СХЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ГОНДОЛЫ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
POWER SUPPLY CIRCUIT FOR TURBOJET ENGINE NACELLE

Изобретение относится к системе электропитания для гондолы турбореактивного двигателя.
Летательный аппарат приводится в движение посредством нескольких турбореактивных двигателей, каждый из которых размещен в гондоле, содержащей также различные связанные с его работой дополнительные устройства, например реверсор тяги и противообледенительную систему.
Назначение реверсора тяги состоит в повышении эффективности торможения летательного аппарата при его посадке путем перенаправления вперед по меньшей мере части тяги, развиваемой турбореактивным двигателем.
На этом этапе реверсор перекрывает сопло выпуска газов, направляя поток газов двигателя к передней стороне гондолы, в результате чего создается обратная тяга, которая складывается с действием торможения колес летательного аппарата.
В зависимости от типа реверсора в нем могут использоваться разные средства переориентации потока. Тем не менее, во всех случаях конструкция реверсора включает в себя подвижные капоты, установленные с возможностью перемещения из выдвинутого положения, в котором они открывают в гондоле канал для отклоненных потоков, в убранное положение, в котором они этот канал перекрывают.
Данные подвижные капоты либо сами выполняют функцию отклонения потока, либо всего лишь активируют другие отклоняющие средства, такие как створки для перекрытия тракта.
Указанные подвижные капоты и отклоняющие средства приводятся в действие, как правило, с помощью гидравлических или пневматических силовых цилиндров, для работы которых требуется наличие специальной сети подведения текучей среды под давлением. В случае использования пневматических цилиндров эту текучую среду можно получить путем отвода воздуха из турбореактивного двигателя, в случае же гидравлических цилиндров ее получают путем забора из гидравлической системы летательного аппарата.
Подобные системы требуют проведения довольно значительных работ по техобслуживанию, поскольку даже малейшая утечка из гидравлической или пневматической сети может иметь тяжелые последствия для реверсора тяги и остальных частей гондолы. Кроме того, вследствие наличия весьма ограниченного пространства в передней раме реверсора операции по монтажу подобного контура и обеспечению его защиты оказываются особо трудоемкими и неудобными.
С целью устранения различных недостатков гидравлических и пневматических систем разработчики реверсоров тяги посчитали целесообразным улучшить их таким образом, чтобы реверсоры состояли по возможности из более легких и надежных электромеханических приводов. Один из таких реверсоров описан в патенте ЕР 0843089.
В других заявках на изобретение особое внимание уделялось системам контроля электрических реверсоров.
Еще одним важным узлом гондолы турбореактивного двигателя является система предотвращения обледенения и/или противообледенительная система для передних кромок, а конкретнее - для кромки воздухозаборника двигателя летательного аппарата.
Дело в том, что образование льда на кромке воздухозаборника приводит к возникновению множества проблем, в числе которых можно назвать увеличение веса или возникающее из-за него нарушение баланса между левым и правым бортами, а в более частном случае (относящемся к воздухозаборникам турбореактивных двигателей) - образование кусков льда, которые могут попадать внутрь двигателя и повреждать тем самым, например, лопасти вентилятора.
Среди противообледенительных систем существующего уровня техники известны пневматические системы, принцип действия которых состоит в отборе горячего воздуха из зоны турбореактивного двигателя и его подаче внутрь кромки воздухозаборника посредством специальной сети трубопроводов.
К сожалению, такие пневматические системы громоздки, имеют слишком большой вес и отрицательно влияют на кпд двигателей летательных аппаратов.
Поэтому, как и в случае с реверсорами тяги, разработчики авиационного оборудования посчитали целесообразным использовать в этих целях электрические противообледенительные системы, оснащенные сетью резистивных нагревателей, по которым протекает электрический ток.
Кроме того, задаче разработки таких систем посвящены многочисленные патентные документы, из которых можно выделить пока не опубликованные заявки FR 08/06416 или FR 09/00364.
Один из важнейших аспектов, относящихся к функционированию гондол турбореактивных двигателей, оснащенных электрическими системами, связан с управлением электропитанием таких систем.
Этот вопрос обсуждается в патенте ЕР 1953085, посвященном схеме питания для электрической противообледенительной системы.
