CN101068080B - 为飞机发动机或其周围的电气设备提供动力和控制的系统 - Google Patents

Abstract

一种向飞机发动机或其周围装置中的电气设备提供动力并对其实施控制的系统，包括至少一个直流电压电源总线(40，40′)，一个与电气设备组(60)相关联的电源模块单元(50)，该电源模块单元中的模块(52)的数量要比启动该组电气设备(62)所需要的最低数多，从而提供至少一个应急模块(52s)，每个模块包括一个电压转换器(53)，在模块的输出端提供经电源总线直流电压转换而来的交流电压，还包括一个选择电路(70)，该选择电路插装在模块单元各模块输出端和设备组各个设备之间。模块(52)和选择器电路(70)可通过将电气设备连接到其中至少一个模块(62)，来启动设备组的每台设备(52)，如果其中一个模块出现故障，应急模块可投入使用。

Description

为飞机发动机或其周围的电气设备提供动力和控制的系统

技术领域

本发明涉及向飞机发动机和/或其周围装置中的电气设备提供动力和对其实施控制。

更确切地说，本发明的应用领域是飞机发动机领域，尤其是燃气涡轮发动机。然而，本发明还适用于直升机发动机。

此处所使用的“飞机发动机或其周围装置中的电气设备”一词不仅包括了发动机实际工作中所使用的电气设备，而且也包括了与发动机吊舱相关的电气设备，例如，除冰或防冰电路；燃气涡轮飞机发动机反推装置的电动机械作动器；或甚至包括与安装发动机的机翼相关的设备，例如：飞机机翼除冰或防冰电路等。

背景技术

图1为燃气涡轮飞机发动机发电和配电的传统布置图。

附件传动机匣(Accessory Gearbox，AGB)上安装了两台发电机1、1′(或者考虑到冗余或优化发电，可以超过两台，依据应用用途而定)，附件传动机匣机械连接到发动机的涡轮轴上。发电机一般都是起动机/发电机(Starter/generators，S/Gs)，包括一台与激励器相联系的同步发电机，提供交流电压，频率根据发动机的转速变化而变化；该装置包括所述激励器，并在启动涡轮机时，控制所述同步发电机以同步电机方式工作。

发电机1、1′提供的交流电压通过线路2、2’输送给飞机上的电力分配网3，又称“机上网”。与线路2、2’相连的机上网的电路4通过一个或多个配电总线提供经调整的交流电压，典型地为115VAC(Vac)或230Vac。电路4还向电压转换器5提供动力，后者通过一个或多个总线输送经调整的直流(Direct current，DC)电压，一般是270Vdc或±270Vdc。电路4和5提供的电压输送到机上的各个不同的电气负载，主要在机身区域。

在发动机内，电子发动机控制单元6(ECU)由发电机7供电，例如安装在附件传动机匣(AGB)上的永磁发电机(Permanent magnet alternator，PMA)。如果发动机的转速太慢，不能使PMA提供所要求的电力时，或者如果PMA发生故障时，ECU还可连接到其中一个总线4、5，例如接到调制交流电压总线4，目的是保证正常供电。ECU通电后就可以使其各个部件开始工作，并激励发动机中需要有限电量的各个部件，例如探测器或传感器、作动器、或伺服阀。

目前，有一种趋势，人们越来越多的使用电力来取代液压动力，驱动飞机发动机内或其周围装置中的各种电气设备。因而，一些飞机装上了电气驱动的反推装置，为此，电源线路8就必须将飞机上的机上网3接到所述的电动反推装置9上。因而，除了静态设备用电需要的线路外，诸如向发动机吊舱和安装发动机的机翼的除冰电路12、13供电所需要的线路10，、11外，还需要增加这样的一条线路。

鉴于这种情况，需要一种系统，这种系统应该简单安全，且能够使发动机和其周围装置中越来越多的电气设备得以启动，但又无需增加飞机机上网和有关电气设备之间的连接。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种系统，该系统可以向飞机发动机和/或其周围装置中的电气设备提供动力并能对其实施控制，这种系统包括：

