RU2789737C1 - Hybrid helicopter drive system - Google Patents
Hybrid helicopter drive system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2789737C1 RU2789737C1 RU2022120430A RU2022120430A RU2789737C1 RU 2789737 C1 RU2789737 C1 RU 2789737C1 RU 2022120430 A RU2022120430 A RU 2022120430A RU 2022120430 A RU2022120430 A RU 2022120430A RU 2789737 C1 RU2789737 C1 RU 2789737C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- internal combustion
- combustion engine
- control system
- main shaft
- rotation
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к гибридной системе привода с системами управления и главным валом вертолета с несущим винтом, соединенным с редуктором, которая может стабилизировать заданный пилотом режим полета, содержащей органы управления пилота, двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигатель (ЭД), оба из которых воздействуют непосредственно на главный вал (3). ДВС соединен с системой управления ДВС, которая может регулировать подачу топлива из топливного бака к ДВС, чтобы обеспечить требуемую движущую силу на главном валу, а ЭД соединен с системой управления ЭД, которая посредством разряда батареи может приводить в действие ЭД или заряжать батарею благодаря механической мощности, создаваемой ЭД, в результате чего главный вал либо приводится в движение, либо, соответственно, тормозится. Изобретение также относится к способу эксплуатации такой гибридной системы привода.The invention relates to a hybrid drive system with control systems and the main shaft of a helicopter with a main rotor connected to a gearbox that can stabilize a flight mode specified by a pilot, comprising pilot controls, an internal combustion engine (ICE) and an electric motor (EM), both of which act directly onto the main shaft (3). The ICE is connected to the ICE control system, which can regulate the fuel supply from the fuel tank to the ICE to provide the required driving force on the main shaft, and the EM is connected to the EM control system, which, by discharging the battery, can drive the EM or charge the battery due to mechanical power generated by the EM, as a result of which the main shaft is either set in motion or, accordingly, braked. The invention also relates to a method for operating such a hybrid drive system.
Уровень техникиState of the art
Как и в автомобильной промышленности, для вертолетов также известен привод с дополнительным электродвигателем, в частности с гибридным приводом.As in the automotive industry, a drive with an additional electric motor is also known for helicopters, in particular with a hybrid drive.
Система, аналогичная системе, описанной выше, известна из US 2017/0225573 A1. Она включает в себя двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель, расположенный между двигателем внутреннего сгорания и редуктором несущего винта. То же самое относится и к US 2018/0354635 A1. В указанном документе описывается способ регулирования посредством различных компьютерных систем распределения между двигателем внутреннего сгорания и электродвигателем.A system similar to that described above is known from US 2017/0225573 A1. It includes an internal combustion engine and an electric motor located between the internal combustion engine and the main rotor gearbox. The same applies to US 2018/0354635 A1. The indicated document describes the method of regulation through various computer distribution systems between the internal combustion engine and the electric motor.
ИЗ EP 3162713 известна еще одна гибридная система, приводящая в движение вертолет при помощи электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания. Цель регулирования, описанного в указанном документе, состоит в поглощении пиков мощности посредством электродвигателя, так что двигатель внутреннего сгорания по возможности эксплуатируется в режиме "устойчивого состояния", также известном как "скользящая средняя мощность". Для достижения этого используемый управляющий сигнал разделяется на высокочастотную и низкочастотную составляющую сигнала, причем более быстрый высокочастотный сигнал передается в электродвигатель, а более медленный низкочастотный сигнал - в двигатель внутреннего сгорания. Таким образом, быстрые изменения берет на себя электродвигатель, в то время как двигатель внутреннего сгорания должен брать на себя изменения мощности только медленно, так сказать, "демпфировано". Недостаток указанного разделения заключается в снижении безопасности в случае отказа одного из двигателей. Поскольку ни один из указанных двигателей не получает весь сигнал, оставшийся двигатель не может сам по себе взять на себя выполнение полетных требований. Дополнительная система контроля должна обнаруживать отказ двигателя и немедленно обеспечивать прием оставшимся двигателем всего сигнала. Любая необходимая дополнительная система управления или контроля опять же представляет собой риск для безопасности полета.From EP 3162713 another hybrid system is known which propels a helicopter with an electric motor and an internal combustion engine. The purpose of the regulation described in said document is to absorb power peaks by means of the electric motor, so that the internal combustion engine is operated as far as possible in the "steady state" mode, also known as "moving average power". To achieve this, the control signal used is split into a high frequency and a low frequency signal component, with the faster high frequency signal being transmitted to the electric motor and the slower low frequency signal to the internal combustion engine. Thus, the electric motor takes over the rapid changes, while the internal combustion engine only has to take over the power changes slowly, so to speak, "damped". The disadvantage of this separation is to reduce safety in the event of failure of one of the engines. Since none of these engines receives the entire signal, the remaining engine cannot take over the flight requirements on its own. An additional monitoring system should detect engine failure and immediately ensure that the remaining engine receives the entire signal. Any additional command or control system required is again a risk to flight safety.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Задача настоящего изобретения состоит в описании гибридной системы привода, посредством которой может быть обеспечена как можно более безопасная эксплуатация вертолета. Еще одна задача изобретения заключается в предложении способа, согласно которому может быть осуществлена указанная безопасная эксплуатация. Кроме того, безопасная эксплуатация должна быть обеспечена при минимальном расходе топлива.The object of the present invention is to describe a hybrid drive system by which the operation of a helicopter can be made as safe as possible. Another object of the invention is to propose a method according to which said safe operation can be carried out. In addition, safe operation should be provided with a minimum fuel consumption.
Указанные задачи решаются благодаря признакам первых пунктов формулы изобретения соответствующих категорий. Дополнительные предпочтительные варианты осуществления описаны в зависимых пунктах.These problems are solved thanks to the signs of the first points of the formula for the invention of the corresponding categories. Additional preferred embodiments are described in the dependent claims.
