CN102310949A - 多来源应急动力的优化 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种应急动力系统，该系统包括多种应急动力装置，这些应急动力装置的每一个的尺寸确定成，在应急操作过程中提供部分动力和/或用于部分应急操作的全部动力。
Description
技术领域
本发明涉及总体上涉及在缺少由主动力源产生的动力（或电力）的情况下向航空器提供动力的应急动力系统。特别是，本发明涉及一种在缺少来自主动力源的动力的情况下用以使用来自多种辅助动力源的动力或电力的系统和方法。
背景技术
航空器包括主动力源或主电力源，例如燃气涡轮发动机，所述主动力源不仅能够产生推动力来推进所述航空器，而且也能够产生电力和液压力来致动和运行各种机载系统。这类机载系统可以包括航行（或导航）装置，环境控制装置、伴随的在航空器上使用的用于控制和引导所述航空器的任何其他系统。应急动力（或电力）可以由许多不同的装置来提供，这些不同的装置包括从环境中产生动力的装置，例如冲压式空气涡轮机组件（或冲压空气涡轮组件）。而且，应急动力也可以由储存的能量来提供，例如通过使用从电池中提取的电能来完成或者利用通过使用动力转换装置将燃料转换成能量来完成。应急动力的每种形式都具有通过影响常规的航空器的性能的成本来进行调节的优点。这些成本例如包括重量、空间和复杂程度。
发明内容
本发明的目的是提出一种应急动力系统，所述应急动力系统包括多种应急动力装置，这些应急动力装置的每一个的尺寸确定成，在应急操作过程中提供部分动力和/或提供用于部分应急操作的全部动力。示例性的应急动力系统包括动力转换装置和能量储存装置。控制器探测诸如空气速度（或空度）和高度等的航空器的运行参数，以选择致动各种应急动力装置中的哪一种（或哪一个）。所述控制器还根据所确定的层级致动这些应急装置，使得在最有效地使用可利用的应急能量的其它装置之前先致动所述应急装置的某些装置。
在此公开的本发明的这些以及其它特点能够从下列的详细描述和附图中得到最为清楚的理解。随着这些详细描述的是附图的简要说明。
附图说明
图1是包括示例性辅助能量转换和储存装置的航空器。
具体实施方式
参见图1，一种示例性航空器10包括主要的燃气涡轮发动机12，所述燃气涡轮发动机在标准的运行过程中产生推动力以及动力。尽管包括固定翼和旋转翼飞机的其他航空器将会从本发明的系统和方法中获得益处，但示例性的航空器10显示为一架飞机。示例性航空器10包括以附图标记18示意性指示的应急动力系统，所述应急动力系统包括控制器（或控制装置）16以及多种应急动力源。控制器16控制安装在航空器10上的能量储存和能量转换装置的致动。
在整个申请文件中，术语“应急动力源”用来描述主要的燃气涡轮发动机12以外的所有的动力装置，而术语“能量储存装置”用来描述在航空器10上以某种形式携带（或载运）能量的装置。此外， 术语“能量转换”被用来描述在其上没有载装能量但依赖于外部环境而产生能量的装置。
在常规的运行过程中，主要的燃气涡轮发动机12通过转化储存在装载于燃料箱14内的燃料中的化学能量来提供所需要的动力，包括电力和液压力。在主要的燃气涡轮发动机12没能产生足够的动力的情况下，控制器16就接合应急能量储存和能量转换装置来提供所希望的能量。
航空器10被要求提供（或设置）与主要的燃气涡轮发动机12无关的动力源。独立的动力源的一个示例是冲压式空气涡轮机（RAT）20，所述冲压式空气涡轮机能产生电力。冲压式空气涡轮机20沿着航空器10的外部（或外侧）被铺展到气流25中，从而旋转涡轮机38。涡轮机38又驱动发电机40，以产生电力。如所理解的，尽管示例性地示出了发电机40，但涡轮机38也可以驱动液压泵，以提供用来控制航空器10的液压力。
当存在着足够的空气速度来转动涡轮机38时冲压式空气涡轮机10会运行良好。尽管冲压式空气涡轮机20能够构形成（或把其形状做成）包括较大的翼型表面和调整机构从而以较低的空度（空气速度（air speed））运行，这类附加的能力会招致重量和复杂性方面的费用。然而，在有限的飞行状态范围（limited flight envelop）内按照所希望的那样实现较小的冲压式空气涡轮机的利用可能更为有利。因此，配备带有有限的能力的较小的冲压式空气涡轮机20的航空器10会在更高的空度下提供动力。然而，一旦航空器10的速度落到驱动冲压式空气涡轮机20并提供所希望的动力量的足够的空速和/或高度之下，示例性应急动力系统18能够致动或接合几个额外和不同的能量转换和能量储存动力源中的一个，这些额外和不同的能量转换和能量储存动力源依据特定的环境和运行条件选择性地受到致动。考虑到环境条件和每个应急动力源的具体特点控制器16单独地运行每个应急动力源或组合地运行这些应急动力源。