Описываемая в патенте ЕР 1953085 противообледенительная система получает питание от выделенного электрического генератора, отличного от генераторов, обеспечивающих электропитание для летательного аппарата, которое используется, в частности, для реверсора тяги. Этот выделенный генератор установлен на коробке приводов агрегатов.
Указанный генератор вырабатывает регулируемое электрическое напряжение, подаваемое на нагревательные резисторы устройства удаления льда с кромки воздухозаборника.
Благодаря техническому решению, описанному в документе ЕР 1953085, удается обойтись без преобразователя мощности для повышения надежности системы и исключить необходимость обратного подвода электроэнергии большой мощности от центрального распределительного устройства к двигателю.
Что касается системы электрической активации реверсора тяги, то она продолжает питаться от центрального распределительного устройства. Назначение этой системы состоит обычно в преобразовании электрической энергии, поступающей из центрального распределительного устройства, и в управлении работой двигателя, соединенного с гибким передаточным механизмом, воздействующим на электромеханические приводы.
Хотя эта система и обеспечивает возможность автономного управления электропитанием противообледенительного устройства, а также позволяет обойтись без использования в гондоле добавочных электрических компонентов, ей присущи некоторые недостатки.
Действительно, эта электрическая система реверсора тяги остается подключенной к центральному распределительному устройству летательного аппарата. Она преобразует электрическую энергию летательного аппарата в переменное напряжение, в частности, посредством выпрямительных мостов и конденсаторов в сети типа ПТВН (постоянный ток высокого напряжения).
Система включает в себя также группу инверторов и обеспечивает регулирование фазных токов для одного или нескольких двигателей, например, бесщеточного типа, предназначенных для приведения в действие электромеханических приводов устройства реверса тяги.
Указанные преобразователи высокой мощности являются все-таки довольно громоздкими (что значительно увеличивает общий вес электрической системы гондолы), поскольку их удельная мощность в несколько кВт/кг ограничена температурами перехода кремниевых подложек для активных транзисторов типа БТИЗ (биполярные транзисторы с изолированным затвором).
Кроме того, следует заметить, что электродинамическое торможение приводов осуществляется путем рассеяния генерируемой в двигателях энергии через рассеивающий резистор при управлении соответствующим управляющим транзистором с целью предотвращения разрыва электросети летательного аппарата путем повторной подачи в нее электроэнергии.
В целом основные недостатки систем управления энергией сводятся к следующим:
- необходимость в обеспечении возврата электроэнергии летательного аппарата к системе, причем эта электроэнергия летательного аппарата вырабатывается электрическими генераторами, установленными на коробке приводов агрегатов двигателя;
- необходимость преобразования и регулирования переменного тока от электрического источника;
- необходимость рассеяния энергии в режимах электродинамического торможения реверсора тяги (рассеяние в тормозном резисторе), чтобы не допустить снижения качества электросети летательного аппарата путем повторной подачи в нее энергии торможения.
Сказанное накладывает многочисленные ограничения на расчет системы, в частности, в отношении ее объема, веса и стоимости.
Соответственно, задача настоящего изобретения заключается в устранении указанных выше недостатков. В рамках решения этой задачи предложена схема электропитания для гондолы турбореактивного двигателя, содержащая по меньшей мере один электрический генератор, механически связанный с валом турбореактивного двигателя, причем указанный генератор выполнен с возможностью подачи электропитания непосредственно на первое силовое электрическое устройство, отличное от простого блока контроля или мониторинга, отличающаяся тем, что указанный генератор выполнен с возможностью подачи электропитания непосредственно на по меньшей мере одно второе силовое электрическое устройство, отличное от блока контроля или мониторинга.
Под словом «непосредственно» здесь понимается, что питание не идет через электросеть летательного аппарата, т.е. электрический генератор не подает питание в электросеть летательного аппарата, из которой впоследствии отбиралась бы электроэнергия для питания первого и второго активных электрических устройств, а питание осуществляется непосредственно внутри гондолы посредством указанного специально выделенного генератора. Однако это не значит, что электропитание не может передаваться через различные элементы, такие как выпрямители, транзисторы и пр., но при этом передача происходит по-прежнему внутри гондолы.
