CN113840777B - 用于垂直起飞和着陆的航空器的混合推进系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于垂直起飞和着陆(VTOL)的航空器的混合推进系统(10)，其包括至少一台驱动发电机(122、142)的内燃机(120、140)，至少一个与每台发电机相关联的以及与每台发电机一起限定能量支路的电能存储组件(16、18A、18N)，致动相同多个转子(202、222、242、262)的多台电动机(200、220、240、260)，一起提供航空器的推进力和/或升力，以及根据预先建立的飞行阶段，从发电机和/或从电能存储组件向多台电动机供电的电力和配电装置(28)，该系统包括具有不对称配置的至少两个能量支路，并且通过电力和配电装置(28)，每个能量支路选择性地供电全部或部分多台电动机，其中内燃机的发电机在它们之间具有包括在1.2和1.4之间的功率比，以允许更大功率的发电机单独供电航空器在所有飞行条件下所需的电功率。

Description

用于垂直起飞和着陆的航空器的混合推进系统
技术领域
本发明涉及一种用于垂直起飞和着陆的航空器的混合推进系统，以及包括这种类型系统的航空器。
背景技术
从申请FR3056555中了解到推动多旋翼航空器的架构，该架构包括使用涡轮发动机、与该涡轮发动机相关联的并能够为电池再充电的发电机，以及驱动八个反向旋转螺旋桨的八台电动机。以下面这种方式完成涡轮发电机(涡轮发动机加发电机)和电池的尺寸确定：使得每个部件都能够单独供应航空器的推进所需的电力，连续为涡轮发电机供电，并为电池供电几分钟。
然而，这种类型的多旋翼航空器在巡航时所需的功率比起飞期间所需的最大功率低30％至40％，因此，在这种巡航阶段期间，涡轮发电机的运行远远超出其最佳燃料消耗率。
此外，推进系统的性能在很大程度上取决于环境条件、推进速度和航空器的机载质量。而且，除了机载相当大质量的电池的事实外，在涡轮发电机损失的情况下，这种架构只允许在有限时间的期间，在可接近区域紧急着陆，例如，不包括海上飞越区域。
因此，目前需要一种用于多旋翼航空器的新推进系统，更特别地，用于具有混合推进的垂直起飞和着陆(VTOL)的航空器的新推进系统。
发明内容
因此，本发明提出了一种混合垂直起飞和着陆的推进架构，该架构减轻了上述缺点，并且特别地允许增加通用性，以及根据航空器的飞行阶段最佳化能量的产生。
为此，公开了一种用于垂直起飞和着陆的航空器的混合推进系统，其包括至少一台驱动发电机的内燃机，至少一个与每台发电机相关联的以及与每台发电机一起限定能量支路的电能存储组件，致动相同多个的转子的多台电动机，一起提供航空器的推进力和/或升力，以及电力和配电装置，根据预先建立的飞行阶段，从发电机和/或从电能存储组件向多台电动机供电，该系统的特征在于，其包括至少两个具有不对称配置的能量支路，并且每个能量支路通过电力和配电装置选择性地供电全部或部分多台电动机，其中，内燃机的发电机在它们之间具有包括在1.2和1.4之间的功率比，以允许更大功率的发电机单独供电航空器在所有飞行条件下所需的电功率。
因此，通过提出一种包括多于一台的涡轮发电机的架构，可以在内燃机完全损失的情况下，减少航空器所见的明显功率损失，并有利于多种功率组合。
有利地，当发电机向该多台电动机供电时，每个电能存储组件供应确定的功率，该确定的功率能够平滑向该多台电动机供电，并且其中，它还包括附加的电能存储组件，该附加的电能存储组件供应与发电机中一台发电机所输送的功率相对应的确定的功率，并且能够选择性地连接到至少两个能量支路中的任何一个，或者每个电能存储组件供应与该电能存储组件相关联的内燃机的发电机所输送的功率相对应的确定的功率。
