CN113767048A

CN113767048A - 混合推进和用于控制这种的方法

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Publication number: CN113767048A
Application number: CN202080031843.1A
Authority: CN
Inventors: 洛伊斯·皮埃尔·丹尼斯·维芙; 托马斯·克洛诺夫斯基; 卡梅尔·瑟雷吉娜
Original assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2019-04-16
Filing date: 2020-04-10
Publication date: 2021-12-07
Also published as: CA3132945A1; US20220177147A1; PL3956218T3; EP3956218A1; WO2020212656A1; FR3095191A1; FR3095191B1; IL287107A; KR20210151846A; EP3956218B1; JP2022529612A

Abstract

本发明涉及一种用于多转子旋翼飞行器的混合推进***(100)，混合推进***包括：内燃机(12)，耦合到内燃机的电机(14)，连接到电机的整流器(16)，转换装置(18a，18b，18c，18d)，将整流器连接到转换装置的电网(20)，连接到转换装置的电动机(22a，22b，22c，22d)，耦合到电动机的旋转叶片组件(24a，24b，24c，24d)，***的特征在于，***包括：检测装置，配置成检测***内的电力需求降低到预定值之下；避开装置，配置成当检测装置检测到电力需求降低时，避开电机。

Description

混合推进***和用于控制这种***的方法

技术领域

本发明涉及一种用于多转子旋翼飞行器的混合推进***以及一种包括这种混合推进***的飞行器。

背景技术

现有技术尤其包括文献CA-A1-3 038 299、EP-A1-0 556 593 A1和WO-A2-03/106828。

从现有技术中已知一种飞行器的混合发电***，其通常称为串联混合，实现热电发电。

如图1所示，这种混合***通常包括：

-内燃机12，例如燃气轮机，

-至少一个电机，例如发电机14a、14b，还称为发电机、耦合到内燃机12，使得在运行时，内燃机12驱动发电机14a、14b，

-功率转换器组件，称为“整流器”16、连接到发电机14a、14b并配置成将从发电机14a、14b输送的交流电转换成直流电，

-装置18，用于将直流电转换成交流电，

-电网20，将整流器16连接到转换装置18，

-电动机22a、22b、22c、22d，连接到转换装置18a、18b、18c、18d，使得在运行时，转换装置向电动机供应交流电，以及

-螺旋桨24a、24b、24c、24d，耦合到电动机22a、22b、22c、22d，使得在运行时，电动机22a、22b、22c、22d驱动螺旋桨24a、24b、24c、24d。

燃气轮机12包括机械地连接到发电机14a、14b的自由涡轮，并经由机械传动构件驱动一个或多个电机。

此外，电网20通常包括高压直流(HVDC)母线。

在这种***中，来自化石燃料源、内燃机12，并经由通过发电机14a、14b进行的机电转换，由转换装置18、电动机22a、22b、22c、22d和螺旋桨24a、24b、24c、24d组成的电力推进链允许飞行器通过旋转的多个翼来飞行。

***包括具有电能储备功能的储存单元26。储存单元26允许在燃气轮机变得不可运行的情况下确保电能供应的冗余。此外，储存单元26可用于稳定HVDC母线的电压，从而保持螺旋桨24a、24b、24c、24d的可控性。

***还包括调节器28，该调节器配置成调节燃气轮机12的扭矩和速度，以确保控制整流器组件16和转换装置18，从而调节螺旋桨处的速度和扭矩。

在一些应用中，电力需求的突然减少，无论是故意而为还是由于故障，都会导致燃气轮机的转子速度的突然增加，这在某些情况下会导致燃气轮机的转子超速。速度的增加与负载的降低程度成正比。

然而，对燃气轮机调节的反应时间并不总是允许速度偏移保持在一定值之下，该值允许保证旋转机械部件(例如，涡轮盘)的完整性。于是，这可导致爆发和高能碎片的释放。然而，在航空领域不能容忍这样的事件。

