Устройство помощи во вращении газогенератора одного из двигателей воздушного судна, имеющего по меньшей мере два двигателя со свободными турбинами
Устройство (100) помощи во вращении газогенератора для двигателя (GT1) со свободной турбиной воздушного судна, имеющего по меньшей мере два двигателя (GT1, GT2) со свободными турбинами, при этом устройство содержит машину (D1) электрического стартера для обеспечения помощи газогенератору первого двигателя (GT1), использующую энергию, вырабатываемую машиной (G2) электрического генератора, приводимой в движение вторым двигателем (GT2), устройство, дополнительно содержащее по меньшей мере один элемент (S1) накопления электроэнергии, электрически соединенный с указанной машиной (D1) электрического стартера для обеспечения импульса поддержки упомянутому газогенератору. Машина (D1) электрического стартера снабжается энергией от первого преобразователя (SPC1) мощности, дающего возможность ей обмениваться энергией с накопительным элементом (S1) для обеспечения импульса помощи, который передает к ней же энергию, подаваемую вторым преобразователем (SPC2) мощности для помощи. Достигается независимость от бортовой сети и легкость реализации. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 13 ил.
Изобретение относится к области узлов, содержащих множество двигателей со свободными турбинами, каковые, обычно, можно обнаружить на вертолетах.
Следует напомнить, что двигатель со свободной турбиной включает в себя силовую турбину или "свободную турбину", которая, в вертолете, приводит в движение роторы вертолета с помощью обгонной муфты или «муфты свободного хода» и главного редуктора (MGB), а также включает в себя газовый генератор образованный, главным образом, компрессором, камерой сгорания и турбиной высокого давления (HP).
Вал газогенератора соединяется посредством понижающего редуктора или коробкой приводов агрегатов с электрической машиной, представленной статором и ротором, и способной работать в равной мере, как в качестве двигателя (стартера), так и в качестве генератора. В режиме двигателя, электрическая машина снабжается мощностью от источника электроэнергии и развивает вращающий момент таким образом, чтобы привести газогенератор двигателя во вращение, в частности, с целью его запуска, обеспечивая тем самым помощь в запуске. В режиме генератора, электрическая машина приводится во вращение с помощью газогенератора, чтобы забрать от него механическую энергию, каковая механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.
В документах FR 2 967 132 и FR 2 967 133 были сделаны предложения - в то время как воздушное судно, имеющее два двигателя со свободными турбиннами находится в крейсерском полете, установить один из двух двигателей в режим ожидания так, чтобы десинхронизировать его свободную турбину от MGB, одновременно увеличивая отбор мощности от другого двигателя,
позволяя тем самым уменьшить общее потребление топлива системы. Было предложено несколько вариантов этого режима ожидания.
В первом варианте, упоминаемом как "сверхмалый газ" газогенератор десинхронизированной газовой турбины может регулироваться на низкой скорости режима малого газа.
Во втором варианте, упоминаемом как "сверхмалый газ с помощью", газогенератор газовой турбины, которая десинхронизирована от MGB, также может регулироваться на низкой скорости режима малого газа, в то время как вращающий момент помощи одновременно применяется к газогенератору посредством электрической машины и коробки приводов агрегатов.
В третьем варианте, камера сгорания двигателя может быть полностью погашена, а затем предлагается поддерживать газовый генератор во вращении со скоростью, которая облегчает повторное зажигание в конце стадии крейсерского полета. Соответствующий диапазон скоростей может быть назван "предпочтительным окном зажигания". Этот режим работы, называемый режим "вращения", включает в себя обеспечение газогенератора помощью, которая является пролонгированной.
В этих трех режимах работы, которые могут поддерживаться в течение всего времени крейсерского полета, мощность, передаваемая на MGB двигателем в режиме ожидания, как правило, равна нулю, и, как правило, не представляется возможным извлекать мощность из его газогенератора.
В трех вариантах, упомянутых выше, необходимо иметь возможность реактивировать десинхронизированный двигатель быстро, в частности, в случае чрезвычайной ситуации, например, в случае выхода из строя другого двигателя, если имеются всего три или более двигателей, или даже выхода из строя другого двигателя, если имеются два двигателя. Вот почему газогенератор поддерживается вращающимся при скорости, которая облегчает повторное зажигание в системе, когда камера сгорания погашена.
Поддержание газогенератора во вращении в предпочтительном окне зажигания (режим "вращения"), так и обеспечение пролонгированной помощи газогенератору, в то время как он регулируется на скорости в режиме малого газа (режим "сверхмалый газ с помощью") требуют относительно малой мощности, но в конечном итоге требуют значительной энергии, так как цель системы заключается в использовании ее на протяжении полета большой продолжительности. Среди других решений, FR 2 967 132 и FR 2 967 133 предлагают использовать электрический стартер, обеспечиваемый мощностью от стартера/генератора, соединенного с газогенератором другого двигателя или генератора, который приводится в движение непосредственно или косвенно свободной турбиной другого двигателя.
Что касается аварийного перезапуска из ситуации низкой скорости или с погашенной камерой сгорания, необходимо приложить высокую мощность к валу газогенератора вследствие значительной инерции вращающихся узлов и из-за противоположного вращательного момента от компрессора двигателя. Эта мощность должна быть доставлена в течение короткого времени, порядка нескольких секунд, чтобы дать возможность двигателю быстро перезапуститься. В FR 2 967 133 предлагается, среди других возможностей, что может быть использована электрическая энергия, в частности, взятая из суперконденсатора, чтобы обеспечить газогенератор импульсом помощи.
