CN112228221B - 一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统及使用方法 - Google Patents

一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统，包括发动机、主发电机、引气活门、辅助动力装置、辅助发电系统、配电系统；发动机的后引气通道连接引气活门，引气活门控制气流分配向环控系统和辅助动力装置，综合控制器连接并控制引气活门，涡轮动力装置依靠发动机引气转动，涡轮动力装置与辅助发电装置机械传动连接，辅助发电系统产生的电流传输至配电系统。本发明的冲压涡轮驱动的辅助发电系统集应急功能和辅助功能于一体，既解决了主汇流条故障后的余度备份问题，提高了可靠性与安全性，提高应急供电时间，又实现主汇流条和辅助发电系统共同工作，提高了在任务阶段整个电源容量；通过控制器综合设计，节约资源开销，降低系统代价，提高系统匹配性。

Description

一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统及使用方法
技术领域
本发明属于航空飞行器供电设计技术领域，涉及一种飞机辅助发电系统5系统及使用方法，具体涉及一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统5系统及使用方法。
背景技术
随着航空技术的不断发展，飞机用电设备剧增，对电源系统容量、供电品质和可靠性提出更高的要求，对长航时无人机，由于应急供电时间要求加长，对应急电源的功率需求也大幅度增加，为满足飞机研制的要求，针对单个主汇流条且容量有限的现状，迫切需要研制辅助发电系统，既提高系统电源总容量，又增加电源系统余度备份，同时提高应急供电时间。
基于目前发动机的现状，发动机由于机匣限制，只能安装一台发电机，且功率受到约束，造成整个电源系统扩容、余度备份无法在发动机功率输出端直接实现。
CN200780010795.2公开了一种使用涡轮轴配合压缩机和发电机单元进行发电的喷气式发动机结构，主要利用气流带动涡轮转动配合发电机产生电源，作为飞机的主发电机工作。但是该结构并没有余度设计，涡轮轴的转动与发电机也难以协同工作。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统及使用方法，既解决了主汇流条故障后的余度备份问题，提高了可靠性与安全性，提高应急供电时间，又实现主汇流条和辅助发电系统共同工作，提高了在任务阶段整个电源容量；通过控制器综合设计，节约资源开销，降低系统代价，提高系统匹配性。
本发明的技术方案是：
一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统，包括发动机、主发电机、引气活门、辅助动力装置、辅助发电系统、配电系统，发动机与主发电机机械传动连接，主发电机产生的电流传输至配电系统；发动机的后引气通道连接引气活门，引气活门控制气流分配向环控系统和辅助动力装置，辅助动力装置包括涡轮动力装置和综合控制器，综合控制器连接并控制引气活门，涡轮动力装置依靠发动机引气转动，涡轮动力装置与辅助发电装置机械传动连接，辅助发电系统产生的电流传输至配电系统。
进一步的，辅助动力装置还包括关断活门和调速活门，关断活门和调速活门设在引气活门和涡轮动力装置之间的引气通道上，综合控制器连接并控制关断活门和调速活门。
进一步的，综合控制器部分设在辅助发电系统内，辅助发电系统还包括辅助发电机，综合控制器监控涡轮动力装置的压力和转速状态，综合控制器还连接辅助发电机并控制辅助发电机的励磁电流。
进一步的，配电系统包括辅助接触器、重要汇流条、主汇流条、应急汇流条；主发电机给主汇流条供电，辅助接触器一端连接重要汇流条，另一端选通主汇流条或辅助发电系统，重要汇流条连接应急汇流条。
一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统使用方法，使用如上所述的一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统，飞机在空中状态时，当发动机转速满足要求，综合控制器根据环控系统的结冰告警信号，控制引气活门连通发动机后引气口与环控系统；
