CN101176383A - 用于斜旋翼飞行器的冰处理系统 - Google Patents

Abstract

一种冰处理系统构造用于具有至少一个旋翼(11)的飞行器的，每个旋翼具有多个叶片。该系统包括：用于供给AC电力的交流(AC)电源(13)，该AC电源适于由飞行器承载，远离该旋翼(11)。转换器将AC电力转换为直流(DC)电力。至少一个冰保护装置由旋翼承载并且使用DC电力进行操作。

Description

用于斜旋翼飞行器的冰处理系统

技术领域

本发明总体涉及冰处理系统领域，尤其涉及用于旋翼飞行器的冰处理系统。

背景技术

虽然冰处理系统已经在各种固定翼飞行器上使用了多年，但是，用于诸如直升飞机和斜旋翼飞机的旋翼飞行器的冰处理系统还没有被公开过。一般地，由于重量、复杂度和/或成本的原因，直升飞机没有装配冰保护装置，诸如除冰和/或防冰部件。另外，一些类型的冰处理部件，诸如可充气套管，不适于使用在直升飞机上。大多数的直升飞机在有冰的情况下只能不进行飞行。

对于现有或者已经提出的系统，有效性、尺寸和重量是主要的考虑因素。冰处理系统必须有效地防止冰块堆积在主旋翼上从而允许在飞机飞行时产生足够的升力并且防止冰块堆积在尾部旋翼上从而允许对飞行器进行正确的方向控制。一些考虑因素包括是否防止冰的形成，诸如采用防冰系统，或者使已经形成的冰脱落，诸如采用除冰系统。但是，向冰处理系统供给电力以及控制电力的输送必须考虑各部件的尺寸和重量。每个额外的部件会占用可用于飞行所需的其他装置的空间，造成机舱尺寸减小或者飞行器尺寸增加。冰处理系统的重量也可保持在最小值，从而增大飞行器的有效载荷能力。

由于考虑重量和复杂度，所以已经公开的用于旋翼飞行器的冰处理系统一般使用三相交流(AC)电源。在具有三个叶片的旋翼上，三相电力的分配得以简化，因为一个相位可采用“Y”载荷配置供给至每个叶片，或者两个相位可采用三角载荷配置进行供给，所以三相发电机上的载荷由于载荷对称而得以平衡。

但是，使用这种类型电源的系统不适用在叶片数量不是3的倍数的旋翼中。例如，当向具有5个旋翼叶片的直升飞机供给三相电力时，采用“Y”载荷配置的每个旋翼叶片的一个相位会导入载荷不平衡，因为5不是3的整数倍，当在三角载荷配置的情况下供给两相时，也存在相同的问题。这导致AC发电机的载荷不平衡，在现代发电系统中，这种情况是不理想的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于旋翼飞行器的冰处理系统，该系统适用于具有任何数量叶片的旋翼。

上述目的通过设置用于旋翼飞行器的冰处理系统而实现，该系统适用于具有任何数量叶片的旋翼。

一种用于旋翼飞行器的冰处理系统具有基于计算机的处理器，用于控制位于飞行器的至少一个旋翼的叶片上的加热元件的操作。由处理器控制的电力分配器包括非附加电流变压器，用于监视固态AC继电器的三相交流电(AC)的量；AC至直流(DC)桥式整流器，用于将三相AC电力转换为单一电压DC电力；以及DC切换元件，用于选择对哪个加热元件提供能量。AC继电器优选地采用切换时产生低程度电磁干扰(EMI)的类型，诸如通过过零切换。DC电力通过集电环供给至旋翼。AC电力由两个发电机供给，允许在发电机出现故障时切换供给至交流发电机的电力。AC继电器和DC开关提供使电流停止流向加热元件的冗余能力。

本发明提供的冰处理系统具有许多优点，包括：(1)复杂度降低；(2)平衡的三相AC载荷；(3)能够使用低成本部件；(4)低程度的EMI；(5)紧凑的尺寸；(6)轻重量；和(7)增加的可靠性。

