CN115699499A - 用于具有涡轮发电机的飞行器的机电结构、用于紧急关闭飞行器涡轮发电机的方法以及相应的计算机程序 - Google Patents

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Abstract

用于飞行器的这种机电结构(100)包括：‑电气网络(102)，电气网络包括电气子网络(104，106)；‑涡轮发电机(118)，涡轮发电机包括：燃气涡轮(120)，带永磁体的发电机(122)，带永磁体的发电机具有分别连接到电气子网络(104，106)的相组(126，128)，以及用于每个相组(126，128)的隔离装置(134，136)；以及‑控制装置(140)，控制装置被设计为检测相组中的至少一个相组中的短路，被检测到短路的每个相组被称为故障相组，而每个其他相组被称为健康相组，且控制装置响应于检测到短路，将该故障相组(126，128)与其相关联的电气子网络(104，106)断开，且指示关闭燃气涡轮(120)。控制装置(140)还被设计为响应于检测到短路，保持每个健康相组(126，128)连接到其电气子网络(104，106)。

Description

用于具有涡轮发电机的飞行器的机电结构、用于紧急关闭飞 行器涡轮发电机的方法以及相应的计算机程序
技术领域
本发明涉及一种用于具有涡轮发电机的飞行器的机电结构、一种用于紧急关闭飞行器涡轮发电机的方法以及相应的计算机程序。
背景技术
从现有技术中已知一种用于飞行器的机电结构，这种机电结构包括：
-电气网络，电气网络包括彼此电断开的电气子网络，且每个电气子网络包括至少一个电气设备；
-涡轮发电机，包括：
·燃气涡轮，
·永磁发电机，永磁发电机被设计为由燃气涡轮机械地驱动并具有分别连接到电气子网络的相组，以及
·用于每个相组的隔离装置，隔离装置被设计为将相组与其相关联的电气子网络断开；
-控制装置，控制装置适于检测相组中的至少一个相组中的短路，被检测到短路的每个相组被称为故障相组，而每个其他相组被称为健康相组，且控制装置响应于检测到短路，一方面控制与每个故障相组相关联的隔离装置以将故障相组与其相关联的电气子网络断开，另一方面控制燃气涡轮关闭。
具体地，在现有技术中，控制装置被设计为触发关闭程序，该关闭程序包括控制所有隔离装置以将所有故障相组和健康相组与电气子网络断开。这种断开的目的是防止故障向下游蔓延到电气网络。
根据现有技术的飞行器推进系统的一个问题是当在发电机中检测到短路时，关闭程序被触发，但是燃气涡轮的减速时间较长，例如大约几十秒。在此期间，发电机由燃气涡轮驱动旋转并因此继续供电。因此，局部发热的风险非常高，而这可导致发电机起火。特别地，电和/或热绝缘体通常设置在发电机中，局部发热会导致电和/或热绝缘体着火。此外，当发电机是油冷的时，油可以点燃。
发明内容
在本发明中，通过提供一种能够避免至少一部分上述问题和限制的飞行器推进系统，来尝试解决过热风险这一问题，过热风险可导致发电机起火。
因此，本发明的一个目的是提供一种上述类型的飞行器推进系统，其特征在于，控制装置还被设计为响应于检测到短路，保持每个健康相组连接到其电气子网络。
实际上，本发明人已经发现，响应于检测到短路而将电气网络与发电机完全断开的主要问题在于发电机不再具有电量，并因此不再提供制动扭矩以使燃气涡轮减速。通过本发明，一个或多个健康相组保持连接到它们各自的子网络，从而使得能够保持发电机的电量并因此对燃气涡轮制动。
可选地，控制装置有利地被设计为在保持每个健康相组连接到其电气子网络一段时间之后，通过控制与每个健康相组相关联的隔离装置以将该健康相组与其相关联的电气子网络断开，而使所有相组与电气子网络断开。
还可选地，控制装置还被设计为接收发电机的旋转速度的测量值，以检测与所接收的旋转速度相关的预定条件是否实现，该预定条件例如是旋转速度下降到预定阈值之下，且控制装置响应于检测到预定条件的实现，执行断开电气子网络的所有相组的步骤。
还可选地，控制装置被设计为响应于检测到短路，增加连接到一个或多个健康相组中的一个健康相组上的电气子网络的至少一个设备的电力消耗。
还可选地，电气子网络中的一个电气子网络包括电池，为了增加电池的电力消耗，控制装置被设计为增加由电池的电气子网络施加到电池的电压，从而使电池再充电。
还可选地，为了增加电池的电力消耗，控制装置被设计为增加由电池的电气子网络施加到电池的电压，从而使电池再充电，和/或为了增加电动机的电力消耗，控制装置被设计为控制电动机以增加电动机的旋转速度和/或控制电动机以使电动机产生无功电流。
还可选地，结构还包括用于连接电气子网络的装置，控制装置被设计为响应于检测到短路，控制连接装置以将与每个故障相组相关联的电气子网络连接到与一个或多个健康相组中的一个健康相组相关联的电气子网络。