Выражение «силовое электрическое устройство, отличное от простого блока контроля или мониторинга», не подразумевает, что невозможна ситуация, когда такое электрическое устройство будет включать в себя собственный блок контроля или мониторинга, используемый для управления такими активными компонентами, как нагревательные элементы и/или электродвигатели. Соответственно, подобные устройства могут представлять собой устройство реверса тяги, электрическое противообледенительное устройство, устройство регулируемого сопла, однако при этом исключается возможность его выполнения лишь в виде блока контроля или мониторинга как такового.
Таким образом, при использовании одного и того же автономного генератора для питания нескольких силовых узлов электропитающего оборудования гондолы больше не требуется отбирать энергию из электросети летательного аппарата, корректировать ее и выпрямлять. Это приводит к упрощению схемы электропитания, уменьшению количества компонентов и, следовательно, к снижению веса всей конструкции.
В предпочтительном случае одно из указанных силовых электрических устройств представляет собой электрическое противообледенительное устройство.
Также предпочтительно, если одно из указанных силовых электрических устройств представляет собой устройство реверса тяги. Кроме того, согласно предпочтительному варианту изобретения устройство реверса тяги содержит выходную линию электродинамического торможения, выполненную с возможностью по меньшей мере частичного запитывания другого электрического устройства.
Если говорить в целом, распределение работы электрического источника между электрическим устройством типа противообледенительного устройства и электрическим устройством типа устройства реверса тяги становится возможным благодаря тому, что возможно прерывание действия противообледенительного устройства на несколько секунд. В течение этой паузы генератор начинает использоваться для питания устройства реверса тяги, время раскрытия и убирания которого составляет всего несколько секунд.
Величина мощности, отбираемой и рассеиваемой на электродинамическое торможение, также меньше максимального значения мощности для удаления льда. Таким образом, расчет параметров генератора для противообледенительной системы пригоден и для устройства реверса тяги.
В случае системы реверса, оснащенной одним электродвигателем, можно предусмотреть, чтобы вместо использования преобразователей "постоянный ток - постоянный ток" или "переменный ток - постоянный ток" и "постоянный ток - переменный ток" можно было непосредственно управлять генератором и подавать питание без преобразования на электрический двигатель устройства реверса тяги, например, типа устройства постоянного тока.
Согласно предпочтительному варианту изобретения одно из указанных силовых электрических устройств представляет собой устройство регулируемого сопла.
В соответствии с другим вариантом изобретения указанный электрический генератор относится к типу генераторов/пускателей.
В предпочтительном случае указанный электрический генератор, работающий в режиме пускателя, может получать питание по обратной линии одного из указанных электрических устройств.
Дело в том, что ослабление энергии в режиме торможения может осуществляться либо (если это позволяют расчетные параметры) на валу генератора (при работе в режиме пускателя), либо за счет питания другого электрического устройства, в данном конкретном случае - противообледенительного. Указанное ослабление энергии может быть смешанным, что позволит контролировать скорость торможения.
В предпочтительном случае генератор расположен на коробке приводов агрегатов турбореактивного двигателя.
Согласно предпочтительному варианту изобретения схема электропитания содержит по меньшей мере два электрических генератора, в частности, из соображений надежности.
В соответствии с другим вариантом изобретения по меньшей мере одно из указанных силовых устройств работает на постоянном токе и, в частности, благодаря по меньшей мере одному двигателю постоянного тока.
В предпочтительном случае по меньшей мере одно электрическое устройство связано с преобразователем, в частности, относящимся к типу преобразователя переменного тока в переменный, когда указанное силовое устройство работает на постоянном токе. Можно, в частности, использовать устройство реверса тяги с электродвигателем постоянного тока.
Согласно предпочтительному варианту изобретения указанный преобразователь обеспечивает управление работой связанного с ним электрического устройства, в частности, путем регулирования питания этого устройства, например, с помощью блока контроля гондолы и/или блока контроля летательного аппарата.
В предпочтительном случае работой генератора управляет по меньшей мере один электрический блок контроля гондолы. Управление работой генератора можно использовать, в частности, для непосредственного управления работой связанных с ним электрических устройств.
В порядке дополнительной меры можно предусмотреть, чтобы работой генератора управлял по меньшей мере один электрический блок контроля гондолы. Для таких блоков используется, как правило, аббревиатура ЭБГ (электрический блок гондолы).
