Система электропитания для электроснабжения по меньшей мере одного потребителя на летательном аппарате
Группа изобретений относится к системам электропитания для снабжения энергией систем летательного аппарата. Система содержит по меньшей мере один топливный элемент, по меньшей мере один накопитель электрической энергии, по меньшей мере одну газовую турбину. Причем по меньшей мере один топливный элемент соединен по меньшей мере с одним накопителем электрической энергии так, что накопитель электрической энергии может быть заряжен при помощи топливного элемента. По меньшей мере один накопитель электрической энергии выполнен как буферное устройство между по меньшей мере одним топливным элементом и по меньшей мере одним потребителем. Накопитель электрической энергии выполнен с возможностью снабжать электрической энергией газовую турбину на фазе запуска газовой турбины. Летательный аппарат содержит вышеуказанную систему электропитания. Способ управления работой системы электропитания на летательном аппарате предусматривает выработку электрической энергии при помощи топливного элемента, хранение выработанной электрической энергии в промежуточном накопителе и обеспечение газовой турбины электрической энергией из промежуточного накопителя на фазе ее запуска. Группа изобретений обеспечивает электроэнергией газовую турбину самолета в течение временного промежутка, необходимого для запуска газовой турбины в экстренном случае, а также позволяет избежать недостаточного снабжения энергией газовой турбины во время полетов на низкой высоте. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию системы электропитания для снабжения энергией систем летательного аппарата и способа для снабжения энергией систем летательного аппарата, в частности к созданию системы электропитания, которая содержит топливные элементы и накопители энергии.
В современных летательных аппаратах используют различные системы шин, то есть системы электрических линий (магистралей), для электронной аппаратуры летательного аппарата, причем указанные электрические линии на летательных аппаратах служат для передачи, например, напряжения 28 В постоянного тока или 115 В, 400 Гц переменного тока. При помощи указанных систем шин, энергию подают на множество электрических нагрузок. Например, открывание дверей грузового отсека летательного аппарата производят при помощи устройств, которые получают электропитание при помощи указанных шин, которые, в свою очередь, получают электропитание от батарей. В соответствии с применяемой в настоящее время архитектурой летательного аппарата, во время парковки или во время нахождения в резерве, батареи подают энергию на различные системы и/или устройства на летательном аппарате, причем указанные системы и устройства требуют подачи электрической энергии на постоянной основе. Время нахождения в резерве может длиться несколько дней. Если время парковки превышает два дня, следует подключить летательный аппарат к внешнему источнику энергии.
Существует необходимость в создании эффективной системы электропитания для снабжения энергией летательного аппарата.
В соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения, эта задача решена за счет создания системы электропитания для летательного аппарата, причем такая система электропитания содержит по меньшей мере один топливный элемент и по меньшей мере один накопитель энергии, при этом по меньшей мере один топливный элемент соединен по меньшей мере с одним накопителем энергии таким образом, что накопитель энергии может быть заряжен при помощи топливного элемента.
В соответствии с примерным вариантом, в способе управления работой системы электропитания в летательном аппарате, при помощи топливного элемента вырабатывают электрическую энергию, и выработанную электрическую энергию хранят в промежуточном накопителе.
Основная идея настоящего изобретения заключается в использовании топливного элемента в летательном аппарате, причем указанный топливный элемент заряжает накопитель энергии или, другими словами, промежуточный накопитель. Это позволяет создать буфер пиков потребления электрических нагрузок систем летательного аппарата, на которые подают электрическую энергию, при помощи промежуточного накопителя энергии или буферного накопителя энергии. Это можно сделать без использования батарей в качестве средства накопления энергии, то есть в качестве источников энергии, или разгрузить такие батареи по меньшей мере во время нахождения летательного аппарата в резерве. В частности, использование системы электропитания в соответствии с настоящим изобретением позволяет, в случае импульсного режима, то есть модулированного режима, увеличить время подачи электропитания или время парковки, чтобы увеличить время подачи электропитания на соответствующие системы летательного аппарата, так как это позволяет предотвратить постоянное подключение нагрузки к батареям.