还可选地，结构还包括充电装置和连接系统，连接系统被设计为选择性地将充电装置连接到电气子网络中的一个或多个电气子网络，控制装置被设计为响应于检测到短路，将充电装置连接到与健康相组相关联的电气子网络。
本发明还涉及一种飞行器，飞行器包括根据本发明的结构。
本发明还涉及一种用于紧急关闭涡轮发电机的方法，涡轮发电机包括燃气涡轮和永磁发电机，永磁发电机被设计为由燃气涡轮机械地驱动，方法包括：
-检测发电机的至少一个相组中的每个相组中的短路，相组分别连接到电气网络的电气子网络，电气子网络彼此电断开且每个电气子网络包括至少一个电气设备，被检测到短路的每个相组被称为故障相组，而每个其他相组被称为健康相组；以及
-响应于检测到短路：
·将每个故障相组与其相关联的电气子网络断开，以及
·关闭燃气涡轮；
其特征在于，方法还包括：响应于检测到短路，保持每个健康相组连接到其电气子网络。
还提出一种能够从通信网络下载和/或存储在计算机可读介质上的计算机程序，其特征在于，计算机程序包括指令，当所述程序在计算机上执行时，指令用于执行根据本发明的用于紧急关闭涡轮发电机的方法的步骤。
附图说明
在仅作为示例给出且参照附图做出的以下描述的帮助下，将更好地理解本发明，在附图中：
[图1]图1是根据本发明的一个实施例的用于具有涡轮发电机的飞行器的机电结构的简化视图，
[图2]图2是示出根据本发明的一个实施例的图1的涡轮发电机的紧急关闭方法的步骤的框图，
[图3]图3是与图1类似的视图，示出了操作期间的结构的第一配置，以及
[图4]图4是与图1类似的视图，示出了操作期间的结构的第二配置。
具体实施方式
参照图1，现在将描述根据本发明的一个实施例的飞行器的机电结构100。
机构100首先包括电气网络102，电气网络102包括电气子网络，在所描述的示例中，两个电气子网络由附图标记104、106指示。电气子网络104、106彼此电断开，且每个电气子网络包括至少一个电气设备。在所描述的示例中，第一电气子网络104包括电池108、用于电池108的隔离装置110以及另一电气设备112，而第二电气子网络106包括电动机114和另一电气设备116。电动机114例如用于驱动飞行器的螺旋桨(未示出)。
为了使得电气子网络104、106能够连接在一起，机构100还包括用于连接子网络的装置117。
可选地，电气网络102还可包括充电装置119以及连接系统121，充电装置119例如由一个或多个充电电阻器组成，连接系统121被设计为选择性地将充电装置119连接到电气子网络104、106中的一个或更多个电气子网络。例如，连接系统121包括将充电装置119分别连接到电气子网络中的至少一些电气子网络的开关。在所描述的示例中，连接系统121被设计为选择性地将充电装置119连接到所有子网络104、106，为此，连接系统121包括两个相应的开关。
机构100还包括形成飞行器的推进系统的涡轮发电机118
涡轮发电机118首先包括燃气涡轮120和用于向燃气涡轮120供应燃料的阀123。
涡轮发电机118还包括永磁发电机122，永磁发电机122被设计为由燃气涡轮120通过旋转轴124机械地驱动。发电机122可与冷却系统(未示出)相关联，例如对于低功率(通常小于100kW)，冷却系统是强制空气，而对于高功率，冷却系统是油。发电机122具有分别连接到电气子网络的相组。因此，在书写的示例中，发电机122包括分别连接到电气子网络104、106的两个相组126、128。每个相组126、128由发电机122的定子承载。每个相组126、128的相例如以星形或三角形布置。每一相通常包括绕组，绕组还被称为卷且被设计为具有流经绕组的相电流并具有相电压。
涡轮发电机118还包括系统129，系统129用于测量发电机122的运行参数，例如相电流、相电压、相温度和/或油温(在发电机122被油冷却的情况下)。
在所描述的示例中，电气子网络104、106使用直流电压，直流电压被称为HVDC(高压直流)，而每个相组126、128提供交流相电压。因此，涡轮发电机118包括用于每个相组126、128的交流-直流电压转换器130、132，电压转换器130、132被设计为将该相组126、128的相电压转换成相关联的电气子网络104、106的HVDC电压。
涡轮发电机118还包括用于每个相组126、128的隔离装置134、136，隔离装置134、136被设计为将相组126、128与其相关联的电气子网络104、106断开，从而隔离该电气子网络104、106。例如，每个隔离装置134、136包括机电接触器、热熔断器或固态功率控制器(SSPC)。
此外，涡轮发电机118包括速度传感器138，速度传感器138被设计为测量发电机122的旋转速度。例如，速度传感器128安装在旋转轴124上。
