ТЕПЛОВАЯ ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ВРАЩАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 1997 года по МПК B64D15/12 

Изобретение относится к области электрооборудования летательных аппаратов и может быть использовано в противообледенительной системе с электрическим нагревом вращающихся частей летательного аппарата, например, кока и лопастей винта самолета или лопастей вертолета, ветряных мельницах и ветряных двигателей.

Известна тепловая противообледенительная система винта ЛА, содержащая тепловые электронагревательные элементы, встроенные в части винта, связанный с ними через блок задания режима источник питания и переключатели силовых цепей [1]
Данная тепловая противообледенительная система обладает недостатком:
очень сложной конструкцией коммутатора для согласования числа фаз источника питания и количества ТЭНов, которое может быть некратным 3, а также наличием силовых колец и щеток за счет чего получается низкая надежность, высокая трудоемкость обслуживание и низкая влагостойкость.

Наиболее близкой по технической сущности является, взятая за прототип, тепловая противообледенительная система вращаемого элемента (ВЭ), содержащая тепловые электронагревательные элементы, встроенные в ВЭ и выполненные в виде отдельных секций, соединенных в звезду или треугольник, и связанный с ними через блок задания режима, определяющего время включенного и выключенного состояния ТЭНов в зависимости от температуры, источник питания [2]
Известное устройство обладает невысокой надежностью и большими затратами на обслуживание, вследствие наличия контактных колец с угольными щетками, подверженными износу. Кроме того, такие системы требуют значительной мощности от источника питания, поскольку вся мощность, необходимая для нагревания ТЭНов, берется от источника постоянного тока с учетом к.п.д. преобразователя и токосъемника. Это ведет к необходимости переразмеривания источника по мощности, что вызывает увеличение массы летательных аппаратов, ветряных двигателей и др.

Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются:
снижение массы системы, за счет уменьшения потребления электроэнергии от источника питания;
повышение надежности и снижение затрат на обслуживание за счет исключения щеточно-контактного токосъемника;
поддержание напряжения на ТЭНах постоянным при изменении напряжения источника питания;
-поддержание напряжения на ТЭНах постоянным при изменении частоты вращения вращаемого элемента;
исключение дисбаланса вращаемого элемента вследствие неравномерного скалывания льда с лопастей при отказах противообледенительной системы.

Поставленные задачи достигаются созданием тепловой противообледенительной системы вращаемого элемента, содержащей тепловые элементы, встроенные в части вращаемого элемента и связанный с ними через блок задания режима источник питания, которая согласно изобретению, снабжена многофазным синхронным генератором, ротор которого с якорными обмотками размещен на одном валу с вращаемым элементом, а статор с обмоткой возбуждения установлен неподвижно, причем обмотка статора через блок управления, которым снабжена система, связана с источником питания.

Система характеризуется также выполнением блока управления в виде стабилизатора тока возбуждения генератора. Изобретение также характеризуется тем, что в систему дополнительно введен датчик частоты вращения ВЭ, связанный со стабилизатором тока возбуждения генератора.

Изобретение характеризуется тем, что дополнительно введен блок контроля неисправности системы, размещенный между стабилизатором тока возбуждения генератора и статором с обмоткой возбуждения генератора и выполненный в виде компаратора величины переменной составляющей удвоенной частоты генератора в токе возбуждения генератора.

Выполнение блока управления в виде стабилизатора тока позволяет обеспечить необходимую точность поддержания напряжения на ТЭНах при колебаниях напряжения питания источника постоянного тока.

Датчик частоты вращения ВЭ, введенный в систему и связанный со стабилизатором тока таким образом, что уставка стабилизатора тока возбуждения гене4ратора изменяется обратно пропорционально частоте сигнала стабилизатора, позволяет обеспечить требуемую точность поддержания напряжения на ТЭНах даже при изменении частоты вращения ВЭ, например, для снижения уровня его шумов на земле.

Отключение системы за счет блока контроля неисправности системы, размещенной между стабилизатором тока возбуждения генератора и статором с обмоткой возбуждения, позволяет повысить надежность работы системы при обнаружении короткого замыкания (к.з.) или обрывов ТЭНов и генератора, приводящих к дисбалансу вращаемого элемента вследствие неравномерного скалывания льда с лопастей.