当主汇流条故障或在任务区需主汇流条与辅助发电系统并联供电时，综合控制器控制引气活门切断环控系统发动机后引气口，连通发动机后引气口与辅助动力装置，通过发动机引气驱动辅助动力装置，带动辅助发电系统工作。
一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统使用方法，使用如上所述的一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统，综合控制器根据辅助发电系统的电压需求，通过控制关断活门和调速活门调整涡轮动力装置的转速。
一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统使用方法，使用如上所述的一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统，综合控制器一方面通过调速活门对涡轮动力装置的转速进行控制，另一方法通过励磁电流对辅助发电机的电压进行调节；综合控制器通过综合协调控制涡轮动力装置的转速和辅助发电机励磁电流，使两者匹配。
一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统使用方法，使用如上所述的一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统，在辅助发电系统未工作时，主汇流条通过辅助接触器常闭触点给重要汇流条供电；在辅助发电系统工作时，辅助发电系统通过辅助接触器常开触点给重要汇流条供电，此时，辅助发电系统5系统通过重要汇流条和应急蓄电池同时为应急汇流条供电，全机重要负载通过重要汇流条供电，应急负载通过应急汇流条供电。
本发明的优点是：
1、该发明解决了受发动机机匣限制无法直接从发动机端提取功率实现电源扩容和余度配置的难题，通过发动机引气和涡轮装置，为辅助发电系统5提供驱动能源；
2、涡轮驱动装置传统有引气模式和燃料模式驱动，该发明通过单纯的引气模式驱动涡轮装置，避免使用有毒的肼燃料，消除了肼燃料对使用者和环境的污染问题；
3、在结冰区域发动机引气用于环控除冰，在任务区域大功率需求时发动机引气用于辅助发电，既解决了辅助发电机无法直接从发动机提取功率的问题，又实现引气利用的最大化；
4、系统综合控制设计，节约资源开销，提高系统综合化，降低系统代价，提高系统可靠性，解决系统相互匹配性问题；
5、冲压涡轮驱动的辅助发电系统集应急功能和辅助功能于一体，针对辅助发电系统配电结构，既解决了主汇流条故障后的余度备份问题，提高了可靠性与安全性，提高应急供电时间，又解决了在任务阶段功率电源容量不足问题，实现主汇流条和辅助发电系统共同工作。
附图说明
图1是本发明实施例的辅助发电系统5系统的实现架构图；
其中：1—发动机，2—主发电机，3—引气活门，4—辅助动力装置，4-1——涡轮动力装置，4-2—综合控制器，4-3—关断活门，4-4—调速活门，5—辅助发电系统，5-1—辅助发电机，6—配电系统，6-1—辅助接触器，6-2—重要汇流条，6-3—主汇流条，6-4—应急汇流条，7—应急蓄电池。
具体实施方式
本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。
一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统，包括发动机1、主发电机2、引气活门3、辅助动力装置4、辅助发电系统5、配电系统6，发动机1与主发电机2机械传动连接，主发电机2产生的电流传输至配电系统6；发动机1的后引气通道连接引气活门3，引气活门3控制气流分配向环控系统和辅助动力装置4，辅助动力装置4包括涡轮动力装置4-1和综合控制器4-2，综合控制器4-2连接并控制引气活门3，涡轮动力装置4-1依靠发动机1引气转动，涡轮动力装置4-1与辅助发电装置5机械传动连接，辅助发电系统5产生的电流传输至配电系统6。
进一步的，辅助动力装置4还包括关断活门4-3和调速活门4-4，关断活门4-3和调速活门4-4设在引气活门3和涡轮动力装置4-1之间的引气通道上，综合控制器4-2连接并控制关断活门4-3和调速活门4-4。
进一步的，综合控制器4-2部分设在辅助发电系统5内，辅助发电系统5还包括辅助发电机5-1，综合控制器4-2监控涡轮动力装置4-1的压力和转速状态，综合控制器4-2还连接辅助发电机5-1并控制辅助发电机5-1的励磁电流。