机构100还包括控制装置140。
在所描述的示例中，控制装置140首先包括特别是用于控制电压转换器130、132的单元142，单元142通常被称为发电机控制单元(GCU)。
控制装置140还包括特别是用于控制燃气涡轮120的单元144，单元144通常被称为电子发动机控制单元(EECU)或全权限数字发动机控制(FADEC)。
控制装置140还包括特别是用于控制电气网络102的单元146，单元146被称为推进系统的监控器。
在所描述的示例中，控制装置140的每个模块142、144、146包括计算机系统，计算机系统包括处理单元(例如微处理器)和存储器(例如主存储器)，计算机程序旨在被加载到该存储器中，计算机程序包含被设计为由处理单元执行的计算机程序指令。因此，由稍后将参照图2的方法描述的控制装置140实现的功能在计算机程序中描述的示例中以软件块的形式实现。在其他实施例中，模块142、144、146中的多个模块可组合成为单个计算机系统。
替代地，这些软件块中的全部或部分软件块可被实现为硬件块，即，以电子电路(例如微电缆)的形式实现，而不涉及计算机程序。
参照图2，现在将描述根据本发明的一个实施例的用于紧急关闭涡轮发电机118的方法200。
在步骤202中，GCU 142在相组126、128中的至少一个相组中检测到短路。在下文中，被检测到短路的每个相组126、128将被称为故障相组，而每个其他相组将被称为健康相组。换句话说，只要GCU 142没有在相组126、128中检测到短路，那么每个相组126、128就具有“健康”状态。
相组126、128中的短路最通常是由一个或多个绕组中的绝缘缺陷引起。这种短路导致在各相中流通的电流显著增加，导致定子各相的非常高的局部发热，而这可导致例如在电和/或热绝缘体中起火，和/或在油冷式发电机122的情况下导致油点燃。此外，由于每个相组的短路风险通常恒定，因此相组越多，总体风险就越大。
在实际的实施例中，GCU 142根据相电流、相电压和/或相温度的测量值来检测短路。GCU 142还可考虑油温的测量值，从而避免错误的短路检测(当油温测量值没有表明油的异常发热时)。
响应于检测到短路，实施以下步骤。
在步骤204中，GCU 142控制与每个故障相组相关联的隔离装置，以将该故障相组与其相关联的电气子网络断开。因此，使得该电气子网络与故障相组隔离。此外，GCU 142保持每个健康相组连接到其电气子网络，使每个其他隔离装置打开(闭合状态)。
例如，如果在图1所示的结构中，GCU 142在相组126中检测到短路，则获得如图3所示的以下情况：隔离装置134被激活为处于打开状态(隔离状态)，以将电气子网络104与故障相组126隔离，而隔离装置136保持处于闭合状态，以保持健康相组128连接到其电气子网络106。
返回到图2，在步骤206中，GCU 142监测由传感器138提供的发电机122的旋转速度的测量值，以检测在何时旋转速度低到足以将发电机122与电网102完全断开。为此，GCU142例如检测与所接收的旋转速度相关的预定条件是否实现。例如，该预定条件是旋转速度下降到预定阈值之下或变为零。
在步骤208中，在保持每个健康相组连接到其相关联的电气子网络一段时间之后，GCU 142通过控制与每个健康相组相关联的隔离装置以将该健康相组与其相关联的电气子网络断开，而使所有相组126、128与电气子网络104、106断开。
例如，考虑图3中的情况，其中在步骤204中故障相组126已经与电气子网络104隔离，则如图4所示，GCU 142在步骤208中通过控制隔离装置136处于打开状态(隔离状态)来断开健康相组128。
因此，在所描述的示例中，每个健康相组保持连接到其电气子网络的时间对应于发电机122的旋转速度达到预定条件所花费的时间。替代地，可省略步骤206，且保持时间可以是固定的预定时间。
返回到图2，与步骤204至步骤208并行，在步骤210中，GCU 142向FADEC144发送紧急关闭请求。
在步骤212中，响应于紧急关闭请求，FADEC 144控制燃气涡轮120关闭。为此，在所描述的示例中，FADEC 144控制燃料供应阀123关闭。
在所描述的示例中，在隔离电气子网络104、106中的一个或多个电气子网络的步骤204之后，在步骤215中调整电气网络102，以增加电气网络102从发电机122收集的电力。
例如，步骤215包括现在将描述的步骤216、217、218中的一个或多个。
在步骤216中，监控器146(例如，响应于来自GCU的紧急关闭请求)和/或GCU 142使得与健康相组相关联的电气子网络上的至少一个设备的充电增加，以增加从电气网络102收集到发电机122的电力。因此，如果一个或多个健康相组在紧急关闭程序之前未充满电，则步骤216具有进一步对这一个或多个健康相组进行充电以进一步制动发电机122的效果。