В документе ЕР 2 602 458 сделаны предложения использовать мощность, взятую из силовой турбины первого двигателя для того, чтобы помочь вращению газогенератора второго двигателя. Мощность передается с помощью двух электрических машин. Это позволяет уменьшить расход топлива. Второй двигатель поддерживается в режиме малого газа.
В документе ЕР 2 581 586, также сделаны предложения использовать два суперконденсатора (которые представляют собой элементы для накопления электроэнергии), каждый из которых заряжается с помощью соответствующего генератора электроэнергии, приводимого в движение газогенератором одного из двух двигателей, и каждый из которых служит для обеспечения импульса энергии для запуска другого двигателя, того двигателя, который находится в погашенном состоянии.
В документе FR 2 914 697 импульс помощи ускорения дается газогенератору двигателя, в частности, путем доставки механической мощности к газогенератору посредством электрической машины, которая приводится во вращение свободной турбиной. Система также работает, чтобы обеспечить помощь в торможении.
В этом контексте, настоящее изобретение преследует цель предложить структуру, делающую возможным также доставлять мощность непрерывно в газогенератор первого турбинного двигателя от другого турбинного двигателя, в частности,, но не обязательно, в контексте обеспечения пролонгированной помощи во вращении газогенератора упомянутого первого двигателя в его предпочтительном окне зажигания, а также предложить использование электрического накопительного элемента, который заряжается одним двигателем, и который служит для доставки импульса энергии к газогенератору второго двигателя при перезапуске или помощи ускорению упомянутого второго двигателя. Структура может, предпочтительно, но не обязательно, быть независимой от бортовой электрической сети (в частности, она может быть независимой в смысле поставки электрической мощности, и она также может быть электрически изолирована от нее), и она может быть легкой для реализации на практике в воздушном судне.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ И СВЯЗАННЫХ С НИМ ПРЕИМУЩЕСТВ
Для этой цели предлагается устройство помощи для двигателя со свободной турбиной воздушного судна, имеющего, по меньшей мере два двигателя со свободной турбиной, причем устройство содержит машину электрического стартера и машину электрического генератора, машина электрического стартера обеспечивает пролонгированную помощь газогенератору первого двигателя, используя энергию, производимую машиной электрического генератора, приведенного в движение вторым двигателем, устройство помощи дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент накопления электроэнергии, электрически соединенный с указанной машиной электрического стартера для обеспечения импульса помощи указанному газогенератору, устройство помощи дополнительно содержит первый преобразователь мощности и второй преобразователь мощности, машину электрического стартера, снабжаемую мощностью от первого преобразователя мощности, который позволяет ей обмениваться энергией с накопительным элементом для обеспечения импульса помощи, и который передает к ней энергию, доставленную вторым преобразователем мощности для пролонгированной помощи, устройство помощи отличается тем, что оно дополнительно содержит компьютер для отключения подачи топлива в газогенератор в течение определенного периода в ходе пролонгированной помощи и для поддержания указанного газогенератора на пониженной скорости для облегчения повторного зажигания упомянутого газогенератора.
В некоторых реализациях, упомянутые выше электрические машины могут одинаково функционировать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора, и в этом случае архитектура может быть симметричной, каждому из двух двигателей может быть оказана помощь, в свою очередь. Тем не менее, также возможна ассиметричная архитектура, с помощью, предоставляемой только для одного из двух двигателей.
Благодаря этой структуре, возможно, при ограниченном весе и ограниченном числе компонентов, устанавливать различные функции для импульса помощи в полете, для импульса помощи при запуске, и для пролонгированной помощи для вращения газогенератора, такой как, например, поддержание его во вращении продолжительным образом при отсутствии поджига в камере сгорания. Кроме того, можно запустить двигатель обычным способом, или обеспечить это с холодной прокруткой. Следует напомнить о том, что холодная прокрутка заключается в приведении газогенератора во вращение на низкой скорости в течение, примерно, десяти секунд, в то время как подача топлива отсекается, так чтобы использовать поток воздуха, создаваемый компрессором для охлаждения определенных внутренних подузлов двигателя, и так, чтобы очистить из камеры сгорания любое накопление несгоревшего топлива, происходящее из-за сбоя в поджиге во время запуска.
Система с двумя преобразователями мощности позволяет управлять обменом энергией между электрической машиной, приводимой в действие газогенератором первого двигателя, которая обычно подает переменный ток (AC), электрической машиной для предоставления помощи газогенератору второго двигателя, которая является, как правило, также машиной переменного тока, и накопительным элементом, который может, в частности, обеспечивать постоянный ток (DC). Таким образом, эти два преобразователя позволяют использовать источники энергии, которые не являются той же природы (постоянный или переменный ток) или которые не имеют тех же характеристик (низкое или высокое напряжение, различные частоты).
Устройство может включать в себя шину, например, высоковольтную шину постоянного тока между элементом накопления электроэнергии и первым преобразователем, при этом шина не зависит (электрически изолирована) от сети энергоснабжения воздушного судна. Таким образом, требования положений, касающихся бортовой сети, не применяются к этой шине, а ее напряжение может отличаться от напряжения бортовой сети и быть приспособленным для накопления энергии в накопительном элементе, а также для оптимизации веса электрических машин и преобразователей мощности.
Предпочтительно, первый преобразователь является сервоуправляемым. Таким образом, первый преобразователь служит для управления скоростью (частотой) и вращающим моментом, приложенным к роторной машине стартера (машине переменного тока).