·至少一台直流电压电源总线；

·至少一个与电源总线并联的电源模块单元，所述电源模块单元与相应电气设备组相关联，该模块单元中的模块数量要多于所述设备组中的电气设备启动所需的最小数，以便提供至少一个应急模块，每个模块包括一个电压转换器，在输出端提供来自模块的并从电源总线直流电压转换而来的交流电压；

·一个选择器电路，插装在所述模块单元各个模块的输出端和设备组各个设备之间；

·一个所述模块和选择器电路的控制装置，可通过将其连接到至少一个模块上来启动设备组的每台设备，并在其它任何一个模块出现故障的情况下能将应急模块投入使用。

在一个实施例中，控制装置包括一个中央控制单元和分别集成在各个模块中的处理器单元，用来根据中央控制单元发送的信息，控制模块向其供电的电气设备输送交流电压。中央控制单元发送的控制信息可以通过总线输送到与之相连的模块的处理器单元。通过中央控制单元改变应急模块处理器单元的应用程序，可以使所述或者每个应急模块都可以配置成适合于任何一台与其连接的电气设备。

在另一个实施例中，控制装置包括与各种模块相连的一个中央控制单元，根据来自中央控制单元的信息，可将交流电压通过模块提供给与其相连的一台电气设备。

按照本系统的一个特性，中央控制单元连接到与设备组各个设备相关联的传感器上，根据从与模块连接设备相关的至少一个传感器和/或从发动机电子控制单元收到的信息，通过模块来控制交流电压的输送。

在第一种实施例中，应急模块的输出端接到选择器电路的选择器单元，该选择器单元的初始状态是不工作的，在这种情况下，应急模块的输出端并没有接到任何设备上，而其它状态是工作的，在其它每一种工作状态下，应急模块的输出端都接到从设备组众多设备中选择的其中一个设备上。选择器单元可以使应急模块接到设备组的任何一台设备上。

在第二种形式的实施例中，应急模块的输出端接到选择器电路的选择器单元上，选择器单元的初始状态是工作的，在这种状态下，应急模块的输出端接到第一台设备上，与另一个模块的输出端并联，而且至少有一个第二工作状态是工作的，在这种状态下，应急模块的输出端接到除第一台设备之外的一台设备上。

还是在另一种形式的实施例中，选择器电路包括至少一个选择器单元，可以使模块的输出端选择性地接到不需要同时启动的众多设备中的其中一台设备上。

附图说明

参照附图，并通过示例阅读下列说明，可以更好的理解本发明，但本发明并不限于如下示例。附图包括：

图1是现有技术的飞机上的发电和配电装置的布置情况示意图；

图2是飞机发动机及其周围装置中的供电和控制设备的电路总示意图；

图3是作为图2所示电路的组成部分的电压电源电路的更详细示意图；

图4是根据本发明所述实施例，作为图2所示电路的组成部分的电气设备启动系统的更详细示意图；图5是图4所示系统实施例中电源模块的示意图；

图6为图4所示系统另一个实施例中电源模块的示意图；

图7至图9是一个电源模块单元与一组电气设备在图4所示系统中的不同配置情况。

具体实施方式

图2是一种电路的总布置图，该电路用来向飞机发动机及其周围装置中的电气设备提供动力并对其实施控制，尤其是燃气涡轮飞机发动机。

按照传统方式，图2所示电路包括一个或两个发电机20、20’，如安装在AGB(附图标记为21)上的S/Gs，与发动机涡轮轴机械连接。S/Gs20和20′提供的交流电压通过线路22和22′输送到飞机上的配电网23，或称机上网。机上网的线路24通过一个或多个配电总线经传输调整的稳压交流电压，一般为115Vac或230Vac，频率随涡轮轴的转速变化而变化。线路24还向电压转换器线路25供电，后者通过一个或多个总线提供稳定的直流电压，通常是270Vdc或±270Vdc。线路24和25产生的电压向飞机机身区域的各个负载供电。

