冲压空气涡轮系统的负载分流方法及负载分流装置与流程

1.本发明涉及一种在飞机失去主动力和辅助动力时作为紧急动力源的冲压空气涡轮系统的负载分流方法及负载分流装置。


背景技术：

2.为了保证飞机的安全性、适航性的要求，通常需要配置冲压空气涡轮(以下有时简称为rat)系统来作为应急动力。在飞机正常飞行的过程中，rat系统收纳在机身内，在进入应急模式的情况下，将冲压空气涡轮放出至机身外部使其在气流中工作，为飞机提供应急动力。
3.在传统的rat系统中，主要包括rat本体、作动器、rat gcu(generator control unit：发电机控制器)、回收控制板、自动释放控制器等。在飞机的rat系统的设计过程中，因初步应急负载的需求偏高，导致初期rat系统的额定功率需求偏大，因此采用较长的rat涡轮的桨叶直径。但是，在设计后期或试飞阶段，应急负载的需求或较大幅度降低，rat系统的供电能力可能出现冗余。
4.另外，rat系统在全包线下，除较少的工况下，大部分时间其负载远低于其额定负载，导致rat系统的利用效率相对较低。
5.而且，在该传统的rat系统中，也存在在需要瞬时大功率的大功率泵类负载的启动过程中出现负载需求高峰的情况。另外，还存在空速降低到固定值之后立刻断开所有直流负载的情况。
6.针对上述问题，最近，提出了一种新型rat系统，其设有rat蓄电池以应对负载需求高峰，并且，能够大幅度降低rat涡轮的桨叶尺寸，以提高rat系统的经济性、维修性及安全性。
7.但是，在该新型rat系统中，存在rat系统的发电机和蓄电池在rat系统的不同工作模式下的供电分配缺乏管理、利用效率低的问题。


技术实现要素：

8.本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于提供一种能够精准匹配rat系统的供电能力和负载端需求、提高rat系统使用效率的冲压空气涡轮系统的负载分流方法及负载分流装置。
9.为了实现上述目的，本发明提供一种冲压空气涡轮系统的负载分流方法，上述冲压空气涡轮系统在飞机失去主动力和辅助动力即进入应急模式时作为紧急动力源而向包括直流应急负载和交流应急负载的应急负载供电，上述冲压空气涡轮系统的负载分流方法的特征在于，包括：数据获取步骤，获取飞机的影响冲压空气涡轮的涡轮盘面气流的数据；负载检测步骤，检测上述冲压空气涡轮系统的发电机的负载信息；分析计算步骤，基于上述数据对上述冲压空气涡轮系统的上述发电机的供电能力进行分析计算，并且基于上述发电机的上述负载信息对上述应急负载的电力需求进行分析计算；充放电控制步骤，使与飞机
的主电网及冲压空气涡轮系统的发电机连接的蓄电池与上述冲压空气涡轮系统的上述发电机的供电能力和上述应急负载的电力需求相匹配地进行充放电。
10.另外，本发明还提供一种冲压空气涡轮系统的负载分流装置，上述冲压空气涡轮系统在飞机失去主动力和辅助动力即进入应急模式时作为紧急动力源而向包括直流应急负载和交流应急负载的应急负载供电，上述冲压空气涡轮系统的负载分流装置的特征在于，包括：蓄电池，其分别与飞机的主电网及冲压空气涡轮系统的发电机连接，且能够向所述应急负载供电；传感器，其获取飞机的影响冲压空气涡轮的涡轮盘面气流的数据；负载检测器，其检测上述冲压空气涡轮系统的发电机的负载信息；数据分析单元，其输入来自上述传感器的数据和来自上述负载检测器的负载信息，基于上述传感器的数据对上述冲压空气涡轮系统的发电机的供电能力进行分析计算，并且基于上述发电机的上述负载信息对上述应急负载的电力需求进行分析计算；第1连接器，其能够切换到上述交流应急负载与上述主电网连接的第1位置、或者上述交流应急负载与上述冲压空气涡轮系统的发电机连接的第2位置；第2连接器，其能够切换到上述直流应急负载经由上述第1连接器与上述主电网或上述发电机连接的第3位置、或者上述直流应急负载与上述蓄电池连接的第4位置；充放电管理单元，其与上述第2连接器的所述第3位置并联连接，并与上述蓄电池连接，向上述蓄电池充入来自上述主电网的电力或由上述冲压空气涡轮系统的发电机发电得到的电力，或者使蓄电池放电；以及控制器，其根据上述数据分析单元的分析计算结果，控制上述第1连接器及第2连接器的位置以及上述充放电管理单元，使得上述蓄电池与上述冲压空气涡轮系统的供电能力以及上述应急负载的电力需求相匹配地进行充放电。