就直升机燃气轮机而言，关心的主要问题是燃气轮机和直升机的主齿轮箱之间的传输中断。这种中断几乎瞬间导致涡轮的轴上的阻力矩完全下降。

在飞行器混合推进***的情况下，可能有多种故障情况：

-电机14a的一个或多个绕组出现损耗(由图1中的箭头A示出)，

-一个或多个电机14a完全损耗(由图1中的箭头A示出)，

-构成诸如整流器16或被称为反相器的转换装置18等电力电子部件的一个或多个臂出现损耗，即开路(由图1中的箭头B示出)，

-诸如螺旋桨24a等消耗装置出现损耗，即开路(由图1中的元素C示出)，

-燃气轮机12和发电机14a之间的传输中断(由图1中的元素D示出)。

在正常运行条件下，这种***通常设计成避免电力需求突然下降。

已知使用燃料调节链，该燃料调节链配置成通过对燃料进行计量来对速度偏移做出响应，从而使转子减速。

然而，该燃料调节链通常不足以确保在极端情况下，例如，在燃气轮机和接收器之间的传输完全和瞬时中断时，保持合理的速度。

此外，燃料调节链没有足够的反应时间来覆盖所有负载降低的情况。

还已知使用机械保护装置，例如叶片脱落，其包括确定燃气轮机的叶片的尺寸，使得叶片在涡轮盘之前断裂。这导致产生碎片，但是碎片的能量足够低而包含在发动机中。燃气轮机因此失去叶片，无法再从气体中获取能量，这导致转子减速。

然而，叶片脱落需要精确的机械尺寸和非常先进的方法控制，以证明叶片的可靠和可重复的断裂速度。

此外，这种装置导致需要一个防护罩，以允许在严重超速的情况下限制叶片和电机的损耗。然而，这种防护罩会产生额外的质量。

还已知使用被称为电子超速保护装置的保护装置，该保护装置配置成当燃气轮机的转子的转速超过预定阈值时，在几十毫秒内自动停止燃料供应。

然而，电子超速切断是一个阈值，其只能设置成大于燃气轮机的正常最大运行速度。结果，达到的最大速度受到电子超速切断阈值和在切断燃料供应时燃气轮机的转子的瞬时加速率的影响。

此外，如果发动机没有配备叶片脱落装置，则达到的最大速度决定涡轮盘展示出来的完整速度，从而决定涡轮盘的质量。

发明内容

本发明的目的是提出一种解决方案，以允许补救这些缺点中的至少一些缺点。

具体地，本发明提出减小速度偏移的幅度，从而允许燃料计量装置做出响应。

为此，本发明包括在至少一个发电机保持由燃气轮机机械地驱动的情况下，使用至少一个发电机在燃气轮机上产生额外的阻抗负载。

为此，本发明涉及一种用于多转子旋翼飞行器的混合推进***，混合推进***包括：

-内燃机，例如可以是具有结合式涡轮、自由涡轮的燃气轮机或活塞式发动机，

-至少一个电机，耦合到内燃机，使得在运行时，内燃机驱动电机，

-整流器，连接到电机并配置成将从电机输送的交流电转换成直流电，

-装置，用于将直流电转换成交流电，

-电网，将整流器连接到转换装置，

-电动机，连接到转换装置，使得在运行时，转换装置向电动机供应交流电，

-螺旋桨，耦合到电动机，使得在运行时，电动机驱动螺旋桨，

***的特征在于，***包括：

-检测装置，配置成检测***内的电力需求降低到预定值之下，

-短路装置，配置成当检测装置检测到电力需求降低时，使电机短路。

根据本发明的***允许在电力需求突然下降的情况下限制内燃机例如燃气轮机的超速偏移。

事实上，电力需求的降低导致施加在燃气轮机的转子上的阻力矩减小，因此观察到燃气轮机的转子超速。短路装置允许电机用于在燃气轮机上产生额外的阻抗负载。这有利地允许减小速度偏移的幅度。