示例性应急动力系统18包括动力转换装置，例如冲压式空气涡轮机20，冲压式风扇（ram fan）22，低芯线圈发电机（low spool generator）32，以及动量供给动力的飞轮（momentum powered flywheel）30。
示例性冲压式风扇22利用气流25驱动风扇34，所述风扇又驱动马达/发电机36。在常规运行中，马达/发电机36驱动所述风扇，然而，马达/发电机36可以由风扇34驱动来产生动力。冲压式风扇22因此利用沿着航空器10的气流25来产生动力。类似地，低芯线圈发电机32利用由于航空器10的速度和高度产生的气流25产生动力。一旦主要的燃气涡轮发动机12常规地停止运行，示例性低芯线圈发电机32就运行。一旦主要的燃气涡轮发动机12常规地停下运行，低芯线圈（low spool）48就被耦合到发电机52。低芯线圈48响应经过主要的燃气涡轮发动机12的气流与高芯线圈（high spool）50无关地转动，从而驱动发电机52。
示例性应急动力系统18还包括能量储存装置，所述能量储存装置包含有电池24，燃料电池26，蓄能器60和辅助动力单元（APU）28，它们使用通过燃气涡轮发动机46转换成机械能的燃料，所述燃气涡轮发动机通过齿轮箱44驱动发电机42。尽管辅助动力单元28将燃料转换成用来驱动发电机42的机械能，但它仍然是一种能量储存装置，因为如与从没有装载在航空器10上的来源（或源部分）产生能量的能量转换装置相反，辅助动力单元（APU）28需要被装载在航空器10上的燃料。
尽管示意性地示出了几个示例性的能量转换和能量储存装置，但其他的能量储存和能量转换装置也在本发明所预见的范围之内。而且，航空器10仅可能包括在此公开和描述的应急动力源的一个或几个。
每个机载的应急能量装置在不同的环境中进行最理想地运行，且因此控制器16探测当前的环境以及航空器10的运行状况，如通过以附图标记15示意性示出的各种传感器进行通讯联系或连通，并致动在机载的应急能量装置中选定的一个或它们中的几个的组合。在本示例中，控制器16使用航空器10的运行参数，例如空气速度和高度等，以选择致动各种应急动力装置中的哪一个。此外，当前的运行参数可以包括从所述航空器的系统中提取的电流和动力（或电力），离所希望的位置，例如着陆点的距离，所述航空器的重量，以及当前的环境条件等。进而，控制器16还决定应急动力装置的层级，从而在最优化且延长动力生成的总体时段的其它装置之前先致动其中的某些装置。
在运行过程中，当随着在巡航高度和速度运行的航空器10发生动力损失时，控制器16接合动力转换装置中的一个或它们中的几个的组合，这些动力转换装置为例如冲压式空气涡轮机20，冲压式风扇22，以及低芯线圈发电机32等。高的速度和高的高度为所述动力转换装置运行提供了合适的环境。而且，因为所述动力转换装置可以产生动力，因此它们并不受限于在航空器10上物质上所能载运的并能够延长时间的运行。
相比之下，在较低高度和空度出现主要的燃气涡轮发动机12的动力损失的情况下，例如在起飞和着陆期间，立刻就有可利用的动力会是优选的，这种可利用的动力不需要进行调度或部署，这种调度或部署可能是诸如冲压式空气涡轮机20等装置需要的。而且，能量储存装置，例如电池24，蓄能器60以及燃料电池26等，能够提供即时（或立时）动力或电力。
控制器16可以按所希望的顺序同时或单独致动应急动力能量装置中的几个。例如，对于发生在巡航高度和空气速度（或空度）的应急动力需求来说，初始致动诸如冲压式空气涡轮机20等的能量转换装置来提供动力。当空度和高度下降且冲压式空气涡轮机20在产生动力方面的作用变得较小（或效率降低）时，电池24或燃料电池26可以被致动以对冲压式空气涡轮机20所产生的动力进行补充。电池24包括仅有限量的电力或动力，且一旦消耗，就会停止提供动力。因此，从电池24提取动力用于短时补充动力。
如果在任何时候应急动力源产生比航空器10所需要的更多的动力，那么多余的动力被用来充电或者另外补充储存的能量源。例如，如果冲压式空气涡轮机20正在产生的电能比所需要的更多的话，这种多余的电力可以被用来给电池24充电。而且，冲压式空气涡轮机20还可以被用来产生液压力，以运行航空器的液压系统。多余的压力可以被用来再补充给蓄能器60。示例性的蓄能器60可以储存用来在航空器系统中使用的处于压力下的流体或气体（或空气）。
一旦电池24或其它动力储存装置被耗尽，可以致动诸如动量供给动力的飞轮30等即时动力转换装置（immediate power-converting device）来提供最终量的所需要的动力。在本示例中，通过释放降（落）伞（chute）到气流25中而开始飞轮54的转动来致动动量供给动力的飞轮30。飞轮54的实际构形（或物理配置）维持动量并驱动发电机58，以提供短期的额外的电力。由此，根据所确定的增加被提供的应急能量的效率和时间段的层级，控制器16顺序地致动不同的应急能量装置。