Согласно изобретению в гибридной системе привода на главном валу расположено по меньшей мере по одному датчику крутящего момента и одному тахометру, причем как система управления ДВС, так и система управления ЭД при эксплуатации могут получать значения текущей частоты DZ вращения и текущего крутящего момента DM.According to the invention, in the hybrid drive system, at least one torque sensor and one tachometer are located on the main shaft, and both the internal combustion engine control system and the EM control system during operation can receive the values of the current rotation frequency DZ and the current torque DM.
Кроме того, в памяти хранятся заданные значения частоты DZ0 вращения и крутящего момента DM0, при которых обеспечивается оптимальный коэффициент полезного действия ДВС. Указанные значения могут быть запрошены системой управления ЭД, причем первое из указанных значений - DZ0 - может быть запрошено также для системы управления ДВС.In addition, the memory stores the specified values of the rotation frequency DZ 0 and torque DM 0 , which provide the optimum efficiency of the internal combustion engine. The indicated values can be requested by the EM control system, and the first of the indicated values - DZ 0 - can also be requested for the internal combustion engine control system.
Система управления ДВС посредством согласования мощности ДВС в любой момент времени может независимо достигнуть и стабилизировать заданную частоту DZ0 вращения главного вала, что позволяет стабилизировать любой режим полета, заданный органами управления пилота. Кроме того, система управления ЭД посредством применения ЭД может дополнительно приводить в движение или тормозить главный вал, в результате чего изменяется частота DZ вращения, а система управления ДВС автоматически согласует мощность ДВС, чтобы снова достичь и поддерживать заданную частоту DZ0 вращения главного вала.The control system of the internal combustion engine by matching the power of the internal combustion engine at any time can independently reach and stabilize the given frequency DZ 0 of rotation of the main shaft, which makes it possible to stabilize any flight mode set by the pilot's controls. In addition, the EM control system, through the use of the EM, can additionally drive or brake the main shaft, as a result of which the rotation frequency DZ changes, and the ICE control system automatically adjusts the ICE power in order to again achieve and maintain the specified main shaft rotation frequency DZ 0 .
В системе управления ЭД хранится первая директива, согласно которой ЭД всегда должен воздействовать на главный вал с такой движущей или тормозной силой, которая приводит к тому, что ДВС, если он достиг или, соответственно, поддерживает оптимальную частоту DZ0 вращения главного вала, автоматически создает на главном валу крутящий момент DM0, при котором ДВС достигает оптимальной мощности двигателя.The first directive is stored in the EM control system, according to which the EM must always act on the main shaft with such a driving or braking force, which leads to the fact that the internal combustion engine, if it has reached or, accordingly, maintains the optimal frequency DZ 0 of rotation of the main shaft, automatically creates on the main shaft torque DM 0 at which the internal combustion engine reaches the optimum engine power.
Предпочтительно ЭД расположен между ДВС и редуктором несущего винта 1. Частота DZ вращения может быть измерена в любом месте главного вала, она везде одинакова. По меньшей мере один из датчиков вращающего момента должен быть расположен между ДВС и ЭД, чтобы определять нагрузку ДВС на главном валу. Другие датчики вращающего момента могут быть расположены между ЭД и редуктором, чтобы определять общую нагрузку на главном валу. Однако определяющим для регулирования системы управления ЭД в первую очередь является датчик вращающего момента между ДВС и ЭД, поскольку он показывает мощность ДВС, который согласно первой директиве должен работать с максимальным коэффициентом полезного действия.Preferably, the EM is located between the internal combustion engine and the
Между органами управления пилота и системой управления ДВС может быть выполнена прямая линия передачи сигналов данных, используемая для взлета и посадки вертолета. На указанных этапах первая директива применяться не должна. Косвенная связь всегда существует благодаря режиму полета вертолета. Если пилот устанавливает больший угол установки лопастей несущего винта, чтобы увеличить высоту, вследствие более высокой нагрузки частота DZ вращения главного вала сразу же падает, после чего в нормальном режиме потребность в мощности устанавливается в соответствии с первой директивой.Between the pilot's controls and the internal combustion engine control system, a direct data signal transmission line can be made, used for takeoff and landing of the helicopter. At these stages, the first directive should not be applied. Indirect communication always exists due to the helicopter flight mode. If the pilot sets the main rotor blade angle higher to increase the height, due to the higher load, the main shaft speed DZ immediately drops, after which, in the normal mode, the power demand is set according to the first directive.
Дополнительно на топливном баке может быть расположен указатель уровня, а на батарее - указатель степени заряженности батареи, которые при эксплуатации могут передавать свои данные измерений в систему управления ЭД. Посредством вычислительного блока могут быть рассчитаны соответствующие пока еще имеющиеся в распоряжении энергии. В случае необходимости система управления ЭД может действовать в соответствии со второй директивой, отличающейся от первой директивы. Цель второй директивы может состоять в защите батареи от перезарядки и недозарядки, экономии топлива и/или периодической эксплуатации ДВС с более низкой мощностью для снижения выбросов.Additionally, a level indicator can be located on the fuel tank, and on the battery - an indicator of the degree of battery charge, which, during operation, can transmit their measurement data to the ED control system. By means of the calculation unit, the respective still available energies can be calculated. If necessary, the ED management system can act in accordance with the second directive, which differs from the first directive. The purpose of the second directive may be to protect the battery from overcharging and undercharging, to save fuel and/or to periodically operate the internal combustion engine at lower power to reduce emissions.
Является важным, чтобы система управления ДВС вместе с ДВС в любое время могла независимо достичь необходимой частоты DZ вращения главного вала, чтобы достичь или, соответственно, стабилизировать режим полета, заданный органами управления пилота. Это означает, что вертолет с его ДВС может быть дооснащен ЭД и системой управления ЭД без необходимости вмешательства в существующую систему управления ДВС. Следствием этого является то, что в случае неисправности системы, когда отказывает ЭД и/или система управления ЭД, вертолетом можно нормально управлять только с ДВС.It is important that the ICE management system, together with the internal combustion engine at any time, can independently achieve the necessary frequency of DZ of the main shaft rotation in order to achieve or, accordingly, stabilize the flight mode set by the pilot management. This means that the helicopter with its ICE can be retrofitted with an EM and an EM control system without the need to interfere with the existing ICE control system. The consequence of this is that in the event of a system malfunction, when the EM and/or the EM control system fails, the helicopter can be normally controlled only from the internal combustion engine.
