НАСОСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Область техники
[1] Полезная модель относится к области насосных установок, предназначенных для использования в гидравлических системах летательных аппаратов.
Предпосылки к созданию полезной модели
[2] Гидравлическая система самолета предназначена для передачи жидкости через сеть трубопроводов от центральной насосной установки к гидравлическим приводным механизмам аэродинамических органов управления, шасси и т.п. Гидравлическая система может включать в себя главный контур и ряд периферийных контуров, соединяющих главный контур с отдельными гидравлическими приводными механизмами, при этом центральная насосная установка создает давление жидкости в главном контуре.
[3] Электродвигатель центральной насосной установки получает электроэнергию от генератора, связанного с валом двигателя самолета. Поскольку в зависимости от режима полета вал двигателя самолета может вращаться в широком диапазоне скоростей, то частота выходного напряжения генератора не является постоянной, в результате чего скорость вращения вала электродвигателя центральной насосной установки, а значит и ее производительность, подвержены значительным изменениям. Одновременно с этим может изменяться количество задействованных гидравлических приводных механизмов, а также потребляемая ими мощность, что варьирует расход жидкости в гидравлической системе.
[4] Тем не менее для корректной работы указанных гидравлических приводных механизмов необходимо, чтобы независимо от скорости вращения вала электродвигателя, определяемой частотой выходного напряжения генератора, и расхода жидкости, определяемого суммарной мощностью задействованных гидравлических приводных механизмов, центральная насосная установка обеспечивала в главном контуре гидравлической системы заданное давление.
[5] Прототипом полезной модели является центральная насосная установка для гидравлической системы самолета, раскрытая в публикации US2019145390A1, 16.05.2019. Описанная гидравлическая система обеспечивает подачу жидкости ко множеству гидравлических приводных механизмов, каждый из которых работает независимо от других. Центральная насосная установка, в свою очередь, содержит электродвигатель и аксиально-плунжерный насос, приводной вал которого жестко связан с ротором электродвигателя.
[6] Электродвигатель прототипа получает питание от генератора, связанного с валом двигателя самолета и в результате этого выдающего напряжение, которое имеет изменяющуюся частоту. Аксиально-плунжерный насос содержит блок цилиндров, закрепленный на приводном валу и выполненный с множеством цилиндровых отверстий, а также наклонную шайбу, способную изменять угол своего наклона относительно плоскости, перпендикулярной оси приводного вала. Блок цилиндров содержит множество плунжеров, каждый из которых размещен в своем цилиндровом отверстии и закреплен своим концом на наклонной шайбе с возможностью перемещения по ней. При повороте наклонной шайбы длина хода плунжеров изменяется, а значит, изменяется и производительность аксиально-плунжерного насоса.
[7] Таким образом, посредством регулирования производительности аксиально-плунжерного насоса, прототип обеспечивает неизменность выходного давления центральной насосной установки при одновременном и отдельном друг от друга возникновении следующих обстоятельств:
- изменение скорости вращения приводного вала, вызванное изменением частоты питающего напряжения;
- изменение расхода жидкости в гидравлической системе, вызванное изменением режима работы гидравлических приводных механизмов.
[8] Тем не менее, прототипу свойственен и существенный недостаток. Для увеличения мощности электродвигателя его подключение к генератору традиционно осуществляется по схеме «треугольник», обеспечивающей в фазах электродвигателя более высокую силу тока при той же величине напряжения. Представляется также очевидным, что мощность электродвигателя должна обеспечивать функционирование аксиально-плунжерного насоса во всех возможных режимах его работы. Из этого следует, что на протяжении подавляющего времени работы электродвигателя его мощность является избыточной, тем не менее, в течение этого времени электродвигатель отбирает значительную мощность от генератора.
