СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ Российский патент 2015 года по МПК B64D41/00 

Изобретение относится к силовым установкам вспомогательного назначения для воздушных судов и может быть использовано в любых воздушных судах, оснащенных двигателями, имеющими камеры сгорания или форсажные камеры.

Известна система энергообеспечения летательных аппаратов [RU 2405720 C2, 10.01.2009], которая содержит двигатель, систему топливных элементов, обеспечивающих летательный аппарат электроэнергией. Недостатки: требует наличия топливных резервуаров под топливо и окислитель, что ведет к утяжелению конструкции летательного аппарата.

Известен передвижной источник электропитания (см., например, Скребов Н.Н., Медведков Ю.В., Поляруш В.П. Средства обеспечения энергией. М.: Военное издательство, 1995, с.12), содержащий последовательно соединенные преобразователь механической энергии в электрическую энергию, устройство регулирования частоты, устройство регулирования механической энергии и источник механической энергии, а также устройство регулирования напряжения, выход которого соединен со вторым входом источника электрической энергии, а вход с выходом источника электрической энергии, являющимся выходом устройства. Недостатки: применение только в наземных условиях, сложность конструкции.

Также известна система электроснабжения летательного аппарата [SU 1817623 A1, 29.04.1991], содержащая генераторы переменного и постоянного тока (являющиеся преобразователями механической энергии в электрическую), выпрямительные устройства с блоками защиты и управления и шинами, аккумуляторы и коммутационную аппаратуру. Недостатки: не обеспечивает преобразование тепловой энергии сгораемого топлива воздушного судна в электрическую энергию, сложность конструкции.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является система электроснабжения постоянного переменного тока (см., например, Самолет, его оборудование и вооружение. Учебник под общей редакцией П.И. Чинаева. М.: Воениздат, 1976, с.289), содержащая генераторы переменного и постоянного тока, имеющие привод от авиадвигателей и являющиеся основными источниками электрической энергии; аккумуляторные батареи, работающие параллельно с генераторами и являющиеся аварийными источниками электрической энергии; аппаратуру регулирования, управления и защиты; преобразователи постоянного тока в переменный однофазный и трехфазный ток постоянной частоты; повышающие трансформаторы с выпрямителями для получения постоянного тока высокого напряжения.

Недостатком является применение в качестве основных источников электрической энергии динамических преобразователей (генераторов), что обуславливает сложную систему передачи мощностных потоков, отсутствие контроллера заряда аккумуляторных батарей.

Техническим результатом, достигаемым предлагаемой системой, является обеспечение потребителей воздушных судов электрической энергией, получаемой от статических преобразователей тепловой энергии сгораемого топлива, упрощение конструкции, включение в систему контроллера заряда аккумуляторных батарей.

Для достижения указанного технического результата предлагается система обеспечения электрической энергией воздушных судов, содержащая турбореактивный двигатель, аккумуляторные батареи, аппаратуру регулирования, управления и защиты, преобразователь постоянного тока в переменный ток, в которую дополнительно введены термоэлектрические элементы, состоящие из теплообменников горячих и холодных спаев, при этом теплообменники горячих спаев термоэлектрических устройств расположены на внутренних поверхностях камер сгорания, стабилизаторов пламени, форсажной камеры турбореактивного двигателя, а теплообменники холодных спаев расположены на внешней обшивке воздушного судна, контроллер заряда, вход которого соединен с выходом термоэлектрических устройств, а выход - с первым входом аккумуляторных батарей, первый выход которого соединен со входом преобразователя постоянного тока в переменный ток, первые выходы которого являются первыми выходами устройства, а второй выход первым входом блока регулирования, управления и защиты, второй выход аккумуляторных батарей соединен со входом DC-DC преобразователя, первые выходы которого являются вторыми выходами устройства, а второй выход вторым входом блока регулирования, управления и защиты, выход которого является вторым входом аккумуляторных батарей.