通过由此储备附加的存储组件，可以减小电能存储组件的总体尺寸(因此也可以减小质量)，从而在巡航阶段中获得称为“经济”的运行模式，并允许在备用模式下紧急重新启动所留下的任一涡轮发电机。
根据一个有利的实施例，第一台发电机能够输送400kW的电功率，第二台发电机能够输送300kW的电功率。
优选地，附加的电能存储组件供应与具有较低功率的发电机所输送的功率相对应的确定的功率。
根据设想的实施例，电能存储组件可以是再充电的。
有利地，电力和配电装置包括用于将发电机所输送的交流电转换为直流电的AC-DC转换器，用于将直流电转换为交流电以向电动机供电的DC-AC转换器，以及接触器阵列，用于根据预先建立的飞行阶段，将发电机和/或电能存储组件连接到电推进器。
优选地，内燃机是燃气轮机或任何其他活塞式或旋转式的内燃机，经由自由涡轮或联结涡轮驱动发电机，并且电能存储组件是燃料电池，或者如果它是可再充电的，则是电池单元和/或超级电容器单元。
本发明还涉及一种混合垂直起飞和着陆的航空器，其包括前面提到的混合推进系统。
附图说明
参考以下没有任何限制性特征的附图，本发明的其他特征和优点将通过下面给出的详细描述来揭示，其中：
图1以简化方式示出了符合本发明的用于混合垂直起飞和着陆的航空器的电推进架构的第一个示例，
图2以简化方式示出了符合本发明的用于混合垂直起飞和着陆的航空器的电推进架构的第二示例，以及
图3显示了在符合本发明的混合垂直起飞和着陆的航空器的电推进系统中实施的接触器阵列的示例性实施例。
具体实施方式
图1非常示意性地示出了符合本发明的用于垂直起飞和着陆(VTOL)的航空器的混合推进系统10的第一个示例，并且包括N个能量支路，每个能量支路包括具有内燃机的发电机(或涡轮发电机12；14A，14N)以及电能存储组件16、18A、18N，有利地可再充电的，这些N个能量支路选择性地向多个电推进器20、22、24、26、2X、2Y供电，提供航空器的推进力和/或升力。
图1中实线所示的具有两个推进组件的优选的系统由此限定了两个能量支路，每个能量支路向所有或部分电推进器供电。当这两个能量支路被分离时，每个支路向这些推进器的一半供电，即，具有四个推进器所示的配置中每个的两个推进器供电。供应有存储在储油器(未示出)中的燃料的内燃机120、140例如是涡轮机械(例如，燃气轮机或任何其他活塞或旋转式内燃机)，并且其经由自由涡轮或联结涡轮驱动发电机或电起动器/发电机122、142。例如，电能存储组件是燃料电池，从燃料(如氢)产生该能量，其可用于或不可用于推进，或者，如果它是可再充电的，则为电池单元和/或超级电容器单元16、18A。每个电推进器包括至少一个由电动机202、222、242、262，可能通过减速齿轮(未显示)驱动的转子200、220、240、260。
为了简化附图，两个推进器(每个推进器配备转子)与能源支路的每个涡轮发电机相关联，但可以理解，本发明不加区别地适用于更多数量的推进器，例如，通常从两个到十二个或更多个推进器，转子可能为简单螺旋桨或反向旋转型双同心螺旋桨，如背景技术部分中引用的现有技术。
该混合推进系统还包括电力和配电装置28，根据所述航空器的飞行阶段，从发电机122、142和/或从电能存储组件16、18A向多台电动机202、222、242、262供电。该装置确保发电机和电动机之间的电气解耦，然后每个可以各自以其各自的标称转速旋转(发电机的转速通常比电动机的转速更高，电动机也可以以不同的转速旋转)，以最佳化航空器的性能。
