммутаторы 36, 36' со схемами шин 37, 37' напряжения постоянного тока, например, типа HVDC (линия электропередачи высокого напряжения на постоянном токе), питающих шины 40, 40'. Выход преобразователя 31 соединен со схемами 37, 37' через соответствующие коммутаторы 33, 33'.
Цепь коммутации, образованная коммутаторами 32, 33, 33', 36, 36', управляется блоком 80 управления в функции от уровней напряжения на выходах генераторов 27, 27'. Когда генераторы выдают достаточную электрическую мощность, коммутаторы 36, 36' закрыты, а коммутаторы 32, 33, 33' открыты. Необходимая электроэнергия поступает на шины 40,40' с генераторов 27, 27' соответственно. Когда тот или другой генераторы 27, 27' выдают недостаточную мощность из-за низкого режима работы двигателя или в случае неисправности, открытие коммутатора 36 и/или коммутатора 36' управляется блоком 28, так же как и соответственно закрытием коммутатора 32, а также коммутатора 33 и/или коммутатора 33'. Необходимая электроэнергия поступает на шины 40, 40' от генераторов 27, 27' и по линии 29 или только по линии 29. Таким образом, блок 30 питания образует резервный блок питания двигателя. Шины 40, 40' питают группы модулей 50, 50', 50”, а также центральный блок 80 управления для включения электрооборудования 62, 62', 62”. Возможно также запитывать один или несколько видов оборудования непосредственно с выходов генераторов 27, 27', например антиобледенительную цепь капота двигателя или крыла, соединенную с линией 39, которая связана с выходами генераторов 27, 27' через соответствующие коммутаторы 38, 38'. Коммутаторы 38, 38' управляются блоком 28 для питания линии 39 в случае необходимости.
Использование двух шин 40, 40', питаемых независимо, позволяет исключить неисправную шину и продолжать подачу электроэнергии. Использование двух генераторов 27, 27' позволяет отключить неисправный генератор, сохраняя питания по линии 29 от бортовой сети самолета и выдавать необходимую электрическую мощность. Возможно использование одного генератора для питания параллельно включенных шин 40, 40'. Возможно также использование одной шины, питаемой параллельно включенными генераторами или одним генератором или, в крайнем случае, бортовой сетью самолета.
Кроме того, напряжение бортовой сети самолета, получаемое от резервного блока, может быть напряжением постоянного тока. Выпрямитель этого тока в блоке 30 не нужен, поэтому преобразователь 31 может быть исключен или заменен в случае необходимости преобразователем постоянного тока в постоянный.
На фиг.4 детально показана схема питания электрооборудования 62, 62', 62” от шин 40, 40'напряжения постоянного тока.
Электрооборудование может, в частности, содержать:
приводы изменения геометрии газотурбинного двигателя, такие как
дроссельный вентиль компрессора VBV, органы поворота статорных лопаток турбины VSV на выходе из компрессора, клапаны переходного процесса компрессора TBV, управляемые в зависимости от условий полета, например, при взлете, или люфт вершины вала ротора турбины (люфт между валом и картером турбины), для турбины низкого давления LPTACC, или турбины высокого давления HPTACC,
органы цепи топливного питания, например двигатели топливных насосов высокого давления, и топливный насос низкого давления и клапаны регулирования расхода,
органы системы смазки, например двигателей топливных насосов, сепараторов воздух/смазка, рекуперационных насосов,
электрооборудование двигателя, например электромеханические приводы для электрических реверсоров тяги, электромеханические приводы пассажирских и технологических трапов.
Некоторое оборудование потребляет меньшую электрическую мощность, чем другое. Как было сказано выше, оборудование может быть разделено на несколько групп в зависимости от потребляемой мощности. В рассматриваемом случае оборудование разделено на три группы 60, 60', 60”, соответствующие трем различным уровням мощности.