有利地，检测装置可检测任何类型的缺陷或电力下降，其必须引起制动，以避免燃气轮机的转子超速。

根据飞行器和功率下降的情况，该***允许防止机械或电子超速保护装置的激活，而这种激活可导致涡轮损耗。

该***还允许通过限制***的总速度偏移来机械地保护一个或多个电机，该***通常接受比燃气轮机低的极限最大速度，特别是因为这种类型的电机固有的技术限制。

该***还允许在“正常”使用的情况下使加速度曲线平滑。

对***内的电力需求降低的检测可通过电子方式实现。

根据一个实施例，短路装置布置在电机和整流器之间。

短路装置可包括短路器件。

短路装置可以是机电的或静态的。

根据另一实施例，整流器是有源整流器并包括短路装置。

***还可包括电能储存装置，电能储存装置连接到电网并配置成向电机注入直流电。

根据一个实施例，电能储存装置配置成将直流电直接注入到电机。

***还可包括布置在电能储存装置和电机之间的至少一个欧姆导体。

***还可包括布置在欧姆导体和电机之间的开关装置。

根据另一实施例，整流器是可逆的整流器，并配置成将直流电从电能储存装置注入到电机的端子。

换言之，电能储存装置配置成间接地向电机注入直流电。

***还可包括布置在电能储存装置和整流器之间的升压斩波器。

本发明还涉及一种多转子旋翼飞行器，多转子旋翼飞行器包括根据本发明的混合推进***。

本发明还涉及一种用于控制混合推进***的方法，混合推进***是根据本发明的混合推进***，方法包括如下步骤：

-检测***内的电力需求降低到预定值之下，以及

-根据检测到的***内的电力需求降低，使电机短路。

附图说明

通过下面通过非限制性示例并参考附图所做出的描述，将更好地理解本发明，且本发明的其他细节、特征和优点将变得更加清楚，其中：

[图1]图1示意性地表示根据现有技术的混合推进***，

[图2]图2示意性地表示根据本发明的实施例的混合推进***的一部分，

[图3]图3示意性地示出了根据本发明的另一实施例的混合推进***的一部分，

[图4]图4示意性地示出了根据本发明的实施例的混合推进***，以及

[图5]图5示意性示出了根据本发明的另一实施例的混合推进***。

在不同实施例中具有相同功能的元件在附图中具有相同的附图标记。

具体实施方式

图2至图5示出了根据本发明的飞行器的混合推进***100，飞行器具有多转子旋翼，例如直升机或飞机类型的飞行器。

内燃机112(例如涡轮机，例如辅助动力单元(APU))耦合到电机，例如发电机114。发动机112可包括燃气轮机。在运行时，发电机114由发动机112驱动。

发电机114可以是电动机-发电机，即，能够在发电机模式和电动机模式下运行，特别是当发电机114由发动机112驱动时能够在发电机模式下运行。因此，发电机114可以是可逆电机。发电机114允许提供双向机械能-电能转换，即机械-电转换和电-机械转换。发电机114可生成多相电流，例如，如图2和图5所示的三相电流。

发动机112和发电机114给***100提供主要发电来源。虽然在图2和图5中示出了单个主发电来源，但是***100可包括多个主发电来源。

连接到发电机114的、发动机112的转子轴的转速N1可由控制装置102(EECU，电子发动机控制单元)控制。这些控制装置102可基于转速N1和其他参数，例如发电机114的频率N1*或对每个电力推进链的负载Ω1*、Ω2*、Ω3*、Ω4*的预期，来控制发动机112的参数，例如燃料重量流量，其记为WF。

发电机114的输出电压U114可由控制装置115(GCU，发电机控制单元)控制。这些控制装置115是包含电压调节器和一组控制和保护电路的计算机，确保了***在所有条件下的性能。根据***的需要，控制装置115可配备模拟或数字控制电子器件。这些控制装置115可基于发电机114的电压设定点U*和输出电压U114来控制发电机114的参数，例如发电机的电流I114。