其他目的、特征和优势将在随后的书面说明书中清楚地示出。

附图说明

为了更加完整地理解本发明，包括其特征和优势，现在结合附图说明本发明的详细内容，在附图中，类似的附图标记表示类似的部件，其中：

图1是具有根据本发明的冰处理系统的旋翼飞行器的透视图；

图2是根据本发明的冰处理系统的部件的示意图；

图3是用于根据本发明的系统的尾部旋翼防冰配电器的透视图；

图4是用于根据本发明的系统的上部除冰配电器的透视图；

图5是用于根据本发明的系统的下部除冰配电器的透视图；

图6是图3的尾部旋翼防冰配电器和关联防冰装置的示意图；

图7是图4的下部除冰配电器、图5的上部除冰配电器和关联除冰装置的示意图；

图8是根据本发明的系统的交流配电系统的示意图，该系统采用额定配置示出；

图9是图8的交流配电系统的示意图，该系统采用第一可选故障配置示出；以及

图10是图8的交流配电系统的示意图，该系统采用第一可选故障配置示出。

具体实施方式

本发明公开一种用于旋翼飞行器的冰处理系统，具有三相交流电(AC)发电系统。该系统尤其用在具有至少一个旋翼并且叶片数不是3的倍数的飞行器上，包括直升飞机的主旋翼和尾部旋翼以及旋翼飞行器的推进旋翼。

该系统结合有冰保护装置，诸如防冰和/或除冰部件，由旋翼的叶片承载，并且这些装置可包括电热加热元件、分隔带和/或位于叶片的选定区域中的其他适当装置。三相AC发电机是用于将电力供给在飞行器上使用的理想装置，因为与直流(DC)发电机系统相比，该发电机具有减小的尺寸和复杂度。本发明的系统通过将AC电力转换为DC电力并且采用集电环或者类似连接将DC电力传导至旋翼来克服在旋翼具有非三的倍数的叶片的情况下使用三相AC电力的内在问题。

图1示出旋翼飞行器，直升飞机11，装配有根据本发明的冰处理系统。虽然在图中示出直升飞机，但是应该理解本发明的系统可使用在任何类型的旋翼飞行器上，诸如斜旋翼飞行器。直升飞机11具有机身13、具有五个转子叶片17的主旋翼15以及具有四个叶片21的尾部旋翼19。驾驶舱23位于机身13的前部区域，驾驶舱23具有分别用于飞行员和副飞行员的风挡25A、25B。

图2示出冰处理系统27的部件和各部件之间连接的方向。系统27包括由飞行器驾驶员通过位于驾驶舱23中的控制板(未示出)控制的两个基于计算机的处理器29、31。每个处理器29、31彼此独立，每个处理器能够控制旋翼13、17上的装置和一个风挡25A、25B。在优选配置中，处理器29、31彼此通信从而比较读数并且用于控制系统27的一些或者所有部件，在处理器29、31其中之一出现故障的情况下允许对部件的冗余控制。每个处理器29、31通过检测器控制器35操作连接至冰检测器33，它们协作从而向处理器29、31提供对结冰状态的检测结果和飞行过程中周围空气的液态水含量的计算结果。

处理器29操作连接至尾部旋翼防冰配电器(TAD)37，用于控制电力分配至尾部旋翼19的叶片21中的电热防冰装置(未示出)。防冰装置保持能够抑制冰的形成的温度，优选地应用在尾部旋翼19上从而防止冰形成在叶片21上，因为从尾部旋翼19脱落的冰可能穿过主旋翼15平面并且撞击叶片17。TAD 37通过旋翼19上承载的集电环导电连接至防冰装置。处理器29也控制除冰装置(未示出)，该除冰装置提供用于飞行员风挡25A的除冰。

处理器29也通过下部除冰配电器(LDD)41连接至上部除冰配电器(UDD)39，UDD 39和LDD 41用于控制电力分配至主旋翼15的叶片17上的电热除冰装置。UDD 39由主旋翼15承载，图中的虚线示出UDD 39的安装位置。UDD 39在主旋翼15的中心部分处安装定位和定向，使得UDD 39大体与旋翼15共轴。UDD 39和LDD 41通过承载在旋翼15上的集电环彼此导电连接。