11.发明效果
12.根据本发明，能够精准匹配rat系统的供电能力和负载端需求，从而提高rat系统的使用效率。rat系统的实用性及安全性增强，能够有效提高飞机的经济性和安全性。
附图说明
13.图1是表示本实施方式的冲压空气涡轮系统的负载分流方法的流程图。
14.图2是表示本实施方式的冲压空气涡轮系统的负载分流装置的第1工作模式的示意图。
15.图3是表示本实施方式的冲压空气涡轮系统的负载分流装置的第2工作模式的示意图。
16.图4是表示本实施方式的冲压空气涡轮系统的负载分流装置的第3工作模式的示意图。
17.图5是表示本实施方式的冲压空气涡轮系统的负载分流装置的第4工作模式的示意图。
18.附图标记说明
19.1：蓄电池，s：主电网，d：发电机，2：传感器，3：负载检测器，4：数据分析单元，c1：第1连接器，c2：第2连接器，5：充放电管理单元，6：控制器
具体实施方式
20.以下，结合说明书附图，进一步对本发明的具体实施方式进行详细描述，以下的描
述为示例性的，并非对本发明的限制。
21.本发明适用于包含rat蓄电池的新型rat系统，但也可以取代rat蓄电池而利用飞机电气网络中的其他蓄电池(例如飞控蓄电池、主蓄电池)，因此也可适用于传统的rat系统。
22.以下，参照图1具体说明本发明的实施方式。
23.图1是表示本实施方式的rat系统的负载分流方法的流程图。
24.如图1所示，在本实施方式的rat系统的负载分流方法中，首先，判断飞机的飞行状况的是否正常(s1)。在为肯定判断而飞行状况为正常飞行的情况下，利用主电网s对包括直流应急负载及交流应急负载的应急负载供电，并且对蓄电池进行充电(s2)。在为否定判断而飞机进入应急模式的情况下，将rat系统作为紧急动力源而向直流应急负载和交流应急负载供电(s3)。其中，直流应急负载为例如航电核心处理器、控制器类(起落架、主发电机)等。交流应急负载为例如发动机点火器、燃油泵、风挡加热器等，在交流应急负载中，包括稳态运行的常规交流负载和需要瞬时大功率的大功率泵类负载。
25.如图1所示，此时，实时获取飞机的影响冲压空气涡轮的涡轮盘面气流的数据，例如空速、攻角α、侧滑角β等(s4)，并且，检测rat系统的发电机的负载信息，例如rat的发电机的电压、电流等(步骤s5)。接着，基于上述数据，对rat系统的发电机的供电能力进行分析计算，并且基于发电机的负载信息对应急负载的电力需求进行分析计算(步骤s6)。
26.然后，对供电能力和应急负载的电力需求进行比较(步骤s7)。对此，首先，判断发电机的供电能力是否大于常规交流负载、直流应急负载的稳态运行及大功率泵类负载之和(s8)。在为肯定判断的情况下，利用由rat的发电机发电得到的电力对蓄电池进行充电(步骤s9)，在为否定判断的情况下，进一步判断发电机的供电能力是否大于常规交流负载、直流应急负载之和(s10)。在为肯定判断、即根据发电机d的供电能力能够确保常规交流负载、直流应急负载的稳态运行的情况下，进一步判断此时是否需要启动大功率泵类负载(步骤s11)，若判断成需要启动大功率泵类负载，则使蓄电池放电而向交流应急负载及直流应急负载供电(步骤s12)，在判断成无需启动大功率泵类负载的情况下，利用由rat的发电机发电得到的电力对蓄电池进行充电(步骤s13)。
27.另外，在s10中为否定判断的情况下，进一步判断发电机的供电能力是否大于常规交流负载(s14)，在为肯定判断、即根据发电机的供电能力仅能够确保常规交流负载的稳态运行的情况下，使蓄电池放电而仅向直流应急负载供电(步骤s15)。
28.以下，参照图2至图5说明rat系统的负载分流装置的具体实施例。
29.图2至图5是表示本实施方式的rat系统的负载分流装置的工作模式的示意图。
30.首先，应急负载包括交流应急负载和直流应急负载。虽未图示，在交流应急负载中包括稳态运行的常规交流负载和需要瞬时大功率的大功率泵类负载。应急负载可基于成本控制进行分级。例如以全电rat为例，应急负载可分为三级：一级负载为在稳态运行的交流、直流应急负载基础之上的大功率泵类负载的启动(即常规交流负载、直流应急负载及大功率泵类负载之和)；二级负载为稳态运行的交流、直流应急负载(即常规交流负载、直流应急负载之和)；三级负载为稳态运行的交流应急负载(即常规交流负载)。