В этой схеме построения, топливный элемент может быть выполнен как источник подачи электрической и/или тепловой энергии, который подает электрическую и/или тепловую энергию на электрические системы летательного аппарата. За счет использования накопителя энергии, система электропитания может накапливать значительную электрическую энергию и подавать эту электрическую энергию в течение короткого периода времени. За счет этого можно сгладить пики потребления электрической энергии. После окончания пиков потребления, накопитель энергии может быть вновь заряжен при помощи топливного элемента. За счет этого можно также повысить эффективность подачи энергии на соответствующие системы летательного аппарата, так как промежуточный накопитель энергии может быть использован в качестве буфера, в результате чего топливный элемент будет работать с более высоким кпд или даже с оптимальным уровнем кпд, причем будет осуществляться сглаживание пиков нагрузки при помощи промежуточного накопителя энергии. За счет работы топливного элемента с высоким кпд можно также понизить полное потребление энергии и понизить выработку теплоты системой электропитания.
За счет использования системы в соответствии с настоящим изобретением также становится возможным, без использования отдельных батарей, произвести запуск так называемой вспомогательной силовой установки (ВСУ). В случае летательного аппарата, такие ВСУ могут содержать газовые турбины, работающие на керосине, причем указанные газовые турбины вырабатывают как электрическую, так и пневматическую энергию.
Кроме того, ВСУ может вступать в работу в случае нарушений нормальной работы различных систем летательного аппарата, чтобы брать на себя или поддерживать функцию указанных систем летательного аппарата. Более того, система электропитания в соответствии с настоящим изобретением может содержать буферный накопитель, подключенный к топливному элементу, для выполнения задачи батарей, по меньшей мере частично. За счет этого можно упростить систему или разгрузить батареи, по меньшей мере частично.
За счет использования системы электропитания в соответствии с настоящим изобретением можно также в любых аварийных ситуациях на летательном аппарате поддерживать требуемый уровень энергии при помощи накопителя энергии в течение промежутка времени, до тех пор, пока не начнет работать другая система аварийного энергоснабжения. Это может быть особенно полезно в случае летательного аппарата, движущегося на малой скорости. На летательном аппарате обычно используют так называемую воздушную турбину с набегающим потоком воздуха в системе аварийного энергоснабжения, однако такая воздушная турбина с набегающим потоком воздуха не выдает полную мощность на малой скорости, так что может не хватать энергии для подачи электропитания на все необходимые электрические нагрузки. Если используют систему электропитания в соответствии с настоящим изобретением, то ее можно использовать как буфер до тех пор, пока не начнет работать система аварийного энергоснабжения, и/или ее можно использовать в качестве замены такой системы аварийного энергоснабжения.
Далее примерные варианты системы электропитания будут описаны более подробно. Следует иметь в виду, что примерные варианты, описанные в контексте (применительно к) системы электропитания, также могут быть использованы в способе управления работой системы электропитания, на летательном аппарате, содержащем систему электропитания, а также при использовании системы электропитания на летательном аппарате.
В соответствии с дополнительным примерным вариантом, система электропитания содержит множество накопителей энергии и/или множество топливных элементов.
За счет использования множества топливных элементов и/или накопителей энергии становится возможным эффективное согласование выхода системы электропитания с потреблением энергии электрическими нагрузками на летательном аппарате.
В соответствии с другим примерным вариантом, по меньшей мере один накопитель энергии представляет собой конденсатор. Накопителем энергии, то есть промежуточным накопительным устройством, также может быть батарея.
Использование конденсатора в качестве накопителя энергии позволяет весьма эффективно создать быстрый накопитель энергии. Такой конденсатор подходит для хранения высоких уровней электрической энергии и для получения этой энергии в течение короткого периода времени. Такой конденсатор также подходит, при использовании системы электропитания в соответствии с настоящим изобретением на летательном аппарате, для подачи значительной электрической мощности на стартер (пусковой двигатель) ВСУ на фазе запуска указанной ВСУ. В такой схеме построения, выходное напряжение конденсатора может прямо зависеть от заряда, накопленного на конденсаторе. Если уровень заряда падает, то выходное напряжение конденсатора может падать. Такое падение может быть использовано как сигнал управления для начала зарядки промежуточного накопителя энергии. Если конденсаторы используют как промежуточные накопители энергии, то это может быть предпочтительным по сравнению с использованием батарей в качестве промежуточных накопителей энергии, так как за счет использования конденсаторов можно упростить техническое обслуживание, потому что конденсаторы имеют больший срок службы, чем батареи. Более того, за счет использования конденсаторов можно обеспечивать более короткие циклы переключения по сравнению с использованием батарей в качестве промежуточных накопителей энергии.