辅助齿轮箱106通常是固定比例减速齿轮箱或齿轮倍增器，可布置在发动机112和发电机114之间，以适应发电机114的速度水平。

整流器116连接到发电机114的输入，并配置成将由发电机114输送的交流电转换成直流电。整流器116可以是电流可逆的整流器。整流器116可以是有源整流器。电容元件130例如电容器可与整流器116并联地布置。

电网120将整流器116的输出并联地连接到转换装置118a、118b、118c、118d的输入。

转换装置118a、118b、118c、118d配置成将直流电转换成交流电。转换装置118a、118b、118c、118d可包括直流电到交流电转换器。

转换装置118a、118b、118c、118d可包括反相器。在图4和图5中，DC的意思是指直流电，AC的意思是指交流电。每个反相器可包括三个反相器臂，这三个反相器臂分别向每个电动机122a、122b、122c、122d输送交流电的三相119、121、123(这些标号仅针对转换装置118d标示出来)。

转换装置118a、118b、118c、118d(特别是反相器)可以是电流可逆的转换装置(特别是反相器)。电容元件136a、136b、136c、136d(例如电容器)可与每一个转换装置118a、118b、118c、118d并联地布置。

电网120可以是双向的电网，也就是说，电流可从整流器116流向转换装置118a、118b、118c、118d，以及沿着相反方向流动。

电动机122a、122b、122c、122d连接到转换装置118a、118b、118c、118d。在运行时，电动机122a、122b、122c、122d由转换装置118a、118b、118c、118d供应交流电。

电动机122a、122b、122c、122d可以是多相同步电动机。这些电机可以是不同类型的电动机，例如，感应电动机或可变磁阻电动机。这些电动机可以是单定子或多转子类型的电动机。这有利地允许减小电动机122a、122b、122c、122d的质量和体积。

发电机114和电动机122a、122b、122c、122d之间的连接以处于相对高的电压的直流来操作，以提高电网120的稳定性和改善电力管理。因此整流器116允许确保由发电机120输送的交流电转换成直流电，而转换装置118a、118b、118c、118d确保该直流电转换成旨在用于电动机122a、122b、122c、122d的交流电。

螺旋桨124a、124b、124c、124d耦合到电动机122a、122b、122c、122d。在运行时，螺旋桨124a、124b、124c、124d由电动机122a、122b、122c、122d驱动。螺旋桨124a、124b、124c、124d可以是共轴反转螺旋桨。

具体地，转换装置118a、电动机122a以及一个或多个螺旋桨124a形成电力推进链125a，转换装置118b、电动机122b以及一个或多个螺旋桨124b形成电力推进链125b，转换装置118c、电动机122c以及一个或多个螺旋桨124c形成电力推进链125c，转换装置118d、电动机122d以及一个或多个螺旋桨124d形成电力推进链125d。因此，在图2和图3中，具有四个电力推进链125a、125b、125c、125d。

对于每个电力推进链125a、125b、125c、125d，经由齿轮箱或者更常规的固定比例减速齿轮箱或者倍速器134a、134b、134c、134d连接电动机122a、122b、122c、122d和螺旋桨124a、124b、124c、124d的轴的转速Ω1、Ω2、Ω3、Ω4可由控制装置132a、132b、132c、132d控制。类似地，来自转换装置118a、118b、118c、118d以用于给每个电动机122a、122b、122c、122d供电的电压U1、U2、U3、U4和电流I1、I2、I3、I4可由控制装置132a、132b、132c、132d控制。这些控制装置132a、132b、132c、132d可基于转速Ω1、Ω2、Ω3、Ω4以及电动机122a、122b、122c、122d的电压U1、U2、U3、U4和电流I1、I2、I3、I4、以及其他参数，例如对负载Ω1*、Ω2*、Ω3*、Ω4*的预期来控制转换装置118a、118b、118c、118d的参数，例如电动机122a、122b、122c、122d的电压U1、U2、U3、U4以及转速的镜像频率设定点，其记为F1、F2、F3、F4。