并且，按照惯例，该装置配有AC-DC转换器30，用于将发电机所输送的交流电转换为直流电，旨在用于航空器的直流电网，DC-AC转换器32，用于将来自该直流电网的直流电转换为交流电，以向电动机供电，接触器阵列34引导最佳适应的能源(发电机或电能存储组件或两者)，根据飞行计划(飞越区域的地图绘制、环境条件)、航空器的起飞质量(运送的乘客和货物数量)和可用能源(能源和燃料资源，包括调整的储备)，输送给电推进器。
优选地，可以提供DC-DC转换器36，以允许从发电机对电能存储组件16、18A进行再充电，如果这些组件是可再充电的(但是，使用燃料电池进行再充电的可能性是不可行的)。
具有两台涡轮发电机的这种架构，如有必要，可以提供两个能源支路的分离，在两台涡轮发电机中的一台发生故障时，可以保留剩余功率更长，然后，带有故障的涡轮发电机的电能存储组件向相应能源支路的电推进器供电。然而，与现有技术中带单个涡轮发电机的架构相比，这种保留是在不利于质量和燃料消耗的情况下实现的。
需要注意的是，使用这种架构，那么内燃机可以有可用的紧急运行模式，如OEI(一台发动机不工作)类型。
符合本发明的用于混合垂直起飞和着陆的航空器的混合推进系统的第二个示例如图2所示。它与前面的区别在于，它还包括附加的电能存储组件38，该组件允许它补充N个能量支路之一的故障涡轮发电机(因此，作为储备的紧急电池运行)，则与每台发电机相关联的电能存储组件16、18A、18N只为电功率需求提供简单的电流的平滑。
这种第二架构允许显著地降低电能存储组件的质量。事实上，考虑到每台发电机输送300kW的功率，则供应相同功率的电池适用于附加的电能存储组件38，并且每个供应50kW功率的电池则足以用于每个电能存储组件16、18A，18N。将具有N+1电池的这种存储配置与第一种架构产生的存储配置进行比较，其中有利地获得具有N个电池的电能存储组件16、18A、18N，每个电池提供300kW的功率。
此外，在有限的飞行和速度范围内，这种第二架构允许在巡航时在单个涡轮发电机上运行(称为“经济”模式)，从而允许改进航空器的可靠性或实现10％以上的燃料节约。
事实上，这种经济模式的运行允许将两台涡轮发电机中的一台置于备用模式(例如，涡轮发电机14A配置为两台涡轮发电机12、14A)。如果两台涡轮发电机中的另一台(启动的涡轮发电机12)损失的情况下，则通过对接触器阵列34的适当操作，从该附加的电能存储组件38获得快速重新启动所需的能量，在从该附加的组件38重新启动备用涡轮发电机14A之前，首先，允许分离故障涡轮发电机12，一旦重新启动备用涡轮发电机14A，使用由此重新启动的涡轮发电机14A继续飞行阶段。
此外，两台涡轮发电机的使用允许对这两台涡轮发电机进行不对称配置，以便允许更广泛地使用在这种经济模式的飞行领域中。
因此，巡航阶段的功率需求取决于不同的参数(外部温度和压力、航空器的质量、速度……)，它可以大于单个涡轮发电机所输送的功率。在这种情况下，必须可利用比其他涡轮发电机功率更大的涡轮发电机，以便能够在所有飞行条件下提供经济模式。例如，如果两台发电机中的一台输送300kW的功率，则第二台可以输送400kW的功率。通常地，两台涡轮发电机之间的功率比包括在1.2和1.4之间看起来是合适的，以便允许功率更大的发电机单独供电航空器在所有飞行条件下所需的电功率。
有利地，根据飞行条件(起飞质量、环境条件……)，这种经济模式可以在两台涡轮发电机(具有更强或更弱的功率)中的一台或另一台上实现，也可以在任务期间发展这种经济模式。在这种情况下，附加的电能存储组件38将能够紧急重新启动两台涡轮发电机中的一台或另一台。