Предлагаемый изобретением способ эксплуатации гибридной системы привода для главного вала вертолета обеспечивает требуемый пилотом режим полета путем применения предлагаемой изобретением гибридной системы привода с системами управления. Указанный способ выполняет следующие этапы.The method of operation of the hybrid drive system for the main shaft of the helicopter, proposed by the invention, provides the flight mode required by the pilot by applying the invention of the hybrid drive system with control systems. This method performs the following steps.
Текущие значения частоты DZ вращения и крутящего момента DM непрерывно измеряют на главном валу и передают как в систему управления ЭД, так и в систему управления ДВС. Заданные значения частоты DZ0 вращения и крутящего момента DM0 хранятся в памяти, причем системой управления ЭД могут быть запрошены оба значения DZ0, DM0, а системой управления ДВС может быть запрошена по меньшей мере частота DZ0 вращения. Обе системы управления постоянно определяют отклонения измеренных значений DZ, DM от известных им заданных значений DZ0, DM0.The current values of rotation frequency DZ and torque DM are continuously measured on the main shaft and transmitted both to the EM control system and to the internal combustion engine control system. The specified values of rotation frequency DZ 0 and torque DM 0 are stored in memory, and both values DZ 0 , DM 0 can be requested by the EM control system, and at least the rotation frequency DZ 0 can be requested by the internal combustion engine control system. Both control systems constantly determine the deviations of the measured values DZ, DM from the set values DZ 0 , DM 0 known to them.
Как только пилот посредством органов управления пилота создает измененную потребность в мощности на главном валу, чтобы достичь требуемого режима полета, это также вызывает изменение частоты DZ вращения главного вала. На основе отклонения текущей частоты DZ вращения от заданной частоты DZ0 вращения система управления ДВС медленно изменяет мощность ДВС таким образом, что снова достигается заданная частота DZ0 вращения.As soon as the pilot, through the pilot's controls, creates a changed power demand on the main shaft in order to achieve the required flight mode, this also causes a change in the main shaft speed DZ. On the basis of the deviation of the current speed DZ from the set speed DZ 0 , the ICE control system slowly changes the power of the ICE so that the set speed DZ 0 is reached again.
Точнее это поясняется в следующем примере. Система управления ДВС настроена таким образом, что ДВС всегда создает нагрузку, позволяющую достичь и стабилизировать оптимальную частоту DZ0 вращения. Если пилот регулирует лопасти несущего винта для увеличения высоты, то это приводит к понижению частоты DZ вращения. ДВС реагирует на указанное понижение частоты DZ вращения увеличенной мощностью, и создаваемый им крутящий момент DM повышается. Это в свою очередь приводит к тому, что частота DZ вращения повышается. Как только частота вращения снова достигает заданного значения DZ0 и стабилизируется, у системы управления ДВС уже нет причин для изменения мощности двигателя. ДВС продолжает работать без изменений, но с более высоким крутящим моментом DM, чем перед регулировкой лопастей несущего винта. При снижении вертолета соответственно происходит противоположное, и крутящий момент DM, создаваемый ДВС, падает.This is explained more precisely in the following example. The internal combustion engine control system is configured in such a way that the internal combustion engine always creates a load that allows reaching and stabilizing the optimal speed DZ 0 of rotation. If the pilot adjusts the rotor blades to increase the altitude, then this results in a decrease in the rotational speed DZ. The internal combustion engine responds to said reduction in speed DZ with increased power and the torque DM generated by it is increased. This in turn causes the rotational speed DZ to increase. As soon as the engine speed reaches the setpoint DZ 0 again and stabilizes, there is no reason for the internal combustion engine control system to change the engine power. The ICE continues to operate unchanged, but with a higher torque DM than before the adjustment of the main rotor blades. As the helicopter descends, the opposite happens accordingly, and the torque DM generated by the internal combustion engine drops.
Однако в предлагаемом изобретением способе с гибридной системой привода в действие согласно своей первой директиве вступает система управления ЭД. На основе отклонения текущих значений частоты DZ вращения и/или крутящего момента DM от соответствующих заданных значений DZ0, DM0 она более быстрым образом, чем ДВС, изменяет мощность ЭД таким образом, что ДВС после регулирования своей мощности до достижения заданной частоты DZ0 вращения создает заданный крутящий момент DM0, при котором он достигает оптимального коэффициента полезного действия. Система управления ЭД достигает этого посредством того, что она либо благодаря механической мощности ЭД заряжает батарею, либо приводит в действие ЭД посредством заряда в батарее.However, in the method according to the invention with a hybrid drive system, the EM control system comes into action according to its first directive. Based on the deviation of the current values of the speed DZ of rotation and/or torque DM from the corresponding preset values DZ 0 , DM 0 it changes the power of the electric motor in a faster way than the internal combustion engine in such a way that the internal combustion engine, after adjusting its power, until reaching the set rotation frequency DZ 0 creates a given torque DM 0 at which it reaches the optimum efficiency. The EM control system achieves this by either charging the battery due to the mechanical power of the EM or actuating the EM by means of a charge in the battery.
Таким образом, в названном выше примере в действие также вступает система управления ЭД. Заданные значения частоты DZ0 вращения и крутящего момента DM0 ей известны, а соответствующие отличия от текущих значений DZ, DM она может определить на основе переданных ей измеренных значений.Thus, in the above example, the ED control system also comes into play. It knows the setpoints for speed DZ 0 and torque DM 0 and can determine corresponding differences from the current values DZ, DM on the basis of the measured values transmitted to it.
