Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием Российский патент 2021 года по МПК F02K1/76 

Изобретение относится к области управления газотурбинного двигателя, в частности, к электромеханическим системам управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя (ГТД) с многократным резервированием электропитания и использованием электронной цифровой системы автоматического управления ГТД с полной ответственностью типа FADEC.

В соответствии с общемировой тенденцией создания полностью электрических самолетов широкое распространение получают электромеханические системы управления реверсивным устройством с применением электронной цифровой системы автоматического управления ГТД с полной ответственностью типа FADEC (full authority digital engine control). Одной из важнейших проблем применения подобных электромеханических систем управления является обеспечение их надежной и отказобезопасной работы при различных отказах бортовой системы электроснабжения.

Известно (ГОСТ Р 54073-2017 «Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии», Патент RU №2598926, МПК: В64С 13/50, B64D 41/00, H02J 9/06, публ. 1010.2016), что бортовая система электроснабжения самолета обычно содержит первичную систему электроснабжения, включающей высокомощные электрические генераторы, роторы которых соединены с роторами газотурбинных двигателей; вторичную систему электроснабжения, в которой происходит преобразование и распределение электроэнергии по бортовым приемникам; резервную (аварийную) систему электроснабжения, в которой электроэнергия создается от резервных источников питания, например, аккумуляторных батарей, электрогенератора с приводом от вспомогательной силовой установки или ветродвигателя (air driven generator). Поэтому для обеспечения надежной работы электромеханической системы управления реверсивным устройством важной задачей ее проектирования является стабильность, бесперебойность и максимальное повышение живучести электропитания электромеханической системы при самых разнообразных отказах и неисправностях бортовой системы электроснабжения.

Известна электромеханическая система управления реверсивного устройства турбореактивного двигателя (Патент RU №2142569, МПК F02K 1/76, публ. 10.12.1999), содержащая электронную цифровую систему управления двигателем типа FADEC, электронный блок управления реверсивным устройством, комплект датчиков положения, электродвигатель; при этом электромеханические приводные органы и электронный блок управления получают энергию от силовой электрической сети, образованной общей системой электроснабжения самолета или от генератора, встроенного в турбореактивный двигатель. В том случае, когда система электроснабжения самолета представляет собой сеть переменного тока электромеханическая система управления содержит специальный электронный блок электропитания, включающий выпрямитель, электронный фильтр, мостовую схему питания и т.п.

Основным недостатком данного аналога является низкая надежность электромеханической системы управления из-за отсутствия резервирования основных элементов системы и отсутствия резервирования электропитания.

Известна архитектура системы для электромеханических систем управления (Патент US №6655125, МПК F02K 1/76, публ. 02.12.2003) в которой вышеуказанный недостаток частично устранен. Согласно описания данного аналога электромеханическая система содержит электронный регулятор двигателя из состава цифровой системы управления типа FADEC, который имеет два канала управления, электронный блок управления реверсивным устройством, имеющий по меньшей мере два канала управления, двойной комплект датчиков положения, исполнительные механизмы. Электропитание электронного блока управления осуществляется от каждого канала электронного регулятора двигателя, при этом электропитание 115 В переменного тока силовой нагрузки поступает в первый канал электронного блока управления, а сама силовая нагрузка также подключена к первому каналу электронного блока управления.

К основным недостаткам данного аналога относится:

- недостаточная надежность электропитания электромеханической системы т.к. электропитание 115 В переменного тока подается только в первый канал электронного блока. Кроме того, в описании аналога отсутствует информация о том, как обеспечивается электропитание силовой нагрузки в случае отказа первого канала электронного блока;

- электропитание электронного блока управления обеспечивается от электронного регулятора, а не от бортовой электросети. Это приводит к повышенному энергопотреблению цифровой системы управления, понижению надежности работы электронного регулятора двигателя и даже к его возможной неисправности в случае короткого замыкания в линиях связи электропитания электронного блока управления; дополнительному тепловому нагреву работающего канала электронного регулятора двигателя, что, как правило, оказывает негативное влияние.

Кроме того, типовой электродвигатель с трехфазной мостовой схемой может оказаться неработоспособным при отказе (отключении) электропитания одной из фазных обмоток электродвигателя.

Известна электромеханическая система управления летательного аппарата, в которой один из вышеуказанных недостатков устранен. Согласно описания данного аналога электромеханическая система управления содержит электронный регулятор двигателя из состава цифровой системы управления двигателем типа FADEC с возможностью контроля и управления реверсивным устройством напрямую, блок электропитания мотогондолы, который размещен отдельно от электронного регулятора и содержит средства для выпрямления и фильтрации переменного тока напряжением 115 В, поступающего из бортовой электрической сети (Патент RU №2556474, МПК F02K 1/76, публ. 10.07.2015).

Основными недостатками данного аналога является ухудшение электромагнитной обстановки (electromagnetic environment) в электронном регуляторе двигателя, т.к. силовое электропитание 115 В для работы электродвигателей электромеханического привода проходит через электронный регулятор двигателя. Кроме того, наличие высоковольтного электропитания из бортовой электрической сети может оказать опасное воздействие на наземный обслуживающий персонал во время технического обслуживания Электромеханической системы управления реверсивного устройства или цифровой системы управления типа FADEC.