Предпочтительно, элемент-разъединитель (статический, электромеханический или другой) позволяет двум преобразователям быть электрически отсоединенными друг от друга, накопительный элемент остается соединенным с первым преобразователем мощности. Таким образом, накопительный элемент может передавать энергию только в газогенератор первого двигателя, без подачи какой либо энергии ко второму преобразователю мощности.
Предпочтительно, первая электрическая машина является также и генератором. Это дает возможность перезаряжать устройство накопления электроэнергии с помощью энергии, поступающей из первой электрической машины через первый преобразователь мощности.
Предпочтительно, элемент коммутации позволяет второму преобразователю мощности быть подключенным к электрическому накопительному элементу. Это дает возможность перезарядить устройство накопления электроэнергии с помощью энергии, поступающей из второго двигателя, через второй преобразователь мощности.
Предпочтительно, с помощью элемента накопления электроэнергии, устройство может управляться, с помощью первого преобразователя мощности, чтобы обеспечить импульс помощи в дополнительном ускорении или замедлении указанного газогенератора первого двигателя управляемым способом во время полета с двумя двигателями. Как изложено в документе FR 2 914 697, этот способ делает возможным улучшить переходные характеристики двигателя, и, таким образом, уменьшить амплитуду снижения или увеличения в скорости роторов воздушного судна, происходящих от быстрого изменения в мощности, требуемой от упомянутого двигателя. Установлено, что в случае замедления газогенератора, импульс помощи включает в себя отвод энергии, в то время как в случае когда генератор мощности ускоряется, импульс помощи включает в себя доставку энергии, не отбирая какой-либо энергии из бортовой сети воздушного судна.
Предпочтительно, второй преобразователь мощности обеспечивается мощностью от электрической машины, работающей в качестве генератора и приводимой в движение газогенератором второго двигателя воздушного судна. Благодаря этому техническому варианту, устройство помощи получается таким, что может быть независимым от бортовой сети, тем самым значительно снижая проблемы электромагнитных помех, в частности, тех, что передаются электрическими кабелями, упрощая установку, и избегая какой-либо необходимости превышения размеров бортовой сети, системы генерирования электроэнергии, или батареи воздушного судна. Кроме того, устройство помощи может быть предоставлено производителем двигателя в контексте процесса проектирования и сертификации, который отличается от процесса проектирования и сертификации для воздушного судна.
Например, вторая электрическая машина генератора также имеет функцию запуска второго двигателя. Таким образом, вес сохраняется, а количество необходимых устройств уменьшается, и можно осуществить обычный запуск первого двигателя, или даже, холодную прокрутку двигателя, с помощью устройства помощи.
Предпочтительно, устройство включает в себя по одному накопительному элементу на каждый двигатель для того, чтобы принять участие в импульсе ускорений газогенераторов любого из двигателей.
Кроме того, для каждого из двух двигателей, снабженных таким образом функцией импульсной помощи, которая является специфичной для них, факт наличия одного накопительного элемента на каждый двигатель делает возможным отделить электрически устройства помощи двух двигателей, когда они одновременно содействуют поступательному движению воздушного судна (условия полета с двумя двигателями).
В некоторых вариантах осуществления пролонгированная помощь может быть выполнена в течение периодов, в которых упомянутый газогенератор находится в рабочем состоянии, механическая энергия приспособлена для поддержания упомянутого газогенератора при низкой скорости, что минимизирует потребление топлива. В таких условиях компьютер поддерживает расход топлива в газогенераторе в течении определенного периода, в ходе пролонгированной помощи, и он уменьшает скорость газогенератора так, чтобы минимизировать потребление топлива.
И, наконец, элемент накопления электроэнергии может содержать, по меньшей мере, суперконденсатор, гибридный конкурент, литий-ионную батарею или маховик, опционально имеющий встроенный преобразователь мощности постоянного/переменного тока.
Предложенное выгодно тем, что элемент накопления электроэнергии мог бы быть перезаряжаемым путем отбора энергии из газогенератора первого или второго двигателя в течение периодов, в которых указанный газогенератор снабжается топливом.
Указанное выгодно тем, что накопительный элемент более конкретно конструируется, чтобы принимать без повреждений, последовательности разрядов, которые характеризуются высокой мощностью и малой длительности, порядка нескольких секунд, и что в этом отношении он предназначается исключительно для функции обеспечения импульса помощи газогенератору двигателя. В этом контексте он используется, в частности, для функций обычного запуска, аварийного запуска и холодной прокрутки, а также для помощи в полете.
Данное изобретение также предусматривает воздушное судно, имеющее, по меньшей мере, два двигателя со свободными турбинами, и включающее в себя устройство помощи, как указано.
Воздушное судно может быть вертолетом.
Изобретение описывается ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
СПИСОК ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - общая схема системы, согласно изобретению, включенной в силовую установку и электрические системы воздушного судна.
Фиг.2 - более конкретная схема варианта осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3-9 - каждый из которых показывает этап или режим использования варианта осуществления, изображенного на фиг. 2.
Фиг. 10 показывает альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 11 показывает еще один альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 12 и 13 показывают два других альтернативных вариантов осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Ссылаясь на фиг. 1, общая электрическая архитектура варианта осуществления предлагаемой системы заключается в следующем.
Генерация электроэнергии на воздушном судне обеспечивается, по меньшей мере, двумя генераторами переменного тока ALT1 и ALT2, приводимыми в движение главным редуктором MGB, чаще всего машинами трехступенчатого типа переменного напряжения 115 В/400 Гц, хотя могут быть предусмотрены и другие роторные машины.