В соответствии с еще одним примерным вариантом, система электропитания выполнена как пассивная система. Термин "пассивная система" относится к топливным элементам и/или к накопителям энергии, в частности к конденсаторам, которые включаются автоматически, когда электрические нагрузки на летательном аппарате имеют пиковое энергопотребление. Более того, система электропитания может быть выполнена так, что в случае недостаточного напряжения по меньшей мере на одном накопителе энергии, например недостаточного напряжения на конденсаторе, топливные элементы включаются автоматически, чтобы заряжать по меньшей мере один накопитель энергии.
Такая подзарядка накопителя энергии с использованием электрической энергии, выработанной при помощи по меньшей мере одного топливного элемента, позволяет производить подзарядку только с малой потерей энергии. В частности, можно также рекуперировать электрическую энергию от систем летательного аппарата, то есть от электрических нагрузок в летательном аппарате. При такой рекуперации энергии становится возможным повысить эффективность системы электропитания и снизить потери энергии при энергоснабжении летательного аппарата.
В соответствии с еще одним примерным вариантом, система электропитания дополнительно содержит по меньшей мере один обратный выпрямитель (инвертор) и/или по меньшей мере один выпрямитель. По меньшей мере один обратный выпрямитель и/или по меньшей мере один выпрямитель позволяют производить преобразование электрической энергии, выработанной при помощи по меньшей мере одного топливного элемента и/или при помощи по меньшей мере одного накопителя энергии. В частности, преобразование может быть связано с преобразованием напряжения и/или частоты.
Использование обратного выпрямителя и/или выпрямителя позволяет эффективно использовать электропитание с различным напряжением и/или частотой для электрических нагрузок на летательном аппарате. Другими словами, можно производить преобразование электрической энергии так, чтобы можно было подавать электропитание на различные электрические нагрузки. Для этого преимущественно используют различные системы шин, при помощи которых можно подавать электрическую энергию с различным напряжением и/или частотой.
В соответствии с еще одним примерным вариантом, система электропитания дополнительно содержит блок управления, который позволяет управлять по меньшей мере одним накопителем энергии так, чтобы он служил буфером пиков потребления (чтобы он сглаживал пики потребления) электрических нагрузок.
В соответствии с еще одним примерным вариантом, по меньшей мере один накопитель энергии выполнен так, что от него электрическая энергия может быть подана на вспомогательную силовую установку.
Такая подача электрической энергии на вспомогательную силовую установку (ВСУ), которой может быть, например, газовая турбина, является эффективным путем выработки энергии, в частности, на фазе запуска ВСУ.
В соответствии с еще одним примерным вариантом, накопитель энергии выполнен как буферный накопитель энергии. В частности, буферный накопитель энергии может быть выполнен так, чтобы служить буфером пиков потребления электрических нагрузок на летательном аппарате. Такими электрическими нагрузками могут быть, в частности, различные устройства и вспомогательные системы на летательном аппарате. Однако это преимущественно не относится к двигателям летательного аппарата.
Система электропитания в соответствии с настоящим изобретением преимущественно может быть использована на летательном аппарате.
Один аспект настоящего изобретения предусматривает создание системы электропитания, которая содержит топливный элемент и накопитель энергии, причем топливный элемент выполнен так, чтобы подзаряжать накопитель энергии. Таким буферным накопителем энергии может быть, например, конденсатор или батарея (аккумулятор). Более того, такая система электропитания может быть использована на любом летательном аппарате, в том числе, например, на самолете, на вертолете или на дирижабле.
В этой схеме построения, конденсатор может быть использован для получения значительной электрической энергии в течение короткого периода времени. Когда снижается уровень заряда в конденсаторе, выходное напряжение конденсатора также будет падать. Если выходное напряжение падает ниже заданного уровня напряжения, конденсатор может автоматически подзаряжаться при помощи топливного элемента и/или при помощи системы рекуперации электрической энергии от электрических нагрузок и/или от бортовой сети.
