СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВЕРТОЛЕТА Российский патент 2018 года по МПК H02J3/38 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электрической гибридизации двигательной установки вертолетов и прочих винтокрылых летательных аппаратов, имеющих по меньшей мере один снабженный лопастями несущий винт, при этом изобретение относится, в частности, к системе управления и электроснабжения по меньшей мере для одного электродвигателя, соединенного с газотурбинным двигателем, или к главному редуктору (MGB) винтокрылого летательного аппарата.

В таком винтокрылом летательном аппарате MGB соединяет ведомый вал газотурбинного двигателя со снабженными лопастями несущим винтом посредством редуктора скорости. Кроме того, вспомогательная силовая установка (ВСУ) служит, в частности, для подачи электропитания на борт при остановке двигателей винтокрылого летательного аппарата, в частности, на земле перед тем, как они приводятся во вращение.

ВСУ выполнена в виде газотурбинного двигателя, приводящего в действие генератор электрического тока. Этот генератор выполнен в виде стартера-генератора (S/G), который работает в режиме мотора для запуска ВСУ и в режиме генератора после того, как запущен газотурбинный двигатель, и как только он достиг достаточной скорости вращения. При работе в режиме мотора S/G питается многофазным электрическим током. Известно, что для этого используется преобразователь постоянного тока в переменный ток (DC/AC) с инверторами, служащими для преобразования напряжения постоянного тока, выдаваемого батареей через вольтодобавочный преобразователь постоянного тока в постоянный ток (DC/DC), в напряжения переменного тока (АС).

В настоящее время главной тенденцией является замена гидравлической или пневматической энергии электрической энергией для приведения в действие различных систем в летательном аппарате. Помимо упрощения обслуживания, обычно добиваются преимуществ с точки зрения уменьшения веса и габаритов, а также снижения расходов.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение следует за сложившейся тенденцией, и для этого в нем предложена электрическая система управления и электроснабжения по меньшей мере для одного мотор-генератора вертолета, причем система содержит первый преобразователь DC/AC для подачи электрической энергии переменного тока по выбору в упомянутый по меньшей мере один мотор-генератор в зависимости от соответствующих положений контакторов коммутационной матрицы, приводимой в действие от электронной управляющей схемы, причем первый преобразователь DC/AC питается постоянным током от источника питания постоянного тока, который образован либо схемой выпрямления напряжения переменного тока, выдаваемого через контактор стартером-генератором ВСУ, либо вольтодобавочным преобразователем DC/DC, питаемым от батареи через контактор, причем упомянутая коммутационная матрица дополнительно содержит контактор для соединения упомянутого первого преобразователя DC/AC параллельно упомянутому второму преобразователю DC/AC, чтобы обеспечить возможность выдачи дополнительного электропитания от упомянутого стартера-генератора ВСУ, как только запущен по меньшей мере один из упомянутых мотор-генераторов.

Обеспечение наличия общего ресурса электрической энергии между двумя системами, а именно стартером-генератором ВСУ и мотор-генераторами MGB или газотурбинных двигателей, которые не работают одновременно и которым требуется практически одинаковый уровень электрической энергии, особенно полезно тем, что без превышения габаритов общего источника питания это приводит к сокращению числа блоков, жгутов и интерфейсов и, следовательно, к уменьшению веса, габаритов и расходов.

Предпочтительно упомянутый вольтодобавочный преобразователь DC/DC обеспечивается последовательным соединением трехфазной индуктивности и второго преобразователя DC/AC по меньшей мере через один контактор.

Такое размещение, при котором преобразователь DC/AC также преобразует в переменный ток постоянный ток, выдаваемый с батареи через трехфазную индуктивность, позволяет запускать ВСУ.

Предпочтительно упомянутая коммутационная матрица содержит по меньшей мере один контактор для соединения упомянутого первого преобразователя DC/AC с первым мотор-генератором и по меньшей мере один контактор для соединения упомянутого второго преобразователя DC/AC со вторым мотор-генератором.