Эта архитектура является выгодной в контексте недорогого крейсерского полета с одним двигателем, поскольку она гарантирует функциональную и органическую независимость между генерированием электроэнергии и работой турбинных двигателей, тем самым делая возможным сохранить достаточный уровень доступности и избыточности для генерирования электроэнергии во время недорогого крейсерского полета, в то время как один из двух двигателей, поддерживается в режиме ожидания, который несовместим с извлечением какой либо мощности из его газогенератора.
Кроме того, эта архитектура является менее, взыскательной для работы двигателей, чем отбор мощности из газогенераторов двигателей, особенно с точки зрения влияния на ускорение и характеристики потребления, поскольку механическая мощность, соответствующая электрической мощности, потребляемой бортовой сетью воздушного судна берется от свободной турбины, а не от газогенератора.
ALT1 и ALT2 обеспечивают мощностью сеть энергоснабжения воздушного судна, другие доступные источники энергии для обеспечения мощностью этой сети, могут быть образованы бортовой вспомогательной силовой установкой APU, одной или несколькими батареями, или даже, когда воздушное судно находится на земле, то блоком наземного питания.
Главный редуктор MGB приводится в движение двигателями GT1 и GT2. В этом примере они являются турбовальными двигателями со свободными турбинами. Каждый из них имеет газогенератор и силовую турбину (свободную турбину), приводящую в движение MGB через муфты свободного хода.
Каждый двигатель GT1 и GT2 имеет соответствующую роторную машину (соответственно G/S1 и G/S2), предназначенную для работы в качестве стартера и в качестве генератора, и в описываемым варианте осуществления, механически соединенную с газогенератором двигателя через коробку приводов агрегатов. Для того чтобы оптимизировать компактность и вес устройства, является предпочтительным для G/S1 и G/S2 представлять собой архитектуру машины, которая совместима с разгоном на высокой скорости посредством газогенератора, и, таким образом, без роторной обмотки такой, как, например, и не исчерпывающим образом, бесщеточная синхронная машина с постоянными магнитами, машина с переменным реактивным сопротивлением или асинхронная машина. Две машины G/S1 и G/S2 включаются в независимый электрический узел 100, который работает независимо от сети энергоснабжения воздушного судна.
Ссылаясь на фиг.2, независимый электрический узел 100 включает в себя следующие подузлы.
Во-первых, имеются две шины, шина № 1 и шина № 2, работающие с постоянным током (DC) и при высоком напряжении (порядка нескольких сотен вольт), каковые шины являются независимыми друг от друга и от бортовой сети.
Независимый электрический узел дополнительно содержит два реверсивных статических DC/AC-преобразователя SPC1 и SPC2 (например, типа двухуровневого инвертора или какого-либо другого типа), которые служат, в частности, чтобы обеспечивать мощность и управлять роторными машинами G/S1 и G/S2 в крутящем моменте и скорости. В то время как электрическая машина приводится в движение газогенератором, каждый из этих преобразователей может работать в качестве управляемого выпрямителя и регулирования напряжения соответствующей шины.
Независимый электрический узел 100 дополнительно содержит элементы накопления электроэнергии S1 и S2, которые оптимизированы для обеспечения коротких и интенсивных разрядов мощности. В качестве примера, они могут быть суперконденсаторами, или гибридными конденсаторами (возможно, оснащенные своей собственной системой управления), литий-ионными батареями, оснащенными собственными системами управления батареями (BMSs) или маховиком (с его AC/DC-преобразователем нагрузки/разгрузки).
Независимый узел 100 электроэнергии также включает в себя электрический элемент-разъединитель 120 типа электромеханического контактора или типа твердотельного регулятора мощности (SSPC), служащий для соединения вместе двух шин постоянного тока (параллельно), и наоборот, чтобы разъединять электрически, с одной стороны узел S1, шину 1, SPC1, G/S1, GT1, а с другой стороны, узел S2, шину 2, SPC2, G/S2, GT2.
Ссылаясь на фиг.3, ниже приводится описание этапа полета с двумя двигателями.
Как только оба двигателя GT1 и GT2 запустились, две электрические машины G/S1 и G/S2 приводятся в движение газогенераторами двигателей GT1 и GT2, и они работают в режиме генератора с DC/AC-преобразователями, управляемыми в качестве выпрямителей с точки зрения применения соответствующего соотношения ток/напряжение в целях перезарядки и/или поддержания заряда в накопительных элементах S1 и S2. Элемент-разъединитель 120 представляет собой разомкнутый контур.
Поскольку накопительные элементы могут, возможно, быть разряженными во время запуска двигателей на земле, может возникнуть необходимость в ожидании, когда накопительные элементы S1 и S2 будут заряженными вновь до их номинального уровня до выдачи разрешения на взлет.
Перезарядка или поддержание заряда накопительных элементов S1 и S2 (для того, чтобы компенсировать внутренние потери, например, вследствие балансировки ячеек в пакете суперконденсаторов или батареи, или даже из-за трения в маховике) осуществляется способом, который не зависит от бортовой сети, путем извлечения энергии из газогенераторов соответствующих двигателей GT1 и GT2. В зависимости от их технологии, компенсация потерь в каждом накопительном элементе S1 и S2 может представлять собой не более нескольких десятков ватт в устойчивых состояниях.
В этом режиме работы, шины постоянного тока электрически разъединяются друг от друга, и они работают независимо друг от друга.
Кроме того, в варианте, последовательное управление перезарядкой накопительных элементов осуществляется с использованием соотношения гистерезисного типа: элемент заряжается до порога E1 энергии, и затем перезарядка замедляется (т.е. больше никакая энергия не берется из газогенератора) до тех пор, пока запасенная энергия не упадет из-за внутренних потерь до уровня, ниже порога Е2, который меньше, чем E1. В случае технологий типа батареи или гибридного конденсатора, использующих активные схемы выравнивания, между двумя стадиями перезарядки достигаются достаточно длинные паузы.