Сначала система управления ЭД работает по своей первой директиве. Таким образом, если пилот регулирует лопасти несущего винта для увеличения высоты, сначала частота вращения падает, как описано выше. Однако прежде чем ДВС увеличит свою мощность благодаря увеличению крутящего момента, ЭД, реагирующий значительно быстрее, создает дополнительную требуемую нагрузку, так что снова немедленно достигается требуемая частота DZ0 вращения. Система управления ДВС, также постоянно контролирующая частоту вращения, в лучшем случае воспринимает кратковременное, незначительное отклонение заданной частоты DZ0 вращения, немедленно компенсируемое ЭД, поскольку ЭД сразу же создает необходимую для этого нагрузку. Вследствие большего времени реагирования ДВС он не увеличивает свою мощность, а сохраняет свой первоначально созданный крутящий момент DM.First, the ED control system works according to its first directive. Thus, if the pilot adjusts the rotor blades to increase altitude, the RPM first drops as described above. However, before the internal combustion engine increases its power due to the increase in torque, the EM, which reacts much faster, creates an additional required load, so that the required speed DZ 0 of rotation is immediately reached again. The internal combustion engine control system, which also constantly monitors the speed, at best perceives a short-term, slight deviation of the set speed DZ 0 of rotation, which is immediately compensated by the EM, since the EM immediately creates the necessary load for this. Due to the longer response time of the internal combustion engine, it does not increase its power, but retains its originally created torque DM.
То же самое происходит при полете со снижением, когда пилот уменьшает угол установки лопастей несущего винта. Батарея ЭД заряжается посредством того, что ЭД тормозит главный вал, прежде чем ДВС сможет компенсировать увеличение частоты вращения и понизить создаваемую им мощность.The same thing happens in descent flight when the pilot decreases the angle of the rotor blades. The battery ED is charged by the fact that Ed inhibits the main shaft before the ICE can compensate for the increase in the speed and lower the power created by them.
Поэтому указанная первая директива системы управления ЭД, с одной стороны, регулирует и стабилизирует частоту DZ0 вращения главного вала посредством того, что она соответствующим образом управляет ЭД. Тем самым она предотвращает изменение нагрузки ДВС, его крутящий момент остается постоянным. Это является желательным, пока указанный крутящий момент соответствует заданному крутящему моменту DM0. Пока это так, коэффициент полезного действия всегда оптимален.Therefore, the said first directive of the EM control system, on the one hand, regulates and stabilizes the rotation frequency DZ 0 of the main shaft due to the fact that it controls the EM accordingly. Thus, it prevents changes in the load of the internal combustion engine, its torque remains constant. This is desirable as long as the specified torque corresponds to the specified torque DM 0 . As long as this is the case, the efficiency is always optimal.
Кроме того, с другой стороны, система управления ЭД также постоянно контролирует соответствие крутящего момента DM, создаваемого на главном валу в данный момент, заданному крутящему моменту DM0. Отклонения могут возникнуть, например, после взлета, при полете с набором высоты или со снижением, или после отказа ЭД, например, вследствие слишком низкой заряженности батареи. Поэтому при установлении отклонения крутящего момента первая директива системы управления ЭД также регулирует указанный измеренный крутящий момент DM до заданного значения DM0 следующим образом. Если измеренный крутящий момент слишком высок, то система управления ЭД регулирует DZ до всегда немного увеличенного значения. Система управления ДВС реагирует на это снижением мощности, в результате чего крутящий момент, создаваемый ДВС, непрерывно уменьшается. Система управления ЭД поддерживает слегка увеличенную частоту вращения до тех пор, пока измеренный крутящий момент DM не будет соответствовать заданному крутящему моменту DM0. Как только это будет достигнуто, мощность ЭД снова быстро уменьшается до тех пор, пока опять не будет достигнута заданная частота DZ0 вращения. Вследствие этого также сохраняется заданный крутящий момент DM0. После этого ДВС работает со своим оптимальным коэффициентом полезного действия, а система управления ЭД снова стабилизирует DZ, чтобы ДВС неизменно обеспечивал свою оптимальную мощность.In addition, on the other hand, the EM control system also constantly monitors the compliance of the torque DM generated on the main shaft at the moment with the specified torque DM 0 . Deviations can occur, for example, after takeoff, during climb or descent flight, or after a motor failure, for example, due to a too low battery charge. Therefore, when setting the torque deviation, the first directive of the EM control system also adjusts the specified measured torque DM to the set value DM 0 as follows. If the measured torque is too high, the EM control regulates DZ to always a slightly increased value. The internal combustion engine control system reacts to this by reducing power, as a result of which the torque generated by the internal combustion engine is continuously reduced. The EM control system maintains a slightly increased speed until the measured torque DM matches the set torque DM 0 . As soon as this is achieved, the power of the EM again rapidly decreases until the set rotation frequency DZ 0 is again reached. As a result, the set torque DM 0 is also maintained. After that, the ICE operates at its optimum efficiency, and the EM control system stabilizes DZ again so that the ICE always provides its optimum power.
Таким образом, при эксплуатации система управления ЭД на основе слишком низкой частоты вращения, если DZ < DZ0, и/или на основе повышенного крутящего момента, если DM > DM0, увеличивает мощность ЭД, и наоборот.Thus, during operation, the EM control system on the basis of too low a rotation speed, if DZ < DZ 0 , and/or on the basis of an increased torque, if DM > DM 0 , increases the EM power, and vice versa.
Согласно изобретению при отказе системы управления ЭД система управления ДВС на основе регулирования частоты вращения до заданного значения DZ0 автоматически обеспечивает стабильный режим полета, поскольку требуемая движущая сила обеспечивается посредством ДВС. Для этого не требуется согласование и дополнительный контроль.According to the invention, in the event of a failure of the EM control system, the ICE control system based on speed control to a predetermined value DZ 0 automatically provides a stable flight mode, since the required driving force is provided by the ICE. This does not require coordination and additional control.