Выполнение блока контроля неисправностей системы в виде компаратора величины переменной составляющей удвоенной частоты генератора в токе возбуждения статора и установление порога его срабатывания больше максимальной величины переменной составляющей в токе возбуждения генератора при нормальной работе системы во всем диапазоне частот позволяет легко выявить все ненормальные режимы работы системы, приводящие к несимметрии питания ТЭНов.

На фиг. 1 показана схема тепловой противообледенительной системы вращаемого элемента; на фиг. 2 схема тепловой противообледенительной системы ВЭ при изменении частоты вращения ВЭ; на фиг. 3 схема тепловой противообледенительной системы ВЭ с блоком контроля неисправности системы; на фиг. 4 схема блока контроля неисправности.

Тепловая противообледенительная система вращаемого элемента содержит встроенные в части ВЭ секции ТЭНов 1, питающий их многофазный синхронный генератор, ротор 2 которого с якорными обмотками 3 размещен на одном валу 4 с вращающимся элементом, а статор 5 с обмоткой возбуждения 6 установлен неподвижно и связанный с ним через блок управления 7 и блок задания режима 8 источник питания 9.

ТЭНы 1 различных частей вращаемого элемента (лопастей, кока) подключены к разным фазам синхронного генератора. Блок задания режима 8 определяет время включенного состояния синхронного генератора в зависимости от температуры.

При отсутствии условий обледенения блок задания режима 8 выключает систему противообледения. При наличии условий обледенения блок задания режима 8 устанавливает необходимую периодичность включения и отключения системы.

При включении тепловой противообледенительной системы блок задания режима 8 подает питание на блок управления 7, который обеспечивает подачу тока возбуждения на статор 5 синхронного генератора. В результате этого генератор возбуждается и генерирует напряжение на якорных обмотках 3, которые питают ТЭНы 1.

При выключении системы блоком задания режима 8 обмотку возбуждения 6 обесточивают, генератор развозбуждается и питание ТЭНов прекращается.

При изменении температуры окружающей среды блок задания режима 8 обеспечивает такое время работы системы, которое максимально препятствует льдообразованию.

Поскольку температурный режим работы генератора может изменяться, то будет изменяться и сопротивление обмотки его возбуждения 6. Это приведет к изменению тока возбуждения, а следовательно, и к изменению напряжения генератора. Условия работы ТЭНов ухудшается, т.е. степень их нагрева пропорциональна квадрату питающего напряжения. Аналогичный процесс будет иметь место и при изменении напряжения питания источника 9. Для исключения отмеченного недостатка необходимо обеспечить постоянство питающего ТЭНы напряжения при изменении сопротивления обмотки возбуждения и изменении величины питающего напряжения. Это может быть выполнено так, как показано на фиг. 2.

Блок управления 7 выполнен в виде стабилизатора тока, преобразующего изменяющееся напряжение на его входе в постоянную величину тока на выходе. В этом случае изменение напряжения источника питания 9 или изменение величины сопротивления обмотки возбуждения 6 не сказывается на генерируемом синхронном генератором напряжении, что обеспечивает оптимальные условия работы ТЭНов.

Такая система может быть применена там, где частота вращения ВЭ практически не изменяется, например, в самолетах с винтовентиляторными двигателями или вертолетах. Однако в большинстве случаев возникает необходимость в изменении частоты вращения винтов, т.е. вращаемых элементов, например, для обеспечения низкого уровня шума на земле при гонке авиадвигателей или изменении частоты вращения винта при различных материалов вертолета или изменении скорости набегающего потока воздуха самолета. В этом случае изменение частоты вращения винта будет приводить к изменению скорости вращения ротора 2 генератора, а следовательно, к изменению величины генерируемого им напряжения, поскольку снижение частоты вращения генератора требует для поддержания напряжения большего тока возбуждения. И наоборот при увеличении частоты вращения ротора 2 генератора ток возбуждения должен быть уменьшен для сохранения напряжения постоянным.

Предложенная тепловая противообледенительная система может работать и в таких условиях, т.е. при изменяющейся частоте вращения двигателя. Для этого в систему введен дополнительно датчик частоты вращения винта 10, связанный с блоком управления 7, который выполнен в виде стабилизатора тока возбуждения генератора.