电能储存装置126连接到电网120。这些储存装置126允许从电网120的HVDC母线吸收过剩的电能。储存装置126还可配置成通过补充或替代发电机114来临时给电动机122a、122b、122c、122d供电。

储存装置126可并联地连接到电网120。

储存装置126可包括一个或多个电池、一个或多个电容器、或者一个或多个超级电容器。

在发电机114绕组损耗、发电机114完全损耗、整流器116的臂或转换装置118a、118b、118b、118d损耗、螺旋桨124a、124b、124c、124d损耗或者燃气轮机112和发电机114之间的传输中断的情况下，***100中的电力需求下降。电力需求的这种降低导致施加在燃气轮机112的转子上的阻力矩减小，因此观察到燃气轮机112的转子超速。

本发明包括：在一个或多个发电机114保持由燃气轮机112机械地驱动的情况下，即，在一个或多个发电机114处于正常运行状态而没有出故障的情况下，使用一个或多个发电机114在燃气轮机112上产生额外的阻抗负载。这允许减小速度偏移的幅度。换言之，一个或这些发电机114的使用允许产生足够的阻力矩，使得燃气轮机112不会超速。

为了防止燃气轮机112的转子超速，***100包括检测装置，该检测装置配置成检测***内的电力需求降低到预定值之下。

对***内的电力需求降低的检测可通过电子方式实现。

***100还包括短路装置200，该短路装置配置成当检测装置检测到电力需求降低时，使电机即发电机114短路。具体地，短路装置200可使发电机114的一个相或多个相短路，发电机114仍然机械地连接到燃气轮机112。

这些短路装置(还称为短路器件)因此允许产生瞬态阻力矩。

根据图2所示的实施例，短路装置200布置在发电机114和整流器116之间。

短路装置200可以是机电的或静态的短路装置。

关闭短路装置200的命令的持续时间可小于大约10毫秒。特别地，可经由有源整流器116的控制电子器件117或通过电子控制单元(ECU)，通过具有高频率范围(即，MHz级别)的通信信道发送该命令。

短路器件200的开关时间可小于1ms。例如，短路器件200可包括烟火开关、或者固态功率控制器(SSPC)类型的静态组件、或者晶闸管。

根据图3所示的另一实施例，整流器116包括短路装置。换言之，如果整流器116的晶体管的额定电流允许，则有源整流器116充当短路器件。

为了具有比通过发电机的绕组的短路产生的阻力矩更大的阻力矩，可通过整流器116进行电磁制动。

这个实施例在图4中示出。

整流器116的电流是可逆的。

储存装置126配置成向发电机114注入直流电。整流器116配置成将直流电从储存装置126注入到发电机114的端子。换言之，储存装置126配置成间接地向发电机114注入直流电，即经由整流器116向发电机114注入直流电。这是使得整流器116的象限变化的电磁制动。

特别地，由于在电网120的HVDC母线上存在储存装置126，所以通过在发电机114的定子绕组的端子上，即在发电机114的定子的端子上注入直流电，来实现电磁制动。

在图4中，直流电的再注入由箭头Idc表示。

然后发电机114充当涡流制动器。在大约一秒的短时间内发生制动，这给了时间来控制燃气轮机112的速度。发电机114的静止部分中的涡流的散热能量被认为是可忽略的，即，不需要对发电机114进行额外的冷却。

储存装置126的端子处的电压大于发电机114的输出处的电压。如果不满足该条件，则***可包括布置在储存装置126和整流器116之间的升压型斩波器202。

图5示出了图4所示的实施例的替代方案。

在该变型中，储存装置126配置成将直流电直接注入到发电机114的相。因此，这是电磁制动，其中，储存装置126直接连接到发电机114的相。有利地，该变型的操作比图4的实施例简单。