Краткое описание чертежа

Изобретение может быть более понятно после ознакомления с нижеследующим описанием, приведенным в качестве неограничительного указания и со ссылкой на единственный чертеж, который представляет собой упрощенную принципиальную схему электрической системы управления и электроснабжения настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Вертолет или, в более общем смысле, винтокрылый летательный аппарат имеет по меньшей мере один снабженный лопастями несущий винт, который вращается для обеспечения подъемной силы и тяги. Несущий винт приводится в движение одним или более газотурбинными двигателями посредством механизма трансмиссии и уменьшения скорости, обычно называемого главным редуктором (MGB).

На Фиг. 1 изображен MGB 10, взаимодействующий, соответственно, с двумя газотурбинными двигателями 12 и 14, каждый из которых содержит турбокомпрессор 12А, 14А, свободную турбину 12В, 14В, приводимую в движение потоком газа, создаваемым турбокомпрессором, и обратимую электрическую машину 12С, 14С, образованную мотором, способным работать в качестве генератора электрического тока и механически соединенным с турбокомпрессором. На чертеже позицией 16 обозначена вспомогательная силовая установка (ВСУ), которая механически соединена с электрической машиной 18, представляющей собой стартер-генератор (S/G), а позицией 20 обозначена батарея. Стартер-генератор 18, как правило, выдает трехфазный электрический ток величиной 115 В переменного тока (В~) через контактор 22, а батарея 20, как правило, выдает электрический ток величиной 28 В постоянного тока (В=) через контактор 24, причем оба эти напряжения являются в авиации общепринятыми, при этом электрический ток выдается под управлением блока 26 управления.

В изобретении система 28 электрического управления и электроснабжения для мотор-генераторов 12С, 14С вертолета содержит первый преобразователь 30 DC/AC для подачи электрической энергии переменного тока по выбору в мотор-генераторы в зависимости от положений контакторов 320, 322, 324, 326, 328, 330 коммутационной матрицы 32, приводимых в действие электронной управляющей схемой 34, причем сам первый преобразователь DC/AC питается постоянным током от источника питания, выдающего постоянный ток и образованного либо диодной выпрямительной схемой 36 (нерегулируемым выпрямителем) для выпрямления напряжения переменного тока, выдаваемого стартером-генератором 18, либо вольтодобавочным преобразователем 38 DC/DC, питаемым от батареи 20.

Первый преобразователь 30 DC/AC образован трехфазным преобразователем (т.е. имеющим шесть коммутаторов), которому факультативно может предшествовать, как показано на чертеже, устройство защиты, содержащее управляемый выключатель, за которым следует параллельно соединенный конденсатор. Коммутаторы, образующие инвертор, в большинстве случаев представляют собой биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), с выводами которых соединены встречно-параллельные диоды, и коммутируются под контролем электронной управляющей схемы 34.

Нерегулируемая выпрямительная схема 36 предпочтительно образована трехфазным диодным мостом, подающим на выводы конденсатора выпрямленное и фильтрованное напряжение величиной 270 В=, которое в области авиации является традиционным.

Вольтодобавочный преобразователь 38 DC/DC образован трехфазной индуктивностью 380, соединенной с помощью коммутационной матрицы 32 последовательно ко второму преобразователю 382 DC/AC. Подобно первому преобразователю, второй преобразователь образован трехфазным инвертором, имеющим шесть коммутаторов, которому факультативно предшествует, как показано на чертеже, устройство защиты, содержащее управляемый выключатель, за которым следует параллельно соединенный конденсатор. Коммутаторы, образующие инвертор, в большинстве случаев представляют собой IGBT, с выводами которых соединены встречно-параллельные диоды, и коммутируются под контролем электронной управляющей схемы 34.

Электронная управляющая схема 34, которая управляет коммутационной матрицей 32 и двумя преобразователями 30, 38 DC/AC, может быть установлена в едином управляющем блоке, который при этом предпочтительно содержит управляющий блок 26, либо она может размещаться отдельно, как показано на чертеже.

Ниже объясняется действие системы в соответствии с изобретением. Оно зависит от предполагаемых функций и эксплуатационных требований вертолета, в частности запуска ВСУ, управления газотурбинными двигателями или подачи дополнительного электропитания в газотурбинные двигатели в зависимости от того, осуществляется ли это посредством одного и/или одновременно обоих электродвигателей для приведения в движение. Например, можно упомянуть ситуацию, в которой энергия подается на MGB одновременно посредством лишь одного электродвигателя или одного газотурбинного двигателя (например, с целью наддува одного газотурбинного двигателя в случае потери другого), но с возможностью электропитания каждого из газотурбинных двигателей с помощью одной и той же силовой электроники. Можно упомянуть ситуацию, в которой два электродвигателя установлены на одном и том же турбокомпрессоре газотурбинного двигателя, или, безусловно, два электродвигателя, установленные на своей свободной турбине или на MGB.