在发动机上(附图标记为26)，发电机GEN 27、27′(例如PMAs)与发电机20、20′不同，安装在AGB 21上，向发动机的电子控制单元(ECU)28供交流电，同时也向安全供电线路30供交流电，构成发动机内配电电网的组成部分。ECU 28和供电线路30还通过线路29连接到交流电路24，这样，如果发动机的转速太慢，不能确保发电机27、27′充分供电时，电子控制单元ECU 28和供电线路30仍能够得到正常供电。

供电线路30供直流电压，该电压并不一定进行了调整，但在其额定范围内包括了机上网的直流电压，例如，270Vdc或±270Vdc。该直流电压通过两个直流配电总线提供，诸如总线HVDC 40、40′，这两个总线向为发动机和/或其周围装置中电气设备提供动力并对其实施控制的系统供电。电源和控制系统包括电源模块，在所示例子中，这些电源模块分为若干个模块单元50、50′、50″，它们通过各个选择器电路70、70′、70″与各设备组60、60′、60″中的电气设备62、62′、62″相关联。

电气设备尤其包括泵用电机，飞机发动机变几何形状部件的执行机构或推力反向装置或电动检查舱盖，以及除冰或防冰电阻电路，所有这些构成了飞机发动机周围装置(发动机吊舱、发动机支持系统和附近机翼)中的电气设备部分。

模块单元50、50′、50″中的电源模块52、52′和52″以及选择器电路70、70′、70″都是由包括中央控制单元80在内的一个控制装置控制。该控制装置通过线路64、64′、64″连接到传感器66、66′、66″上，而这些传感器与设备组60、60′、60″中至少部分电气设备相联系。另外，控制装置也与ECU 28相连接。中央控制单元80各个部件的供电方式同ECU 28内各个部件的供电方式相同。电源模块52、52′、52″包括了逆变器，将交流电压输送到设备组60、60′、60″的各个设备62、62′、62″，该交流电压是从总线40、40′输送的直流电压中获得的，而电源模块52、52′、52″则与这两个总线并联。中央控制单元80控制模块52、52′、52″和选择器电路70、70′、70″根据ECU28和/或与各个设备相联系的传感器收到的信息启动每台电气设备62、62′、62″。“启动”一词在这里就每台设备而言，则专门表示电机被驱动，电气或电动机械作动器开始动作，或确切地讲电阻加热器电路通电。

每个单元的电源模块都彼此相似，这些模块又细分成各个不同的模块单元，而各个电气设备则根据电源要求分成不同的设备组，目的是优化电源模块逆变器的尺寸大小。模块单元数量和电气设备组数量在所给出的示例中都是3个。当然，也可以不是三个，或者如果逆变器能够向所有的电气设备供电的话，甚至也可以等于一个。如下所详细描述的那样，每个电源模块单元包括至少一个应急模块，作为备用。选择器电路70、70′、70″用来将设备组每台电气设备连接到与所述设备组相对应的模块单元中的一个模块上，如果必要的话，也可能连接到应急模块上。

图3非常详细地介绍了安全电源电路30。交流/直流转换器电路31的输入端通过一个开关32连接到与线路29相连的电路30的第一输入端。另外两个交流/直流变换器电路35、35′的输入端则分别连接到电路30的第二和第三输入端，分别接收来自发电机27和27′的交流电压。转换器35、35′的输出端通过开关36、36′分别接到例如HVDC型的直流总线电路37、37′，分别向总线40和40′供电。转换器31的输出端还通过开关33、33′接到直流总线电路37、37′。