Дополнительный случай применения системы электропитания может предусматривать разгрузку и/или замену батарей. В соответствии с известным уровнем техники, такие батареи используют на запаркованном летательном аппарате как источники энергии для запуска вспомогательной силовой установки. Такие батареи могут быть замещены при помощи системы электропитания в соответствии с настоящим изобретением. За счет поддержки или разгрузки батарей при помощи системы электропитания, которая содержит топливные элементы, объединенные с промежуточным накопителем энергии, можно также увеличить время парковки летательного аппарата. Это становится возможным за счет подзарядки конденсаторов при помощи топливных элементов. Кроме того, при этом также становится возможным упрощение технического обслуживания, так как, например, больше не нужна установка и демонтаж батарей, что требуется в соответствии с известным уровнем техники, даже в случае увеличенного времени нахождения в резерве.
Предложенная система электропитания также может быть использована для открывания и закрывания некоторых или всех дверей летательного аппарата. За счет постоянной зарядки конденсатора электрической энергией при помощи топливного элемента, становится возможным частое открывание дверей летательного аппарата или частое выполнение других функций на летательном аппарате, даже если летательный аппарат запаркован.
Система электропитания в соответствии с настоящим изобретением также может быть использована на летательном аппарате для замены и/или для поддержки воздушной турбины (RAT) с набегающим потоком воздуха, которая образует систему аварийного энергоснабжения, которую используют при возникновении различных отказов. Такая система RAT содержит качающийся рычаг с прикрепленным к нему пропеллером, причем этот пропеллер приводится в движение за счет относительного потока воздуха, созданного поступательной скоростью, так что такая система позволяет вырабатывать гидравлическую и/или электрическую энергию для важных аварийных систем и систем авиационной электроники. Системы RAT имеют время запуска около 5 секунд, причем в соответствии с известным уровнем техники, в течение этого времени работают буферные батареи, чтобы обеспечивать безаварийную работу различных систем летательного аппарата. По сравнению с такой системой RAT, система электропитания в соответствии с настоящим изобретением имеет преимущество, связанное с тем, что она позволяет вырабатывать полную мощность даже при малых скоростях полета, и, следовательно, может подавать энергию на все необходимые электрические нагрузки. Таким образом, при этом больше нет необходимости в отключении некоторых систем, например, предкрылков и двигателей / генераторов постоянной скорости, что требовалось в известной системе RAT и осуществлялось при помощи приоритетного клапана. В известных системах RAT такое отключение при малых скоростях полета является необходимым, так как, при малых скоростях полета, система RAT не может подавать достаточную энергию, чтобы адекватно или полностью подавать электропитание на все необходимые электрические нагрузки.
В известных системах RAT, приоритетный клапан отключает некоторые электрические нагрузки, чтобы иметь достаточную энергию для системы управления летательного аппарата. По сравнению с такими известными системами, преимуществом системы электропитания в соответствии с настоящим изобретением является то, что даже при малых скоростях летательного аппарата или при остановке летательного аппарата указанная система электропитания в соответствии с настоящим изобретением может вырабатывать достаточную электрическую и/или пневматическую энергию, в то время как известная система RAT прекращает работу (останавливается), если не поддерживать некоторую минимальную скорость летательного аппарата, так как внутреннее сопротивление рабочей жидкости становится слишком большим. Таким образом, система электропитания в соответствии с настоящим изобретением может работать безотносительно от скорости набегающего потока воздуха, в отличие от системы RAT. Топливный элемент также может работать при малых скоростях летательного аппарата, то есть может работать постоянно, при всех режимах полета, в диапазоне его полной нагрузки.
Можно также значительно уменьшить время запуска системы RAT за счет использования системы электропитания в соответствии с настоящим изобретением, то есть системы электропитания, которая содержит топливный элемент, объединенный с конденсатором. Система электропитания в соответствии с настоящим изобретением позволяет выполнять аварийную функцию системы RAT и обеспечивать более короткое время запуска по сравнению с системой RAT.
Следует иметь в виду, что признаки или операции, описанные со ссылкой на один из описанных выше примерных вариантов или на один из описанных выше аспектов, применимы также в комбинации с другими признаками или операциями других описанных выше примерных вариантов или аспектов.
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на чертежи, где показан один из примерных вариантов.