Ссылаясь на фиг. 4, в полете с двумя двигателями, энергия, запасенная в элементах S1 и S2, используется для оптимизации работы двигателей. Основная идея заключается в обеспечении ввода короткого, одиночного импульса механической энергии в газогенератор одного из двигателей. Затем могут быть предусмотрены два режима работы, и они подробно описываются ниже. Они описываются для работы в то время, когда элемент-разъединитель 120 представляет собой разомкнутый контур.
Во-первых, можно обеспечить импульс помощи для ускорения газогенератора. В случае, когда шаг винта быстро увеличивается от низкой скорости, доставка механической мощности в газогенератор служит, чтобы повысить его ускорение, и, следовательно, увеличить скорость, с которой двигатель выдает мощность в свободную турбину, и, следовательно, существенно уменьшить кратковременное падение в скорости вращения ротора вертолета, как это происходит в конце такого маневра, таким образом, увеличивая предел безопасности экипажа.
Эта функция обеспечивает значительное улучшение характеристик, когда начальная скорость газогенератора низкая. Этот режим работы может быть активирован автоматически по запросу компьютера турбины, когда удовлетворяются различные критерии, например, и неограничивающим образом: система доступна (не обнаружено ни одного отказа), уровень энергии, запасенной в элементах S1 и S2 является достаточным, двигатель работает, начальная скорость газового генератора лежит в заданном диапазоне, и быстрое увеличение в потреблении мощности определяется как результат линии рабочего режима двигателя, приближающегося к своему пределу для защиты от помпажа.
Импульс помощи деактивируется, когда линия рабочего режима двигателя уходит от своего предела для защиты от помпажа, когда уровень запасенной энергии падает ниже определенного порога, или когда скорость превышает определенный порог.
После этого можно доставить импульс помощи для замедления газогенератора. В случае быстрого уменьшения шага винта, в течение которого замедление газогенератора ограничивается зависимостью от предотвращения заглохания, предлагается увеличить уставку генерирования преобразователей на несколько мгновений так, чтобы снять большое количество энергии от газогенераторов. В результате, можно замедлить газогенератор быстрее, и, таким образом, увеличить скорость, с которой регулирование двигателя уменьшает расход топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, и, следовательно, уменьшить амплитуду кратковременного увеличения в скорости ротора.
Этот режим работы активируется автоматически по запросу компьютера турбины, когда удовлетворяются различные критерии, например, и неограничивающим образом: линия рабочих режимов приближается к нижнему пределу скорости, при которой еще нет заглохания, и обеспечивается наличие емкости, подходящей для накопления энергии, которая берется из газогенератора, в то время как он замедляется.
В варианте, емкость накопительного элемента, таким образом, немного превышается для того, чтобы обеспечить при любых обстоятельствах, которые имеются, запас для накопленной энергии.
В порядке альтернативы, к шине постоянного тока может быть добавлено устройство для рассеивания энергии, взятой, чтобы замедлить газогенератор, такое как, например, узел, изготовленный из резистивного элемента и плеча тормозного прерывателя.
Кроме того, можно обеспечить импульс помощи типа вода мощности. Механическая мощность Pmec вводится в газогенератор с тем, чтобы получить увеличенное воздействие на свободную турбину. В некоторых зонах диапазона эксплуатационных режимов, можно восстановить мощность K.Pmec из свободной турбины, и, таким образом, из MGB вертолета с передаточным числом K больше 1. Следует отметить, что когда присутствуют соответствующие условия, доставка помощи в газогенератор, таким образом, может быть более эффективной, чем доставка помощи, которая является эквивалентной, за исключением того, что она вводится непосредственно в свободную турбину или в MGB. Этот режим работы может быть активирован, когда энергия, накопленная в элементах S1 и S2 достаточна, либо превентивным образом по требованию экипажа, например, взлет с повышенной нагрузкой и/или на большой высоте и/или при высокой температуре, либо автоматически по запросу компьютера двигателя для того, чтобы обеспечить дополнительную мощность в течение короткого времени при внештатном режиме работы с одним неработающим двигателем (OEI), например, в случае скорости свободной турбины, падающей ниже определенного порога, или при обнаружении потери мощности от другого двигателя.
Ссылаясь на фиг.5, в нем можно увидеть этап недорогого крейсерского полета с одним двигателем.
Когда присутствуют условия, допускающие этот режим, которые подразумевают, среди прочего, что имеется достаточная энергия, накопленная в элементах S1 и/или S2, авиационное электронное оборудование посылает команду перехода в режим ожидания к компьютеру газовой турбины (например, GT2 на фиг.).
В первом варианте, как показано на фиг. 5, называемом вариантом "сверхмалый газ", компьютер GT2 уменьшает расход топлива и регулирует скорость газогенератора до низкой величины уставки, позволяя силовой турбине быть десинхронизированной от MGB (так что мощность, подводимая к вертолету равна нулю), и позволяя расходу топлива быть на низком уровне. Одновременно электрическая машина G/S2 и связанный с ней преобразователь SPC2 блокируются таким образом, чтобы избежать отбора мощности из газогенератора GT2.
Электрическая машина G/S1 и ее преобразователь SPC1 переходят в режим "генератор" (если они уже не были там); две шины постоянного тока затем электрически соединяются друг с другом путем перенастройки элемента-разъединителя 120. Энергия, взятая из газогенератора GT1, используется для поддержания заряда в накопительных элементах S1 и S2: эта функция зарядки-поддержания может выполняться непрерывно или прерывисто и последовательно на каждом из двух элементов.