Таким образом, при увеличении частоты вращения винтов ток возбуждения генератора уменьшается обратно пропорционально частоте, что обеспечивает стабилизацию генерируемого синхронным генератором напряжения на заданном уровне. Аналогично снижение частоты вращения ВЭ вызывает увеличение тока возбуждения генератора пропорционально снижению частоты, что обеспечивает поддержание выходного напряжения генератора на необходимом уровне.

Рассмотренная выше система обеспечивает работу ТЭНов, встроенных во вращательный элемент, при их полной исправности. В том случае, если хотя бы один ТЭН отказал оборвался или замкнулся возникает опасная для работы всего устройства (летательного аппарата, ветряного двигателя и др.) ситуация, поскольку отказ ТЭНа приводит к неравномерному скалыванию льда с лопастей вращаемого элемента, что, в свою очередь, ведет к дисбалансу вращаемого элемента и его разрушению. Аналогичный процесс имеет место и при обрывах или к.з. фаз генератора.

Для исключения этого процесса в предлагаемой тепловой противообледенительной системе введен блок контроля неисправности системы 11. Выход этого блока подключен ко входу блока управления 7, отключающему его при обнаружении отказа.

Блок контроля неисправности системы может быть выполнен в виде компаратора величины переменной составляющей удвоенной частоты генератора в токе возбуждения генератора. Одним из вариантов его выполнения является компаратор, содержащий шунт 12, включенный последовательно со статором 5 с обмоткой возбуждения 6, полосовой фильтр 13, частота пропускания которого равна удвоенной частоте генератора; компаратора 14, уровень срабатывания которого больше максимальной величины переменной составляющей в токе возбуждения генератора при нормальной работе системы при всех частотах вращения ВЭ.

При появлении в генераторе или ТЭНах неисправности, приводящей к возникновению несимметричного режима опасного неравномерным скалыванием льда с вращаемого элемента, поток реакции якоря генератора становится несимметричным и может быть разложен на поток прямой последовательности, вращающийся синхронно с ротором 2 генератора, и поток обратной последовательности, вращающийся навстречу ротору 2 генератора. Поток прямой последовательности не вызывает наведение э.д.с. в обмотке возбуждения 6 генератора, т.к. он неподвижен относительно ее. Поток обратной последовательности вращается относительно обмотки возбуждения 6 с удвоенной частотой, что вызывает появление в обмотке возбуждения переменного напряжения удвоенной частоты. Это напряжение вызывает появление переменной составляющей в токе возбуждения генератора. Переменная составляющая в токе возбуждения генератора проходит через полосовой фильтр 13 на вход компаратора 14, который, срабатывая, отключает блок управления 7, и система отключается.

Работа тепловой противообледенительной системы вращаемого элемента описана на примере работы винта летательного аппарата, для случаев, когда работает все элементы предлагаемой конструкции.

В условиях, когда льдообразования нет, блок задания режима 8 отключает источник питания 9 от блока управления 7, и генератор развозбужден, ТЭНы 1 обесточены.

В условиях льдообразования блок задания режима 8 периодически включает и отключает блок управления 7, обеспечивая оптимальные условия скалывания льда для данного температурного режима. Когда блок 8 подает напряжение на блок управления 7, он преобразует напряжение в стабилизированное значение тока возбуждения генератора. Величина тока возбуждения генератора определяется уставкой напряжения, которое необходимо поддерживать на ТЭНах, и частотой вращения винта. При нормальной частоте вращения винта ток возбуждения установлен таким образом, что обеспечивает поддержание номинального напряжения на ТЭНах.

При изменении сопротивления обмотки возбуждения вследствие влияния температуры окружающей среды или нагрева генератора, а также при изменении напряжения питания источника 9, ток возбуждения генератора остается постоянным за счет действия блока управления 7, что обеспечивает постоянство ампер-витков возбуждения генератора и, следовательно, постоянство выходного напряжения генератора. Блок управления 7 может быть выполнен в виде стабилизатора тока возбуждения.