В предпочтительном варианте осуществления способа система управления ЭД на основе данных измерений указателя уровня топливного бака, и/или указателя степени заряженности батареи может определять все еще имеющиеся в распоряжении энергии и вследствие этого периодически отклоняться от первой директивы и действовать согласно второй директиве. По указанной второй директиве батарея может целенаправленно заряжаться или разряжаться для защиты батареи, экономии топлива и/или периодической эксплуатации ДВС с более низкой мощностью для снижения выбросов.In a preferred embodiment of the method, the EM control system, based on the measurement data of the fuel tank level indicator and / or the battery charge indicator, can determine the energies still available and, as a result, periodically deviate from the first directive and act according to the second directive. Under said second directive, the battery may be purposefully charged or discharged to protect the battery, conserve fuel, and/or periodically operate the internal combustion engine at lower power to reduce emissions.
Благодаря этому, например, может быть предотвращен глубокий разряд или перезарядка батареи. С другой стороны, при расположении на больших высотах целенаправленно в большей степени может использоваться ЭД, поскольку там сравнительно сильно увеличивается расход топлива. Кроме того, на этапе взлета и/или посадки в зависимости от потребности может эксплуатироваться исключительно ЭД для снижения в районе посадки шума и выбросов отработавших газов, или исключительно ДВС.Due to this, for example, a deep discharge or overcharging of the battery can be prevented. On the other hand, when located at high altitudes, ED can be purposefully used to a greater extent, since fuel consumption increases relatively strongly there. In addition, at the stage of take -off and/or landing, depending on the need, it can be operated exclusively by ED for reducing noise and emissions of exhaust gases, or exclusively by the ICE.
В то время как в EP 3162713 сигнал от пилота разделяется на высокочастотную и низкочастотную составляющую сигнала от пилота, чтобы достичь требуемого распределения мощности двух двигателей, в настоящем изобретении распределение мощности в нормальном режиме регулируется посредством первой директивы системы управления ЭД путем того, что измеренную частоту DZ вращения и измеренный крутящий момент DM регулируют до хранящихся в памяти заданных значений DZ0 и DM0. Во время нормального этапа полета, за исключением взлета и посадки, системы управления двух двигателей не получают управляющих сигналов от пилота. ЭД и ДВС регулируют свои мощности для стабилизации заданной частоты вращения DZ0, причем любое отклонение в первую очередь компенсирует более быстро реагирующий ЭД, прежде чем на это сможет среагировать инерционный ДВС. Кроме того, согласно первой директиве ЭД посредством дополнительного обеспечения положительной или отрицательной мощности регулирует крутящий момент DM, создаваемый ДВС, до заданного значения DM0. Таким образом, описанная здесь гибридная система привода очень проста в управлении и функционально надежна, даже в случае внезапного отказа ДВС.While in EP 3162713 the signal from the pilot is separated into a high frequency and a low frequency component of the signal from the pilot in order to achieve the desired power distribution of the two engines, in the present invention the power distribution in normal mode is controlled by the first directive of the EV control system by that the measured frequency DZ the rotation and the measured torque DM are adjusted to the stored preset values DZ 0 and DM 0 . During the normal phase of flight, with the exception of takeoff and landing, the control systems of the two engines receive no control signals from the pilot. EM and ICE regulate their power to stabilize the given rotational speed DZ 0 , and any deviation in the first place compensates for the more quickly responding EM, before the inertial ICE can respond to it. In addition, according to the first directive, ED, by additionally providing positive or negative power, regulates the torque DM generated by the internal combustion engine to a predetermined value DM 0 . Thus, the hybrid drive system described here is very easy to operate and functionally reliable, even in the event of a sudden failure of the internal combustion engine.
Таким образом, гибридная система привода постоянно эксплуатируется с распределением нагрузки, позволяющим наиболее эффективным образом расходовать имеющееся топливо. Однако это достигается не посредством того, что осуществляются сложные вычисления, а непосредственно и только благодаря тому, что известны соответствующие текущие значения частоты DZ вращения и крутящего момента DM, а также их заданные значения DZ0, DM0.Thus, the hybrid drive system is constantly operated with a load distribution that allows the most efficient use of the available fuel. However, this is not achieved by the fact that complicated calculations are carried out, but directly and only due to the fact that the respective current values of the speed DZ of rotation and torque DM, as well as their set values DZ 0 , DM 0 are known.
При отказе ЭД гибридная система привода согласно изобретению становится обычным приводом с ДВС, так как система управления ДВС посредством ДВС с определенной задержкой в каждом случае точно обеспечивает на главном валу требуемый крутящий момент, необходимый для достижения и, соответственно, сохранения режима полета, заданного пилотом.In case of failure of the EM, the hybrid drive system according to the invention becomes a conventional drive with an internal combustion engine, since the control system of the internal combustion engine through the internal combustion engine with a certain delay in each case accurately provides the required torque on the main shaft, which is necessary to achieve and, accordingly, maintain the flight mode specified by the pilot.
При отказе ДВС падает частота вращения, что немедленно компенсируется ЭД посредством дополнительной мощности. Благодаря стабилизации частоты DZ вращения обеспечена безопасность полета. Кроме того, система управления ЭД определяет, что крутящий момент DM, создаваемый ДВС, отсутствует, что может означать только то, что ДВС не работает. Таким образом, ЭД берет на себя все обеспечение мощности до тех пор, пока снова не заработает ДВС, или до приземления. Безопасный полет обеспечивается постоянно.If the internal combustion engine fails, the rotational speed drops, which is immediately compensated by the ED through additional power. Thanks to the stabilization of the rotation frequency DZ, flight safety is ensured. In addition, the EM control system determines that there is no torque DM generated by the internal combustion engine, which can only mean that the internal combustion engine is not working. Thus, the EM takes over all power supply until the ICE starts up again, or until landing. A safe flight is ensured at all times.