Обеспечение потребителей электрической энергией осуществляется термоэлектрическими устройствами, установленными на внутренних поверхностях камер сгорания, стабилизаторов пламени и форсажной камеры турбореактивного двигателя. Конструктивно термоэлектрические устройства состоят из теплообменников горячих спаев термоэлектрических устройств, расположенных на внутренних поверхностях камер сгорания, стабилизаторов пламени, форсажной камеры и теплообменников холодных спаев, находящихся на внешней обшивке воздушного судна. Работа термоэлементов по преобразованию тепловой энергии в электрическую происходит за счет возникающей разности температур между теплообменников горячих спаев и теплообменников холодных спаев, подробно расписанных в учебнике [под редакцией Г.С. Ламберга. Элементарный учебник физики, том II. М.: Наука, 1975, с.211-216].

Упрощение конструкции достигается за счет того, что преобразование тепловой энергии в электрическую происходит за счет физических свойств термоэлементов, что не требует установки в конструкции системы динамических элементов, таких как генераторы переменного и постоянного тока, устройства регулирования механической энергии (понижающие редуктора), представленные в аналоге.

Основными преимуществами использования термоэлектрических устройств являются: отсутствие элементов механической трансмиссии для передачи крутящего момента от источника механической энергии к устройству преобразования в электрическую энергию и как следствие отсутствие устройства регулирования механической энергии; возможность преобразования тепловой энергии газовой струи в электрическую энергию для обеспечения энергетических потребностей воздушного судна.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображена структурная схема размещения термоэлектрических устройств в турбореактивном двигателе, включающем следующие элементы: 1 - входное устройство; 2 - многоступенчатый компрессор; 3 - камера сгорания; 4 - стабилизатор пламени; 5 - форсажная камера; 6 - регулируемое реактивное сопло; 7 - термоэлектрические устройства;

на фиг.2 изображена принципиальная схема распределения электроэнергии по потребителям, где 7 - термоэлектрические устройства; 8 - контроллер заряда; 9 - блок аккумуляторов; 10 - блок регулирования, управления и защиты; 11 - преобразователь постоянного тока в переменный однофазный и трехфазный ток постоянной частоты; 12 - DC-DC преобразователь.

Контроллер заряда типа NC05; NC15 производства Steca CmbH предназначен для качественного заряда аккумуляторных батарей, а также для защиты от перегрузки и обратного тока. Аккумуляторные батареи типа 15СЦС-45Б [Скребов Н.Н., Медведков Ю.В., Поляруш В.П. Средства обеспечения энергией. М.: Военное издательство, 1995, с.82] предназначены для питания: блока регулирования, управления и защиты; потребителем электрической энергией воздушного судна при неработающих авиационных двигателях.

Питание потребителей электрической энергией воздушного судна по постоянному току осуществляется через DC-DC преобразователь.

Питание потребителей электрической энергией воздушного судна по переменному току осуществляется преобразователями постоянного тока в переменный однофазный и трехфазный ток постоянной частоты.

Блок регулирования, управления и защиты типа SKiiP 3, предназначен для автоматизированного управления за рабочими процессами аккумуляторных батарей, преобразователя постоянного тока в переменный однофазный и трехфазный ток постоянной частоты, DC-DC преобразователя при нормальных и аварийных режимах. Информация о состоянии аккумуляторных батарей поступает в блок регулирования, управления и защиты, в котором происходит определение количества и способа подключения аккумуляторных батарей для обеспечения требуемых параметров потребителей по следующему принципу:

а) эталонным значением напряжения является напряжение нагрузки. Блок регулирования, управления и защиты последовательно соединяет аккумуляторные батареи начиная с первого до достижения эталонного значения;

б) эталонным значением тока является ток нагрузки. Блок регулирования, управления и защиты подсоединяет к цепи аккумуляторные батареи параллельно до достижения эталонного значения;

в) при возникновении аварийных режимов блок регулирования, управления и защиты отключает нагрузку от потребителей.