На фиг.1 показана блок-схема системы электропитания в соответствии с одним из примерных вариантов настоящего изобретения.
На фиг.1 показана блок-схема системы электропитания, выполненной в соответствии с одним из примерных вариантов настоящего изобретения и предназначенной для подвода электроэнергии к электрическим нагрузкам летательного аппарата. Как это показано на фиг.1, система 100 электропитания содержит топливный элемент 101, который при помощи первого электропроводящего соединения или линии 102 соединен с конденсатором 103. Кроме того, топливный элемент 101 и конденсатор 103 соединены при помощи второго электропроводящего соединения 104, в которое введен диод 105. Более того, система 100 электропитания содержит обратный выпрямитель 106, который при помощи третьей электропроводящей линии 107 и четвертой электропроводящей линии 108 соединен с конденсатором 103. Вольтметр 109 подключен между третьим электропроводящим соединением 107 и четвертым электропроводящим соединением 108, причем указанный вольтметр 109 служит для измерения напряжения, полученного на конденсаторе 103.
Кроме того, система 100 электропитания содержит выпрямитель 110, который также соединен с третьей электропроводящей линией 107 и с четвертой электропроводящей линией 108.
Обратный выпрямитель 106 соединен с первой электрической шиной 111, которая служит для подачи переменного напряжения на электрические нагрузки, в то время как выпрямитель 110 соединен со второй электрической шиной 112, которая служит для подачи постоянного напряжения на электрические нагрузки.
В системе электропитания, которая схематично показана на фиг.1, топливный элемент 101 подает электрическую энергию на конденсатор 103, то есть топливный элемент 101 используют для заряда конденсатора 103. Конденсатор 103, в свою очередь, может быть использован в качестве буфера пиков потребления электрических нагрузок в летательном аппарате.
1. Система электропитания для электроснабжения по меньшей мере одного потребителя на летательном аппарате, содержащая по меньшей мере один топливный элемент; по меньшей мере один накопитель электрической энергии; по меньшей мере одну газовую турбину; причем по меньшей мере один топливный элемент соединен по меньшей мере с одним накопителем электрической энергии так, что накопитель электрической энергии может быть заряжен при помощи топливного элемента, и при этом по меньшей мере один накопитель электрической энергии выполнен как буферное устройство между по меньшей мере одним топливным элементом и по меньшей мере одним потребителем, и при этом накопитель электрической энергии выполнен с возможностью снабжать электрической энергией газовую турбину на фазе запуска газовой турбины.
2. Система электропитания по п.1, которая содержит множество накопителей энергии и/или множество топливных элементов.
3. Система электропитания по п.1 или 2, в которой по меньшей мере один накопитель электрической энергии представляет собой конденсатор.
4. Система электропитания по п.1, которая выполнена как пассивная система.
5. Система электропитания по п.1, которая дополнительно содержит по меньшей мере один обратный выпрямитель и/или по меньшей мере один выпрямитель.
6. Система электропитания по п.5, в которой по меньшей мере один обратный выпрямитель и/или по меньшей мере один выпрямитель выполнены с возможностью преобразования электрической энергии, вырабатываемой при помощи по меньшей мере одного топливного элемента и/или при помощи по меньшей мере одного накопителя электрической энергии.
7. Система электропитания по п.6, в которой преобразование представляет собой преобразование, связанное с напряжением и/или с частотой.
8. Система электропитания по п.1, которая дополнительно содержит блок управления, выполненный с возможностью управления по меньшей мере одним накопителем электрической энергии так, чтобы он сглаживал пики потребления электрических нагрузок.
9. Система электропитания по п.1, которая выполнена так, что накопитель электрической энергии может быть заряжен при помощи системы рекуперации энергии, от электрической нагрузки и/или от бортовой сети летательного аппарата.
10. Летательный аппарат, содержащий систему электропитания по одному из пп.1-9.
11. Способ управления работой системы электропитания на летательном аппарате, которая включает в себя по меньшей мере один топливный элемент; по меньшей мере один накопитель электрической энергии; по меньшей мере одну газовую турбину, который предусматривает выработку электрической энергии при помощи топливного элемента, хранение выработанной электрической энергии в промежуточном накопителе и обеспечение газовой турбины электрической энергией из промежуточного накопителя на фазе ее запуска.
