DE3220782A1

DE3220782A1 - Einrichtung zum optimieren des energiehaushaltes von flugzeugbetaetigungssystemen

Info

Publication number: DE3220782A1
Application number: DE19823220782
Authority: DE
Inventors: Hans 8012 Riemerling Heinke; Siegfried 8012 Ottobrunn Wagner
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1982-06-02
Filing date: 1982-06-02
Publication date: 1983-12-08
Also published as: DE3220782C2

Description

Einrichtung zum Optimieren des Energiehaushaites von
Flugzeugbetätigungssystemen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Optimieren des Energiehaushaltes von Flugzeugbetätigungssystemen, insbesondere für die Energiespeicherung und Rückgewinnung an Motorgeneratoren mit Energiespeicher, insbesondere Schwungrad, für die Betätigung von Flächen und anderen zu bewegenden Teilen des Flugzeuges.
Üblicherweise werden heute militärische und zivile Flugzeuge mittels Flugzeughydrauliksystemen versehen, 1 bei denen eine zentrale Hydraulikversorgung für alle mittels Hydraulik zu bewegenden und zu verstellenden Einrichtungen des Flugzeuges vorgesehen ist. Diese zentrale Flugzeughydraulik wird über von den Triebwerken des Flugzeuges abgenommene Leistung mit der nötigen Energie versorgt. Kennzeichnend für die herkömmlichen Flugzeughydrauliksysteme ist konstanter Druck während der gesamten Betriebszeit, wobei der Durchfluß bestimmt wird durch die verschiedenen Laufgeschwindigkeitsanforderungen der spezifischen Verbraucher. Als typische Verbraucher ist hierbei an die Antriebssysteme von zu verstellenden Steuerflächen des Flugzeuges wie Quer-, Seiten- und Höhenrudersteuerflächen gedacht, daneben aber selbstverständlich auch an alle anderen mittels der Hydraulik zu bewegenden Teile.
Bei vorgebenen Systemdruck ist die maximale Summe der verschiedenen Durchflunkombinationen entscheidend für die zu installierende hydraulische Leistung. Diese Leistung wird, wie bereits erwähnt, von den Triebwerken des Flugzeuges bereitgestellt. Nachteilig bei diesem bekannten Stand der Technik wirkt sich aus, daß bei geringerer Leistungsforderung als der ständig bereitgestellten Maximalforderung die überschüssige Energie an Drosselstellen in Wärme umgewandelt werden muß. Die hierdurch bedingte Energieverschwendung wird noch dadurch verschlimmert, daß unterstützende Lasten, wie sie etwa beim Einfahren von fast allen Steuerklappen entstehen, nicht etwa die Energiebilanz verbessern helfen, sondern es zu zusätzlicher Energieumwandlung in Wärme an den Drosselstellen kommt. Diese Situation, auch "Aiding Load-Fall" genannt, kommt bei fast allen Steuerklappen dann vor, wenn von einer ausgelenkten Stellung wieder auf Nullstellung gefahren wird, mithin nahezu bei der Hälfte aller Betätigungen. Eine weitere Energieverschwendung liegt schließlich auch darin, daß das schnelle Ausfahren der Landeklappen, bedingt durch die Anwendung der Landeklappen für Flugmanöverfälle, heute weit verbreitet ist. Für den Landefall würde auch die doppelte Ausfahrzeit ausreichend seinj was zu einer nahezu 50 %-igen Energieersparung führen würde.
Nicht nur bei modernen Kampfflugzeugen der nächsten Generation, sondern auch bei den Zivilflugzeugen der nächsten Generation wird von den Steuçrflächen tatsächlich aber eine bedeutend höhere Laufgeschwindigkeit und Betäti-gung bei höheren Lasten verlangt werden. Außerdem werden bei zukünftigen Flugzeugkonfigurationen die Auftriebssteuerflächen gleichrangig zu den Quer-, Seiten- und Höhenrudersteuerflächen benötigt, so daß das jetzt gebräuchliche Abschalten dieer Steuertlächen vom Energiefluß mittels Prioritätsschaltungen nicht mehr in Betracht kommt. Wollte man daher die Anforderungen an moderne Flugzeuge der nächsten Generation mit den herkömmlichen Hydrauliksystemen rfllen, so müßte dies zwangsweise zu der Forderung nach Bereitstellung von mehr Energie führen, was jedoch wegen der Möglichkeiten der Bereitstellung von Energie von den Triebwerken zu einer widersprilchlichen Forderung führt.
Neben dem Problem der Energieverschwendung bei jetzigen und ohne Änderung der jetzigen Philosophie auch bei künftigen Flugzeugen, die hydraulische Systeme verwenden, stellt sich das Problem, wie unter Verwendung der grundsätzlichen Elemente von Flugzeugen, elin vollelektrisches Flugzeug realisiert werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, nicht nur die Ehergieverschwendung bei herkömmlichen hydraulischen Systemen zu beenden, darüber hinaus soll die Einrichtung der eingangs genannten Art ganz allgemein, d.h.