由开关32、33、33′、36、36构成的选择器电路是由ECU 28根据发电机27、27′输出端测得的电压电平来实施控制的。当发电机提供足够的电力时，开关36、36′则闭合，而开关32、33和33′则断开。总线40、40′的可选择性分别是从发电机27、27′所提供的电力获得的。当其中一个和/或另一个发电机27、27′不能发出足够的电力时，而与此同时飞机发动机运转缓慢或出现故障，开关36和/或开关36′在ECU 28的控制下断开，而同时开关32和开关33和/或开关33′闭合。那么，总线40、40′上的电力是从发电机27，、27′和线路29之一获得，或者仅从线路29获得。这样，电源电路30就在发电机上提供了一个安全电源节点。总线40、40′就向模块50、50′、50″以及中央控制单元80提供动力，用来启动电气设备62、62′、62″。然而，可以直接从发电机27、27′的输出端向一个或多个电气设备供电，例如发动机吊舱或机翼的除冰电路，该电路连接到线路39，后者又分别通过开关38、38′与发电机27、27′的输出端相连接。ECU 28对开关38、38′进行控制，根据电源需求向线路39供电。

使用两个单独供电的总线40、40′可以缓解一个总线或其电源故障后的压力，并共享所分配的直流电力。

使用两台发电机27、27′的目的是防止一台发电机出现故障，与此同时通过线路29与机上网的连接可以实现电源安全，对所提供的电力实现共享。尽管如此，还是要考虑使用一台发电机来向两个并联的总线40、40′供电。当然，也可以设想只有一个电源总线是由并联的两台发电机或一台发电机供电的，而且如果合适的话，由机上网供电。

此外，安全电源电路接收的机上网的电压可以是直流电压。然后，就不再有必要在电路30处对电压进行交流/直流转换，这样转换器31就可以不要或如果必要可以用直流/直流转换器代替。

图4非常详细地示出了启动电气设备62、62′、62″和经由直流电源总线40、40′向其供电的电路情况。

电气设备尤其可以包括：

·燃气涡轮发动机变几何形状部件的作动器，诸如压气机的可变放气活门(Variable bleed valves，VBVs)、压气机静子级可变静子叶片(Variable Stator Vanes，VSVs)设定构件、飞行阶段特别是起飞期间使用的压气机瞬态放气活门(TransientBleed Valves，TBVs)，或者还有低压涡轮主动间隙控制(Low Pressure Turbine ActiveClearance Control，LPTACC)或者高压涡轮主动间隙控制(High Pressure Turbine ActiveClearance Control，HPTACC)的涡轮转子叶片顶部间隙(叶梢和涡流外壳之间的间隙)调整设备；

·燃油输送管路设备，例如高压燃油泵电机，低压燃油泵电机，以及流量控制阀；

·润滑管路设备，例如输油泵电机，空气/滑油分离器设备(通气装置)，或换气泵(Scavenger Pumps，SCAV)；和

·发动机吊舱内的电气负载，例如以电为动力的推力反向作动器系统(ElectricThrust Reverser Actuating Systems，ETRAS)的电动机械作动器，检查或维护舱盖的电动机械作动器。

一些设备要求的电力比另一些要低。如上所述，这些设备可以根据功率要求又分为若干设备组。在所给的示例中，这些设备分为三个设备组60、60′、60″，对应于三种不同的功率等级：

设备组60：低功率，适用于设备62的各种设备，例如VBV、VSV、TBV、LPTACC、HPTACC变几何形状装置，润滑管路上的输油或回油泵，或发动机吊舱内检查或维护舱盖的作动器......；

设备组60′：中等功率，适用于设备62″的各种设备，例如燃油流量控制阀作动器，空气/滑油分离器装置等......；

设备组60″：高功率，适用于设备62″的各种设备，例如燃油管路上的高压或低压泵电机，推力反向作动器，吊舱除冰或防冰电路......。

传感器66、66′、66″，例如状态传感器、位置传感器(例如冲程终了传感器)、流量传感器、温度传感器等都与至少一些电气设备相关，并通过线路64、64′、64″连接到中央控制单元80。

图4和图5所示的实施例中，模块单元50、50′、50″中的每个模块52、52′、52″，例如模块52(图5)，都包括与总线40、40′相连接的逆变器53，以便向模块的输出端54输送交流电压，逆变器适合输送所需要的功率电平。模块52又包括一个处理器单元55，后者通过总线40、40′供电，并通过总线82与中央控制单元80连接。处理器单元55控制着逆变器53的运行，它接到逆变器的输出端，从而伺服控制逆变器的工作。