Группа 60: малая мощность для оборудования 62, такого, как изменение геометрии двигателя, VBV, VSV, TBV, LPTACC, HPTACC, насос подачи и рекуперации системы смазки, привод пассажирского трапа или трапа для обслуживания двигателя и т.д.
Группа 60': средняя мощность для оборудования 62', например привод клапана регулирования расхода топлива, сепаратор воздух/смазка и т.д.
Группа 60”: большая мощность для оборудования 62”, например двигатель топливного насоса высокого или низкого давления, привод реверсора тяги, антиобледенительные цепи фюзеляжа и т.д.
Датчики 66, 66', 66”, например датчики состояния, датчики положения (например, датчики конца разбега), датчики расхода, датчики температуры соединены с определенным видом оборудования и связаны с центральным блоком 80 управления линиями 64, 64', 64”.
В варианте реализации на фиг.4 и 5 каждый модуль 52, 52', 52” блока 50, 50', 50”модулей, например модуль 52 (фиг.5), содержит инвертор 53, соединенный с шинами 40, 40' для подачи напряжения переменного тока на выход 54 модуля, при этом инвертор адаптирован к необходимой мощности. Модуль 52 содержит, кроме того, блок 55 обработки, который питается от шин 40, 40' и связан с центральным блоком 80 управления шиной 82. Блок 55 обработки управляет работой инвертора 53 и связан с выходом последнего, чтобы отследить функционирование инвертора.
Блок 55 обработки управляет работой инвертора 53, чтобы обеспечить работу оборудования, с которым инвертор соединен через блок 70 коммутаторов, в зависимости от управляющих команд центрального блока 80 управления. Управляющие команды вырабатываются в зависимости от информации, получаемой от многочисленных датчиков, связанных с оборудованием, и/или от блока 28 управления.
Центральный блок 80 управления получает, кроме того, от блока 55 обработки информацию о правильной работе инвертора 53, чтобы при необходимости управлять блоком 70 коммутаторов и задействовать избыточный или резервный модуль, являющийся частью блока 50, как описано ниже.
Возможно, в качестве варианта, передавать на шину 82 информацию, получаемую от датчиков и блока 28, при этом блок 55 обработки программируется для управления функционированием инвертора 53 в зависимости от этой информации, и включает оборудование через блок 70 коммутации. В этом случае, если модуль 62 неисправен, резервный модуль блока 60 подключается дистанционно по команде центрального блока 80 управления по программе, подключающей резервный модуль к соответствующему оборудованию, при этом блоку 70 дается команда отключить оборудование от неисправного модуля и подключить его к резервному модулю.
Следует отметить, что центральный блок управления может быть интегрирован с электронным блоком 28 управления.
На фиг.6 представлен вариант реализации, в котором модули 52, 52', 52”, например модуль 52, может содержать только инвертор 53, который управляется центральным блоком управления и направляет ему информацию о напряжении на выходе инвертора.
На фиг.7 представлен вариант реализации блоков 50, 50', 50” модулей, например блока 50, связанного с группой оборудования 60 через коммутатор 70. Блок 50 содержит модули 52, число которых превышает количество оборудования 62 группы 60, соответственно, чтобы иметь резервный модуль 52s, аналогичный другим модулям. В этом примере для упрощения представлено только три вида оборудования, а число модулей равно 4. В соответствии с общим количеством модулей в блоке 50 следует иметь резервный модуль.
При нормальном функционировании оборудование 62 связано с соответствующими модулями 52 через прерыватели 72 блока 70, которые находятся в закрытом состоянии. Резервный модуль 52s связан с коммутатором 73 блока 70, который может соединить его с каким-либо из видов оборудования 62. Прерыватели 72 и коммутатор 73 управляются центральным блоком 80 управления по соответствующим линиям.
В случае неисправности одного из модулей 52 подключается резервный модуль 52s по команде центрального блока 80 управления, который, с одной стороны, управляет открыванием прерывателя 72, отключающим неисправный модуль от оборудования 62, и управляет соединением оборудования с резервным модулем 52s через коммутатор 73.