在图5中，直流电的再注入由箭头Idc表示。

***100可包括布置在储存装置126和发电机114之间的至少一个欧姆导体204，即电阻器。换言之，可通过限制电流的电阻器来进行直流电的注入，该电阻器还称为限制电阻器。

***100可包括布置在欧姆导体204和发电机114之间的开关装置206，特别是快速开关装置，即，其响应时间小于约5ms。例如，开关装置206可包括烟火开关、SSPC开关或晶闸管。

当储存装置126的端子处的电压小于发电机114的相电压时，开关装置206和欧姆导体204可由升压斩波器代替。

如图5所示，开关装置206的四个输出端子连接到发电机114，以在发电机114的绕组节点处将负电势返回到储存装置126。

本发明还涉及用于控制如上所述的***100的方法。

该方法包括检测***100内的电力需求降低到预定值之下的步骤。检测可通过电子方式实现。对这种降低的检测可得出发电机114的绕组损耗或完全损耗、整流器116的臂或转换装置118a、118b、118b、118d损耗、螺旋桨124a、124b、124c、124d损耗、或者燃气轮机112和发电机114之间的传输中断。

然后，该方法包括基于对***内的电力需求降低的检测来使发电机114短路的步骤。

接下来，该方法可包括直接地或经由整流器116将直流电从储存装置126注入到发电机114的步骤。

Claims

1.一种用于多转子旋翼飞行器的混合推进***(100)，所述混合推进***包括：

-内燃机(112)，

-至少一个电机(114)，耦合到所述内燃机，使得在运行时，所述内燃机驱动所述电机，

-整流器(116)，连接到所述电机并配置成将从所述电机输送的交流电转换成直流电，

-装置(118a，118b，118c，118d)，用于将直流电转换成交流电，

-电网(120)，将所述整流器连接到所述转换装置，

-电动机(122a，122b，122c，122d)，连接到所述转换装置，使得在运行时，所述转换装置向所述电动机供应交流电，

-螺旋桨(124a，124b，124c，124d)，耦合到所述电动机，使得在运行时，所述电动机驱动所述螺旋桨，

所述***的特征在于，所述***包括：

-检测装置，配置成检测所述***内的电力需求降低到预定值之下，

-短路装置(200)，配置成当所述检测装置检测到电力需求降低时，使所述电机短路。

2.根据权利要求1所述的混合推进***(100)，其中，所述短路装置(200)布置在所述电机(114)和所述整流器(116)之间。

3.根据权利要求1所述的混合推进***(100)，其中，所述整流器(116)是有源整流器并包括所述短路装置(200)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的混合推进***(100)，所述混合推进***还包括电能储存装置(126)，所述电能储存装置连接到所述电网(120)并配置成向所述电机(114)注入直流电。

5.根据权利要求4所述的混合推进***(100)，所述混合推进***包括布置在所述电能储存装置(126)和所述电机(114)之间的至少一个欧姆导体(204)。

6.根据权利要求5所述的混合推进***(100)，所述混合推进***包括布置在所述欧姆导体(204)和所述电机(114)之间的开关装置(206)。

7.根据权利要求4所述的混合推进***(100)，其中，所述整流器(116)是可逆的整流器，并配置成将直流电从所述电能储存装置(126)注入到所述电机(114)的端子。

8.根据权利要求7所述的混合推进***(100)，所述混合推进***包括布置在所述电能储存装置(126)和所述整流器(116)之间的升压斩波器(202)。

9.一种多转子旋翼飞行器，包括根据前述权利要求中任一项所述的混合推进***(100)。

10.一种用于控制混合推进***(100)的方法，所述混合推进***是根据权利要求1至8中任一项所述的混合推进***，所述方法包括如下步骤：

-检测所述***内的电力需求降低到预定值之下，以及

-根据检测到的所述***内的电力需求降低，使所述电机(114)短路。