对于处理器31来说，优选的配置是控制用于对副驾驶员风挡25B进行除冰的除冰装置(未示出)并且用作处理器29的监视器和备用件。在这一方面，处理器31监视通过旋翼15、19上的冰处理装置的电流并且监视由处理器31指令的“开启”和“关闭”的次数。在优选实施例中，处理器29自监视其性能并且将对系统27进行的控制传递至处理器31，如果处理器29确定各装置的指令操作偏离所需方式，那么将向驾驶舱23中的显示屏发送错误信息。类似地，如果处理器31确定处理器29没有按照预定方式操作，那么处理器31将向驾驶舱显示器发送错误信息。

图3是TAD 37的透视图，上盖已经被卸下从而允许观看TAD 37的内部情况。如下文更加完整地说明，直升飞机11优选地设置有两个三相AC发电机，它们在分离的总线上提供电力。每个电力总线通过输入连接器43导电连接至一组内部部件，每组部件设置成转换并且切换总线其中一个的电力。每组部件包括三个固态继电器45(一个继电器对应每个AC相位)、用于将三相AC电力转换为DC电力的桥式整流器47以及高容量绝缘栅双极晶体管(IGBT)49或者类似开关，用于对整流器47的DC电力输出提供冗余切换。DC电力然后通过输出连接器51从TAD 37输出。在优选实施例中，每个总线仅向采用额定配置的四叶片尾部旋翼的一对相对叶片提供电力，但是更多或更少的叶片可连接至总线。为了最小化电磁干扰(EMI)的排放并且减小系统27的各部件上的应力，继电器45优选地采用结合有过零切换(zero-cross switching)的类型，使得继电器45仅在电力波形跨过零时切换，表示没有电流流动。继电器45和IGBT 49的切换由处理器29、31进行控制。整流器47优选地不具有电压落差，而电压落差将需要重型的变压器，导致整流器47的重量增加。散热片53位于TAD 37的底盘上，用于消散来自于内部部件的热量。

现在参照图4，UDD 39具有五个叶片连接器55，每个连接器55用于操作地将UDD 39连接至旋翼15的一个叶片17。如下文所述，UDD 39包括高容量IGBT(未示出)，每个IGBT构造成同时转换用于所有叶片的相同加热区。因此，UDD 39包含的IGBT数量与单一叶片17上的加热区数量相同。例如，如果在每个叶片17上具有八个加热区，那么将在UDD 39中存在八个IGBT。优选地，加热区被分为一组临界区和一组非临界区，每组名义上连接至总线之一。如下文所述，优选实施例允许在需要时仅选择性地操作临界区，诸如当使用有限量的电力操作加热元件时。IGBT的切换通过处理器29或处理器31控制。

UDD 39，如图所示构造成用于具有五个叶片17的旋翼15，在平面图中具有五角形状，叶片连接器55位于UDD 39的每侧上。但是，UDD 39的形状可能由于旋翼叶片的数量不同而不同。例如，用于四叶片旋翼的UDD可能具有平面图中的方形，叶片连接器位于UDD的每侧上。

图5是LDD 41的透视图，上盖已经移去以允许观看LDD 41的内部。LDD 41，类似于TAD 37，包括两组内部部件，每个电总线通过输入连接器57导电连接至内部部件组其中一个，每组内部部件构造成转换和切换总线其中一个的电力。每组部件包括三个固态继电器59，一个继电器对应于每个相位，以及桥式整流器61(优选地不具有电压落差)，用于将三相AC电力转换为DC电力。DC电力然后通过输出连接器63从LDD 41输出，这些连接器通过旋翼15上的集电环导电连接至UDD 39。为了最小化EMI和系统27各部件上的应力，继电器59优选地采用过零切换的类型。继电器59的切换通过处理器29或处理器31控制。散热片65位于LDD 41的底盘上，用于消散来自于内部部件的热量。