[9] Недостаток постоянного подключения электродвигателя по схеме «треугольник» становится особенно заметным при запуске электродвигателя, который сопровождается скачком напряжения в электросети самолета с риском повреждения отдельных компонентов электрооборудования. Кроме того, запуск электродвигателя с высоким пусковым током сопровождается значительной ударной нагрузкой на подшипники, а также те элементы насосной установки, которые участвуют в передаче крутящего момента, что снижает их ресурс. Далее, при работе двигателя самолета на низких оборотах, например во время посадки, когда выдаваемая генератором мощность является ограниченной, производимый электродвигателем избыточный отбор мощности из электросети самолета может привести к недостаточному питанию иных потребителей.
[10] Технической проблемой, стоящей перед полезной моделью, является преодоление указанных выше недостатков, в частности снижения пускового тока электродвигателя центральной насосной установки, а также снижения нагрузки на электросеть самолета со стороны электродвигателя центральной насосной установки при низких оборотах двигателя самолета.
Сущность полезной модели
[11] Для решения указанной технической проблемы в качестве полезной модели предложена насосная установка для гидравлической системы летательного аппарата, содержащая асинхронный электродвигатель, аксиально-плунжерный насос и блок управления. Статор асинхронного электродвигателя имеет трехфазную обмотку, соединенную через блок управления с источником напряжения, а ротор жестко связан с приводным валом аксиально-плунжерного насоса. Аксиально-плунжерный насос содержит блок цилиндров, закрепленный на приводном валу и выполненный с множеством цилиндровых отверстий, и наклонную шайбу, способную изменять угол наклона относительно плоскости, перпендикулярной оси приводного вала. Блок цилиндров содержит множество плунжеров, каждый из которых размещен в своем цилиндровом отверстии и закреплен своим концом на наклонной шайбе с возможностью перемещения по ней. Блок управления способен переключать соединение трехфазной обмотки электродвигателя с источником напряжения между схемами «звезда» и «треугольник», а также приводить в действие исполнительный механизм, способный изменять угол наклона наклонной шайбы в сторону его уменьшения.
[12] Технический результат полезной модели состоит в возможности временного соединения электродвигателя с электросетью по схеме «звезда» при минимизации нагрузки на его валу. Это позволяет осуществить запуск электродвигателя с минимальным пусковым током, что в свою очередь, исключает как резкий перепад напряжения в электросети самолета, так и механическую ударную нагрузку на элементы насосной установки. Кроме того, при низких оборотах двигателя самолета, т.е. в ситуации малой выработки электроэнергии, соединение электродвигателя с электросетью по схеме «звезда» позволяет снизить нагрузку на электросеть самолета.
[13] В предпочтительном случае полезной модели исполнительный механизм выполнен в виде пары из исполнительного цилиндра и электромагнитного клапана. Электромагнитный клапан способен переключать соединение полости исполнительного цилиндра между магистралями низкого и высокого давления. Поршень исполнительного цилиндра при соединении полости исполнительного цилиндра с магистралью высокого давления способен воздействовать на наклонную шайбу так, чтобы изменять угол наклона наклонной шайбы в сторону его уменьшения.
[14] Данный предпочтительный случай полезной модели раскрывает конструктивное решение для исполнительного механизма, позволяющее быстро минимизировать производительность аксиально-плунжерного насоса с тем, чтобы снять нагрузку с вала электродвигателя для его безопасного запуска.
[15] В развитии данного предпочтительного случая полезной модели исполнительный цилиндр снабжен пружиной, прижимающей поршень к наклонной шайбе. В этом исполнении для уменьшения угла наклона наклонной шайбы достаточно выровнять давление внутри исполнительного цилиндра и снаружи от него, что позволяет снизить давление в магистрали высокого давления и упростить конструкцию насосной установки.
[16] В другом развитии данного предпочтительного случая полезной модели на приводном валу аксиально-плунжерного насоса установлена крыльчатка центробежного насоса, нагнетающего жидкость из камеры низкого давления в камеру высокого давления. Камера низкого давления является камерой, которая принимает жидкость из внешнего контура, а камера высокого давления является камерой, из которой жидкость поступает в цилиндровые отверстия блока цилиндров. Магистраль низкого давления соединяет электромагнитный клапан с камерой низкого давления, а магистраль высокого давления соединяет электромагнитный клапан с камерой высокого давления.
