CN104955731A - 为航空器提供应急电力的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种为航空器供应应急电力(1)的结构，所述航空器包括增压机舱(10)、至少一个主发动机以及辅助动力单元(APU)；所述结构被设计为在所述主发动机和所述应急辅助单元出现故障的情况下，向所述航空器提供电力；所述结构包括用于从所述机舱(10)回收空气的线路(30)和通过对回收自所述机舱(10)的空气进行降压来产生电力的电力产生系统(32、24、34)。

Description

为航空器提供应急电力的结构
技术领域
本发明的领域为当航空器中其他用于产生电力的装置无法使用时，用于在航空器中供应应急电力的结构及其使用。
背景技术
航空器装备有数个产生电力的装置，这些装置包括：
用于为航空器提供推进力的主发动机；
被称为辅助动力单元(Auxiliary Power Unit)或APU的辅助发动机，其功能是当所述主发动机不能供应非推进力时或者当希望在地面上节省燃料时，在地面上以及可能在飞行中为航空器供应非推进力(例如电力、维持液压和气压、空调)；以及
应急电源，其功能是在其他电力产生源损失的情况下，供应应急电力使得用于操作航空器的关键飞行系统保持运行。例如，该应急电源包括发电机，以向飞行控制系统和关键的飞行仪器供电。
为了不像所述主发动机和辅助动力单元一样受相同故障的影响，该电源必须是独立的，尤其是必须以除了航空器的燃料以外的能源来运行(燃料损失是其他两种发动机所共有的故障)。
当前安装在航空器上的应急电源被称为冲压空气涡轮(Ram Air Turbine，RAT)。RAT是与发电机相关联的推进器，在主发动机和辅助发动机出现一般故障的情况下，RAT部署在例如航空器的机头前。RAT的运行利用了航空器的速度，该速度驱动该推进器并允许飞行的动态能量得到恢复。
由于这是一个应急电源，其存在是必要的，即使很少被使用，也必须定期检查以确保其正常运行。因此，这个电源强加了高维护约束。
此外，对于航空器而言，应急电源代表了一个相当大的负载。最终，由于应急电源的运行，航空器被强加了抗振性限制。
发明内容
本发明的目的在于通过提供一种用于供应应急电力但没有RAT结构缺陷的结构，来弥补至少一个上述缺陷。
为达到上述目的，本发明提供一种为航空器供应应急电力的结构，所述航空器包括增压机舱、至少一个主发动机、包括交流发电机的辅助动力单元APU、和允许将来自所述机舱的空气排到外部的线路(circuit)，所述结构被设计为在所述主发动机和所述辅助动力单元发生故障的情况下，向所述航空器供应电力，所述结构包括：
用于回收来自所述机舱的空气的线路；
将所述空气回收线路连接到所述排气线路的空气分配阀；
所述阀的用于调节所述回收线路中空气流量的控件；
用于通过回收自所述机舱的空气的膨胀来产生电力的系统，所述系统包括被供应有回收自所述机舱的空气的涡轮、由所述涡轮驱动的旋转轴和由所述旋转轴驱动的交流发电机；以及
被设计为选择性地将所述交流发电机连接到所述辅助动力单元的驱动轴或连接到由所述涡轮驱动的所述旋转轴的可移动的变速箱；
其特征在于，所述阀的控件还被配置为控制所述变速箱的脱离。
有利地但可选地，本发明的所述结构进一步包括位于所述涡轮的入口处的可变阻塞系统(blocking system)，该可变阻塞系统被配置为调节所述涡轮的功率。
本发明的另一目的是提供一种航空器，所述航空器包括增压机舱、至少一个主发动机和辅助动力单元，其特征在于，所述航空器还包括上述用于供应应急电力的结构。
本发明还涉及一种在航空器中供应应急电力的方法，所述航空器包括增压机舱、至少一个主发动机、辅助动力单元APU和上述用于供应应急电力的结构；所述方法包括的步骤组成如下：
在航空器的正常运行期间，将所述分配阀控制在第一配置中使得从所述增压机舱回收的所有空气被排到外部；以及
在探测到所述航空器的发动机故障的情况下，控制所述分配阀以采用第二配置，其中至少一部分从所述机舱回收的空气被定向到所述回收线路以供给所述电力产生系统。
有利但选择性地，所述供应电力的方法可进一步包括下列特征中的至少一个：
在探测到所述航空器的发动机故障的情况下，实施步骤还包括：同时控制所述变速箱从所述辅助动力单元脱离以将所述单元的所述交流发电机连接到由所述涡轮驱动的所述旋转轴上；
所述方法在包括用于供应应急电力的结构的航空器中实施，所述结构包括：位于所述涡轮的入口处、被配置为调节所述涡轮的功率的可变阻塞系统，其中所述涡轮的功率根据所述航空器的高度进行调节。