进一步的，配电系统6包括辅助接触器6-1、重要汇流条6-2、主汇流条6-3、应急汇流条6-4；主发电机2给主汇流条6-3供电，辅助接触器6-1一端连接重要汇流条6-2，另一端选通主汇流条6-3或辅助发电系统5，重要汇流条6-2连接应急汇流条6-4。
一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统5系统使用方法，使用如上所述的一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统5系统，包括以下方法：
飞机在空中状态时，当发动机转速满足要求，综合控制器根据环控系统的结冰告警信号，控制引气活门连通发动机后引气口与环控系统；
当主汇流条6-3故障或在任务区需主汇流条6-3与辅助发电系统5并联供电时，综合控制器控制引气活门切断环控系统发动机后引气口，连通发动机后引气口与辅助动力装置，通过发动机引气驱动辅助动力装置，带动辅助发电系统工作。
综合控制器根据辅助发电系统的电压需求，通过控制关断活门和调速活门调整涡轮动力装置的转速。
综合控制器一方面通过调速活门对涡轮动力装置的转速进行控制，另一方法通过励磁电流对辅助发电机的电压进行调节；综合控制器通过综合协调控制涡轮动力装置的转速和辅助发电机励磁电流，使两者匹配。
在辅助发电系统5未工作时，主汇流条通过辅助接触器常闭触点给重要汇流条供电；在辅助发电系统5工作时，辅助发电系统5通过辅助接触器常开触点给重要汇流条供电，此时，辅助发电系统5通过重要汇流条和应急蓄电池同时为应急汇流条供电，全机重要负载通过重要汇流条供电，应急负载通过应急汇流条供电。
下面结合附图说明本发明另一个实施例。
冲压涡轮驱动的辅助发电系统的方案见图1，具体解决方案如下：
(1)发动机引气
发动机1由于机匣限制，只能安装一台主发电机2，且功率受到约束，辅助发电系统5无法在发动机功率输出端直接实现。冲压涡轮驱动的辅助发电系统5系统通过引气来解决无法直接从发动机提取功率的问题，系统采用从发动机两侧引气的方案，通过引气活门进行引气使用控制。
发动机引气有两种用途：其一为环控系统除冰提供能源。第二为辅助发电系统提供能源。根据任务阶段功率电源功率需求大，任务阶段不处于结冰区域的特点，合理的将环控除冰引气和辅助发电引气错时使用，实现引气利用的最大化。
正常使用时，在结冰区域发动机引气用于环控除冰，在任务区域需要大功率电源需求时发动机引气用于辅助发电。
在主汇流条6-3故障的应急阶段，发动机引气优先用于辅助发电。
综合控制器实现对引气活门的控制。
(2)辅助动力装置
辅助动力装置4将发动机引气能量通过涡轮转换成机械轴功率，带动辅助发电机工作。
辅助动力装置4包括涡轮动力装置4-1、综合控制器4-2、关断活门4-3、调速活门4-4、压力传感器和相关管路等组成。
综合控制器4-2同时实现涡轮动力装置4-1和辅助发电系统5控制，综合控制器4-2检测涡轮动力装置4-1的压力和转速状态，通过涡轮转速调节调速活门4-4实现对涡轮动力装置4-1的控制。
(3)辅助发电系统
辅助动力装置4驱动辅助发电机5-1将机械能转换为电能，发电机产生的交流电经整流器整流后输出满足要求的直流电，辅助接触器6-1控制将直流电接入机上电网。
综合控制器4-2是辅助发电机5-1电压等信号采集，通过辅助发电系统5励磁电流控制实现输出电压调节，完成系统故障保护和辅助接触器控制。
(4)辅助发电系统的配电实现形式
辅助发电系统5通过辅助接触器6-1接入机上重要汇流条6-2，辅助接触器6-1采取主触点带转换的接触器。在辅助发电系统5未工作时，主汇流条6-3通过辅助接触器6-1常闭触点给重要汇流条6-2供电；在辅助发电系统5工作时，辅助发电系统5通过辅助接触器常开触点给重要汇流条供电。辅助发电系统5通过重要汇流条6-2和应急蓄电池7同时为应急汇流条6-4供电，全机重要负载通过重要汇流条6-2供电，应急负载通过应急汇流条6-4供电。
辅助发电系统5的配电形式实现重要汇流条6-2可分别由主汇流条6-3或辅助发电系统5供电，重要汇流条6-2等级高于主汇流条6-3，主汇流条6-3和辅助发电系统5同时工作。