Поскольку каждая из двух систем управления получает одинаковые данные, генерируемые непосредственно в зависимости от режима полета, каждый из двигателей может автономно обеспечить требуемый режим полета. Распределение нагрузок по двум двигателям происходит совершенно автоматически посредством того, что ЭД очень быстро определяет и выполняет свою часть работы, так что ДВС может постоянно работать в оптимальном диапазоне.Since each of the two control systems receives the same data generated directly depending on the flight mode, each of the engines can autonomously provide the required flight mode. The distribution of loads between the two engines is completely automatic due to the fact that the ED very quickly determines and performs its part of the work, so that the internal combustion engine can constantly operate in the optimal range.
Кроме того, при низком уровне топлива система управления ЭД может нагружать ЭД сильнее, чтобы экономить топливо. Для предотвращения глубокого разряда или перезарядки батареи также возможно отклонение от первой директивы. Также ЭД может быть подключен в качестве бустера, чтобы обеспечить дополнительную мощность, например, при перелете высокой горы. С другой стороны, при высокой температуре и/или экстремальных расположениях по высоте, при которых вследствие разряженного воздуха мощность ДВС сильно снижена, ЭД может применяться более интенсивно, если это позволяет заряд батареи, чтобы повысить располагаемый предел мощности или сэкономить топливо. Кроме того, на этапе взлета и/или посадки для снижения шума и выбросов отработавших газов в районе взлета или, соответственно, посадки может эксплуатироваться исключительно ЭД.In addition, when the fuel level is low, the EM control system can load the EM more to save fuel. To prevent deep discharge or reloading of the battery, deviation from the first directive is also possible. Also, an ED can be connected as a booster to provide additional power, for example, when flying a high mountain. On the other hand, at high temperatures and/or extreme altitudes, in which ICE power is severely reduced due to rarefied air, ED can be applied more intensively, if the battery charge allows, to increase the available power limit or save fuel. In addition, at the stage of takeoff and / or landing, to reduce noise and emissions of exhaust gases in the area of \u200b\u200btakeoff or, accordingly, landing, only ED can be operated.
Как только исключительная ситуация заканчивается, снова активируется первая директива.As soon as the exception ends, the first directive is activated again.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Ниже изобретение описывается более подробно и со ссылками на чертежи. На чертежах показано следующее:The invention is described in more detail below with reference to the drawings. The drawings show the following:
фиг. 1 - схематичное представление гибридной системы привода согласно изобретению;fig. 1 is a schematic representation of a hybrid drive system according to the invention;
фиг. 2 - графики для описания распределения нагрузки при различных режимах полета, таких как набор высоты, полет на крейсерской скорости и снижение.fig. 2 are graphs for describing load distribution in various flight modes such as climb, cruise and descent.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
На фиг. 1 подробно, как это необходимо для описания изобретения, показана гибридная система 4 привода согласно изобретению. На указанном чертеже показана часть вертолета с трансмиссией 3, редуктор 1 с несущим винтом и, кроме того, хвостовой винт 2, который для предмета изобретения значения не имеет. На трансмиссии 3 параллельно расположены двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 6 и электродвигатель (ЭД) 10, причем ЭД 10 предпочтительно расположен между ДВС 6 и редуктором несущего винта 1. Возможны и другие компоновки.In FIG. 1 Details, as necessary to describe the invention, a hybrid system of the 4th drive is shown according to the invention. Said drawing shows part of a helicopter with a
Органы 5 управления пилота обеспечивают прием сигналов управления от пилота для регулировки лопастей несущего винта, в результате чего регулируемая мощность двигателя, подлежащая установке, получается косвенным образом, в виде требуемой частоты DZ0 вращения главного вала 3. При необходимости, линия 19 передачи сигналов данных, проходящая от органов управления пилота к системе 7 управления ДВС, может быть использована для взлета и посадки.The pilot controls 5 receive control signals from the pilot for adjusting the rotor blades, whereby the adjustable engine power to be set is obtained indirectly, in the form of the desired speed DZ 0 of rotation of the
ДВС 6 соединен с топливным баком 8, соединенным с системой 7 управления ДВС, которая может регулировать подачу топлива из топливного бака 8 к ДВС 6 для обеспечения необходимой движущей силы на главном валу 3. Кроме того, ЭД 10 соединен с батареей 14, предпочтительно через статический преобразователь 12 тока и зарядное устройство 13, которое может быть оснащено буферизацией для защиты от пиков тока. ЭД 10 может приводиться в действие благодаря заряду батареи 14, или батарея 14 может заряжаться благодаря механической мощности на ЭД 10, в результате чего главный вал 3 может либо приводиться в движение, либо тормозиться. Система 11 управления ЭД по меньшей мере косвенным образом, например, через статический преобразователь 12 тока, соединена с ЭД 10 и может регулировать его для обеспечения на главном валу 3 необходимой движущей или тормозной силы.