例如，为了增加电池108的充电，GCU 142增加电池108所属的电气子网络104的HVDC电压，使得HVDC电压变得足够高于电池108的电压，以对电池108施加显著的再充电电流。例如，通过适当地控制电池108所属的电气子网络104的电压转换器130来实现该电压增加。电压增加130优选地由GCU142计算，使得再充电电流保持在电池108的工作极限内，特别是低于最大允许再充电电流，且遵循电池108的最大充电电平。
同样，例如，为了增加电动机114的充电，监控器146控制电动机114以增加电动机114的旋转速度。替代地，监控器146控制电动机以产生无功电流。实际上，该无功电流在不改变电动机114的旋转速度的情况下使电动机114发热。因此，由电动机114消耗的附加电力在电动机114中作为热量被消耗。应理解，在另一实施例中，除了增加旋转速度之外，还可产生无功电流。
在步骤217中，例如在一个或多个健康相组已经充满电的情况下，特别是例如如果电池108已经充满电且不希望改变电动机114的充电以便不改变飞行的空气动力学，则使用充电装置119。由此连接系统119由控制装置140控制，以将充电装置119连接到与健康相组相关联的至少一个电气子网络，以便增加由该电气子网络收集的电力。
在图3所示的示例中，在步骤217中控制连接系统121以将充电装置119连接到与健康相组128相关联的电气子网络106。
返回到图2，在步骤218中，使用在步骤204中被隔离的至少一个电气子网络来增加从发电机122收集的电力。为此，监控器146控制连接装置117以将该隔离的电气子网络连接到与健康相组相关联的电气子网络。因此，该隔离的电气子网络通过健康相组连接到发电机122，且可以从发电机122收集电力。
在图3所示的示例中，连接装置117通过电气子网络106将隔离的电气子网络104连接到发电机122，从而可以从发电机122收集电力。
返回到图2，在可选的步骤220中，例如可通过与步骤216中描述的方式相同的方式增加先前被隔离的电气子网络中的设备的充电。
在图3所示的示例中，例如在该步骤220中增加电气子网络104的设备112、108的充电。
当设备从一个相组126、128切换到另一个相组时，可能需要采取预防措施，特别是对于电池108而言。因此，优选地，在步骤218之前，方法200还包括步骤222，在步骤222中，监控器146控制电池108的隔离装置110以将电池108与电气子网络104的其余部分隔离。因此，除了电池108之外的设备112可用于增加从发电机122收集的电力。
替代地，隔离装置110可由容纳装置来代替，使得电池108能够用于增加从发电机122收集的电力。
例如，容纳装置包括预充电电阻器，该预充电电阻器限制电池108的电流，直到电池108和电气子网络104的电压均衡。当电气子网络104连接到电气子网络106时，该预充电电阻器被临时连接，随后当电压均衡时，该预充电电阻器被断开。
替换地，容纳装置例如包括实现电池108和电气子网络104之间的电压适配的直流-直流电压转换器。在这种情况下，电压转换器通常存在且一直处于活跃状态。
显然，如上所述的结构和方法使得发电机能够在短时间内停止。
还应注意，本发明并不限于上述实施例。对于本领域技术人员来说实际上显而易见的是，根据以上公开的教导，可以对上述实施例进行各种修改。
特别地，发电机可包括两个以上相组，两个以上相组连接到尽可能多的电气子网络。
在本发明的前述详细介绍中，所使用的术语不应被解释为将本发明限制于本说明书中揭露的实施例，而是应被解释为包括本领域技术人员通过将他的公知常识应用于以上公开的教导的实现方式而能预期到的所有等同物。

Claims (10)

1.一种用于飞行器的机电结构(100)，包括：
-电气网络(102)，所述电气网络包括彼此电断开的电气子网络(104，106)，且每个电气子网络包括至少一个电气设备(108，112，114，116)；
-涡轮发电机(118)，包括：
·燃气涡轮(120)，
·永磁发电机(122)，所述永磁发电机被设计为由所述燃气涡轮(120)机械地驱动并具有分别连接到所述电气子网络(104，106)的相组(126，128)，以及
·用于每个相组(126，128)的隔离装置(134，136)，所述隔离装置适于将所述相组(126，128)与其相关联的电气子网络(104，106)断开；
-控制装置(140)，所述控制装置适于检测所述相组中的至少一个相组中的短路，被检测到短路的每个相组被称为故障相组，而每个其他相组被称为健康相组，且所述控制装置响应于检测到所述短路，一方面控制与每个故障相组(126，128)相关联的隔离装置(134，136)以将所述故障相组(126，128)与其相关联的电气子网络(104，106)断开，另一方面控制所述燃气涡轮(120)关闭；