vor allem auch bei vollelektrischen Flugzeugen der kommenden Generation in der Lage sein, die Energiehaushalte von Flugzeugbetätigungssystemen zu optimieren.
Diese Aufgabe ist gelöst durch ein aus zwei variablen Motorgeneratoren bestehendes Antriebssystem, bei dem beide Motorgeneratoren so miteinander verbunden sind, daß ein korrespondierender Betrieb als otor bzw. Generator möglich ist, und eine Regelung, mit deren Hilfe die variablen Motorgeneratoren so regelbar sind, daß die abgegebene Leistung der geforderten entspricht, wobei der eine Motorgenerator das System betätigt und der andere Motorgenerator mit dem Energiespeicher verbunden ist.
Die auf den ersten Blick verblüffend einfach anmutende Erfindung bedeutet im wesentlichen eine radikale Abkehr von der bisherigen Energieverschwendung, da nicht mehr das Konstant-Druck-Prinzip heutiger Flugzeuge angewendet wird, sondern eine Einrichtung beschrieben wird, die es ermöglicht durch entsprechende Regelung die abgegebene Leistung genau der geforderten anzupassen. Hieraus folgt, daß Verlustenergie, welche durch Drosselstellen abgebaut werden müßte, weitestgehend vermieden wird und damit auch die Leistungsforderung an die Triebwerke verringert oder allenfalls unterproportional zu steigern ist. Leistungsspitzen werden durch Energiespeicherung abgedeckt. Als äußerst effizienter Speicher ist hierbei vor allen Dingen an ein Schwungrad gedacht, welches für diesen Zweck sattsam bekannt ist. Nach den Erfahrungen mit Flugzeughydrauliksystemen aber auch nach dem zu erwartenden Anforderungen an vollelektrische Flugzeuge darf davon ausgegangen werden, daß bei etwa 80 % aller Betätigungen von Flugzeugbetätigungssystemen nur etwa 20 % der installierten Leistung erforderlich sind. Wenn außerdem noch die Ruhezeiten in Betracht gezogen werden, mithin jene Zeiten, in denen eine Betätigung nicht vorgenommen wird, so kann davon ausgegangen werden, daß bei geringer Leistungsforderung der Energiespeicher ständig nur so weit gefüllt werden muß, daß mehrere Betätigungen vom Speicher aus betrieben werden können.
Im wesentlichen liegen also die Vorteile darin, daß eine erhebliche Gewichtsersparnis eintritt, weil entweder die hydraulischen Energieversorgungssysteme nur für kleine konstante Leistung ausgelegt werden müssen oder aber diese vollkommen durch die elektrische Energieversorgung ersetzt werden können. Daraus resultiert eine wesentlich geringere oder unterproportionale Zunahme der Energieabnahme am Triebwerk und sehliel31ich die Möglichkeit der Energierückgewinnung in den Fällen, in denen eine Zusatzlast wie sie beim Einfahren von Steuerflächen entsteht für den Antrieb des Energiespeichers ausgenutzt wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Diese Erfindung ist anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen Fig. 1 das Blockschaltbild für eine Energiespeicherung mit bedarfsgeregelten Antrieb einer Flugzeugsteuerfläche, Fig. 2 ein Blockschaltbild für die Energiezufuhr mittels Elektromotor, Fig. 3 ein Blockschaltbild für die Schaltung bei Notfällen, Fig. -4 einen Verstellplan für eine hydraulische Motorpumpe zur Erzeugung einer Drehrichtungsänderung an der Stellfläche eines Flugzeuges.
In der folgenden Erläuterung der Erfindung ist für das bessere Verständnis ausgehend vom Stand der Technik, wonach zentrale Hydrauliksysteme heute noch die Flugzeugtechnik beherrschen, die Erfindung bei hydraulischen Systemen näher dargestellt werden. Es bedarf keiner näheren Erläuterung, daß die elektrischen Äquivalente für die hydraulischen Bauteile dem Durchschnittsfachmann ohne weiteres bekannt sind, er mithin selbstverständlich in der Lage ist, beispielsweise statt der noch näher zu erläuternden hydraulischen Motorpumpen elektrische Motorgeneratoren zu verwenden und diese in Aquivalenz zu den Anweisungen für die Stuerung der hydraulischen Systeme ausztlregeln.
Fig. 1 gibt einen Gesamtüberblick für die Energiespeicherung mit bedarfgeregeltem Antrieb eier Steuerfläche 4 eines nicht näher dargestellten Flugzeuges. Ein solches Antriebssystem 10 besteht im wesentlichen aus einer variablen hydraulischen Motorpumpe 1 und einer weiteren variablen hydraulischen Motorpumpe 2, welche mit einem Energiespeicher, hier einem Schwungrad 3 verbunden ist. Eine Regelung 5 erfaßt die Drehzahl n1 der Steuerfläche 4, sowie die Drehzahl n2 des Schwungrades 3. Außerdem ist die Regelung 5 mit den variablen Motorpumpen 1, 2 verbunden. Ein Steuerventil 6 - ebenfalls über die Regelung 5 verstellbar - dient in noch näher zu erläuternder Weise dem Betrieb des Antriebssystems 10.