本发明的用于供应应急电力的结构使得在飞行中使用航空器上的可用能量以及对包含在机舱中的空气进行增压成为可能。
所述结构与所述航空器的机身集成在一起，因此，所述结构不会引起集成或振动方面的问题。所述结构也比RAT结构更轻；与RAT结构不同，所述结构不需要部署在要被测试的航空器的外部，因此检查其运行是简单的事情。
如果将本发明的用于供应应急电力的结构连接到所述辅助动力单元的交流发电机，所述结构会更轻，集成性更好。
附图说明
本发明的其他特征、目的和有益之处将通过下面的说明进行揭示，这里的说明仅仅是描述而非限制，并且需要结合附图进行理解，其中：
图1示出了根据本发明一个实施例的一种在航空器中供应应急电力的结构；
图2示出了根据本发明另一实施例的一种在航空器中供应应急电力的结构；
图3示出了根据本发明一个实施例的一种供应电力的方法的主要步骤。
具体实施方式
图1和图2示出了航空器的局部视图，该航空器包括提供推进力的主发动机(未示出)、辅助动力单元2(如图2中所示)和用于供应应急电力的结构3。如附图中所示，该供应应急电力的结构安装在航空器的舱室中。
如上所述，所述辅助动力单元2被配置为供应非推进电力，该非推进电力用于飞行系统例如电源、设备的液压和气压或甚至空调。这个组件可在地面上或飞行中使用，有利地可作为主发动机的补充来使用。
由于所述供应应急电力的结构只在所述主发动机和所述辅助动力单元不处于正常工作状态时被配置为只对关键飞行系统供电，因此所述供应应急电力的结构的尺寸比所述辅助动力单元的尺寸小。基于此原因，所述供应应急电力的结构被设计为以主发动机的额定功率的10％到20％进行供电，并且完全独立于系统的其他部分(尤其是不与其他供电装置具有相同的能源)。
所述航空器还包括增压机舱10(例如客舱)以及用于将包含在该机舱内的空气排出到该航空器外部的线路11。该增压机舱是一种机舱，其包含的空气相对于外部空气是增压的，特别是当航空器处于飞行状态时。
该线路使对包含在所述机舱内的空气进行连续更新成为可能。该线路特别包括用于将空气排出到外部的阀12，其中循环有预先设定的气流以允许所述更新。
所述供应应急电力的结构包括用于回收来自所述机舱的增压空气的线路30，该线路30经由分配阀31连接到用于将空气排出到外部的线路11。通过调节分配阀31的开口，这个线路可以从被排到外部的气流中吸收预定比例的空气。
基于此，该阀由控制器4来控制，该控制器4优选地为电子控件。所述分配阀31有利地被设计为采用至少两个配置以便调节从第一配置到第二配置的从所述回收线路吸收的空气的量，其中在所述第一配置中，所述排气线路中的整个气流被排出到外部；在所述第二配置中，所述排气线路中的整个气流被所述回收线路吸收。
所述供应应急电力的结构进一步包括由回收自增压机舱的空气产生电力的系统。该系统包括涡轮32(可以是径流式涡轮或轴流式涡轮)、减速箱33和交流发电机34。当所述涡轮被供应来自所述机舱的空气时，该涡轮以旋转的方式驱动旋转轴(未示出)，该旋转轴通过所述减速箱驱动所述交流发电机。
从所述增压机舱回收的空气在所述涡轮中膨胀，达到所述航空器外部环境空气的压强，然后通过排气阀12排到大气中。
这样，通过非限制性示例的方式，对于飞行在大约12000米高度的飞机，所述机舱内的空气被加压到大约0.8巴(bar)，而飞机外部的空气压强为0.2巴。如果所述排气线路11排出了量为0.6千克/每秒的空气以更新所述机舱内的空气，则所述供应应急电力的结构能够产生高达40千瓦的电力。
根据图2中所示的另一个实施例，所述供应应急电力的结构被连接到所述辅助动力单元2。按照已知方式本身，这个结构包括通过驱动轴来驱动空气压缩机的涡轮(按照图示的方式以附图标记21示出)以及用于排出气体的排气喷嘴22和输送管23。
交流发电机24也安装在所述辅助动力单元2的所述驱动轴上，为所述航空器的其他耗电设备(未示出)，例如增压系统、机舱空调、电网络、液压线路、飞行系统等或甚至是冷却该交流发电机的油系统，产生电力。
本实施例中，在使用所述结构供应应急电力的情况下，所述结构的涡轮32驱动所述辅助动力单元2的交流发电机24。所述结构2还包括可移动的变速箱35，该可移动的变速箱35被配置为选择性地将所述交流发电机24连接到所述辅助动力单元21的传动轴或连接到由所述涡轮32驱动的旋转轴上。
有利地，该变速箱35与所述分配阀31一样，也由所述控件4控制，这是因为在激活所述供应应急电力的结构的情况下，所述控件4还同时导致所述阀31改变(commute)以便所述线路30回收气流，改变所述变速箱35以将所述涡轮32连接到所述辅助动力单元APU的交流发电机24上。