其特征在于，所述控制装置(140)还被设计为响应于检测到所述短路，保持每个健康相组(126，128)连接到其电气子网络(104，106)。
2.根据权利要求1所述的结构(100)，其中，所述控制装置(140)被设计为在保持每个健康相组(126，128)连接到其电气子网络(104，106)一段时间之后，通过控制与每个健康相组(126，128)相关联的隔离装置(134，136)以将该健康相组(126，128)与其相关联的电气子网络(104，106)断开，而使所有相组(126，128)与所述电气子网络(104，106)断开。
3.根据权利要求2所述的结构(100)，其中，所述控制装置(140)被设计为接收所述发电机(122)的旋转速度的测量值，以检测与所接收的旋转速度相关的预定条件是否实现，所述预定条件例如是所述旋转速度下降到预定阈值之下，且所述控制装置(140)响应于检测到所述预定条件的实现，执行断开所述电气子网络(104，106)的所有相组(126，128)的步骤。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的结构(100)，其中，所述控制装置(140)被设计为响应于检测到所述短路，增加连接到一个或多个健康相组(126，128)中的一个健康相组上的电气子网络(104，106)的至少一个设备(108，112，114，116)的电力消耗。
5.根据权利要求4所述的结构(100)，其中，为了增加电池(108)的电力消耗，所述控制装置(140)被设计为增加由所述电池的电气子网络(104)施加到所述电池(108)的电压，从而使所述电池(108)再充电，和/或为了增加电动机(116)的电力消耗，所述控制装置(140)被设计为控制所述电动机(116)以增加所述电动机(116)的旋转速度和/或控制所述电动机(116)以使所述电动机(116)产生无功电流。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的结构(100)，还包括用于连接所述电气子网络(104，106)的装置(117)，其中，所述控制装置(140)被设计为响应于检测到所述短路，控制所述连接装置(117)以将与每个故障相组(126，128)相关联的电气子网络(104，106)连接到与一个或多个健康相组(126，128)中的一个健康相组相关联的电气子网络(104，106)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的结构(100)，还包括充电装置(119)和连接系统(121)，所述连接系统被设计为选择性地将所述充电装置(119)连接到所述电气子网络(104，106)中的一个或多个电气子网络，其中，所述控制装置(140)被设计为响应于检测到所述短路，将所述充电装置(119)连接到与健康相组(128)相关联的电气子网络(106)。
8.一种飞行器，所述飞行器包括根据权利要求1至7中任一项所述的结构(100)。
9.一种用于紧急关闭涡轮发电机(118)的方法(200)，所述涡轮发电机包括燃气涡轮(120)和永磁发电机(122)，所述永磁发电机被设计为由所述燃气涡轮(120)机械地驱动，所述方法(200)包括：
-检测(202)所述发电机(122)的至少一个相组(126，128)中的每个相组中的短路，所述相组(126，128)分别连接到电气网络(102)的电气子网络(104，106)，所述电气子网络(104，106)彼此电断开且每个电气子网络包括至少一个电气设备(108，112，114，116)，被检测到短路的每个相组(126，128)被称为故障相组，而每个其他相组(126，128)被称为健康相组；以及
-响应于检测到所述短路：
·将每个故障相组(126，128)与其相关联的电气子网络(104，106)断开(204)，以及
·关闭(212)所述燃气涡轮；
其特征在于，所述方法还包括：响应于检测到所述短路，保持(204)每个健康相组(126，128)连接到其电气子网络(104，106)。
10.一种能够从通信网络下载和/或存储在计算机可读介质上的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序包括指令，当所述程序在计算机上执行时，所述指令用于执行根据权利要求9所述的用于紧急关闭涡轮发电机(118)的方法(200)的步骤。
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