Кроме того, на топливном баке 8 может быть расположен указатель 9 уровня, а на батарее 14 - указатель 15 степени заряженности батареи, которые при эксплуатации могут передавать свои данные измерений в вычислительный блок 16.In addition, a
На главном валу 3 расположено по меньшей мере по одному датчику 17 крутящего момента и тахометру 18. При эксплуатации система 7 управления ДВС и система 11 управления ЭД получают данные от по меньшей мере одного датчика 17 крутящего момента и по меньшей мере одного тахометра 18.At least one
Вычислительный блок 16 соединен с системой 11 управления ЭД и системой 7 управления ДВС. Он используется для вычисления еще имеющейся в распоряжении энергии, необходимого крутящего момента на главном валу 3 и/или для управления системой 11 управления ЭД. Он содержит память 20 данных, в которой хранятся значения заданной частоты DZ0 вращения и заданного крутящего момента DM0, причем при указанных значениях достигается оптимальный ввод мощности ДВС 6, а коэффициент полезного действия ДВС при указанных значениях максимален.The
При эксплуатации распределение нагрузок на ДВС 6 и ЭД 10 вызывается системой 11 управления ЭД. Схематично это показано на фиг. 2.During operation, the distribution of loads on the
Пунктирная кривая на верхней диаграмме показывает режим полета как функцию времени, в каждом случае требуемый органами 5 управления пилота, в частности высоту H полета. Здесь под высотой полета "0" следует понимать землю. Сплошная линия показывает фактическую высоту H полета, она немного задержана. На первом этапе (I) вертолет постоянно набирает высоту до тех пор, пока он не достигнет желательной высоты H1 полета. На втором этапе (II) он постоянно продолжает летать на указанной высоте, а на третьем этапе (III) снова снижается. Между всеми этапами полета проходит некоторое время, пока не будет достигнута вновь заданная цель.The dotted curve in the upper diagram shows the flight mode as a function of time, in each case required by the pilot's
Кривые на средней диаграмме схематично показывают общую нагрузку PH, т.е. общий крутящий момент на несущем винте (штриховая линия), нагрузку PVM на ДВС 6 (штрихпунктирная линия) и нагрузку PEM на ЭД 10 (пунктирная линия). Нижняя диаграмма показывает частоту DZ вращения.The curves in the middle diagram show schematically the total load P H , i.e. the total torque on the rotor (dashed line), the load P VM on the internal combustion engine 6 (dash-dotted line) and the load P EM on the ED 10 (dashed line). The bottom diagram shows the DZ rotation frequency.
После процесса взлета ДВС 6 работает на стабильно высоком уровне. На первом этапе I ЭД 10 работает в качестве дополнительного привода, как только ДВС 6 достигает заданной оптимальной нагрузки PVM, посредством того, что он прикладывает крутящий момент DM0. Он поддерживает ДВС 6 при полете с набором высоты во время этапа I до тех пор, пока не будет достигнута заданная высота H1 полета, т.е. пока пилот немного не уменьшит угол установки лопастей несущего винта. Процесс взлета может происходить с отклонением от первой директивы до тех пор, пока вертолет не окажется в воздухе в безопасном положении.After the takeoff process, the
В результате уменьшения угла установки лопастей несущего винта в начале этапа II частота DZ вращения кратковременно немного увеличивается, как видно из нижней диаграммы. ЭД 10 немедленно реагирует на это и снижает свою мощность до тех пор, пока частота DZ вращения снова не будет соответствовать заданному значению DZ0. После этого высота полета остается постоянной во время всего этапа II. ДВС 6 инерционен и поэтому не реагирует на указанное кратковременное изменение. В показанном примере на этапе II нагрузка на ЭД 10 отрицательна, таким образом, он в качестве генератора снова заряжает батарею 14 энергией, дополнительно имеющейся в распоряжении вследствие избытка мощности от ДВС 6. На этапе II ДВС 6 свою нагрузку также не изменяет.As a result of the reduction in the pitch angle of the rotor blades at the beginning of stage II, the speed DZ increases slightly for a short time, as can be seen from the lower diagram.
В начале полета со снижением, в начале этапа III, пилот снова уменьшает угол установки лопастей несущего винта, частота DZ вращения опять кратковременно увеличивается, и ЭД 10 вновь реагирует на это снижением своей мощности. Однако в этот раз он согласно своей второй директиве осуществляет регулирование до частоты DZ вращения, которая немного больше заданного значения DZ0. Теперь энергия на ЭД 6 немедленно рекуперируется еще сильнее, поскольку ЭД 10 еще больше тормозит главный вал 3. Поскольку частота DZ вращения немного увеличена, ДВС 6 реагирует посредством того, что он постоянно снижает свою мощность. При этом ЭД 10 поддерживает повышенную частоту DZ вращения, как показано посредством нижней кривой на этапе III. Сплошная линия, показывающая текущую частоту DZ вращения, расположена выше пунктирной линии, представляющей DZ0.At the beginning of the descending flight, at the beginning of stage III, the pilot again reduces the angle of the rotor blades, the speed DZ increases again briefly, and the
Поскольку текущая частота DZ вращения больше заданной частоты DZ0 вращения, мощность на ДВС 6 падает и, таким образом, в месте посадки уменьшается шум и выбросы отработавших газов. Это достигается посредством того, что ЭД 10 постоянно уменьшает мощность, генерируемую электрическим способом, и, таким образом, ослабляет свое тормозное действие.Since the current rotation speed DZ is greater than the set rotation speed DZ 0 , the power to the
Согласно изобретению частота DZ вращения главного вала 3 по первой директиве регулируется только посредством ЭД 10 таким образом, что при DM0 ДВС 6 она стабилизируется на уровне заданной частоты DZ0 вращения. Согласно второй директиве, как показано на этапе III, происходит отклонение от этого, чтобы целенаправленно снизить нагрузку на ДВС 6. Помимо указанного выше снижения выбросов отклонение от первой директивы может иметь и другие основания. В частности, таким основанием может быть целенаправленный заряд или, соответственно, разряд батареи 14, если того требует степень ее заряженности. Кроме того, ЭД 10 может быть подключен в качестве бустера, чтобы кратковременно обеспечить повышенную мощность или сэкономить топливо, например, на больших высотах.According to the invention, the speed DZ of rotation of the
Вторая директива может регулироваться, например, на основании того, что известны запасы энергии, если система 11 управления ЭД имеет данные о степени заряженности батареи 14 и запаса топлива, на основании норм допустимых уровней шума в зависимости от высоты перелета и/или предварительной информации о запланированной траектории полета.The second directive can be regulated, for example, based on the fact that the energy reserves are known, if the
Перечень ссылочных обозначенийList of reference symbols
1 редуктор с несущим винтом 1 gearbox with main rotor
2 хвостовой винт2 tail rotor
3 главный вал3 main shaft
4 гибридная система привода4 hybrid drive system
5 органы управления пилота5 pilot controls
6 двигатель внутреннего сгорания (ДВС)6 internal combustion engine (ICE)
7 система управления ДВС7 engine control system
8 топливный бак8 fuel tank
9 указатель уровня9 level indicator
10 электродвигатель (ЭД)10 electric motor (EM)
11 система управления ЭД11 ED control system
12 статический преобразователь тока12 static current converter
13 зарядное устройство13 charger
14 батарея14 battery
15 указатель степени заряженности батареи15 battery level indicator
16 вычислительный блок16 computing unit
17 датчик крутящего момента17 torque sensor
18 тахометр18 tachometer
19 линия передачи сигналов данных19 data signal line
20 память данных со значением оптимальной частоты вращения ДВС20 data memory with the value of the optimal engine speed
I первый этап, полет с набором высотыI first stage, climb flight
II второй этап, постоянная высота полетаII second stage, constant flight altitude
III третий этап, полет со снижениемIII third stage, descent flight
t времяt time
H текущая высота полетаH current flight altitude
H1 высота полета, которую необходимо достичьH 1 flight altitude to be reached
P мощность (избыточная по отношению к крутящему моменту)P power (excessive in relation to torque)
PH общая мощностьP H total power
PEM мощность на ЭДP EM power per EM
PVM мощность на ДВСP VM power on internal combustion engine
DZ частота вращения главного вала, измереннаяDZ main shaft speed measured
DZ0 оптимальная частота вращенияDZ 0 optimum speed
DM крутящий момент на главном валу, измеренныйDM torque on the main shaft, measured
DM0 заданный крутящий момент.DM 0 set torque.