Заявляемая система работает следующим образом. Воздушный поток, набегает во входное устройство 1 турбореактивного двигателя и далее поступает в многоступенчатый компрессор 2, где сжимается и поступает в камеру сгорания 3. В камере сгорания 3 происходит образование топливовоздушной смеси путем распыления топлива через форсунки, смешение его с воздухом и горение смеси. Образовавшийся газовый поток, обладающий высокой температурой и давлением, устремляется через стабилизатор пламени 4 в форсажную камеру 5 и выбрасывается в окружающую среду через регулируемое реактивное сопло 6. При этом газовый поток отдает часть тепловой энергии внутренним поверхностям камеры сгорания 3, стабилизатора пламени 4 и форсажной камеры 5, на которых расположены теплообменники горячих спаев термоэлектрических устройств 7, теплообменники холодных спаев находятся на внешней обшивке летательного аппарата. Преобразование тепловой энергии в электрическую происходит за счет физических свойств термоэлементов, описываемых в [под редакцией Г.С. Ламберга. Элементарный учебник физики, том II. М.: Наука, 1975, с.211-216] и других источниках.

После преобразования электрическая энергия через контроллер заряда 8 поступает в блок аккумуляторных батарей 9. Блок регулирования, управления и защиты 10 осуществляет общий контроль электрических параметров; формирует управляющие сигналы как на преобразователь постоянного тока в переменный однофазный и трехфазный ток постоянной частоты 11, так и на DC-DC преобразователь 12 для питания потребителей, постоянного и переменного тока на основании значений нагрузки, а при возникновении аварийных режимов отключает нагрузку от потребителей.

Размещение горячих спаев термоэлектрических устройств на внутренних поверхностях камер сгорания, стабилизаторов пламени, форсажной камеры по своим массогабаритным параметрам не помешает формированию реактивной струи газа, являющейся движущей силой воздушного судна.

Сопоставительный анализ представленного решения с аналогами позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение отличается от известных аналогов совокупностью существенных отличительных признаков, отвечает условиям патентоспособности «новизна» и промышленная применимость.

Система обеспечения электрической энергией воздушных судов относится к силовым установкам вспомогательного назначения для воздушных судов. Система содержит аккумуляторные батареи, аппаратуру регулирования, управления и защиты, преобразователь постоянного тока в переменный ток, термоэлектрические элементы, состоящие из теплообменников горячих и холодных спаев, контроллер заряда. Теплообменники горячих спаев расположены на внутренних поверхностях камер сгорания, стабилизаторов пламени, форсажной камеры турбореактивного двигателя. Теплообменники холодных спаев расположены на внешней обшивке воздушного судна. Контроллер заряда соединен с выходом термоэлектрических устройств и с входом аккумуляторных батарей, а также со входом преобразователя постоянного тока в переменный ток. Выходы преобразователя постоянного тока в переменный ток, а также выходы DC-DC являются выходами устройства. Выход преобразователя постоянного тока в переменный соединен со входом блока регулирования, управления и защиты. Выход аккумуляторных батарей соединен со входом DC-DC преобразователя. Выход DC-DC преобразователя соединен с входом блока регулирования, управления и защиты. Выход блока регулирования, управления и защиты соединен со входом аккумуляторных батарей. Обеспечивается снабжение потребителей электроэнергией при отсутствии генераторов. 2 ил.

Система обеспечения электрической энергией воздушных судов, содержащая турбореактивный двигатель, аккумуляторные батареи, аппаратуру регулирования, управления и защиты, преобразователь постоянного тока в переменный ток, отличающаяся тем, что дополнительно введены термоэлектрические элементы, состоящие из теплообменников горячих и холодных спаев, при этом теплообменники горячих спаев термоэлектрических устройств расположены на внутренних поверхностях камер сгорания, стабилизаторов пламени, форсажной камеры турбореактивного двигателя, а теплообменники холодных спаев расположены на внешней обшивке воздушного судна, контроллер заряда, вход которого соединен с выходом термоэлектрических устройств, а выход - с первым входом аккумуляторных батарей, первый выход которого соединен со входом преобразователя постоянного тока в переменный ток, первые выходы которого являются первыми выходами устройства, а второй выход первым входом блока регулирования, управления и защиты, второй выход аккумуляторных батарей соединен со входом DC-DC преобразователя, первые выходы которого являются вторыми выходами устройства, а второй выход вторым входом блока регулирования, управления и защиты, выход которого является вторым входом аккумуляторных батарей.