Известна электромеханическая система управления реверсивным устройством (Патент RU №2525884, МПК F02K 1/76, публ. 20.08.2014), в которой недостаток, обусловленный ухудшением электромагнитной обстановки в электронном регуляторе устранен. Данная система принята за наиболее близкий аналог (прототип). Согласно описания данного патента система управления содержит электронный регулятор двигателя из состава цифровой системы управления двигателем, имеющий, по меньшей мере, два электронных канала управления с возможностью выдачи каждым каналом управляющих команд на открытие или закрытие реверсивного устройства, электронный блок управления реверсивным устройством, имеющий, по меньшей мере, два электронных канала управления с возможностью обмена информации между этими каналами, три электромеханических привода (актуатора), каждый из которых включает электродвигатель, два отдельных источника электропитания; при этом каждый отдельный источник электропитания отдельно соединен с соответствующими каналами электронного регулятора и электронного блока управления реверсивным устройством.

При этом один из электродвигателей запитывается от двух отдельных источников питания, а два других электродвигателя запитываются двойным электропитанием от одного и того же канала электронного блока управления реверсивным устройством.

К основным недостаткам прототипа относятся:

1. неработоспособность электромеханической системы при одновременном отказе двух отдельных источников электропитания;

2. не включение реверсивного устройства при отказе одного из двух. отдельных источников питания электропитания, следовательно, неработоспособность одного из каналов электронного регулятора и в случае, если алгоритм включения реверсивного устройства, реализованный в электронном регуляторе двигателя, предусматривает одновременное прохождение в электронный блок управления управляющих команд из обоих каналов электронного регулятора, как, например, это реализовано в электромеханической системе управления согласно патенту RU №2313682(МПК F02K 1/76, публ. 27.12.2007). Кроме того, типовой электродвигатель может оказаться неработоспособным при отказе электропитания одной из его фазных обмоток.

Кроме того, в описании прототипа не пояснено, что представляет собой отдельный источник питания. Не дифференцированы и не конкретизированы уровни напряжений электропитания электронного регулятора и блока управления реверсивным устройством, что осложняет оценку эффективности работы электромеханической системы при неисправностях самолетной системы электроснабжения. В частности, отсутствие дифференциации необходимого напряжения питания сильноточного силового оборудования и электронного процессорного оборудования (электронного регулятора, блока управления) неизбежно приводит к усложнению конструкции блока питания электронного оборудования т.к. для работы микропроцессорной техники не требуется высоковольтное, сильноточное питание, обычно необходимое для работы электродвигателя с уровнем токовой нагрузки 20…30 ампер и более.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, и невозможно обеспечить при использовании прототипа, является неработоспособность электромеханической системы при одновременном отказе двух отдельных источников электропитания; не включение реверсивного устройства при отказе одного из двух отдельных источников питания электропитания.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности электромеханической системы управления реверсивным устройством и двигателя в целом за счет:

- введения дополнительного резервирования электрического питания электронного регулятора двигателя и электронного блока управления реверсивным устройством;

- введения конструктивных возможностей электродвигателя, обеспечивающих его работоспособность в случае потери одной из трех фаз электропитания переменным трехфазным током;

- введения автоматического контроля электропитания электромеханической системы с выдачей информационного сигнала (сигналов) об отклонении в электропитании, в т.ч. информационного предупреждающего сигнала в кабину экипажа о невозможности включения реверсивного устройства в случае выявления отказов каналов электропитания переменным трехфазным током.

Техническая задача решается за счет того, что электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием, которая содержит электронный регулятор двигателя из состава цифровой системы управления двигателем, имеющий, по меньшей мере, два электронных канала с возможностью выдачи каждым каналом управляющих команд на открытие или закрытие реверсивного устройства, электронный блок управления реверсивным устройством, имеющий, по меньшей мере, два электронных канала управления с возможностью обмена информации между этими каналами, три электромеханических привода, каждый из которых включает электродвигатель; два отдельных источника электропитания, при этом каждый отдельный источник электропитания соединен с соответствующим каналом электронного регулятора двигателя и электронного блока управления реверсивным устройством, согласно изобретению, дополнительно содержит блок электропитания агрегатов газотурбинного двигателя с возможностью электропитания каждого канала электронного регулятора и/или каждого канала электронного блока управления реверсивным устройством, а также с возможностью автоматического контроля электропитания, поступающего на вход блока электропитания агрегатов газотурбинного двигателя; автономный электрический генератор двигателя, включающий два канала генерирования электроэнергии и механически соединенный с ротором газотурбинного двигателя, при этом оба канала генерирования автономного электрического генератора соединены с блоком электропитания агрегатов; каждый отдельный источник электропитания содержит независимый канал электропитания постоянным током номинальным напряжением +28 В, при этом по меньшей мере один отдельный источник электропитания содержит три канала электропитания переменным трехфазным током; выходное напряжение +28 В каждого отдельного источника электропитания соединено с входом блока электропитания агрегатов двигателя и с входом электронного блока управления реверсивного устройства; выходное напряжение трех каналов переменного трехфазного тока по меньшей мере от одного отдельного источника питания соединено с отдельными входами электронного блока управления реверсивного устройства; электронный блок управления реверсивного устройства дополнительно содержит модуль контроля электропитания с возможностью автоматического контроля электропитания, поступающего на вход электронного блока управления реверсивного устройства.

Кроме того, согласно изобретению, основное электроснабжение от блока электропитания агрегатов осуществляется от каждого канала автономного электрического генератора, а при отказе любого канала генерирования автономного электрического генератора электроснабжение осуществляется от соответствующего независимого канала электропитания постоянным током номинальным напряжением +28 В отдельного источника электропитания.