[17] В этом исполнении для управления исполнительным механизмом используется его выборочное соединение с камерами высокого и низкого давления, созданными для других целей, а именно - для приема жидкости в аксиально-плунжерный насос и последующего нагнетания жидкости в цилиндровые отверстия блока цилиндров. Данное исполнение упрощает конструкцию насосной установки.
[18] В еще одном предпочтительном случае полезной модели блок управления содержит управляющее устройство, реле и контактор. Управляющее устройство посредством реле способно приводить контактор в первое или второе положения. В своем первом положении контактор обеспечивает соединение второго конца каждой фазы трехфазной обмотки с вторыми концами двух других фаз, а в своем втором положении контактор обеспечивает соединение второго конца каждой фазы с первым концом одной из двух других фаз.
[19] В данном предпочтительном случае переключение соединения трехфазной обмотки электродвигателя с источником напряжения между схемами «звезда» и «треугольник» выполнено с использованием единого контактора, приводимого в действие при помощи электромагнитного реле по сигналу от управляющего устройства. Такое исполнение позволяет минимизировать время указанного переключения.
Краткое описание чертежей
[20] Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:
фиг. 1 - центральная насосная установка для гидравлической системы самолета, выполненная согласно полезной модели, электрическая схема;
фиг. 2 - центральная насосная установка для гидравлической системы самолета в момент запуска электродвигателя, вид в разрезе;
фиг. 3 - центральная насосная установка для гидравлической системы самолета в момент повышенного расхода жидкости в гидравлической системе, вид в разрезе.
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов центральной насосной установки, отображенных на фигурах, могут являться условными и могут быть показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов центральной насосной установки и их причинно-следственную связь с заявленным техническим результатом.
Осуществление полезной модели
[21] Осуществление полезной модели будет показано на наилучших известных авторам примерах реализации полезной модели, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[22] Центральная насосная установка 100 для гидравлической системы самолета включает в себя блок управления 1 и насосный блок 2 (фиг. 1). Блок управления 1 соединяет насосный блок 2 с трехфазной шиной 91 электросети самолета. Питающее напряжение в шине 91 обеспечивается генератором 90, связанным с валом двигателя самолета (не показан). Насосный блок 2 содержит электродвигатель 50 и аксиально-плунжерный насос 60 (далее - насос 60).
[23] В насосном блоке 2 корпус 51 электродвигателя 50 (фиг. 2) жестко соединен с корпусом 61 насоса 60 так, что ротор 52 электродвигателя располагается соосно приводному валу 4 насоса 60 и жестко соединен с ним посредством промежуточного шлицевого вала 3. Корпуса 51 и 61 образуют между собой герметичное пространство 22, соединенное каналом 23 с резервуаром 24, который принимает жидкость из возвращающей линии 41 главного контура гидравлической системы. Поскольку жидкость перетекает из резервуара 24 в герметичное пространство 22 по существу самотеком, то в главном контуре гидравлической системы герметичное пространство 22 представляет собой участок низкого давления и далее именуется как «камера 22 низкого давления».
[24] Полость корпуса 51, в которой расположены ротор 52 и статор 53 электродвигателя, изолирована от камеры 22 низкого давления. Тем не менее, через камеру 22 низкого давления пролегает канал 54, выводящий охлаждающую жидкость, которая помимо функции охлаждения ротора 52 и статора 53 выполняет также и функцию смазки подшипников, из полости корпуса 51 в контур охлаждения электродвигателя 50.
[25] Корпус 61 образует герметичное пространство 20, соединенное с камерой 22 низкого давления каналом 21. На приводном валу 4 закреплена крыльчатка 5 центробежного насоса, которая через канал 21 нагнетает жидкость из камеры 22 низкого давления в герметичное пространство 20, что позволяет именовать герметичное пространство 20 «камерой 20 высокого давления». Заметим, что камера 20 высокого давления через клапан 42 сообщается с возвращающей линией 41, что позволяет сбрасывать избыточное давление в случае возникновения такового.