Согласно предпочтительному варианту изобретения работа электрического генератора управляется при помощи контрольных сигналов, поступающих от указанных первого и/или второго питаемых электрических устройств, в частности, через блок контроля гондолы.
В предпочтительном случае схема содержит по меньшей мере один электрический переключатель, управляемый блоком контроля, в частности блоком контроля летательного аппарата.
Предложенное в изобретении техническое решение имеет то преимущество, что в нем не используется ни основной преобразователь мощности, ни отбор мощности из электросети летательного аппарата, а имеется лишь группа переключателей, которые позволяют подавать напряжение генератора на то и/или другое управляемое электрическое устройство.
На случай, когда время реакции генератора на воздействие регулирования напряжения становится слишком продолжительным и несовместимо с требованиями динамического регулирования для питаемого электрического устройства, может быть предложен еще один вариант изобретения. В подобной ситуации можно предусмотреть первичное регулирование напряжения генератора, осуществляемое блоком контроля гондолы, и специальный вторичный преобразователь напряжения, также контролируемый этим блоком контроля гондолы и используемый для оптимизации регулирования питания электрического устройства, в соответствии с потребностями и для обеспечения стабильной работы контура управления.
В предпочтительном случае каждое электрическое устройство, получающее питание от генератора, связано с управляемым переключателем.
В предыдущем случае, если используется вторичный преобразователь, это может быть преобразователь типа "переменный ток - переменный ток", работающий взамен переключателя питания электрического устройства.
Согласно предпочтительному варианту изобретения по меньшей мере одно питаемое электрическое устройство содержит по меньшей мере одну линию управления, идущую от блока контроля летательного аппарата.
Дело в том, что функции управления этими устройствами возлагаются, как правило, на кабину управления и, следовательно, управление ими осуществляется блоком контроля летательного аппарата и компьютером двигателя, при этом согласно изобретению гондола используется только для подачи и управления электрической мощностью.
Предметом изобретения является также гондола турбореактивного двигателя, содержащая по меньшей мере одну предложенную схему электропитания.
Сущность изобретения становится более понятной из ознакомления с нижеследующим подробным описанием, приводимым со ссылкой на единственную приложенную фигуру, схематически изображающую заявляемую схему электропитания.
Однако прежде чем перейти к подробному рассмотрению раскрытого в заявке варианта, важно уточнить, что описываемая схема не ограничивается лишь одним типом электрического устройства, например противообледенительного устройства или устройства реверса тяги, предметом данного изобретения является электропитание для всех подобных систем.
Поскольку структура и другие особенности этих систем хорошо известны специалистам данной области техники, в настоящей заявке они детально не рассматриваются.
Представленная здесь электрическая схема 1 должна обеспечивать питание, во-первых, для электрического противообледенительного устройства 100 и, во-вторых, для устройства 200 реверса тяги, содержащего электродвигатель 201, выполненный с возможностью механического приведения в действие группы гибких валов 202, воздействующих на группу электромеханических приводов 203 реверсора тяги.
Устройство реверса тяги включает в себя также группу фиксаторов 204, называемых, в частности, первичными и третичными.
Более полное описание электрической системы реверсирования тяги можно посмотреть в упомянутом патентном документе ЕР 0843089.
В соответствии с изобретением электрическая схема 1 содержит генератор/пускатель 2, механически связанный с валом турбореактивного двигателя, который приводит его во вращение с обеспечением генерации электроэнергии.
Этот генератор располагается на коробке 3 приводов агрегатов.
Для подачи электроэнергии к электросети летательного аппарата предусмотрены один или два других отдельных генератора (не показаны).
Генератор 2 подает питание на блок 4 контроля гондолы, называемый ЭБГ-блоком (электрический блок гондолы), и при этом управляется этим блоком. Работой ЭБГ-блока управляет регулятор 5 работы двигателя, т.е. ЭРРД-регулятор (электрический регулятор работы двигателя). Учитывая, что ЭБГ-блок представляет собой блок контроля, а не силовой блок, его нельзя считать активным электрическим устройством в рамках настоящего изобретения.
Генератор 2 непосредственно питает через свой выход 6, во-первых, противообледенительное устройство 100 по питающей линии 6а и, во-вторых, устройство реверса тяги по линии 6b.