Кроме того, согласно изобретению, в качестве автономного электрического генератора применяют генератор переменного тока с номинальным напряжением 31…33 В.

Кроме того, согласно изобретению, дополнительно введена аварийная аккумуляторная батарея с постоянным номинальным напряжением +28 В, при этом в случае отказа любого независимого канала электропитания постоянным током номинальным напряжением +28 В отдельного источника электропитания имеется Возможность автоматического соединения (подключения) аварийной аккумуляторной батареи к блоку электропитания агрегатов газотурбинного двигателя и к электронному блоку управления реверсивным устройством вместо отказавшего канала.

Кроме того, согласно изобретению, переменный трехфазный ток отдельного источника электропитания представляет собой переменный трехфазный ток номинальным напряжением 115/200 В постоянной или переменной частоты.

Кроме того, согласно изобретению, электродвигатель представляет собой электродвигатель с возможностью сохранения своей работоспособности при пропадании одной фазы электропитания трехфазного переменного тока.

Кроме того, согласно изобретению, электродвигатель с возможностью сохранения своей работоспособности при пропадании одной фазы электропитания переменного трехфазного тока и представляет собой бесколлекторный двигатель постоянного тока.

Кроме того, согласно изобретению, в блоке электропитания агрегатов осуществляется контроль электропитания, поступающего на вход блока электропитания от каждого отдельного источника электропитания и/или обоих каналов генерирования автономного электрического генератора.

Кроме того, согласно изобретению, в блоке электропитания агрегатов автоматический контроль электропитания выполнен с возможностью измерения напряжения питания, поступающего на вход блока электропитания, и сравнения измеренного напряжения питания с заранее заданным допустимым диапазоном напряжения питания, выполнением выдачи информационного сигнала (сигналов) об отклонении в электропитании при нахождении напряжения вне заранее заданного допустимого диапазона напряжения.

Кроме того, согласно изобретению, в блоке электропитания агрегатов автоматический контроль электропитания выполнен с возможностью измерения напряжения питания, поступающего на вход блока электропитания, а также последующего аналого-цифрового преобразования напряжения питания и далее с возможностью выдачи измеренного значения напряжения в кодовом виде.

Кроме того, согласно изобретению, в блоке электропитания агрегатов при контроле электропитания в качестве заранее заданного допустимого диапазона напряжения используют диапазон, характеризующий штатную работу автономного электрического генератора, и/или диапазон, характеризующий нормальную работу бортовой системы электроснабжения.

Кроме того, согласно изобретению, электронный блок управления выполнен с возможностью осуществления контроля работы каждого канала электропитания переменным трехфазным током, а при выявлении отказа канала электропитания переменным трехфазным током на 150% увеличения мощности работы двух любых электромеханических приводов с исправным электропитанием переменным трехфазным током; с возможностью выдачи сигнала отказа канала электропитания переменным трехфазным током в бортовую систему индикации и регистрации.

Кроме того, согласно изобретению, в электронном блоке управления выполнена возможность осуществления контроля работы каждого канала электропитания переменным трехфазным током, и при выявлении отказов двух каналов электропитания переменным трехфазным током на выходе электронного блока управления выполнена возможность формирования информационного сигнала о невозможности включения реверсивного устройства, который поступает в бортовую систему индикации и регистрации.

Кроме того, согласно изобретению, выполнена с возможностью выдачи информационного сигнала (сигналов) об отклонении в электропитании в бортовую систему индикации и регистрации.

Кроме того, согласно изобретению, выполнена с возможностью выдачи информационного сигнала (сигналов) в бортовую систему индикации и регистрации по кодовым линиям связи.

Кроме того, согласно изобретению, в качестве бортовой системы регистрации применяют автономное интегрированное устройство регистрации параметров авиационного газотурбинного двигателя.

На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема, иллюстрирующая пример реализации электромеханической системы управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежной системой электропитания.

Перед тем как перейти к описанию функциональной блок-схемы важно уточнить, что в качестве реверсивного устройства газотурбинного двигателя предпочтительно применение реверсивного устройства решетчатого типа. Подобная конструкция реверсивного устройства является достаточно распространенной и используется, например, в двигателе ПС-90А для самолетов Ил-96-300 и Ту-204/214, в двигателе Rolls-Royce Trent 500 для самолета А340-500/600 и др. Но в более общем случае могут быть применены иные конструкции реверсивного устройства, например, створчатого или ковшового типа, что может изменить конструкцию исполнительных механизмов и их количество.

В состав функциональной блок-схемы электромеханической системы управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежной системой электроснабжения входит:

- блок 1 - первый отдельный источник питания. Блок 1 содержит четыре канала электроснабжения 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4. Канал 1.1 представляют собой канал электроснабжения постоянным током номинальным напряжением +28 В с возможностью подключения шины электропитания к блоку 3 - аварийной аккумуляторной батарее с постоянным номинальным напряжением +28 В. Каналы 1.2, 1.3, 1.4 представляют собой канал переменного трехфазного тока номинальным напряжением 115/200 В постоянной (400 Гц) или переменной (360…800 Гц) частоты.