[26] Насос 60 содержит блок 62 цилиндров, закрепленный на приводном валу 4 и выполненный с множеством цилиндровых отверстий 6, в которых размещены плунжеры 7. Концы 71 плунжеров 7 опираются на наклонную шайбу 8, которая не имеет возможности вращения вместе с приводным валом 4, однако, способна изменять угол наклона относительно плоскости, перпендикулярной оси приводного вала 4. При вращении блока 62 цилиндров, концы 71 плунжеров 7 способны скользить по наклонной шайбе 8. Если наклонная шайба 8 расположена под углом к плоскости, перпендикулярной оси приводного вала 4 (фиг. 3), то перемещение концов 71 по наклонной шайбе 8 сопровождается возвратно-поступательным движением плунжеров 7 в цилиндровых отверстиях 6. Если же наклонная шайба 8 расположена параллельно плоскости, перпендикулярной оси приводного вала 4 (фиг. 2), то перемещение концов 71 по наклонной шайбе 8 не сопровождается возвратно-поступательным движением плунжеров 7 в цилиндровых отверстиях 6. Следует отметить, что блок 62 цилиндров и наклонная шайба 8 расположены в камере 20 высокого давления.
[27] При вращении блока 62 цилиндров цилиндровые отверстия 6 поочередно проходят такой участок своей траектории, на котором они сообщаются с каналом 19, открывающимся в камеру 21 высокого давления. Поскольку на этом участке траектории цилиндровых отверстий 6, вследствие наклона наклонной шайбы 8 (фиг. 3) плунжеры 7 в осевом направлении удаляются от канала 19, то происходит всасывание жидкости в цилиндровые отверстия 6.
[28] Кроме того, при вращении блока 62 цилиндров цилиндровые отверстия 6 поочередно проходят такой участок своей траектории, на котором они сообщаются с каналом 72, открывающимся в нагнетающую линию 18 главного контура гидравлической системы. Поскольку на этом участке траектории цилиндровых отверстий 6, вследствие наклона наклонной шайбы 8 (фиг. 3) плунжеры 7 в осевом направлении приближаются к каналу 72, то происходит вытеснение жидкости из цилиндровых отверстий 6 в канал 72, в результате чего в нагнетающей линии 18 создается давление.
[29] Таким образом, изменяя угол наклона шайбы 8 к плоскости, перпендикулярной оси приводного вала 4, от нулевого (фиг. 2) до максимально возможного (фиг. 3), можно изменять длину хода плунжеров 7, которая пропорциональна объему вытеснения жидкости в нагнетающую линию 18 за один оборот блока 62 цилиндров. Другими словами, изменение угла наклона наклонной шайбы 8 приводит к изменению производительности насоса 60.
[30] Пружина 25 поджимает наклонную шайбу 8 в сторону максимального угла наклона, т.е. в сторону максимальной производительности насоса 60, при этом сжатие пружины 25 до уровня, ограниченного ограничителем 30, возвращает наклонную шайбу 8 в положение нулевого угла наклона, т.е. нулевой производительности насоса 60. На другой своей стороне, которая в радиальном направлении противоположна стороне расположения пружины 25, наклонная шайба 8 опирается на сервопоршень 9, который при подаче давления в цилиндровое отверстие 10 способен осуществлять поворот наклонной шайбы 8 против действия пружины 25.
[31] Насос 60 снабжен золотниковым регулятором 13, золотник 14 которого способен в первом своем положении соединять цилиндровое отверстие 10 через канал 11 и полость 12 с каналом 17, сообщающимся с нагнетающей линией 18, а во втором своем положении соединять цилиндровое отверстие 10 с магистралью 16, сообщающимся с камерой 22 низкого давления. Пружина 15 поджимает золотник 14 в первое положение.