При более подробном рассмотрении конструкция в соответствии с изобретением, которая основана на выпрямительном мосте, двух инверторах и наборе контакторов, служит для чрезвычайно легкого регулирования различных функций, как излагается ниже (предпочтительный вариант осуществления описывается со ссылкой на управление двумя моторами для турбокомпрессоров, но, естественно, он применим, например, к управлению одним мотором для MGB).

Чтобы запустить ВСУ от низкого напряжения (как правило, 28 В=), выдаваемого батареей 20, при замкнутом контакторе 24, второй преобразователь 38 DC/AC используется в качестве активного выпрямителя (трехфазного вольтодобавочного устройства) с целью получения напряжения около 270 В= (при этом контакторы 320 и 322 замкнуты), причем первый преобразователь 30 DC/AC приводит в действие стартер-генератор 18 ВСУ с использованием этого напряжения постоянного тока посредством контакторов 324 и 326, которые при этом замкнуты, в то время как контактор 22 и контакторы 328, 330 и 332 разомкнуты.

Как только запущена ВСУ, в свою очередь, могут быть запущены газотурбинные двигатели с использованием сетевого напряжения величиной 115 В~, подаваемого S/G 18. Как только замкнулся контактор 22, это напряжение подается на нерегулируемую выпрямительную схему 36, которая, в свою очередь, выдает выпрямленное и фильтрованное напряжение постоянного тока, при этом каждый из двух преобразователей 30, 382 DC/AC служит - через соответствующие пары последовательно соединенных контакторов 324 и 330, а также 322 и 332 - для приведения в действие соответствующих электродвигателей 12С и 14С, обеспечивающих одновременный запуск обоих газотурбинных двигателей (при необходимости), при этом контакторы 24, 320, 326 и 328 разомкнуты.

Следует отметить, что газотурбинные двигатели могут также запускаться от низкого напряжения от батареи 20 аналогично запуску ВСУ. На практике целесообразно запускать один из двух газотурбинных двигателей, например, замыканием контактора 330 с целью питания электродвигателя 12С вместо замыкания контактора 326, ранее питавшего S/G 18. После этого, как только запущен первый газотурбинный двигатель, его электродвигатель может использоваться в качестве генератора для выдачи электропитания, необходимого для запуска второго газотурбинного двигателя, замыканием контакторов 322 и 332, при этом контакторы 24 и 320 одновременно разомкнуты. Это также позволяет полностью обходиться тем, что имеется, без альтернативного источника питания (посредством ВСУ или какого-либо иного генератора) для запуска газотурбинных двигателей.

Как только газотурбинные двигатели запущены (и независимо от их предыдущих состояний) дополнительное электропитание может подаваться в один из газотурбинных двигателей от S/G 18, работающего в качестве генератора либо временно, либо постоянно. Таким образом, путем замыкания контакторов 22 S/G 18 питает нерегулируемую выпрямительную схему 36 для формирования напряжения постоянного тока, используемого в каждом преобразователе 30, 382 DC/AC, чтобы служить через свои соответствующие последовательно соединенные контакторы 324 и 330, а также 322 и 332 для приведения в действие электродвигателя 12С и 14С, соединенного с каждым из газотурбинных двигателей. Для получения большего уровня подачи электропитания в газотурбинный двигатель можно либо использовать оба преобразователя DC/AC параллельно (например, электродвигателя 12С, контакторов 22, 324, 330, 332 и 328 в замкнутом положении при контакторах 24, 320, 326 и 332 в разомкнутом положении), либо обеспечивать лучшую готовность подачи электропитания с помощью одного из двух преобразователей в случае отказа одного из них (при этом контакторы 322 и 324 также служат для полной изоляции одного из преобразователей DC/AC в таких обстоятельствах, причем контактор 328 позволяет любому из них занять место другого).