此外，无论所述结构的实施例是什么，所述结构有利地进一步包括位于所述涡轮32的输入端的可变定时系统36，该可变定时系统36允许通过调节所述涡轮的流动面积来调节所述涡轮的功率；由于该流动，膨胀度本身由所述机舱和所述航空器外部大气之间的压强差所施加。这个调节可以确保所述涡轮以其最佳效率运行。
因此，由于该结构是应急系统，在其使用期间所述航空器必须是处于为了降落的下降阶段。因此，可通过该结构回收的能量将随着所述航空器高度的降低而逐渐减少。所述可变阻塞系统可以在低空位置通过增加由所述涡轮膨胀的空气的流量来供应更多的电力。
因此，结合附图3，具有这种电力供应结构的航空器按照下列方式运行：
在正常运行100的情况下，所述主发动机正在运行，所述辅助动力单元能够产生非推进力。分配阀31处于所述回收线路30不吸收任何空气的第一配置中，所述变速箱35处于由所述APU的涡轮以旋转的方式驱动所述交流发电机24的状况中；
在探测到故障(例如发动机故障200)的情况下，所述控件4切换所述阀31的配置以便所述回收线路30吸收一些空气并供应给所述涡轮32。同时或短暂的一段时间后，所述控件4引发所述变速箱35的脱离以便所述涡轮32驱动所述APU单元的交流发电机24；
这样，在所述航空器下降期间，250，通过由所述可变定时系统36改变所述涡轮的流量来调节所述涡轮的功率，这也能够换做由所述控件4进行控制。
这样便提供了一种针对应急电力的结构，该结构集成在航空器内，其运行和控制不需要航空器外的部署。该结构与辅助动力组的合理结合使组件集成性更好，更轻。

Claims (6)

1.一种为航空器供应应急电力(1)的结构(3)，所述航空器包括增压机舱(10)、至少一个主发动机、包括交流发电机(24)的辅助动力单元(AuxiliaryPower Unit，APU)(2)和将来自所述机舱的空气排到外部的线路(11)，所述结构被设计为在所述主发动机和所述辅助动力单元发生故障的情况下，向所述航空器供应电力，所述结构包括：
用于回收来自所述机舱的空气的线路(30)；
将所述空气回收线路(30)连接到所述排气线路(11)的空气分配阀(31)；
所述阀的用于调节所述回收线路(30)中空气流量的控件(4)；
用于通过回收自所述机舱的空气的膨胀来产生电力的系统(32、24、34)，所述系统包括被供应有回收自所述机舱的空气的涡轮(32)、由所述涡轮驱动的旋转轴和由所述旋转轴驱动的交流发电机(24、34)；以及
被设计为选择性地将所述交流发电机(24)连接到所述辅助动力单元(2)的驱动轴或连接到由所述涡轮(32)驱动的所述旋转轴的可移动的变速箱(35)；
其特征在于，所述阀的所述控件(4)被进一步配置为控制所述变速箱(35)的脱离。
2.根据前述权利要求所述的结构(3)，该结构(3)进一步包括位于所述涡轮(32)的输入端的可变定时系统(36)，该可变定时系统(36)被配置为调节所述涡轮的功率。
3.一种航空器(1)，包括增压机舱(10)、至少一个主发动机和辅助动力单元(2)，其特征在于，所述航空器进一步包括根据前述任一项权利要求所述的用于供应应急电力的结构(3)。
4.一种在航空器(1)中供应应急电力的方法，所述航空器(1)包括增压机舱(10)、至少一个主发动机、辅助动力单元(2)和根据权利要求1至2中任一项所述的用于供应应急电力的结构(3)，所述方法包括的步骤组成如下：
在所述航空器(1)的正常运行(100)期间，将所述分配阀(31)控制在第一配置中使得从所述增压机舱回收的所有空气被排到外部；以及
在探测到所述航空器(1)的发动机故障(200)的情况下，控制所述分配阀(31)以采用第二配置，其中至少一部分从所述增压机舱(10)回收的空气被定向到所述回收线路(30)以供给所述电力产生系统。
5.根据前述权利要求所述的方法，其中，在探测到所述航空器的发动机故障的情况下，所述实施步骤进一步包括：同时控制所述变速箱(35)从所述辅助动力单元(2)脱离以将所述单元的所述交流发电机(24)连接到由所述涡轮(32)驱动的所述旋转轴上。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的方法，该方法在包括根据权利要求2所述的用于供应应急电力的结构(3)的航空器(1)中实施，其中所述涡轮的功率依据所述航空器(1)的高度进行调节(250)。
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