[32] Если давление в нагнетающей линии 18 снижается ниже заданной величины, то пружина 15 преодолевает усилие, оказываемое на золотник 14 давлением в нагнетающей линии 18, и золотник 14 переходит во второе положение. В результате этого давление в цилиндровом отверстии 10 падает, и усилие, производимое сервопоршенем 9 на наклонную шайбу 8, ослабевает. Тогда под действием пружины 25 наклонная шайба 8 поворачивается в направлении увеличения угла наклона (фиг. 3), и производительность насоса 60 увеличивается. Соответственно, давление в нагнетающей линии 18 возрастает до заданной величины. Заметим, что указанное снижение давления в нагнетающей линии 18 может быть вызвано повышенным потреблением жидкости гидравлическими приводным механизмами и/или снижением частоты входного напряжения на электродвигателе 50 с соответствующим снижением скорости вращения приводного вала 4.
[33] Если давление в нагнетающей линии 18 превышает заданную величину, то усилие, оказываемое на золотник 14 давлением в нагнетающей линии 18, преодолевает усилие пружины 15, и золотник 14 переходит в первое положение. В этом случае давление в цилиндровом отверстии 10 увеличивается, и усилие, производимое сервопоршенем 9 на наклонную шайбу 8, преодолевает таковое от пружины 25, что вызывает поворот наклонной шайбы 8 в направлении уменьшения угла наклона (фиг. 2). Производительность насоса 60 соответствующим образом уменьшается, а давление в нагнетающей линии 18 снижается до заданной величины. Обратим внимание, что указанное повышение давления в нагнетающей линии 18 может быть вызвано снижением потребления жидкости гидравлическими приводным механизмами и/или повышением частоты входного напряжения на электродвигателе 50 с соответствующим повышением скорости вращения приводного вала 4.
[34] Описанная выше конфигурация насосного блока 2 является общеизвестной. Тем не менее, согласно полезной модели насосный блок 2 снабжен исполнительным механизмом, способным изменять угол наклона наклонной шайбы 8 в сторону его уменьшения. Данный исполнительный механизм выполнен в виде пары из исполнительного цилиндра 26 и электромагнитного клапана 32.
[35] Поршень 28 исполнительного цилиндра 26 через сферический упор 29 поджимается к наклонной шайбе 8 пружиной 27, которая создает усилие, стремящееся повернуть наклонную шайбу 8 в направлении, противоположном направлению поворота наклонной шайбы 8 под действием усилия, создаваемого пружиной 25. Пружина 27 размещена в герметичной полости исполнительного цилиндра 26, в которую открывается канал 33.
[36] Электромагнитный клапан 32 может находиться в первом (фиг. 2) и во втором (фиг. 3) положениях. Находясь в первом положении, электромагнитный клапан 32 через магистраль 34 соединяет канал 33 с камерой 20 высокого давления, а находясь во втором положении, электромагнитный клапан 32 через магистраль 16 соединяет канал 33 с камерой 22 низкого давления. Переключение между своими первым и вторым положениями электромагнитный клапан 32 осуществляет по сигналу, поступающему по шине 89 от блока управления 1.
[37] Момент, действующий на наклонную шайбу 8 со стороны пружины 27, больше момента, действующего на наклонную шайбу 8 со стороны пружины 25. Соответственно, если электромагнитный клапан 32 находится в первом положении, в котором давление внутри исполнительного цилиндра 26 становится равным давлению снаружи от него, то пружина 27 поворачивает наклонную шайбу 8 в направлении уменьшения угла ее наклона, предпочтительно - к нулевому углу наклона, соответствующему нулевой производительности насоса 60 (фиг. 2). Данная конфигурация создает благоприятные условия для запуска электродвигателя 50, поскольку минимизирует нагрузку на его валу.