Claims (26)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH00103/20 | 2020-01-29 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2789737C1 true RU2789737C1 (en) | 2023-02-07 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010021026A1 (en) * | 2010-05-19 | 2011-11-24 | Eads Deutschland Gmbh | Hybrid propulsion and power system for aircraft |
WO2014182616A2 (en) * | 2013-05-06 | 2014-11-13 | Sikorsky Aircraft Corporation | Supplemental power for reduction of prime mover |
RU2556055C2 (en) * | 2012-08-27 | 2015-07-10 | Эйрбас Хеликоптерс | Method for rendering assistance to pilot of single-engine rotary-wing aircraft in autorotation mode |
EP3162713A1 (en) * | 2015-10-30 | 2017-05-03 | Sikorsky Aircraft Corporation | Power leveling controller |
CN108082499A (en) * | 2018-01-29 | 2018-05-29 | 吉林大学 | Planetary hybrid power helicopter dynamic coupling system and driving method |
WO2019211549A1 (en) * | 2018-05-03 | 2019-11-07 | Safran Helicopter Engines | Propulsion system for a helicopter |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010021026A1 (en) * | 2010-05-19 | 2011-11-24 | Eads Deutschland Gmbh | Hybrid propulsion and power system for aircraft |
RU2556055C2 (en) * | 2012-08-27 | 2015-07-10 | Эйрбас Хеликоптерс | Method for rendering assistance to pilot of single-engine rotary-wing aircraft in autorotation mode |
WO2014182616A2 (en) * | 2013-05-06 | 2014-11-13 | Sikorsky Aircraft Corporation | Supplemental power for reduction of prime mover |
EP3162713A1 (en) * | 2015-10-30 | 2017-05-03 | Sikorsky Aircraft Corporation | Power leveling controller |
CN108082499A (en) * | 2018-01-29 | 2018-05-29 | 吉林大学 | Planetary hybrid power helicopter dynamic coupling system and driving method |
WO2019211549A1 (en) * | 2018-05-03 | 2019-11-07 | Safran Helicopter Engines | Propulsion system for a helicopter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10005560B2 (en) | Method of driving rotation of a rotorcraft rotor by anticipating torque needs between two rotary speed setpoints of the rotor | |
EP3162713B1 (en) | Power leveling controller | |
KR101615486B1 (en) | Vertical take off and landing aircraft using hybrid-electric propulsion system | |
US10106268B2 (en) | Method of regulating a three-engined power plant for a rotary wing aircraft | |
US20130264412A1 (en) | Rotary wing aircraft having a tail rotor, and a method of optimizing the operation of a tail rotor | |
KR20140067935A (en) | A rotary wing aircraft having two main engines together with a less powerful secondary engine, and a corresponding method | |
CN111936384B (en) | Electronic control system of turboprop engine and control method thereof | |
CN110155344B (en) | Hybrid power unmanned helicopter energy control system and helicopter with same | |
KR101638964B1 (en) | Vertical take off and landing aircraft using hybrid-electric propulsion system | |
US11738855B2 (en) | System and method for propeller response enhancement during transition from ground to flight configuration for a turbopropeller engine | |
JPH0443037B2 (en) | ||
WO2020240567A1 (en) | Thrust control system and method | |
US20200331621A1 (en) | Method of optimizing the noise generated on the ground by a rotorcraft | |
WO2014203053A1 (en) | Rotary wing aircraft with a propulsion system | |
RU2789737C1 (en) | Hybrid helicopter drive system | |
KR20170010295A (en) | Vertical take off and landing aircraft using hybrid-electric propulsion system | |
CN111746803A (en) | Method for optimizing noise generated by a rotorcraft in flight | |
US20230078649A1 (en) | Hybrid propulsion system of a helicopter | |
US20200198795A1 (en) | Device For Providing Power Or Thrust To An Aerospace Vehicle And Method For Controlling A Device For Providing Power To An Aerospace Vehicle | |
US20210242708A1 (en) | Hybrid power system and control method | |
US20230249839A1 (en) | Control device for flight vehicle | |
EP4253246A1 (en) | Aircraft powerplant(s) for an aircraft with electric machine controlled propulsor speed | |
US20230076465A1 (en) | Aircraft propulsion system | |
KR102490173B1 (en) | VERTICAL TAKE OFF AND LANDING AIRCRAFT USING HYBRID PROPULSION SYSTEM and THE CONTROL METHOD | |
US20210253262A1 (en) | Method for controlling a hybrid helicopter in the event of an engine failure |