Во втором варианте, как показывается на фиг. 6, компьютер двигателя GT2 отсекает подачу топлива и регулирует скорость газогенератора на величину уставки. Так как камера сгорания GT2 гасится, расход топлива равен нулю, а свободная турбина становится десинхронизированной от MGB. Одновременно с этим электрическая машина G/S2 и связанный с ней преобразователь SPC2 переходят в режим двигателя со скоростью уставки, определенной регулятором и соответствующей идеальному окну зажигания для камеры сгорания. Газовый генератор переходит в режим авторотации, и через несколько секунд, его скорость стабилизируется на этой величине уставки, камера сгорания гасится. Электрическая машина G/S1 и ее преобразователь SPC1 переходят в режим генератора, если они уже были не там.
Две шины постоянного тока электрически соединяются друг с другом путем перенастройки элемента-разъединителя 120. Энергия, взятая из газогенератора двигателя GT1, используется для поддержания заряда в накопительных элементах S1 и S2, и для снабжения мощностью электрической машины G/S2 с помощью преобразователя мощности SPC2. Этот аспект предоставляет пролонгированную помощь для газогенератора двигателя GT2, и упоминается как режим "вращения".
В варианте, показанном на фиг. 7, компьютер поддерживает подачу топлива к двигателю GT2, и это обеспечивается пролонгированной помощью во вращении его газогенератора, по тому же принципу, что и описанный со ссылкой на фиг. 6. Для этой цели, компьютер регулирует скорость газогенератора до величины уставки с тем, чтобы оптимизировать работу турбины и таким образом свести к минимуму потребление топлива. В таком режиме работы, упоминаемом как "сверхмалый газ с помощью", SPC2 и G/S2 работают в режиме двигателя.
В течении этих этапов работы, электрический узел 100 остается независимым от бортовой сети.
Из режима недорогого круизного полета с одним двигателем можно выйти двумя различными способами. Во-первых, со ссылкой на фиг. 8, когда повторный запуск GT2 не является аварийным, он запускается по запросу авиационного электронного оборудования, используя обычную процедуру: сначала, две шины постоянного тока электрически разъединяются друг от друга путем перенастройки электрического элемента-разъединителя 120.
Если двигатель GT2 первоначально был в режиме ожидания с его зажженной камерой сгорания (режим "сверхмалый газ" или "сверхмалый газ с помощью"), электрическая машина G/S2, регулируются таким образом, чтобы доставить вращающий момент, чтобы обеспечить импульс помощи, используя энергию, накопленную в накопительном элементе S2 для ускорения газогенератора. Одновременно компьютер двигателя GT2 увеличивает расход топлива с точки зрения применения заранее определенного соотношения. Если двигатель GT2 был первоначально в режиме ожидания с погашенной камерой сгорания (режим "вращения"), то компьютер инициирует последовательность запуска, аналогичную описанной выше, за исключением того, что газогенератор двигателя GT2 уже приведен во вращение в идеальном окне зажигания. Когда зажигание камеры сгорания обнаруживается, крутящий момент, переданный электрической машиной G/S2, увеличивается и компьютер двигателя GT2 увеличивает расход топлива с точки зрения применения заранее определенного соотношения. В любом случае, когда скорость NG превышает устойчивый порог, электрическая помощь отключается, и двигатель GT2 разгоняется своими собственными средствами до полетной скорости.
Следует отметить, что аналогичная последовательность может использоваться для запуска двигателя, в то время как вертолет находится на земле, перед взлетом, за исключением того, что газогенератор каждого двигателя изначально полностью остановлен. Двигатели обычно запускаются последовательно, один за другим. Как только оба двигателя запускаются, и перед взлетом, накопительные элементы S1 и S2 перезаряжаются с помощью процедуры, описанной выше (см. фиг. 3).
Ссылаясь на фиг. 9, при определенных условиях недорогого полета с одним двигателем, экипаж может запросить мощность от двигателя GT2 быстро: это может произойти, например, в случае если мощность от двигателя GT1 теряется, или в случае непредвиденной потребности в мощности, требующей мощности от обоих двигателей и тем самым обосновывая быстрый выход из режима работы с одним двигателем (избегание препятствий и т.д.). При таких обстоятельствах, повторный запуск осуществляется с использованием аварийной процедуры с целью заставить двигатель GT2 достигнуть своей полетной скорости или даже своего режима работы с одним неработающим двигателем за короткий период времени.
Первоначально две шины постоянного тока электрически разъединяются за счет перенастройки электрического элемента-разъединителя 120. Если GT2 двигатель первоначально был в режиме ожидания с его зажженной камерой сгорания (режим "сверхмалый газ" или "сверхмалый газ с помощью"), тогда электрическая машина G/S2 работает таким образом, чтобы доставить крутящий момент для того, чтобы обеспечить импульс помощи в ускорении газогенератора, эта помощь предоставляется на уровне, который существенно выше, чем для обычной процедуры повторного запуска. Одновременно компьютер двигателя GT2 увеличивает расход топлива с точки зрения применения заранее определенного соотношения, так же оптимизированного для быстрого повторного запуска турбины.
Если двигатель GT2 был первоначально в режиме ожидания с погашенной камерой сгорания (режим "вращения"), компьютер запускает зажигание в камере сгорания, эта операция делается легче из-за того факта, что газовый генератор уже приведен во вращение в идеальном окне зажигания. После этого, как описано выше, компьютер переходит к запросу импульса электрической помощи для ускорения газогенератора и увеличивает расход топлива с точки зрения применения заранее определенного ссотношения, так же оптимизированного для быстрого повторного запуска турбины.