在主汇流条6-3单独供电时，重要汇流条由主汇流条6-3供电；在主汇流条6-3故障时，重要汇流条由辅助发电系统5供电，主汇流条6-3供电的主汇流条失去供电；在主汇流条6-3和辅助发电系统5同时工作时，重要汇流条由辅助发电系统5供电，主汇流条由主汇流条6-3供电；配电形式即实现主汇流条6-3和辅助发电系统5优先级别，又保证主汇流条6-3和辅助发电系统5在特定条件下可实现同时工作，提高整个系统电源容量。
(5)系统综合控制
将辅助发电机控制器与冲压涡轮控制器集成为一个综合控制器4-2，综合控制器4-2一方面通过涡轮转速调节引气活门实现对涡轮装置的控制，另一方面通过励磁电流的控制实现辅助发电系统5电压调节。综合控制器4-2通过转速、引气压力、活门大小、发电机输出电压和发电机励磁电流综合控制，二者物理综合，节约资源开销，降低系统代价。
原设计中辅助发电机投网条件通过涡轮转速来控制，单纯依据转速控制，在发电机投网由于瞬间冲击电流较大且此时虽转速达到但输出功率尚未稳定，易引起辅助发电系统5接通瞬间电压波动大甚至导致辅助发电系统5出现频繁接通、断开(拍合)等问题。综合控制器4-2更好的利用综合的资源，在辅助发电系统5接通瞬间，将原单一转速控制综合为转速、引气压力和活门状态共同控制，更好实现辅助动力装置4与辅助发电系统5之间相互控制和相互匹配，提高系统匹配性。
下面是本发明使用方法的一个实施例。
(1)引气活门控制
发动机引气有两种用途：其一为环控系统除冰提供能源。第二位辅助发电系统提供能源。
当在空中，发动机转速满足要求根据环控系统结冰告警信号打开引气活门为环控除冰提供能源。
当主汇流条故障时或在任务区需主汇流条与辅助发电系统并联供电时，切断环控系统发动机环控除冰引气，通过发动机引气驱动空气涡轮，带动辅助发电机工作，满足全机供电需求。
(2)辅助动力装置
综合控制器通过控制系统中调速活门的开度，调节引气压力和流量，使辅助动力装置输出转速稳定在目标值13000r/min；
辅助动力装置当接到起动指令后，涡轮转速在3s内达到100％，可连续工作时间：10h，对外驱动功率不小于5.5kW。
(3)辅助发电系统
辅助发电系统采取无刷式直流发电机，其有永磁机、励磁机和主电机组成。当原动机拖动发电机旋转时，发电机的永磁机经过控制器整流后为励磁机定子提供励磁电流，励磁机转子切割磁场发出交流电，然后经旋转整流器变成直流电后进入主发电机转子绕组以励磁，通过控制发电机励磁电流的大小，调节发电机输出电压稳定在要求范围。
辅助发电系统主要参数：
1)额定容量：4.5kW；
2)额定输出电流：150A；
3)额定电压：29V；
4)输入转速范围：(10588～15400)r/min；
5)电压精度：29±1VDC；
6)直流脉动电压：≯1.5V；
7)供电品质满足GJB181A-2003对应的发电系统要求；
8)具有1.5倍、2倍额定负载过载能力和3倍额定负载短路能力。
(4)配电结构
主发电机与主汇流条连接，辅助发电系统与重要汇流条连接，辅助发电系统5与重要汇流条通过辅助接触器常开连接，主汇流条与重要汇流条之间通过辅助接触器常闭触点连接，辅助接触器由综合控制进行控制。
主发电机、辅助发电系统和蓄电池实现机载电源的三余度，其中发电机与蓄电池构成非相似余度。应急汇流条采取二极管隔离表决供电，简化了控制逻辑，保证关键负载供电的无缝切换，提高供电品质和系统容错性。即实现主发电机和辅助发电系统优先级别，又保证主发电机和辅助发电系统在特定条件下可实现同时工作，提高整个系统电源容量。
(5)综合控制器
综合控制器接受上位机指令(包括引气使用指令、环控结冰告警信号和辅助发电机工作指令)控制引气活门，确定是否使用发动机引气，引气用于环控除冰还是用于辅助发电。
综合控制器根据涡轮装置工作条件，当转速和工作状态满足要求，控制关断活门打开，发动机引气用于辅助发电。通过涡轮转速调节调速活门实现对涡轮装置的控制，实现涡轮装置对外功率可控输出。
综合控制器根据辅助发电系统工作条件，结合发电机输出电压信号通过控制发电机励磁电流，控制辅助发电系统输出满足要求。
综合控制器控制涡轮装置和辅助发电匹配工作，通过转速、引气压力和活门状态综合控制辅助发电系统的投网和断网。

Claims (7)