Следует отметить, что использование однофазных контакторов (вместо продемонстрированных трехфазных контакторов) привело бы к дополнительным режимам работы с ухудшенными характеристиками, тем самым повысив готовность рассматриваемых функций, если в этом возникнет необходимость.

При применении настоящего изобретения способ совместного использования функциональных звеньев электропитания позволяет создать многофункциональную электронную систему управления и электроснабжения и, в частности, позволяет с помощью одного инвертора питать множество мотор-генераторов. Использование общей системы для блока управления запуском ВСУ и для генераторов электрического тока приводит к значительному снижению веса, габаритов и стоимости по сравнению с использованием соответствующих специализированных систем электроснабжения.

Система управления и электроснабжения может предпочтительно размещаться в центральной части вертолета вблизи его электронной сердцевины, тем самым служа для оптимизации его общей электронной конфигурации.

Использование: в области электротехники. Технический результат – обеспечение выдачи дополнительного питания мотор-генератору. Электрическая система управления и электроснабжения по меньшей мере для одного мотор-генератора вертолета, причем система содержит первый преобразователь (30) DC/AC для подачи электрической энергии переменного тока по выбору в упомянутый по меньшей мере один мотор-генератор в зависимости от соответствующих положений контакторов (320, 322, 324, 326, 328, 330, 332) коммутационной матрицы (32), приводимой в действие от электронной управляющей схемы (34), причем первый преобразователь DC/AC питается постоянным током от источника питания постоянного тока, который образован либо схемой (36) выпрямления напряжения переменного тока, выдаваемого через контактор (22) стартером-генератором (18) ВСУ (16), либо вольтодобавочным преобразователем (38) DC/DC, питаемым от батареи (20) через контактор (24), причем упомянутая коммутационная матрица дополнительно содержит контактор (328) для соединения упомянутого первого преобразователя DC/AC параллельно упомянутому второму преобразователю DC/AC, чтобы обеспечить возможность выдачи дополнительного электропитания от упомянутого стартера-генератора ВСУ упомянутому по меньшей мере одному мотор-генератору из упомянутых мотор-генераторов, как только запущен по меньшей мере один из упомянутых мотор-генераторов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электрическая система управления и электроснабжения по меньшей мере для одного мотор-генератора вертолета, причем система содержит первый преобразователь (30) постоянного тока в переменный ток (DC/AC) для подачи электрической энергии переменного тока по выбору в упомянутый по меньшей мере один мотор-генератор в зависимости от соответствующих положений контакторов (320, 322, 324, 326, 328, 330, 332) коммутационной матрицы (32), приводимой в действие от электронной управляющей схемы (34), причем первый преобразователь DC/AC питается постоянным током от источника питания постоянного тока, который образован либо схемой (36) выпрямления напряжения переменного тока, выдаваемого через контактор (22) стартером-генератором (18) ВСУ (16), либо вольтодобавочным преобразователем (38) постоянного тока в постоянный ток (DC/DC), питаемым от батареи (20) через контактор (24), причем упомянутая коммутационная матрица дополнительно содержит контактор (328) для соединения упомянутого первого преобразователя DC/AC параллельно упомянутому второму преобразователю DC/AC, чтобы обеспечить возможность выдачи дополнительного электропитания от упомянутого стартера-генератора ВСУ упомянутому по меньшей мере одному мотор-генератору из упомянутых мотор-генераторов, как только запущен по меньшей мере один из упомянутых мотор-генераторов.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что упомянутый вольтодобавочный преобразователь DC/DC обеспечен последовательным соединением трехфазной индуктивности (380) и упомянутого второго преобразователя (382) DC/AC по меньшей мере через один контактор (320, 322).

3. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что упомянутая коммутационная матрица содержит по меньшей мере один контактор (324, 330) для соединения упомянутого первого преобразователя DC/AC с первым мотор-генератором (12С) и по меньшей мере один контактор (322, 332) для соединения упомянутого второго преобразователя DC/AC со вторым мотор-генератором (14С).

4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что упомянутая коммутационная матрица дополнительно содержит по меньшей мере один контактор (320, 326) для соединения упомянутого первого преобразователя DC/AC с упомянутым стартером-генератором для обеспечения возможности запуска ВСУ от упомянутой батареи.