На фиг.8 представлен другой вариант реализации комплекса блоков 50, 50', 50” с модулями, например блок 50, связанный с группой оборудования 60 через блок 70 коммутации. Блок 50 содержит модули 52, число которых превышает количество оборудования 62 соответствующей группы 60, один из видов оборудования 62а, работающий нормально, запитан в параллель с двумя модулями 52а, 52б через коммутаторы 74а, 74б блока 70 коммутации. Другие виды оборудования соединены с другими соответствующими модулями через прерыватели 72. Прерыватели 72 и коммутаторы 74а, 74б управляются от центрального блока 80 управления по соответствующим линиям управления. Коммутаторы 74а,74б позволяют, в случае необходимости, соединять модуль 52а или модуль 52б с иным видом оборудования, нежели оборудование 62а, что позволяет модулям 52а, 52б выполнять роль резервных модулей.
В случае неисправности модуля 52, не затрагивающей модули 52а или 52б, центральный блок 80 дает команду коммутатору 74а или 74б соединить модули 52а или 52б с оборудованием, которое было связано с неисправным модулем, и открывает прерыватель 72, связывающий неисправный модуль с питаемым от него оборудованием. В случае неисправности одного из модулей 52а, 52б, центральный блок 80 управляет соответствующим коммутатором 74а или 74б для отключения выхода неисправного модуля.
Таким образом, при использовании резервного питания оборудование 62а питается только от одного из модулей 52а,52б. Этот вариант реализации применим также в случае, когда работа ухудшается при питании уменьшенной мощностью оборудования 62а.
Фиг.9 представлен другой вариант реализации блока 50, 50', 50” модулей, например модуля 50, соединенного с оборудованием 60 через коммутатор 70. Этот вариант реализации подходит в том случае, когда два вида оборудования 62а, 62б никогда не работают одновременно и могут быть соединены с одним и тем же модулем питания через коммутатор 75. Речь может идти, например, о приводах реверсора тяги и пассажирских и технологических трапах.
В варианте реализации на фиг.9 число модулей 52 может быть равным, или меньшим числа видов оборудования 62, но при сохранении резервного модуля 52s. Так, один из модулей 52, кроме резервного модуля, соединен с коммутатором 75 через размыкатель 72, тогда как другие модули 52, кроме резервного модуля, связаны с другими видами оборудования 62 через соответствующие прерыватели 72. Резервный модуль 52s связан с коммутатором 76, соединяющим его с коммутатором 75 или оборудованием 62, кроме оборудования 62а, 62б. Прерыватели 72 и коммутаторы 75, 76 управляются центральным блоком 80 управления по соответствующим линиям.
В случае неисправности одного из модулей 63, центральный блок 80 управления задействует резервный модуль 62а, управляет открытием прерывателя 72, связанного с неисправным модулем, и управляет коммутатором 76 для связи резервного модуля с коммутатором 75, связанного с неисправным модулем.
Таким образом, безотказная работа группы оборудования обеспечивается совместной работой ресурсов, образующих комплекс одинаковых модулей питания при ограничении необходимого числа модулей, так как резервирование работы оборудования одной группы не требует подключения двух модулей питания к каждому виду оборудования резервного источника.
В описанных выше вариантах реализации модули питания работают с соответствующими группами оборудования, где один или каждый резервный модули могут быть подключены к различным видам оборудования. Можно выполнить модульность более широко без индивидуализации определенных модулей, при этом каждый модуль может быть соединен с одним из множества видов оборудования. Подключение модуля к оборудованию управляется центральным блоком управления воздействием на коммутаторы и приданием специальных функций модулю питания, например, как было описано выше, дистанционным вводом прикладной программы в блок обработки модуля.
Несмотря на то, что выше была представлена реализация устройства 30 питания для работы двигателя путем подачи напряжения постоянного тока на шины 40, 40', возможно питание этих шин точным напряжением бортовой сети самолета.