需要注意的是，对于混合垂直起飞和着陆的航空器，优选地，在巡航阶段中完成该经济模式的启动，前提是同时验证以下两个条件：前进速度>100kts，并且航空器所需的电功率可由两台涡轮发电机中单个一台提供(取决于有效巡航速度和环境飞行条件(高度、温度……)。
图3说明了符合本发明的在混合垂直起飞和着陆的航空器的电推进架构中实施的接触器阵列34的示例性实施例，该实施例在任何情况下都不能被视为是限制性的。
这种类型的阵列包括几个接触器：N个接触器P1A、P2A和P2N，一旦断开，旨在用于分离涡轮发电机12、14A和14N中的每台涡轮发电机，另一个B1旨在用于分离附加的电能存储组件38。其他接触器B2、B2A和B3N确保在断开位置的推进组件的分离(例如，涡轮发电机12仅为电推力器20、22供电，并且涡轮发电机14N仅为电推力器2X、2Y供电)并且，在闭合位置，它们允许从附加的电能存储组件重新启动选定的涡轮发电机中一台，或者在该能量支路的涡轮发电机损失的情况下，甚至可以用另一个能量支路替换一个能量支路。

Claims (11)

1.一种用于垂直起飞和着陆的航空器的混合推进系统，其包括：
-两个能量支路，每个具有驱动发电机的内燃机，以及至少一个与每台发电机相关联的电能存储组件，
-致动相同多个转子的多台电动机，一起提供混合垂直起飞和着陆的航空器的推进力和/或升力，以及
-根据预先建立的飞行阶段，从发电机和/或从电能存储组件向多台电动机供电的电力和配电装置，
其中，两个能量支路具有不对称配置，并且通过电力和配电装置，每个能量支路选择性地供电全部或部分多台电动机，其中内燃机的发电机在它们之间具有包括在1.2和1.4之间的功率比，以允许更大功率的发电机单独供电航空器在所有飞行条件下所需的电功率，并且包括附加的电能存储组件，所述附加的电能存储组件供应与发电机中一台发电机所输送的功率相对应的确定的功率，所述附加的电能存储组件能够紧急重新启动被置于备用模式的包括内燃机的组件，所述内燃机用于驱动发电机。
2.根据权利要求1所述的混合推进系统，其中，当该多台电动机由发电机直接供电时，每个电能存储组件向该多台电动机供应能够平滑供电的确定的功率，并且附加的电能存储组件能够选择性地连接到至少两个能量支路中的任何一个。
3.根据权利要求1所述的混合推进系统，其中，两个能量支路的电能存储组件的每个输送50kW的平滑功率。
4.根据权利要求3所述的混合推进系统，其中，第一台发电机能够输送400kW的电功率，第二台发电机能够输送300kW的电功率。
5.根据权利要求1所述的混合推进系统，其中，每个电能存储组件供应与该电能存储组件相关联的内燃机的发电机所输送的功率相对应的确定的功率。
6.根据权利要求2所述的混合推进系统，其中，附加的电能存储组件供应与具有较低功率的发电机所输送的功率相对应的确定的功率。
7.根据权利要求1所述的混合推进系统，其中，电能存储组件是可再充电的。
8.根据权利要求1所述的混合推进系统，其中，电力和配电装置包括用于将发电机所输送的交流电转换为直流电的AC-DC转换器，用于将直流电转换为交流电以向电动机供电的DC-AC转换器，以及用于根据预先确定的飞行阶段，将发电机和/或电能存储组件连接到电推进器的接触器阵列。
9.根据权利要求1所述的混合推进系统，其中，所述内燃机为燃气轮机或任何其他活塞式或旋转式内燃机，经由自由涡轮或联结涡轮驱动发电机。
10.根据权利要求1所述的混合推进系统，其中，电能存储组件是燃料电池，或者，如果它是可再充电的，则是电池单元和/或超级电容器单元。
11.一种混合垂直起飞和着陆的航空器，其包括根据权利要求1所述的混合推进系统。
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