31.如图2至图5所示，本实施方式的rat系统的负载分流装置主要包括：蓄电池1，其分别与飞机的主电网s及rat系统的发电机d连接，且能够向应急负载供电；传感器2(例如获取
飞机的空速的空速管、获取攻角α、侧滑角β的各种传感器等)，其实时地获取飞机的影响冲压空气涡轮的涡轮盘面气流的数据；负载检测器3(例如，获取电流及电压的电流互感器及电压互感器等)，其检测rat系统的发电机的负载信息；数据分析单元4，其输入来自传感器2的数据和来自负载检测器3的负载信息，基于传感器2的数据对rat系统的发电机d的供电能力进行分析计算，并且基于发电机d的负载信息对应急负载的电力需求进行分析计算；第1连接器c1，其能够切换到交流应急负载与主电网s1连接的第1位置l1、或者交流应急负载与rat系统的发电机d连接的第2位置l2；第2连接器c2，其能够切换到直流应急负载经由第1连接器c1与主电网s或发电机d连接的第3位置l3、或者直流应急负载与蓄电池1连接的第4位置l4；充放电管理单元5(例如双向蓄电池充电器)，其与第2连接器c2的第3位置l3并联连接，并在上游侧与蓄电池1连接，向蓄电池1充入来自主电网s的电力或由rat系统的发电机d发电得到的电力，或者使蓄电池1放电；以及控制器6，其根据数据分析单元4的分析计算结果，控制第1连接器c1及第2连接器c2的位置以及充放电管理单元5，使得蓄电池1与rat系统的供电能力以及应急负载的电力需求相匹配地进行充放电。
32.通过由数据分析单元4对供电能力和应急负载的电力需求进行分析计算，可做到精确匹配，利用冗余功率对蓄电池1进行充电，提高rat系统的利用率。另外，也能够有效优化当前传统rat系统设计中，空速降低到固定值之后立刻断开所有直流负载的情况。
33.本实施方式的rat系统的负载分流装置中，应对飞行工况，采取不同工作模式。
34.例如，在飞机正常状态下，rat系统的负载分流装置设为第1工作模式。如图2所示，控制器6使第1连接器c1处于第1位置l1，使第2连接器c2处于第3位置l3，交流应急负载和直流应急负载均利用来自主电网s的电力而工作。并且，充放电管理单元5利用来自主电网s的电力对蓄电池1进行充电。
35.在此，在充放电管理单元5中包含交直流转换器，由此使得来自主电网s的交流电转换成直流电后蓄存到蓄电池1。而且，在第2连接器c2的位置l3的上游侧也设有交直流转换器，由此使得来自主电网s的交流电转换成直流电后施加于直流应急负载。
36.在飞机进入应急模式的情况下，控制器使第1连接器c1处于第2位置l2，rat系统作为紧急动力源而向直流应急负载和交流应急负载供电，并且利用传感器2实时地获取飞机的影响冲压空气涡轮的涡轮盘面气流的数据，同时利用负载检测器3检测rat系统的发电机d的负载信息，数据分析单元4输入来自传感器2的数据和来自负载检测器3的负载信息，基于传感器2的数据对rat系统的发电机的供电能力进行分析计算，并且基于发电机d的负载信息对应急负载的电力需求进行分析计算。
37.在此，例如将rat系统的供电能力与应急负载的级别相应地也分为三个级别。
38.例如，若rat系统的供电能力足够，即在可确保交流、直流应急负载的稳态运行的情况下能够启动大功率泵类负载，则设定为一级，对蓄电池1充电，此时，rat系统的负载分流装置设为第2工作模式。具体地说，数据分析单元5对rat系统的供电能力以及应急负载的电力需求进行比较，在供电能力大于常规交流负载、直流应急负载及大功率泵类负载之和的情况、即rat系统的发电机能力充足的情况下，如图3所示，控制器6使第2连接器c2处于第3位置l3，使充放电管理单元5利用由rat系统的发电机d发电得到的电力对蓄电池1进行充电。
39.该情况下，可以根据负载需求选择是否接入蓄电池进行供电。若此后负载需求降
低，则切出蓄电池，仅由发电机d进行供电。也可以根据负载需求变化(大功率泵类负载故障掉电等因素)控制蓄电池切入或切出电网。
40.另外，若rat系统的供电能力中等，仍可确保交流、直流应急负载的稳态运行，则设定为二级。此时，根据应急负载的电力需求，控制器6选择是否为大功率泵类负载(例如全电rat的泵负载)提供有限次数的启动。若需要启动大功率泵类负载而发电机d的供电能力为应急负载的电力需求以下，则rat系统的负载分流装置设为第3工作模式。具体地说，如图4所示，控制器使第2连接器c2处于第3位置l3，充放电管理单元5使蓄电池1放电，向交流应急负载及直流应急负载供电。来自蓄电池1的直流电经由交直流转换器而转换成交流电后施加于交流应急负载，并且经两次转换后施加到直流应急负载。