В обоих случаях, импульс электрической помощи газогенератору может быть расширен за пределы порога скорости отсечки стартера, используемого в нормальной процедуре запуска для того, чтобы минимизировать время, затраченное двигателем для разгона до его полетного режима или режима OEI.
Как только вертолет оказывается на земле, перед выключением турбин, может быть целесообразным перезарядить накопительные элементы электрического гибридного устройства так, чтобы они были готовы для последующего запуска. Эта процедура может быть выполнена в течение требуемого перехода к скорости "земной малый газ", используемой для балансировки температур в двигателях, перед их остановкой.
Вариант описывается со ссылкой на фиг. 10.
Независимый электрический узел 101 подобен независимому электрическому узлу 100, как описывается выше, но накопительные элементы S1 и S2 заменяется одним накопительным элементом S. В качестве примера, он имеет такие размеры, чтобы быть в состоянии обеспечить аварийный запуска одного двигателя. Преимуществом является экономия почти вдвое с точки зрения веса и компактности. В режиме перезарядки (операция с двумя двигателями), один из двух преобразователей SPC1 или SPC2 мощности определяется как "мастер" компьютером диспетчера и отвечает за перезарядку накопительного элемента S. Элемент 121 перенастройки позволяет накопительному элементу S быть соединенным с преобразователем SPC2 и позволяет узлу S-SPC2-G/S2 быть электрически отсоединенным от узла SPC1-G/S1, или наоборот, он позволяет накопителному элементу S быть соединенным с преобразователем SPC1, а узлу S-SPC1-G/S1 быть электрически отсоединенным от узла SPC2-G/S2 на этапах зарядки элемента S одним или другим из двигателей или предоставления импульса помощи двигателю.
Элемент 121 перенастройки также способен поддерживать электрическое соединение узлов SPC2 (G/S2) - SPC1 (G/S1), друг с другом для этапов полета с одним двигателем, которые связаны с энергоснабжением одной из электрических машин, работающей в качестве двигателя с помощью другой электрической машины работающей в качестве генератора (режим "вращение" и "сверхмалый газ с помощью").
Другой вариант описывается со ссылкой на фиг. 11.
В этом примере, электрический узел 102 не является независимым от бортовой сети. Электрическое соединение между электрической машиной G/S1 и преобразователем SPC1 происходит через бортовую сеть. Существует только один электрический накопительный элемент S и он предназначается обеспечить импульс помощи двигателю GT2 с помощью преобразователя SPC2 и электрической машины G/S2. Он может заряжаться от преобразователя и электрической машины G/S1 или преобразователем SPC2 и электрической машиной G/S2, в частности, в зависимости от положения элемента 122 перенастройки. Двигатель GT1 не устанавливается в режим ожидания во время недорогого крейсерского полета. В отличие от этого, двигатель GT2 может быть установлен в режим ожидания с его зажженной камерой сгорания (режим "сверхмалый газ с помощью") или с его погашенной камерой сгорания (режим "вращения"), посредством электрической энергии, необходимой для пролонгированной помощи газогенератору, приходящей из двигателя GT1 через G/S1, SPC1, SPC2 и G/S2, или через ALT1, SPC1, SPC2 и G/S2 (см. ALT1 в связи с фиг. 1). В этом втором примере, G/S1, может быть заменен простым, неуправляемым стартером.
Элемент 122 перенастройки позволяет накопительному элементу S быть подключенным к преобразователю SPC2 и позволяет узлу S-SPC2-G/S2 быть электрически отсоединенным от узла SPC1 и бортовой сети, или наоборот, позволяет накопительному элементу S быть подключенным к преобразователю SPC1, а узлу S-SPC1-G/S1 быть электрически отсоединенным от узла SPC2-G/S2 на этапах зарядки элемента S или предоставления импульса помощи двигателю.
Другой вариант описывается со ссылкой на фиг 12. Двигатель GT1 имеет дополнительную плату, включающую подвижные механизмы отбора мощности для двух электрических машин, а именно стартерную электрическую машину D1 и генераторную электрическую машину G1. Машина D1, которая используется для обычного запуска двигателя GT1, обеспечивается мощностью от бортовой сети, в то время как машина G1 соединяется с преобразователем SPC1. Остальная часть электрической цепи аналогична той, что на фиг. 9. Один накопительный элемент S предназначается, чтобы обеспечить импульс помощи двигателю GT2.
Элемент 123 перенастройки позволяет накопительному элементу S быть подключенным к преобразователю SPC2 и позволяет узлу S-SPC2-G/S2 быть электрически отсоединенным от узла SPC1-G1, или, наоборот, он позволяет накопительному элементу S быть подключенным с преобразователю SPC1, а узлу S-SPC1-G/S1 быть электрически отсоединенным от узла SPC2-G/S2-GT2 на этапах зарядки элемента S с помощью одного или другого из двигателей или обеспечения импульса помощи двигателю GT2.
Элемент 123 перенастройки также способен поддерживать соединения узлов SPC2 (G/S2) -SPC1 (G1) один с другим на этапах полета, которые задействуют энергоснабжение электрической машины G/S2 с помощью электрической машины G1.
Узел, образованный с помощью элементов G1, SPC1, 123, S, SPC2 и G/D2 является независимым электрическим узлом, обозначенным 103. Он не зависит от бортовой сети.
Другой вариант описывается со ссылкой на фиг. 13.