Bei der Regelung gilt die Drehzahl nl für die zu verstellende Steuerfläche 4 als Vorgabe - dies entspricht der Laufgeschwindigkeit der Steuerfläche 4 -das führt dazu, daß die variable Motorpumpe 1 so verstellt wird, daß entsprechend dem hydraulischen Fluß zwischen den beiden variablen Motorpumpen 1, 2 die geforderte Drehzahl n1 erreicht wird. Reicht der hyhydraulische Durchfluß nicht aus, so wird durch Verstellung der variablen Motorpumpe 2 die Forderung nach Drehzahl n erfüllt.
Unter Verwendung des Schwungrades 3 muß entsprechend der Energieabnahme die Drehzahl n2 ständig nachgeregett werden, um die Forderung nach der Drehzahl n1 zu genügen. Durch die ständige Überwachung der beiden Drehzahlen n1, n2 und der damit verbundenen ständi gen Nachregeltlng der beiden variablen hydraulischen Mt>t<rpumpen t , 2 wird sichergestellt, daß dem Schwungrad 3 nur soviel Energie abverLangt wird, wie zur Bewegung der Steuerflächen 4 mit der geforderten Drehzahl n1 notwendig ist.
Es wird vcrständlich, daß bei Ubereinstimmung der Drehrichtung n1 mit der aerodynamischen Lastrichtung - also unterstützende Lastrichtung (aiding toad! -durch weitere Kontrolle der Drehzahl n1 die variable Motorpumpe l zum treibenden Teil wird und über die variable Motorpumpe 2 das Schwungrad 3 wieder auflädt. Bei diesem Lastrichtungswechsel ist keine Jochumkehr der beiden variablen Motorpumpen notwendig.
Daraus wird ersichtlich, daß bei diesem Betrieb eine Energierückgewinnung erreichbar ist.
Mittels des gezeigten Steuerventiles 6 lassen sich weitere Möglichkeiten realisieren. ZlFm besse-ren Verständnis sei in diesem Zusammenhang auch auf die Fig. 4 hingewiesen, in welcher schematisch der jeweilige Betrieb als Motor oder Pumpe entsprechend der Verstellung der variablen Motorpumpe 1 oder 2 dargestellt ist. Ausgehend von einer Pumpe mit Jochansteuerung - es kann selbstverständlich genauso gut jeder andere Möglichkeit der Ansteuerung einer variablen hydraul-ischen Motorpumpe gewählt werden - ist in Fig. 4 mit + α auf der Ordinate die Stellung des Jochs dargestellt. Auf der Absizze ist mit +Q die Fördermenge hydraulischer Flüssigkeit aufgetragen.
Im ersten und vierten Quadranten ergibt sich der Betrieb als Pumpe, hingegen im zweiten und dritten Quadranten als Motor. Zur Erzeugung der entsprechenden hydraulischen Strömungsrichtungen dient wie bereits angedeutet, das Steuerventil 6 mit den gezeigten verschiedenen Stellmöglichkeiten. Befindet sich das Steuerventil 6 in der Stellung C, so wird während der Ruhepausen der variablen Motorpumpe 1, mithin bei Drehzahl nl = 0 das Schwungrad 3 wieder auEgeladen. Sür diesen Ladevorgang wird der maximale Systemd 6k ad:Rgëutzt, jedoch kann der hydraulische Durchf1t1,4h. die Systemleistung niedrig gehalten wer-* das Schwungrad 3 geladen, so wird das Steuerventil 6 auf die Stellung B - in der es sich in der Darstellung Fig. 1 befindet - geschaltet.
Hierdurch wird sichergestellt, daß in dem System auftretende Leckverluste über die Rücklaufdruckleitung ausgeglichen werden können. Befindet sich das Steuerventil 6 in der Stellung A, so wird erreicht, daß in dieser Stellung vom Hydrauliksystem aus die variable Motorpumpe 1 angetrieben werden kann. Dies ist etwa in den Fällen nötig, in denen das Schwungrad 3 keine Energie mehr gespeichert hat oder aus anderen Gründen ausgefallen ist.
Ergänzend sei angemerkt, daß die Hydraulikversorgung über die Leitungen P, R erfolgt.
In Fig. 2 ist in vereinfachter Form dargestellt, wie ein Elektromotor 8 für die Energiezufuhr zu dem Schwungrad 3 eingesetzt werden kann. Aus Gründen der Überschaubarkeit sind in dieser Figur, wie auch in der Fig. 3 für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen gewählt.
Durch den Einsatz des Elektromotores 8 ist es möglich, auch mit kleiner Energiezufuhr eine große Energieabgabe sicherzustellen.
In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung enthalten zur Abdeckung von Notfällen. Dies können sein, Ausfall des Schwungrades 3 oder Ausfall der variablen Motorpumpe t und/oder der variablen Motorpumpe 2. Eiir den Ausfall des .Schwungrades 3 ist vorgesellels ditsses iiber eine Kupplung K2 zu entkuppeln und einen Elektromotor 9 die variable Motorpumpe 2 treiben zu lassen. Für den Ausfall der variablen Motorpumpe 1 und/oder der variablen Motorpume 2 wird ebenfalls über die Kupplung K entkuppelt und über eine weitere Kupplung K1 eingekuppelt. Der Elektromotor 9 treibt in diesem Fall über die Kupplung K1 und über ein Getriebe 11 direkt die Steuerfläche 4.