При изменении частоты вращения винта вследствие изменения условий полета, например при понижении частоты, сигнал с датчика частоты вращения 10 поступает на дополнительный вход стабилизатора тока возбуждения и вызывает увеличение тока возбуждения пропорционально уменьшению частоты. В связи с этим напряжение на выходе генератора остается неизмененным.

При увеличении частоты относительно номинальной ток возбуждения уменьшается пропорционально росту частоты, что обеспечивает поддержание напряжения на выходе генератора 6 неизменным.

Стабилизатор тока 7, представляет собой управляемый напряжением источник тока, на управляющий вход которого через звено, реализующее гиперболическую функцию, подается сигнал пропорциональный частоте от датчика частоты вращения 10. Источник тока 9 может отключаться при наличии сигнала с блока 11.

При нормальной работе системы блок контроля неисправности в системе не срабатывает, поскольку его уставка превышает величину переменной составляющей в токе возбуждения генератора.

При к. з. или обрывах фаз генератора или ТЭНов винта возникает несимметричный режим работы генератора. Несимметрия загрузки фаз генератора приводит к появлению несимметричного потока реакции якоря, который по методу симметричных составляющих может быть разложен на поток прямой и поток обратной последовательности (из-за отсутствия соединения нейтрали генератора 6 с нейтрально ТЭНов продольной несимметрии не создается, поэтому потока нулевой последовательности реакции якоря не существует). Поток прямой последовательности вращается относительно ротора генератора с синхронной частотой и поэтому неподвижен относительно статора генератора, т.е. не создает напряжения в обмотке возбуждения генератора. Поток обратной последовательности вращается навстречу ротору генератора с синхронной частотой, т.е. относительно статора поток реакции якоря обратной последовательности вращается с удвоенной частотой. Это вызывает появление переменной составляющей удвоенной частоты в обмотке возбуждения генератора.

Появление индуцированного напряжения в обмотке возбуждения вызывает соответствующие пульсации тока возбуждения, которые улавливаются блоком 11 определения неисправности. Этот блок обеспечивает отключение всей системы.

Предлагаемое изобретение не только обеспечивает повышение надежности работы системы и уменьшение затрат на обслуживание за счет исключения щеточно-контактных устройств, но и позволяет существенно сократить потребление энергии противообледенительной системой от источника бортового питания. Это связано с тем, что мощность противообледенительной системы винта составляет несколько кВА, а мощность необходимая для возбуждения генератора, составляет несколько десятков Вт.

Кроме изложенного, введение для питания ТЭНов генератора позволяет установить число его фаз таким же, как число лопастей винта, что исключает обязательное секционирование ТЭНов лопастей и их коммутацию при числе лопастей не кратном трем при питании ТЭНов от трехфазной сети объекта. Это значительно упрощает систему и повышает ее надежность.

Использование: изобретение относится к противообледенительным системам с электрическим нагревом вращающихся частей летательных аппаратов. Сущность: тепловая противообледенительная система содержит электронагревательные элементы, встроенные в части вращающихся элементов, связанный с ними многофазный синхронный генератор, ротор которого с якорными обмотками размещен на одном валу с вращающимися элементами, а статор с обмоткой возбуждения установлен неподвижно, причем обмотка возбуждения через блок управления, блок задания режима связана с источником питания. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Тепловая противообледенительная система вращаемого элемента, содержащая тепловые электронагревательные элементы, встроенные в части вращаемого элемента, и связанный с ним через блок задания режима источник питания, отличающаяся тем, что она снабжена многофазным синхронным генератором, ротор которого с якорными обмотками размещен на одном валу с вращаемым элементом, а статор с обмоткой возбуждения установлен неподвижно, причем обмотка статора через блок управления, которым снабжена система, связаны с источником питания. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок управления выполнен в виде стабилизатора тока возбуждения генератора. 3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен датчик частоты вращения вращаемого элемента, связанный со стабилизатором тока возбуждения генератора. 4. Система по пп.1 3, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен блок контроля неисправности системы, размещенный между стабилизатором тока возбуждения генератора и статором с обмотками возбуждения генератора. 5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что блок контроля неисправности системы выполнен в виде компаратора величины переменной составляющей удвоенной частоты генератора в токе возбуждения генератора.