Электрический узел 104 содержит преобразователь SPC1, подключенный к бортовой сети.
Он также содержит преобразователь SPC2, подключенный к элементам 130 коммутации для подключения его либо к электрической машине G/S1, соединенной с двигателем GT1, либо к электрической машине G/S2, соединенной с двигателем GT2. Две электрические машины G/S1 и G/S2 не должны быть обе подключены одновременно к преобразователю SPC2.
Элемент 124 перенастройки также служит, чтобы подключать единственный накопительный элемент S к преобразователю SPC1 для того, чтобы заряжаться от бортовой сети или к преобразователю SPC2, чтобы обеспечить импульс помощи для одного из двигателей GT1 и GT2, в зависимости от положения элемента 130 коммутации. Накопительный элемент S также может быть подключен к обоим преобразователям SPC1 и SPC2 одновременно.
Элемент 104 перенастройки позволяет преобразователю SPC1 быть подключенным посредством элемента 130 коммутации к преобразователю SPC2 с тем чтобы обеспечить пролонгированную помощь газогенератору двигателя, соединенного с преобразователем SPC2 (в частности, в режиме ожидания с погашенной камерой сгорания, в то время как газогенератор поддерживается в предпочтительном окне зажигания, то есть в режиме "сверхмалый газ", а также в режиме ожидания с зажженной камерой, то есть в режиме "сверхмалый газ с помощью").
Следует напомнить, что бортовая сеть снабжается мощностью от одного или нескольких генераторов переменного тока, которые приводятся в движение непосредственно или опосредованно, по меньшей мере, одним из двигателей GT1 или GT2 и так, что когда один или другой из них гасится, то необходим другой, который обеспечивает подачу мощности продолжительным образом в бортовую сеть.
Изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления, но распространяется на все варианты в пределах объема формулы изобретения.
1. Устройство помощи (100; 101; 102; 103; 104) во вращении газогенератора одного из двигателей воздушного судна, имеющего по меньшей мере два двигателя (GT1, GT2) со свободными турбинами, при этом устройство содержит машину (D1) электрического стартера и машину (G2) электрического генератора, причем машина (D1) электрического стартера обеспечивает помощь во вращении газогенератору первого двигателя (GT1), использует энергию, вырабатываемую машиной (G2) электрического генератора, приводимой в движение вторым двигателем (GT2), дополнительно содержит по меньшей мере один элемент (S1; S) накопления электроэнергии, электрически соединенный с указанной машиной (D1) электрического стартера для обеспечения импульса помощи во вращении указанному газогенератору, первого двигателя, первый преобразователь мощности (SPC1) и второй преобразователь мощности (SPC2), при этом машина (D1) электрического стартера обеспечивается мощностью от первого преобразователя (SPC1) мощности, который позволяет ей обмениваться энергией с накопительным элементом (S1, S) для обеспечения импульса помощи во вращении газогенератора первого двигателя, и который передает к ней же энергию, поставляемую вторым преобразователем (SPC2) мощности для помощи во вращении газогенератора первого двигателя, отличается тем, что оно дополнительно содержит компьютер для отключения подачи топлива в газогенератор в течение определенного периода в ходе помощи во вращении газогенератора первого двигателя и для удержания указанного газогенератора на пониженной скорости для облегчения повторного зажигания упомянутого газогенератора.
2. Устройство помощи по п. 1, в котором элемент-разъединитель позволяет двум преобразователям (SPC1, SPC2) быть электрически отсоединенными друг от друга, при этом накопительный элемент (S1, S) остается соединенным с первым преобразователем (SPC1).
3. Устройство помощи по п. 1, в котором первая электрическая машина (G1/S1) является также генератором.
4. Устройство помощи по п. 1, в котором вторая электрическая машина (G2) приводится в движение газогенератором второго двигателя (GT2).
5. Устройство помощи по п. 1, в котором элемент (120; 121; 122; 123; 124) коммутации позволяет второму преобразователю (SPC2) быть подключенным к электрическому накопительному элементу (S1, S).
6. Устройство помощи по п. 1, в котором второй преобразователь (SPC2) обеспечивается мощностью от машины (G2) электрического генератора, приводимой в движение газогенератором второго двигателя (GT2) воздушного судна.
7. Устройство помощи по п. 1, в котором элемент (S1, S) накопления электроэнергии может быть использован, в случае необходимости, для содействия в управляемом ускорении или замедлении упомянутого газогенератора в условиях полета с двумя двигателями.
8. Устройство помощи по п. 1, включающее в себя по одному накопительному элементу (S1, S2) на каждый двигатель (GT1, GT2) для того, чтобы принять участие в импульсе ускорений газогенераторов любого из двигателей (GT1, GT2).
9. Устройство помощи по п. 1, в котором компьютер поддерживает расход топлива в газогенераторе в течение определенного периода в ходе помощи и он уменьшает скорость газогенератора так, чтобы минимизировать потребление топлива.
10. Устройство помощи по п. 1, в котором элемент (S1, S) накопления электроэнергии содержит суперконденсатор, гибридный конденсатор, литий-ионную батарею или маховик, имеющий встроенный DC/AC-преобразователь.
11. Устройство помощи по п. 1, в котором элемент (S1, S) накопления электроэнергии перезаряжается, получая энергию от газогенератора первого или второго двигателя (GT1, GT2) в течение периодов, в которых указанный газогенератор снабжается топливом.
12. Воздушное судно, имеющее по меньшей мере два двигателя со свободными турбинами и включающее в себя устройство помощи во вращении газогенератора одного из двигателей по п. 1.