Электропитание электронного регулятора двигателя и электронного блока управления от блока 1 осуществляется через отдельные элементы защиты QF от токовых перегрузок (автоматы защиты сети, предохранители и т.п.);

- блок 2 - второй отдельный источник питания. Блок 2 представляет собой канал электроснабжения постоянным током номинальным напряжением +28 В с возможностью подключения шины электропитания к аварийной аккумуляторной батарее с постоянным номинальным напряжением +28 В. В общем случае и согласно независимого пункта формулы настоящего изобретения блок 2 также может включать каналы переменного трехфазного тока номинальным напряжением 115/200 В аналогично блоку 1. Однако это может существенно усложнить конструкцию системы, повысить ее стоимость и затраты на эксплуатацию.

Электропитание электронного регулятора двигателя и электронного блока управления от блока 2 также осуществляется через отдельные элементы защиты QF от токовых перегрузок.

Блоки 1 и 2 являются независимыми и гальванически развязанными между собой устройствами бортовой системы электроснабжения;

- блок 3 - аварийная аккумуляторная батарея с постоянным номинальным напряжением +28 В и с возможностью автоматического подключения к ней шин электропитания канала 1.1 и блока 2 при их отказе через нормально разомкнутые контакты К₁ и К₂. Возможно применение никель-кадмиевых, никель-металлогидридных, серебряно-цинковых и других типов аккумуляторных батарей. На современных летательных аппаратах аварийные аккумуляторные батареи обычно применяют для электропитания потребителей первой категории, которые необходимы для безопасного завершения полета и посадки. В случае отказа любого независимого канала электропитания постоянным током номинальным напряжением +28 В отдельного источника электропитания имеется возможность автоматического соединения (подключения) аварийной аккумуляторной батареи к блоку электропитания агрегатов газотурбинного двигателя и к электронному блоку управления реверсивным устройством вместо отказавшего канала.

- блок 4 - автономный электрический генератор двигателя. Этот генератор включает два канала генерирования электроэнергии и механически соединен с ротором газотурбинного двигателя. Автономный электрический генератор двигателя подключается только к блоку 5 питания агрегатов и с бортовой сетью не соединен. Автономный электрический генератор двигателя может представлять собой маломощный генератор переменного тока, предпочтительно с выходным номинальным напряжением 31…33 В.

- блок 5 - блок питания агрегатов газотурбинного двигателя. Блок 5 (электропитания, питания) предназначен для преобразования переменного напряжения каждого канала автономного генератора в постоянное напряжение и бесперебойного питания электронных агрегатов двигателя при нормальной работе и провалах/забросах напряжения от отдельных источников питания (блоков 1 и 2). Кроме того, в блоке 5 осуществляется защита от перегрузок и короткого замыкания в цепях нагрузки, фильтрация выходного напряжения питания для исключения высокочастотных помех. Подключение электропитания от автономного генератора и блока 1.1, 2 осуществляется внутри блока 5 через диодную развязку без временной задержки. При этом основное электропитание осуществляется от автономного генератора. Преимуществом электропитания от автономного генератора является стабильность напряжения питания и отсутствие скачков напряжения (провалов и забросов), характерных для бортовой электросети. При отказе первого канала генерирования автономного генератора осуществляется автоматический переход на электропитание от блока 1.1, при отказе второго канала генерирования осуществляется автоматический переход на электропитание от блока 2.

В блоке 5 также осуществляется формирование сигнала исправности электропитания с возможностью измерения напряжения питания, поступающего на вход блока электропитания, сравнения измеренного напряжения питания с заранее заданным допустимым диапазоном напряжения питания, с возможностью выдачи информационного сигнала (сигналов) об отклонении в электропитании при нахождении напряжения вне заранее заданного допустимого диапазона напряжения. Так, в частности, при достижении по каждому каналу уровня напряжений в пределах заданных значений от 31 В до 33 В, блок питания формирует и выдает в электронный регулятор сигнал об исправности в виде напряжения от 31 В до 33 В, и снимает сигнал об исправности при выходном напряжении менее 30 В или более 34 В. Другим возможным контролируемым диапазоном напряжения может быть диапазон 24…29,4 В, характеризующий нормальную работу бортовой системы электроснабжения.

В блоке 5 электропитания агрегатов при контроле электропитания в качестве заранее заданного допустимого диапазона напряжения используют диапазон, характеризующий штатную работу автономного электрического генератора, и/или диапазон, характеризующий нормальную работу бортовой системы электроснабжения.

В общем случае ясно, что могут быть применены иные способы контроля напряжения, например, цифровое измерение и регистрация текущего значения напряжения питания (без какого-либо допускового контроля), с последующим анализом изменения уровня напряжения на различных этапах полета.

В блоке 5 электропитания (питания) агрегатов автоматический контроль электропитания выполнен с возможностью измерения напряжения питания, поступающего на вход блока электропитания, а также последующего аналого-цифрового преобразования напряжения питания и возможностью выдачи измеренного значения напряжения в кодовом виде. Также предусмотрена возможность осуществляют выдачи информационного сигнала (сигналов) об отклонении в электропитании в бортовую систему индикации и регистрации.

В составе блока 5 имеется модуль конденсаторов, предназначенный для обеспечения бесперебойности электропитания при кратковременных перерывах электропитания. Блок 5 имеет двухканальную структуру;

- блок 6 - электронный регулятор двигателя (электронный регулятор). Электронный регулятор двигателя из состава цифровой системы управления двигателем типа FADEC представляет специализированную цифровую вычислительную машину, оснащенную устройствами ввода/вывода для получения входной информации и формирования управляющих и информационных сигналов (не показаны) согласно заданных алгоритмов работы для формирования необходимого уровня тяги газотурбинного двигателя. Электронный регулятор (блок 6) включает два электронных независимых канала 6.1 и 6.2 с возможностью обмена информацией между этими каналами и выдачи каждым каналом управляющих команд в электронный блок управления 7 на открытие или закрытие реверсивного устройства. Электропитание каждого канала блока 6 осуществляется от блока 5;

- блок 7 - электронный блок управления реверсивным устройством (электронный блок управления).