图6是TAD 37中的部件以及它们与尾部旋翼19的叶片21中的防冰装置的连接的示意图。图6示出AC总线1和AC总线2，每个总线包括分别对应于三个相位A、B和C的每个的导线67、69和71。每个总线导电连接至直升飞机11的AC发电系统(未示出)，每个总线名义上连接至一对AC发电机其中之一。如上所述，每个总线通过固态继电器45在TAD 37中分离地连接至桥式整流器49。每个继电器45能够通过导线67、69和71其中之一切换电流。从每个整流器47中流出和返回的DC电力输出在尾部旋翼19中分别通过导线73、75输送，导线73、75通过集电环77连接至导线79、81。导线79、81导电耦合至加热元件83、85，每个加热元件位于旋翼19的一个叶片21中。对继电器45进行切换可控制流入加热元件83、85的电力流动，通过使用TAD 37中的每个导线75上的IGBT 49提供冗余切换。电流变压器87对流过每个导线67、69和71的电流量进行测量，一组变压器87相应于连接至一个处理器29、31的总线，另一组相应于连接至另一处理器29、31的总线。这一配置提供对流过每个总线的导线67、69、71的电流的非附加(non-parasitic)、独立的测量并且允许两个处理器29、31确定电流是否处于规定限度内。因为IGBT 49位于TAD 37中，所以集电环77只需要相应于每个总线的两个高电力连接，每个高电力连接用于连接每对关联导线，即导线73至导线79以及导线75至导线81。

在操作中，三相AC电力通过AC总线1和AC总线2供给，每个导线67、69、71承载一个相位。当需要加热元件83、85进行操作时，控制处理器29、31首先指令IGBT 49切换至“开启”，以允许电流通过IGBT 49。这优选地通过向每个IGBT 49的光隔离器(未示出)发送指令信号，每个隔离器致使关联IGBT 49进行切换。控制处理器29、31然后指令继电器45切换至“开启”，以允许电流流过继电器45。通过采用这种顺序控制这一切换，可获得低的EMI和排放，因为固态继电器仅在三相AC正弦波过零时切换开启和切换关闭。过零切换也最小化集电环77上的以及AC发电机上的应力。

当继电器45和IGBT 49切换“开启”时，AC电流被允许流过每个整流器47。DC输出电力从整流器47流入导线73，通过集电环77，并且通过导线79流入加热元件83、85。DC电力通过导线81、IGBT 49、集电环77和导线75返回至整流器47。在操作期间，处理器29、31监视电流变压器87的输出从而检测流过导线67、69、71的电流的期待值的任何偏差，如果出现偏差，则系统可能出现故障。控制处理器29、31通过首先指令继电器45切换“关闭”而使电流停止流至加热元件83、85，然后指令关联总线的IGBT49切换“关闭”。可选择地，承载在旋翼19的叶片21上的可选温度传感器(未示出)的输出可由控制处理器29、31使用，从而切换用于保持旋翼19的被加热部分的所需温度的装置。

图7是LDD 41和UDD 39中的部件和它们与主旋翼15的叶片17中的防冰装置的连接的示意图。图7示出AC总线1和AC总线2，每个总线包括分别相应于三个相位A、B和C的导线89、91、93。每个总线导电连接至直升飞机11的AC发电系统(未示出)，每个总线名义上连接至AC发电机对中的一个。如上所述，每个总线在LDD 41中分离地连接从而通过固态继电器59连接至桥式整流器61。每个继电器59能够通过导线89、91、93其中之一切换电流。来自于每个整流器61和返回至每个整流器61的DC电力输出通过导线95、97传送，导线95、97通过集电环99分别连接至主旋翼15中的导线101、103。导线101、103导电耦合至加热元件105、107、109、111、113，每个加热元位于旋翼19的一个叶片17中。每组加热元件105、107、109、111、113包括加热区，每个总线连接至多个独立切换的区域。在优选配置中，AC总线导电连接至非临界加热区，AC总线2连接至临界加热区。在总线其间的这一区域划分提供了当AC电力的供给低于所需值时操作临界区的选择。