[38] С другой стороны, если электромагнитный клапан 32 находится во втором положении, в котором давление внутри исполнительного цилиндра 26 становится меньше давления снаружи от него, то пружина 27 не способна преодолеть дополнительное усилие, создаваемое давлением жидкости на внешнюю поверхность поршня 28. Тем временем пружина 25 стремится повернуть наклонную шайбу 8 в направлении увеличения угла наклона, при этом чрезмерному повороту наклонной шайбы 8, вызывающему избыточную производительность насоса 60, препятствует сервопоршень 9 (фиг. 3). Таким образом, при нахождении электромагнитного клапана 32 во втором положении, угол наклона наклонной шайбы 8 регулируется так, чтобы в нагнетающей линии 18 поддерживалось стабильное давление на заданной величине, как это было описано выше.
[39] Блок 1 управления (фиг. 1) содержит контакторы 81 и 82, а также управляющее устройство 85. При получении управляющих сигналов, поступающих по шине 88 от иерархически вышестоящего звена системы управления самолета, управляющее устройство 85 управляет включением и выключением контакторов 81 и 82, подавая сигналы на реле 83 и 84 соответственно. Кроме того, управляющее устройство 85 через шину 89 управляет переводом электромагнитного клапана 32 из первого во второе положение и обратно.
[40] Электродвигатель 50 представляет собой асинхронный электродвигатель, статор 53 которого содержит трехфазную обмотку. Контактор 81 при его переводе во включенное положение соединяет первые концы фаз обмотки статора 53 с соответствующими фазами шины 91. Контактор 82 переключает соединение вторых концов фаз обмотки статора 53 между соединением с первыми концами соседних фаз, т.е. соединением по схеме «треугольник», и соединением вторых концов между собой, т.е. соединением по схеме «звезда». В положении контактора 82, показанном на фиг. 1, обеспечено соединение вторых концов фаз обмотки статора 53 по типу «звезда». Выполнение подключения электродвигателя 50 к шине 91 по схемам «треугольник» и «звезда» является очевидным для специалиста в данной области.
[41] При получении по шине 88 сигнала на запуск центральной насосной установки 100 управляющее устройство 85 переводит контактор 81 во включенное положение, переводит контактор 82 в положение, обеспечивающее соединение электродвигателя 50 с шиной 91 по схеме «звезда», и посредством шины 89 переводит электромагнитный клапан 32 в первое положение, т.е. в положение, соответствующее нулевой производительности насоса 60 (Фиг. 2). В данной конфигурации запуск электродвигателя 50 осуществляется с минимальным пусковым током и минимальной нагрузкой на валу, что в свою очередь, исключает как резкий перепад напряжения в электросети самолета, так и механическую ударную нагрузку на элементы центральной насосной установки 100.
[42] После выхода электродвигателя 50 на заданные обороты, управляющее устройство 85 переводит контактор 82 в положение, обеспечивающее соединение электродвигателя 50 с шиной 91 по схеме «треугольник». Одновременно с этим управляющее устройство 85 переводит электромагнитный клапан 32 во второе положение, т.е. в положение, обеспечивающее такое регулирование производительности насоса 60, при котором в нагнетающей линии 18 поддерживается давление заданной величины (Фиг. 3). В данной конфигурации электродвигатель 50 передает на приводной вал 4 максимальный момент, что позволяет гарантировать в нагнетающей линии 18 заданную величину давления при высоких оборотах электродвигателя 50 и высоком потреблении жидкости гидравлическими приводными механизмами.
[43] Тем не менее, во время работы центральной насосной установки 100 при низких оборотах двигателя самолета, т.е. в ситуации малой выработки электроэнергии генератором 90, управляющее устройство 85 может переводить контактор 82 в положение, обеспечивающее соединение электродвигателя 50 с шиной 91 по схеме «звезда», оставляя электромагнитный клапан 32 во втором положении. Данная конфигурация также позволяет поддерживать давление жидкости в нагнетающей линии 18 на заданной величине, но при этом обеспечивает меньшее потребление электроэнергии электродвигателем 50, что снижает нагрузку на шине 91. Это становится возможным вследствие работы электродвигателя 50 на низких оборотах, на которых создаваемый электродвигателем 50 крутящий момент является достаточным для обеспечения требуемой производительности насоса 60.