Электронный блок управления 7 представляет собой цифровую вычислительную машину, оснащенную устройствами ввода/вывода для получения входной информации и формирования информационных и управляющих сигналов. Электронный блок управления 7 включает два электронных независимых канала 7.1 и 7.2 с возможностью обмена информацией между этими каналами и выдачи управляющих команд, модуль 7.3, модуль 7.4. Модуль 7.3 предназначен для преобразования напряжений 115/200 В переменного тока в напряжения, необходимые для работы электродвигателей, выдачи этих напряжений в электромеханические привода 8.1, 8.2 и 8.3 по управляющим командам из каналов 7.1 и 7.2. Модуль 7.4 предназначен для диагностики (контроля) и выдачи информационных сигналов.

Блок 7 осуществляет электрическую синхронизацию работы электромеханических приводов, при этом включение реверсивного устройства из соображений отказобезопасности осуществляется только при наличии управляющих команд из обоих каналов электронного регулятора двигателя.

Электропитание +28 В каждого канала блока 7 осуществляется соответственно от блока 1.1 и блока 2.

Конструкция электронного блока управления реверсивным устройством в общем случае обеспечивает типовыми средствами возможность при пропадании электропитания от отдельного источника питания или коротком замыкании в любой из линии питания этого источника питания не приводить к потере электропитания от другой отдельного источника питания электронного блока управления и к нарушению работы самого электронного блока управления. Кроме того, чтобы свести к минимуму вероятность сбоев, возникающих в связи с кратковременными забросами и провалами напряжения, в электронном блоке управления возможно применение стандартных или специализированных устройств поддержания напряжения;

- каждый блок 8.1, 8.2 и 8.3 представляют собой электромеханический привод. В качестве электромеханического привода могут быть использованы электромеханизмы реверсивного поступательного действия, содержащие электродвигатель, роликовинтовую передачу и выдвижной шток.

Согласно изобретения отличительной особенностью применяемого электродвигателя является сохранение его работоспособности при возможной потери питания одной из фазных обмоток. В качестве такого электродвигателя применяется бесколлекторный двигатель постоянного тока, управляемый силовыми ключами (вентилями), поэтому такие электродвигатели иногда называют вентильными двигателями. В англоязычной литературе вентильные двигатели упоминаются под аббревиатурами BLDC (Brashless Direct Current Motor) или PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).

Подавая напряжение на обмотки двигателя в зависимости от положения ротора, регулируется направление и скорость вращения мотора. Подаваемое напряжение является напряжением постоянного тока, которое формируется из напряжения 115/200 В переменного тока, поступаемого в блок 7.

Количество электромеханических приводов определяется конкретной конструкцией реверсивного устройства, но для обеспечения отказобезопасности газотурбинного двигателя, предпочтительно, чтобы в работоспособном состоянии всегда было не менее двух электроприводов. Так, в случае отказа одного из трех приводов, например, из-за пропадания питания любого из трех каналов питания 1.2, 1.3 или 1.4, необходимо, чтобы электронный блок управления при идентификации (выявлении) отказа канала 115/200 В имел возможность на 150% увеличить мощность работы каждого оставшегося привода по типу электрической системы привода реверсора тяги газотурбинного двигателя согласно патенту RU №2697078, предусматривающей равномерное распределение механической нагрузки между работающими приводами. Таким образом, электронный блок управления выполнен с возможностью осуществления контроля работы каждого канала электропитания переменным трехфазным током, а при выявлении отказа канала электропитания переменным трехфазным током на 150% увеличения мощности работы двух любых электромеханических приводов с исправным электропитанием переменным трехфазным током; с возможностью выдачи сигнала отказа канала электропитания переменным трехфазным током в бортовую систему индикации и регистрации. К тому же, в электронном блоке управления выполнена возможность осуществления контроля работы каждого канала электропитания переменным трехфазным током, и при выявления отказов двух каналов электропитания переменным трехфазным током на выходе электронного блока управления выполнена возможность формирования информационного сигнала о невозможности включения реверсивного устройства, который поступает в бортовую систему индикации и регистрации.

В общем случае блок 7 может взаимодействовать с датчиками положения подвижных элементов реверсивного устройства (на фиг. 1 не показаны). Это могут быть датчики перемещения индукционного, оптического, лазерного, потенциометрического типа или датчики приближения индуктивного, емкостного типа и т.п.

Согласно функциональной блок-схеме (фиг. 1), иллюстрирующей возможный пример реализации электромеханической системы управления реверсивным устройством, электропитание напряжением +28 В постоянного тока и напряжением 115 В переменного трехфазного тока от блоков 1 и 2 подается на соответствующие входы блока питания 5 (электропитания) и электронного блока управления 7 реверсивного устройства. Аварийная аккумуляторная батарея +28 В (блок 3) имеет возможность подключения к ней шин электропитания каналов 1.1 и блока 2 при их отказе.