处理器单元55控制着逆变器53的工作，根据来自中央控制单元80的控制信息通过选择器电路70，启动与逆变器相连接的设备。控制信息是在从与启动设备相关的一个或多个传感器和/或ECU 28收到的信息的基础上产生的。

中央控制单元80还接收来自处理器单元55关于逆变器53正常工作的信息，以便在发现故障的情况下，能够控制选择器电路70将要启动的设备接到备用模块或应急模块，后者是该模块单元50的组成部分，如下所述。

在另一种方式中，可以通过总线82将从传感器和ECU 28收到的信息进行发送，根据所述信息，对处理器55进行编程，控制逆变器53的工作，从而可以经由选择器电路70启动相关的电气设备。在这种情况下，如果模块62出现故障，中央控制单元80可以下载应用程序到模块单元60中的应急模块，对应急模块进行配置，以适应于应急模块将要连接的电气设备，控制选择器电路70来中断有问题设备和故障模块之间的连接，建立所述设备和应急模块之间的连接。

应该注意到的是，中央控制单元80可以集成到ECU 28中。

图6示出了另外一种实施例，按照这个实施例，模块52、52′、52″，例如模块52，主要包括逆变器53，后者通过专用链路由中央控制单元进行控制，并通过另一个专用链路向中央控制单元提供来自逆变器的输出电压信息。

图7示出了模块单元50、50′、50″的实施例，例如经由选择器电路70与设备组60相关的模块单元50。在所述模块单元50中，包括模块52，模块数量要大于对应设备组60中的设备62的数量，从而可提供至少一个与其它模块相同的应急模块52s。在所给出的示例中，并为了简化图纸，只能看到一组三个设备，而其中模块的数量为四个。根据模块单元50中的模块总数，可以提供的应急模块不止一个。

在正常使用时，设备62经由选择器电路70的开关72接到各个模块52上，该开关当时是闭合的。应急模块52s接到选择器电路70的选择器73上，进而接到其中一个设备62上。中央控制单元80通过专用控制线路对开关72和选择器73实施控制。

如果其中一个模块52发现故障，应急模块52s启动，中央控制单元80动作，首先断开故障模块与相关设备62相连接的开关72，然后经由选择器73将该设备接到应急模块52s上。

图8给出了模块单元50、50′或50″的另一个实施例，例如经由选择器电路70与设备组60相联系的模块单元50。模块单元50包括的模块52数量比对应设备组的设备62的数量要多，正常运行时的其中一个设备62a是通过两个模块52a、52b经由选择器电路70的选择器74a、74b来并联供电。另外一些设备则通过开关72接到其它相关的模块上。中央控制单元80通过专用线路对开关72和选择器74a、74b进行控制。如果需要，选择器74a、74b可以使模块52a或模块52b接到设备62a以外的一台设备上，这样，就可以将每个模块52a、52b作为应急模块使用。

如果在模块52而不是模块52a、52b中发现故障，中央控制单元80就可以使选择器74a或74b将模块52a或52b接到与故障模块相关的设备上，并使连接故障模块到相关设备的开关72断开。如果模块52a、52b的其中一个模块发现故障时，中央控制单元80可以使相关的选择器74a或74b将故障模块输出端隔离。

这样，在应急模式下，模块52a、52b中，只有其中一个模块向设备62a供电。这样，在设备62a以降功率供电时，采用降低使用方式工作时，这个实施例是可以考虑的。

图9还示出了模块单元50、50′或50″的另一个实施例，例如经由选择器电路70与设备组60相关的模块单元50。当两台设备62a、62b从不会同时启动，且通过选择器75接到一个电源模块上时，这个实施例是适用的。例如，这个实施例可以应用于检查和维护舱盖的推力反向作动器。

在图9给出的实施例中，模块52的数量可以等于或甚至小于设备62的数量，与此同时仍能保持有一个应急模块52s。这样，除了应急模块以外，其中一个模块52通常可以经由开关72接到选择器75，而应急模块以外的其它模块52则可以通过相应的开关72接到其它设备62上。应急模块52s接到选择器76上，可以使其接到选择器75或设备62a、62b之外的其它设备62上。中央控制单元80通过专用控制线路对开关72和选择器75、76实施控制。