继电器59的切换控制流向加热元件105、107、109、111、113的电力，通过使用UDD 39中的每个导线103上的IGBT 115设置冗余切换。电流变压器117提供对流过每个导线89、91、93的电流量的测量，相应于总线的一组变压器117连接至一个处理器29、31，相应于总线的另一组变压器连接至其他处理器29、31。这配置允许对流过每个总线的导线89、91、93的电流进行非附加的独立的测量，并且允许两个处理器29、31确定电流是否处于规定界限内。导线119、121分别导电连接至导线101、103，并且将DC电力传导至连接至对应总线的额外加热区。每个额外区具有IGBT 115，用于对关联加热区提供切换控制。

在操作中，三相AC电力通过AC总线1和AC总线2供给，每个导线89、91、93传送一个相位。当需要相应于特定区域操作加热元件105、107、109、111、113时，控制处理器29、31首先指令相应于该区域的IGBT 115切换“开启”，以允许电流流过IGBT 115。如同在TAD 37中所述，这优选地通过将指令信号发送至每个IGBT 115的光隔离器(未示出)来完成，每个隔离器位于LDD 41中并且使关联IGBT 115进行切换。控制处理器29、31然后指令继电器59切换“开启”，以允许电流流过继电器59。这一切换顺序得到低的EMI和排放并且最小化集电环99上和AC发电机上的应力。

集电环99需要两个高电力连接/总线，一个高电力连接用于连接每对关联导线，即导线95至导线101以及导线97至导线103。因为IGBT 115位于通过集电环99而与LDD 41分离的UDD 39中，所以每个隔离器的切换关联IGBT 115的信号必须通过集电环99传导。但是，在旋翼15中使用共同地线意味着每个区只需要一个集电环连接(未示出)以将控制处理器29、31的指令传送至每个IGBT 115的隔离器。

当继电器59和选定IGBT 115切换“开启”时，允许AC电流流过每个整流器61。DC输出电力流入导线95，通过集电环99并且通过导线101流入加热元件105、107、109、111、113。DC电力通过导线103、IGBT 15、集电环99和导线97返回至整流器61。在操作期间，处理器29、31监视电流变压器117的输出从而检测流过导线89、91、93的电流的期待值的任何偏差，如果出现偏差，则系统可能出现故障。控制处理器29、31通过首先指令继电器59切换“关闭”而使电流停止流至加热元件105、107、109、111、113，然后指令关联总线上的相应于该区的IGBT 115切换“关闭”。

现在参照图8至10，对AC电力分配系统进行切换示出为额定配置和两个故障配置。图8示出AC系统的额定配置，其中的高输出发电机123通过导线125和开关127连接至导线129。在所示实施例中，AC总线1导电连接至尾部旋翼19的两个叶片21上以及飞行员风挡25A上的冰保护装置。另外，AC总线1通过卸载开关131导电连接至旋翼15的非临界加热区上的冰保护装置，副飞行员风挡25B，和包括一个冰检测器33和一个控制器35的一个冰检测器组。当开关127处于所示位置时，电力可仅从发电机123通过导线125流至AC总线1。

低输出发电机133通过导线135和开关137连接至导线139。在所示实施例中，AC总线2导电连接至尾部旋翼19的其他两个叶片21上和旋翼15的临界加热区域上的冰保护装置。另外，AC总线2导电连接至冰检测器33和控制器35的其他组冰检测器组。采用所示位置处的开关137，电力可仅从发电机133通过导线135流至AC总线2。

图9示出低输出发电机133已经出现故障的故障配置，需要电力从高输出发电机123供给至AC总线2。当发电机133出现故障时，开关137接受指令移动切断与导线135的连接并且切换至与导线141连接，该导线导电连接至发电机123。该配置允许发电机123的电力流至两个总线，将电力提供给连接至AC总线1的冰保护装置。这尤其是重要的，因为临界旋翼区直接连接至AC总线2，并且它们不接收电力直到开关137移动至与导线141连接。为了减小发电机123上的电载荷，选定的非临界冰保护装置可关闭或循环。在所示实施例中，开关131保持“开启”，但是副飞行员风挡25B上的装置被关闭。