Каждый канал генерирования автономного генератора (блок 4) соединен с соответствующими входами блока 5. Выходы питания от блока 5 соединены с электронным регулятором 6. Первый 6.1 и второй 6.2 каналы электронного регулятора 6 соединены соответственно с первым 7.1 и вторым 7.2 каналами электронного блока управления 7. Выходы модуля 7.3 электронного блока 7 соединены с электромеханическими приводами 8.1, 8.2 и 8.3. Электромеханические привода соединены механически с подвижными элементами реверсивного устройства.

При штатной работе двигателя и отсутствии каких-либо отказов в системе электроснабжения электропитание электронного регулятора осуществляется от автономного генератора (через блок 5); а электропитание электронного блока управления - +28 В от блока 1.1 и блока 2, 115/200 В от каналов 1.2, 1.3, 1.4.

Функционально электромеханическая система управления работает следующим образом. После приземления самолета и для его торможения экипаж переводит рычаг управления двигателем (не показан) в положение для включения реверсивного устройства. После этого в электронном регуляторе 6 автоматически формируются управляющие сигналы в электронный блок 7. Затем на выходе блока 7 формируются управляющие воздействия на электроприводы 8.1, 8.2 и 8.3 для перевода реверсивного устройства из закрытого положения в открытое, тем самым обеспечивается перекладка реверсивного устройства в режим обратной тяги и торможение самолета. Далее по мере необходимости реверсивное устройство выключают и на режиме малого газа прямой тяги двигателя обеспечивают руление самолета до стоянки.

При одиночном отказе любого из каналов генерирования автономного генератора электромеханическая система управления реверсивным устройством на любом этапе полета самолета продолжает работать штатно, без каких-либо функциональных ограничений, т.к. электропитание электронного регулятора в такой ситуации будет осуществляться от блока 1.1 или от блока 2 (через блок 5). При одновременном отказе обоих каналов генерирования автономного генератора электромеханическая система управления реверсивным устройством на любом этапе полета самолета также продолжает работать без каких-либо функциональных ограничений, т.к питание будет осуществляться от блока 1.1 и от блока 2.

В случае дальнейшего отказа блока 1.1 или / и блока 2 электромеханическая система управления реверсивным устройством на любом этапе полета самолета также продолжает работать штатно, без каких-либо функциональных ограничений, т.к. электропитание электронного регулятора и электронного блока управления в такой ситуации будет осуществляться от аварийной аккумуляторной батареи 3 (через контакты К₁ или/и К₂), которая подключается в автоматическом режиме.

Таким образом, согласно предлагаемого изобретения, электропитание +28 В каждого канала электронного регулятора имеет трехкратное резервирование, а электронного блока управления двукратное. Однако специалистам ясно, что в общем случае электропитание +28 В блока 7 может также осуществляться от блока питания 5 (на фиг. 1 не показано). В таком случае, электропитание каждого канала электронного блока 7 управления реверсивным устройством также имеет трехкратное резервирование.

Необходимо отметить, что для повышения надежности бортовой системы электроснабжения разработчиками самолетов часто применяется деление бортовой сети на левую и правую сети. Эти сети могут питаться от параллельно работающих (на общую нагрузку) электрогенераторов, роторы которых механически соединены с роторами газотурбинных (маршевых) двигателей. При этом отказ одного генератора не приводит к обесточиванию сети, т.к. сеть автоматически или вручную подключается к соседней исправной сети. В таком случае может быть обеспечена четырехкратная степень резервирования по каналу питания +28 В.

Как следует из фиг. 1 номинальное напряжение 115/200 В (постоянной или переменной частоты) переменного трехфазного тока поступает в электронный блок управления по трем каналам. В случае отказа любого из трех каналов 1.3, 1.4 или 1.5 работоспособность одного из трех электродвигателей теряется. Но в данной ситуации работоспособность электромеханической системы в целом сохранится, т.к. электронном блоке управления имеется возможность идентифицировать отказ канала 1.3, 1.4, 1.5 и увеличить на 150% мощность работы каждого оставшегося привода.

Как отмечалось выше, для повышения надежности работы электромеханического привода и живучести электродвигателя применяется бесколлекторный двигатель постоянного тока, управляемый силовыми ключами. В случае обрыва (пропадания) фазы трехфазного переменного тока напряжением 115/200 В или коротком замыкании в любой из трех линий, что также приведет к срабатыванию автомата защиты QF и отключению фазы трехфазного переменного тока, надежное функционирование электромеханической системы без каких-либо функциональных ограничений обеспечивается за счет сохранения работоспособности выбранного типа электродвигателя.

Для повышения надежности электроснабжения электромеханической системы управления согласно настоящего изобретения также предусмотрен автоматический контроль параметров электропитания от блоков 1 и 2, а также обоих каналов генерирования автономного генератора (блока 4). Так, в блоке 5 осуществляется формирование дискретного сигнала (сигналов) исправности электропитания путем измерения текущего значения каждого напряжения питания, поступающего на вход блока электропитания от каждого отдельного источника электропитания и/или обоих каналов генерирования автономного электрического генератора, сравнения измеренного напряжения с заранее заданным допустимым диапазоном напряжения, выполнением выдачи информационного сигнала (сигналов) об отклонении в электропитании при нахождении напряжения вне заранее заданного допустимого диапазона напряжения. Таким заранее заданным допустимым диапазоном напряжения может быть диапазон напряжения штатной работы автономного генератора (31…33 В), а также диапазон нормальной работы бортовой системы электроснабжения по постоянному току (24…29,4 В) согласно ГОСТ Р 54073-2017 «Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии».