因此，本发明所公开的应急动力系统18包括多种应急动力装置，这些应急动力装置的每一个的尺寸确定成，在应急操作过程中提供部分动力和/或用于部分应急操作的全部动力。
尽管已经公开了本发明的优选的实施例，但本领域技术人员将会意识到，某些变型和改进将会落入到本发明的范围之内。为此，本发明的保护范围和内容应当通过下面的权利要求来确定。
Claims (19)
1. 一种在航空器中提供应急动力的方法，所述方法的步骤包括：
在航空器上提供能量储存装置；
在航空器上提供能量转换装置；
确定主要的动力供给源没有提供所需要量的动力；
确定所述航空器的当前的运行参数；以及
响应所述当前的运行参数致动所述能量储存装置和所述能量转换装置中的一个，以提供动力。
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当前的运行参数包括所述航空器的速度和所述航空器的高度中的至少一个。
3. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当前的运行参数包括从航空器系统中提取的电流，到适合的着陆地点的距离，航空器的重量以及当前环境状态中的至少一个。
4. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能量储存装置包括电池，燃料电池以及燃料箱中的至少一个。
5. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能量转换装置包括冲压式空气涡轮机，发电机，辅助动力单元以及转动飞轮中的至少一个。
6. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括：响应于包括所述航空器的高度正低于所希望的阈值的所述当前的运行参数，接合所述能量储存装置以提供即时动力，而不使用所述能量转换装置来实施能量转换。
7. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括：响应于包括所述航空器的速度正低于所希望的阈值的所述当前的运行参数，接合所述能量储存装置以提供即时动力，而不使用所述能量转换装置来实施能量转换。
8. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括：响应于包括所述航空器的速度正高于所希望的阈值的所述当前的运行参数，接合所述能量转换装置。
9. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括：响应于包括所述航空器的高度正高于所希望的阈值的所述当前的运行参数，接合所述能量转换装置。
10. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括：响应于所述当前的运行参数接合所述能量转换装置，且响应满足阈值的所述当前的运行参数的变化随后接合所述能量储存装置。
11. 按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所述能量转换装置和所述能量储存装置中的每一个提供用于所述航空器的运行所希望的一部分动力。
12. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，按照预定的层级消耗掉所述应急动力源。
13. 按照权利要求12所述的方法，其特征在于，在使用所述能量储存装置之前，消耗掉所述应急动力转换装置。
14. 一种航空器应急动力系统，所述航空器应急动力系统包括：
能量储存装置；
辅助的能量转换装置；以及
控制器，所述控制器响应于确定航空器的主要的动力供给源没有提供所希望量的动力选择性地接合所述能量储存装置和所述辅助的能量转换装置，以及响应于所述航空器的当前的运行参数选择所述能量储存装置和所述辅助的能量转换装置中的一个。
15. 按照权利要求14所述的航空器应急动力系统，其特征在于，所述能量储存装置包括电池，燃料电池以及燃料箱中的至少一个。
16. 按照权利要求14所述的航空器应急动力系统，其特征在于，所述辅助的能量转换装置包括冲压式空气涡轮机，冲压式风扇，辅助动力单元以及转动飞轮中的至少一个。
17. 按照权利要求14所述的航空器应急动力系统，其特征在于，其包括与所述控制器通讯的传感器，用于提供指示所述航空器的所述当前的运行参数的信息。
18. 按照权利要求17所述的航空器应急动力系统，其特征在于，所述当前的运行参数包括速度和高度中的至少一个。
19. 按照权利要求14所述的航空器应急动力系统，其特征在于，所述控制器基于响应于所述航空器的所述当前的运行参数的所希望的层级致动所述能量储存装置和所述辅助的能量转换装置中的一个。
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