1.一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统，其特征在于，包括发动机(1)、主发电机(2)、引气活门(3)、辅助动力装置(4)、辅助发电系统(5)、配电系统(6)，发动机(1)与主发电机(2)机械传动连接，主发电机(2)产生的电流传输至配电系统(6)；发动机(1)的后引气通道连接引气活门(3)，引气活门(3)控制气流分配向环控系统和辅助动力装置(4)，辅助动力装置(4)包括涡轮动力装置(4-1)和综合控制器(4-2)，综合控制器(4-2)连接并控制引气活门(3)，涡轮动力装置(4-1)依靠发动机(1)引气转动，涡轮动力装置(4-1)与辅助发电系统(5)机械传动连接，辅助发电系统(5)产生的电流传输至配电系统(6)；
所述的辅助动力装置(4)还包括关断活门(4-3)和调速活门(4-4)，关断活门(4-3)和调速活门(4-4)设在引气活门(3)和涡轮动力装置(4-1)之间的引气通道上，综合控制器(4-2)连接并控制关断活门(4-3)和调速活门(4-4)；
正常使用时，在结冰区域引气活门(3)控制气流分配向环控系统用于环控除冰，在任务区域引气活门(3)控制气流分配向辅助动力装置(4)用于辅助发电。
2.根据权利要求1所述的一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统，其特征在于，所述的综合控制器(4-2)部分设在辅助发电系统(5)内，辅助发电系统(5)还包括辅助发电机(5-1)，综合控制器(4-2)监控涡轮动力装置(4-1)的压力和转速状态，综合控制器(4-2)还连接辅助发电机(5-1)并控制辅助发电机(5-1)的励磁电流。
3.根据权利要求1所述的一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统，其特征在于，所述的配电系统(6)包括辅助接触器(6-1)、重要汇流条(6-2)、主汇流条(6-3)、应急汇流条(6-4)；主发电机(2)给主汇流条(6-3)供电，辅助接触器(6-1)一端连接重要汇流条(6-2)，另一端选通主汇流条(6-3)或辅助发电系统(5)，重要汇流条(6-2)连接应急汇流条(6-4)。
4.一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统使用方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统，飞机在空中状态时，当发动机转速满足要求，综合控制器根据环控系统的结冰告警信号，控制引气活门连通发动机后引气口与环控系统；
当主汇流条6-3故障或在任务区需主汇流条6-3与辅助发电系统5并联供电时，综合控制器控制引气活门切断环控系统发动机后引气口，连通发动机后引气口与辅助动力装置，通过发动机引气驱动辅助动力装置，带动辅助发电系统工作。
5.一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统使用方法，其特征在于，使用如权利要求2所述的一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统，综合控制器根据辅助发电系统的电压需求，通过控制关断活门和调速活门调整涡轮动力装置的转速。
6.一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统使用方法，其特征在于，使用如权利要求2所述的一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统，综合控制器一方面通过调速活门对涡轮动力装置的转速进行控制，另一方法通过励磁电流对辅助发电机的电压进行调节；综合控制器通过综合协调控制涡轮动力装置的转速和辅助发电机励磁电流，使两者匹配。
7.一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统使用方法，其特征在于，使用如权利要求3所述的一种冲压涡轮驱动的辅助发电系统，在辅助发电系统5未工作时，主汇流条通过辅助接触器常闭触点给重要汇流条供电；在辅助发电系统5工作时，辅助发电系统5通过辅助接触器常开触点给重要汇流条供电，此时，辅助发电系统5通过重要汇流条和应急蓄电池同时为应急汇流条供电，全机重要负载通过重要汇流条供电，应急负载通过应急汇流条供电。
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