Другим возможным методом автоматического контроля параметров электропитания является измерение текущего значения каждого напряжения питания, поступающего на вход блока электропитания, аналого-цифровое преобразование напряжения с последующей регистрацией абсолютных значений напряжения и послеполетным анализом в наземной автоматизированной системе диагностики ГТД.

Дискретные сигналы о неисправностях или текущее значение напряжения по кодовым линиям связи согласно, например, ARINC- 429 автоматически передаются в бортовые системы индикации и регистрации для фиксации системами регистрации и индикации в кабине экипажа.

Послеполетный контроль информации из системы регистрации позволяет своевременно выявить все отклонения в электропитании и оперативно их устранить в ближайшем аэропорту. Кроме того, индикация в кабине экипажа отказов в электропитании, которые могут привести к не включению реверсивного устройства, например, в случае двух отказов позволяет заблаговременно предупредить экипаж о возможном усложнении полета для надлежащего исполнения полетных инструкций при отказе реверсивного устройства.

Заявляемый способ успешно прошел апробацию и обеспечил проведение различных типов испытаний авиационного двигателя типа ПД-14 (головной разработчик АО «ОДК-Авиадвигатель», РФ), укомплектованного электронным регулятором двигателя типа РЭД-14 и электромеханическим приводом реверсивного устройства. В качестве электроприводов 8.1, 8.2 и 8.3 успешно использовали электромеханизмы, подобные разработке АО «Диаконт» из состава патента RU №175530 (МПК: F02K 1/76, B64D 29/00, B64D 31/00, публ. 07.12.2017). В качестве автономного генератора успешно применен генератор переменного трехфазного тока типа ГС112, подобно разработке АО «Электропривод», г. Киров, РФ. Данный генератор магнитоэлектрического типа бесперебойно обеспечил выдачу электропитания мощностью 350 Вт (по 175 Вт в каждом канале генерирования). В качестве бортовой системы регистрации сигналов неисправности питания от блока питания и электронного блока управления успешно использовали автономное интегрированное устройство регистрации параметров авиационного газотурбинного двигателя (Патент RU №2664901, МПК G01M 15/14, F02C 9/28, публ. 23.08.2018).

Таким образом, предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет повысить надежность и отказобезопасность электромеханической системы и двигателя, повысить безопасность полетов в целом за счет комплексной системы мер, предусматривающих введение дополнительного резервирования электрического питания электронного регулятора двигателя и электронного блока управления реверсивным устройством; оптимизацию трассировки силового электропитания электродвигателей; введение автоматического контроля электропитания электромеханической системы, регистрации различных видов отказа и индикации в кабине критического отказа электропитания; за счет введения конструктивных возможностей электродвигателя, обеспечивающих его работоспособность в случае потери одной из трех фаз электропитания.

Изобретение относится к области управления газотурбинного двигателя (ГТД) типа FADEC. Электромеханическая система управления реверсивным устройством (РУ) ГТД с высоконадежным электропитанием, которая содержит электронный регулятор двигателя из состава цифровой системы управления двигателем, имеющий по меньшей мере два электронных канала с возможностью выдачи каждым каналом управляющих команд на открытие или закрытие РУ, электронный блок управления РУ, имеющий по меньшей мере два электронных канала управления с возможностью обмена информацией между этими каналами, три электромеханических привода, каждый из которых включает электродвигатель; два отдельных источника электропитания, при этом каждый отдельный источник электропитания соединен с соответствующим каналом электронного регулятора двигателя и электронного блока управления РУ. Дополнительно содержит блок электропитания агрегатов ГТД с возможностью электропитания каждого канала электронного регулятора и/или каждого канала электронного блока управления РУ, а также с возможностью автоматического контроля электропитания, поступающего на вход блока электропитания агрегатов ГТД; автономный электрический генератор двигателя, включающий два канала генерирования электроэнергии и механически соединенный с ротором ГТД, при этом оба канала генерирования автономного электрического генератора соединены с блоком электропитания агрегатов; каждый отдельный источник электропитания содержит независимый канал электропитания постоянным током номинальным напряжением +28 В, при этом по меньшей мере один отдельный источник электропитания содержит три канала электропитания переменным трехфазным током; выходное напряжение +28 В каждого отдельного источника электропитания соединено с входом блока электропитания агрегатов двигателя и с входом электронного блока управления; выходное напряжение трех каналов переменного трехфазного тока по меньшей мере от одного отдельного источника питания соединено с отдельными входами электронного блока управления РУ; электронный блок управления РУ. Дополнительно содержит модуль контроля электропитания с возможностью автоматического контроля электропитания, поступающего на вход электронного блока управления РУ. Позволяет повысить надежность и отказобезопасность электромеханической системы и двигателя, повысить безопасность полетов в целом. 15 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием, которая содержит электронный регулятор двигателя из состава цифровой системы управления двигателем, имеющий, по меньшей мере, два электронных канала с возможностью выдачи каждым каналом управляющих команд на открытие или закрытие реверсивного устройства, электронный блок управления реверсивным устройством, имеющий, по меньшей мере, два электронных канала управления с возможностью обмена информацией между этими каналами, три электромеханических привода, каждый из которых включает электродвигатель; два отдельных источника электропитания, при этом каждый отдельный источник электропитания соединен с соответствующим каналом электронного регулятора двигателя и электронного блока управления реверсивным устройством, отличающаяся тем, что дополнительно содержит блок электропитания агрегатов газотурбинного двигателя с возможностью электропитания каждого канала электронного регулятора и/или каждого канала электронного блока управления реверсивным устройством, а также с возможностью автоматического контроля электропитания, поступающего на вход блока электропитания агрегатов газотурбинного двигателя; автономный электрический генератор двигателя, включающий два канала генерирования электроэнергии и механически соединенный с ротором газотурбинного двигателя, при этом оба канала генерирования автономного электрического генератора соединены с блоком электропитания агрегатов; каждый отдельный источник электропитания содержит независимый канал электропитания постоянным током номинальным напряжением +28 В, при этом по меньшей мере один отдельный источник электропитания содержит три канала электропитания переменным трехфазным током; выходное напряжение +28 В каждого отдельного источника электропитания соединено с входом блока электропитания агрегатов двигателя и с входом электронного блока управления; выходное напряжение трех каналов переменного трехфазного тока, по меньшей мере, от одного отдельного источника питания соединено с отдельными входами электронного блока управления реверсивного устройства; электронный блок управления реверсивного устройства дополнительно содержит модуль контроля электропитания с возможностью автоматического контроля электропитания, поступающего на вход электронного блока управления реверсивного устройства.

2. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 1, отличающаяся тем, что основное электроснабжение от блока электропитания агрегатов осуществляется от каждого канала генерирования автономного электрического генератора, а при отказе любого канала генерирования автономного электрического генератора электроснабжение осуществляется от соответствующего независимого канала электропитания постоянным током номинальным напряжением +28 В отдельного источника электропитания.

3. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве автономного электрического генератора применяют генератор переменного тока с номинальным напряжением 31…33 В.

4. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно введена аварийная аккумуляторная батарея с постоянным номинальным напряжением +28 В, при этом в случае отказа любого независимого канала электропитания постоянным током номинальным напряжением +28 В отдельного источника электропитания имеется возможность автоматического соединения (подключения) аварийной аккумуляторной батареи к блоку электропитания агрегатов газотурбинного двигателя и к электронному блоку управления реверсивным устройством вместо отказавшего канала.

5. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 1, отличающаяся тем, что переменный трехфазный ток отдельного источника электропитания представляет собой переменный трехфазный ток номинальным напряжением 115/200 В постоянной или переменной частоты.

6. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 1, отличающаяся тем, что электродвигатель представляет собой электродвигатель с возможностью сохранения своей работоспособности при пропадании одной фазы электропитания трехфазного переменного тока.

7. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 6, отличающаяся тем, что электродвигатель с возможностью сохранения своей работоспособности при пропадании одной фазы электропитания трехфазного переменного тока представляет собой бесколлекторный двигатель постоянного тока.

8. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 1, отличающаяся тем, что в блоке электропитания агрегатов осуществляется контроль электропитания, поступающего на вход блока электропитания от каждого отдельного источника электропитания и/или обоих каналов генерирования автономного электрического генератора.

9. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 8, отличающаяся тем, что в блоке электропитания агрегатов автоматический контроль электропитания выполнен с возможностью измерения напряжения питания, поступающего на вход блока электропитания, и сравнения измеренного напряжения питания с заранее заданным допустимым диапазоном напряжения питания, выполнением выдачи информационного сигнала (сигналов) об отклонении в электропитании при нахождении напряжения вне заранее заданного допустимого диапазона напряжения.

10. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 8, отличающаяся тем, что в блоке электропитания агрегатов автоматический контроль электропитания выполнен с возможностью измерения напряжения питания, поступающего на вход блока электропитания, а также последующего аналого-цифрового преобразования напряжения питания с возможностью выдачи измеренного значения напряжения в кодовом виде.

11. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 9, отличающаяся тем, что в блоке электропитания агрегатов при контроле электропитания в качестве заранее заданного допустимого диапазона напряжения используют диапазон, характеризующий штатную работу автономного электрического генератора, и/или диапазон, характеризующий нормальную работу бортовой системы электроснабжения.

12. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 1, отличающаяся тем, что электронный блок управления выполнен с возможностью осуществления контроля работы каждого канала электропитания переменным трехфазным током, а при выявлении отказа канала электропитания переменным трехфазным током на 150% увеличения мощности работы двух любых электромеханических приводов с исправным электропитанием переменным трехфазным током; с возможностью выдачи сигнала отказа канала электропитания переменным трехфазным током в бортовую систему индикации и регистрации.

13. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 9, отличающаяся тем, что в электронном блоке управления выполнена возможность осуществления контроля работы каждого канала электропитания переменным трехфазным током, и при выявления отказов двух каналов электропитания переменным трехфазным током на выходе электронного блока управления выполнена возможность формирования информационного сигнала о невозможности включения реверсивного устройства, который поступает в бортовую систему индикации и регистрации.

14. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 9, или 10, или 13, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью выдачи информационного сигнала (сигналов) об отклонении в электропитании осуществляют в бортовую систему индикации и регистрации.

15. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 6 или 8, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью выдачи информационного сигнала (сигналов) в бортовую систему индикации и регистрации осуществляют по кодовым линиям связи.

16. Электромеханическая система управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя с высоконадежным электропитанием по п. 14 или 15, отличающаяся тем, что в качестве бортовой системы регистрации применяют автономное интегрированное устройство регистрации параметров авиационного газотурбинного двигателя.