41.随后，可以通过对负载端数据的读取，精准匹配rat系统的发电机d的供电功率，利用冗余功率对蓄电池1进行充电，由此，能够再次进行大功率泵类负载的启动。
42.即，在第2及第3工作模式下，在发电机d的供电能力大于应急负载的电力需求的情况下，控制器6能够使第2连接器c2处于第3位置l3，使充放电管理单元5利用由冲压空气涡轮系统的发电机d发电得到的电力对蓄电池1进行充电。
43.另外，若rat系统的发电机d的供电能力低等，但仍可确保交流应急负载的稳态运行，则设定为三级，不为蓄电池充电，rat系统的负载分流装置设为第4工作模式。如图5所示，控制器6使第2连接器处于第4位置l4，充放电管理单元5使蓄电池1放电，经由第2连接器c2而仅向直流应急负载供电。
44.此时，也可以根据负载需求选择是否为蓄电池1充电，以确保蓄电池能够持续为直流应急负载供电。
45.若此后飞机飞行姿态恢复良好，rat系统的发电机d的供电能力提高，也可以通过供电端负载端匹配技术，通过控制由rat系统的发电机d进行交直流供电，或是叠加蓄电池充放电现状启动大功率泵类负载等方式应对不同的飞行工况。
46.以下，说明基于本发明的冲压空气涡轮系统的负载分流方法及负载分流装置得到的效果。
47.首先，若将本发明适用于传统rat系统，则能够优化现有系统设计中应急模式下，若空速低于固定值则卸载所有直流负载的整体管理模式。通过包括图3至5中的三种工作模式等，能够实时精确匹配应急负载与rat系统供电能力，大幅度提高rat系统的利用效率。
48.若将本发明适用于新型rat系统，则能够解决现有rat系统设计方案中因rat涡轮桨叶直径大导致的rat本体重量大、经济性差、安装空间需求大等问题，大幅度提高新型rat系统的实用性及技术水准。首先，对于采用新型rat系统，因蓄电池的使用，rat涡轮桨叶直径或可降低50％左右；其次，因蓄电池为lru(line replace unit航线可更换单元)模块设计，采用便捷安装方式，在设计后期可根据负载情况进行灵活调整，且不会对整个系统造成较大的研制周期及经济成本影响，因此极大程度上提高rat系统的经济性和可靠性。
49.本发明还可以在后期运营过程中通过数据采集模块采集并分析飞行数据，提取对rat系统而言的严酷工况，通过对数据的后期处理分析，还可在运营后期对rat系统进行低成本的优化(更为精准的负载分配管理)，降低新型rat系统重量(蓄电池为lru)，节约飞行过程中的燃油量。
50.根据本发明，大幅提高了新型rat系统的可实现性，通过负载分流管理技术，rat涡
轮桨叶直径的大幅度降低，有利于rat系统的安装和维护，且可节约安装空间，降低安装难度。同时，因在rat系统减重将降低rat安装点刚度要求，可间接达成rat舱机体结构的大幅减重。
51.从长远角度看，通过将本发明适用于新型rat系统，能够大幅度提高rat系统的使用效率，提高其经济性，有益于飞机应急发电系统的长远优化设计及发展。除此之外，负载分流方法可根据飞机运营过程中的应急负载数据，优化应急负载的分配比例及路径，提高能量利用效率、设备使用寿命、系统安全性等。能够存储并输出相关数据，通过相似性分析等技术方法，用于其他机型的搭载负载分流方法的新型rat系统设计。
52.本发明通过负载分流方法对rat系统的实时供电能力和应急负载的用电需求进行精准匹配，能够有效应用于液压、全电及液电混合的rat系统。
53.综上所述，通过采用负载分流管理，传统rat系统及新型rat系统的实用性及安全性增强，能够有效提高飞机的经济性和安全性。
54.以上，仅仅是对本发明的优选实施方式进行了详细说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施方式做出各种各样的变更和补充或采用类似的方式替代。并且，对以上记载的各步骤进行分解、组合或顺序调换且得到相同技术效果的方案也落入本发明的技术范围内。本发明的技术范围应由权利要求书来确定，而且还应包括与权利要求书的记载内容相等同的含义及其范围内的所有变更。