Для реализации выбора, куда направить электропитание от генератора 2 - к противообледенительному устройству 100 или к устройству 200 реверса тяги, каждая из линий 6а, 6b снабжена соответствующим переключателем 7а, 7b, которые могут обеспечить подачу питания по данной линии или прервать его.
Поскольку управление работой противообледенительного устройства осуществляется автономно и относится, как правило, к функциям гондолы, управление переключателем 7а осуществляется по линии 8, идущей от ЭБГ-блока 4. Возврат информации в ЭБГ-блок 4 обеспечивается по обратной линии 9, выделяемой обычно для информации, поступающей от температурных датчиков.
Что касается питающей линии 6b для реверсора тяги, то для нее предпочтительно предусмотрен двойной контроль.
Работой первичного переключателя 7b управляет блок 300 контроля работы двигателя, называемый БИД-блоком (блок интерфейса двигателя).
От переключателя 7b питание подается непосредственно на двигатель 201 и может подаваться на группу фиксаторов 204 при условии, что замкнут переключатель 10, управляемый по линии управления 11, идущей от ЭБГ-блока 4, что сделано из соображений надежности (разделение команд).
Предусмотрена также обратная линия 12, выделяемая обычно для информации, поступающей от датчиков положения реверсора. Эта линия обеспечивает возврат информации в ЭБГ-блок 4.
Следует также иметь в виду, что питающая линия 6 может быть снабжена датчиком тока, возвращающим информацию в ЭБГ-блок 4 по линии 13.
Таким образом, в соответствии с изобретением генератор 2 непосредственно обеспечивает питанием первое электрическое устройство, в данном случае противообледенительное устройство 100, и второе электрическое устройство, в данном случае устройство 200 реверса тяги.
Функции управления и контроля каждого устройства остаются, естественно, в прямом, косвенном или дополнительном ведении регуляторов летательного аппарата/гондолы и пр. Один из основных аспектов изобретения заключается в том, что управление электроэнергией гондолы является автономным и надлежащим образом рассчитывается без необходимости отбора электроэнергии от сети летательного аппарата, каковую электроэнергию пришлось бы выпрямлять и адаптировать.
В зависимости от типа питаемых устройств и от требуемой мощности электроэнергию можно направлять в то или другое из двух устройств или же в оба сразу.
В случае работы с противообледенительным устройством и устройством реверса тяги имеется возможность прервать операцию удаления льда на несколько секунд работы реверсора, что позволяет создавать генератор 2 с расчетом только на максимальную мощность, требуемую между двумя устройствами.
В соответствии с альтернативным вариантом изобретения, здесь не проиллюстрированным, предусмотрен возврат тока от двигателя 201 реверсора тяги к генератору 2, работающему в режиме пускателя.
Дело в том, что при открывании или закрывании реверсора тяги двигатель 201 может быть использован для электродинамического торможения приводов 203. Таким образом, двигатель 203 вырабатывает электроэнергию, которая может служить для питания противообледенительного устройства 100 или же может быть возвращена в генератор 2, работающий в режиме пускателя, и на вал турбореактивного двигателя.
Должно быть очевидно, что в случае работы с некоторыми электрическими устройствами или с некоторыми конфигурациями таких устройств может потребоваться наличие резервного питания или вспомогательного оборудования, для которого может опять же понадобиться подвод тока от сети летательного аппарата. При этом отбираемая мощность будет всегда играть второстепенную, а не основную роль.
Одно из добавочных средств (не показано) основано на использовании вспомогательного электрического источника летательного аппарата, предназначенного для проведения наземных ремонтных работ, т.е. в ситуациях, когда турбореактивный двигатель выключен, а генератор не вырабатывает ток. В этом случае цепь регулируемого напряжения преобразуют, например, таким образом, чтобы она обеспечивала постепенную подачу питания приемникам энергии.
Следует также отметить, что к числу автономно питаемых электрических устройств относится, например, устройство с регулируемым соплом и прочие устройства.
Хотя настоящее изобретение описано на примере одного конкретного варианта его выполнения, следует понимать, что оно не ограничивается этим вариантом и распространяется также на все возможные технические эквиваленты рассмотренных здесь средств, а также на их различные комбинации при условии, что они не выходят за рамки правовой охраны данного изобретения.