如果其中一个模块62发现故障，中央控制单元80可以使应急模块62a得到启动，使与故障模块相关的开关72断开，并使选择器76将应急模块接到选择器75或与故障模块相关的设备72上。

这样，通过对该单元相似电源模块构成的资源进行共享，从而实现了对设备组的安全启动，与此同时，限制了所需模块的数量，因为任何一组设备的安全启动不需要两个电源模块接到每台设备上来作为备用。

在如上所述的实施例中，使用时，电源模块是与各个设备相关联的，而且只有应急模块或每个应急模块与不同的设备相关联。可以考虑更高程度的模块化，不需要对某些模块进行个性化处理，在诸多设备中，每个电源模块都适合与其中一个设备相关联。然后，中央控制单元通过操纵选择器电路和将专用功能分配给电源模块，来控制电气设备的模块分配，例如，如上所述，可以下载一个应用程序，并将其装载到所述电源模块的处理器单元。

尽管上面介绍了与发动机相关联的电源电路30经由总线40、40′输送直流电源的实施例，但也可以考虑直接从机上网的稳压电压向这些总线供电。

Claims (7)

1.一种向飞机发动机或其周围装置中的电气设备供电并对其实施控制的系统，该系统包括：

至少一个直流电压电源总线(40，40′)；

至少一个与电源总线并联的电源模块单元(50或50′或50″)，所述电源模块单元与各自电气设备组(60或60′或60″)相关联，所述电源模块单元中的模块(52或52′或52″)的数量比启动该电气设备组中的电气设备(62或62′或62″)所需要的最少数量要多，以便提供至少一个应急模块(52s，52a或52b)，每个模块包括一个电压转换器(53)，在模块的输出端提供经电源总线直流电压转换而来的交流电压；

至少一个选择器电路(70或70′或70″)，插装在模块单元的各个模块输出端和设备组的各个设备之间；

一个模块和选择器电路的控制装置，通过将设备组的每台设备接到至少其中一个模块上，来启动设备组的所述设备，并能在其中任何一个模块出现故障情况下将应急模块投入使用，其中，所述控制装置包括中央控制单元(80)和分别集成在许多模块中的处理器单元(55)，根据中央控制单元发出的信息，通过模块控制交流电压输送到该模块供电的电气设备上；以及

通过中央控制单元(80)改变应急模块处理器单元的应用程序，可以配置所述应急模块(52s；52a或52b)，使所述应急模块适应于与其相连接的任何设备。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：中央控制单元(80)发送的控制信息经由总线(82)输送到与之相连接的模块的处理器单元(55)。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：中央控制单元(80)连接到与设备组各个设备(62，62′，62″)相关联的传感器(66，66′，66″)上，根据从模块相连设备的至少一个传感器中收到的信息和/或根据发动机电子控制单元收到的信息，通过所述模块来控制交流电压的输送。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：应急模块(52s)的输出端接到选择器电路(70)的选择器单元(73)，该选择器单元的初始状态是不工作状态，即在这种状态下，应急模块的输出端没有与任何设备连接，而其它状态是工作的，在这种状态下，应急模块的输出端接到从设备组若干设备(62)中选择的其中一个设备上。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：选择器单元(73)可以使应急模块(52s)接到设备组任何一台设备(62)上。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：应急模块(52a或52b)的输出端接到选择器电路(70)的一个选择器单元(74a或74b)上，所述选择器单元的初始状态是工作的，即在这种状态下，应急模块的输出端接到与另一个模块的输出端并联的第一台设备(62a)，而且具有至少一个第二状态，在这种状态下，应急模块的输出端接到除第一台设备之外的一台设备上。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：选择器电路(70)包括至少一个选择器单元(75)，其可使模块输出端选择性地接到无需同时启动的众多电气设备(62a，62b)中的其中一台设备上。

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