Claims

Einrichtung zum Optimieren des Energiehaushaltes von Flugzeugbetätigungss,ystemen P a t e n t a n 5 p r Li c h e 1. Einrichtung zum Optimieren des Energiehaushaltes von Flugzeugbetätigungssystemen, insbesondere für die Energiespeicherung und Rückgewinnung an Motorgeneratoren mit Energiespeicher, insbesondere Schwungrad, für die Betätigung von Flächen und anderen zu bewegenden Teilen des Flugzeugs, g e -k e n n z -e i c h n e t durch ein aus zwei variablen Motorgeneratoren (1, 2 ! bestehendes Antriebssystem (10), bei dem beide Motorgeneratoren (1, 2) so mi-teinander verbunden sind daß ein Betrieb als Motor bzw. Generator möglich ist, und eine Regelung (5), mit deren Hilfe die variablen Motorgeneratoren (1, 2) so regelbar sind, dal3 die abgegebene Leistung der geforderten entspricht, wobei der eine Motorgenerator (1) das System- (4) betätigt und der andere Motorgenerator (2) mit dem Energiespeicher (3) verbunden ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Energiespeicher (3) über einen Elektromotor (8) geladen wird.
3. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Motorgeneratoren (1, 2) hydraulische Motorpumpen sind.
A. Einrichtung nach Anspruch 3 für Flugzeuge mit zentraler Hydraulikversorgung, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß mittels der zentralen Flugzeughydraulikversorgung (P, R) über ein Steuerventil (6) das Laden des Energiespeichers (3) vornehmbar ist und die Betätigung des Systems (4) durch den Energiespeicher (3) erfolgt.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Steuerventil (6) mehrere Schaltstellungen (A, B, C) aufweist, und daß mittels der Regelung (5) der Systemdruck der zentralen Flugzeughydraulikversorgung (P, R) geschaltet werden kann a) für das Laden des Energiespeichers (3), Stellung C des Steuerventils (6) b) zum ausgleichen von Leckverlusten, Stellung B des Steuerventils (6) c) zum Antrieb des das System () bewegenden'Motorgenerators (1, hydraulische Motorpumpe), Stellung A des Steuerventils (6).