图10示出高输出发电机123已经出现故障的故障配置，需要电力从低输出发电机133供给至AC总线1。当发电机123出现故障时，开关127接受指令移动切断与导线125的连接并且切换至与导线143连接，该导线导电连接至发电机133。该配置允许发电机133的电力流至两个总线，将电力提供给连接至AC总线1的冰保护装置。这尤其是重要的，因为用于飞行员风挡25A的装置直接连接至AC总线1，并且它们不接收电力直到开关127移动至与导线143连接。为了减小发电机133上的电载荷，卸载开关131“关闭”，断开非临界装置与AC电力系统的连接。另外，可关闭或者循环选定的冰保护装置。在所示实施例中，尾部旋翼装置被选择性地提供动力从而减小发电机133上的载荷。

根据本发明的系统具有明显的优势。该系统非常紧凑、成本低并且重量很轻。不需要笨重的变压器，不需要改进标准的三相AC发电机。不需要DC发电机并且最小化用于该应用的所需线材规格。另外，其他优势包括减小的复杂度、平衡的三相载荷、在低EMI水平下进行部件的切换，并且增加可靠性。

虽然本发明已经参照所示实施例进行说明，但是该说明并不意在局限本发明。在参照说明书的情况下本领域技术人员可得到本发明的各种改进和其他实施例。

Claims (21)

1.一种用于具有至少一个旋翼的飞行器的冰处理系统，每个旋翼

具有多个叶片，该系统包括：

用于供给AC电力的交流(AC)电源，该AC电源适于由飞行器承载，并且远离该旋翼；

用于将AC电力转换为直流(DC)电力的转换器；以及

由旋翼承载并且使用DC电力进行操作的至少一个冰保护装置。

2.根据权利要求1所述的冰处理系统，还包括：

用于控制AC电力流向转换器的AC开关。

3.根据权利要求2所述的冰处理系统，其中，AC开关是固态继电器。

4.根据权利要求1所述的冰处理系统，还包括：

用于控制DC电力流向至少一个冰保护装置的DC开关。

5.根据权利要求4所述的冰处理系统，其中，DC开关是绝缘栅双极晶体管。

6.根据权利要求1所述的冰处理系统，还包括：

用于控制AC电力流向转换器的AC开关，该AC开关远离旋翼定位；以及

用于控制DC电力流向至少一个冰保护装置的DC开关，该DC开关位于旋翼上。

7.根据权利要求1所述的冰处理系统，还包括：

用于将DC电力从转换器传导入旋翼的集电环连接器。

8.根据权利要求1所述的冰处理系统，其中，转换器是桥式整流器。

9.一种飞行器，包括：

至少一个旋翼，每个旋翼具有多个叶片；

用于供给AC电力的交流(AC)电源，该AC电源远离旋翼定位；

用于将AC电力转换为直流(DC)电力的转换器；以及

由旋翼承载并且使用DC电力操作的至少一个冰保护装置。

10.根据权利要求9所述的飞行器，还包括：

用于控制AC电力流向转换器的AC开关。

11.根据权利要求10所述的飞行器，其中，AC开关是固态继电器。

12.根据权利要求9所述的飞行器，还包括：

用于控制DC电力流向至少一个冰保护装置的DC开关。

13.根据权利要求12所述的飞行器，其中，DC开关是绝缘栅双极晶体管。

14.根据权利要求9所述的飞行器，还包括：

用于控制AC电力流向转换器的AC开关，该AC开关远离旋翼定位；以及

用于控制DC电力流向至少一个冰保护装置的DC开关，该DC开关位于旋翼上。

15.根据权利要求9所述的飞行器，还包括：

用于将DC电力从转换器传导入旋翼的集电环连接器。

16.根据权利要求9所述的冰处理系统，其中，转换器是桥式整流器。

17.一种操作飞行器旋翼上的冰保护装置的方法，该方法包括：

将交流(AC)电力供给至转换器；

将AC电力转换为直流(DC)电力；以及

将DC电力供给至位于旋翼上的至少一个冰保护装置。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

使用AC开关控制AC电力流向转换器。

19.根据权利要求17所述的方法，还包括：

使用DC开关控制DC电力流向至少一个冰保护装置。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，供给AC电力的步骤包括从至少两个独立AC源其中一个供给AC电力。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：

选择性地切换至AC电力源中的另一个。

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