Способ управления электрической противообледенительной системой - RU2501717C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу удаления льда, в частности, удаления льда с узла воздухозаборной кромки гондолы турбореактивного двигателя.

Самолет приводится в движение с помощью одной или нескольких силовых установок, каждая из которых включает в себя турбореактивный двигатель, помещенный в цилиндрическую гондолу. Каждая силовая установка крепится к самолету с помощью стойки, находящейся, как правило, под крылом или в зоне расположения фюзеляжа.

Гондола имеет, как правило, конструкцию, включающую в себя воздухозаборник, который помещен спереди двигателя по потоку, среднюю секцию, охватывающую вентилятор турбореактивного двигателя, и заднюю по потоку секцию, в которую помещены средства реверса тяги и охватывающую камеру сгорания турбореактивного двигателя, и заканчивается обычно реактивным соплом, выход которого расположен позади турбореактивного двигателя по потоку.

В состав воздухозаборника входят, во-первых, воздухозаборная кромка, обеспечивающая оптимальный захват и направленное перемещение в сторону турбореактивного двигателя воздуха, необходимого для питания вентилятора и внутренних компрессоров турбореактивного двигателя, и, во-вторых, задняя по потоку конструкция, на которой закреплена кромка и которая обеспечивает надлежащую циркуляцию воздуха в сторону лопастей вентилятора. Весь этот узел закреплен спереди по потоку кожуха вентилятора, являющегося составной частью передней по потоку секции гондолы.

В полете, при определенных температурных и влажностных условиях, возможно образование льда на гондоле, в частности, в зоне наружной поверхности кромки воздухозаборника. Наличие льда или инея влияет на аэродинамические свойства воздухозаборника и препятствует нормальному поступлению воздуха к вентилятору.

Одно из технических решений, используемых в борьбе с обледенением, состоит в предотвращении образования инея или льда на наружной поверхности путем поддержания достаточной температуры наружной поверхности.

Так, например, из документа US 4688757 известен способ отбора горячего воздуха в зоне компрессора турбореактивного двигателя и подвод его в зону воздухозаборной кромки с целью нагрева стенок. Однако, для такого устройства требуется специальная система трубопроводов подачи горячего воздуха между турбореактивным двигателем и воздухозаборником, а также система отвода горячего воздуха в зоне воздухозаборной кромки. Из-за этого происходит нежелательное увеличение веса силовой установки.

Указанные выше недостатки удалось устранить благодаря специальным электрическим противообледенительным системам.

Можно назвать, в частности, документ ЕР 1495963, хотя этой теме и различным модификациям таких систем посвящены и многие другие материалы.

Для максимального снижения веса конструкций, используемых в составе гондол, а, в более широком смысле, и всякого авиационного оборудования, в последнее время все чаще прибегают к применению в этих конструкциях композитных материалов. В частности, из таких материалов может быть выполнена и воздухозаборная кромка.

При использовании таких материалов возникает ряд проблем, относящихся к работе электрической противообледенительной системы.

Дело в том, что воздействующая на эти материалы температура не должна, как правило, превышать определенное критическое пороговое значение из-за опасности ухудшения свойств материала и, следовательно, повреждения конструкции. Поэтому, во избежание перегрева, в частности, локального, температуру композитного материала следует контролировать.

Одно из очевидных технических решений - это использование в конструкциях из композитных материалов температурных датчиков. Однако, таким путем не избежать ситуаций локального перегрева в зонах между датчиками, если значительно не увеличить количество датчиков. Кроме того, реализация данного решения требует создания сети для передачи получаемых датчиком данных, что приводит к увеличению веса конструкции и чрезмерному усложнению противообледенительной системы, затрудняя монтаж и эксплуатацию.

Исходя из соображений надежности, может также потребоваться резервирование датчиков, что приведет к еще большему увеличению веса конструкции и ее сложности.

Одной из целей изобретения является разработка эффективной электрической противообледенительной системы, исключающей риск повреждения используемых композитных материалов.

Для достижения указанной цели предложен способ контроля и управления работой, по меньшей мере, одного резистивного нагревательного элемента, входящего в состав противообледенительной системы гондолы самолетного турбореактивного двигателя, отличающийся тем, что он включает в себя следующие этапы:

- получают от самолетного центрального блока управления параметры, характеризующие наружные условия полета;

- определяют тепловую модель в соответствии с полученными условиями полета;

- в зависимости от тепловой модели, подают необходимую электрическую мощность на резистивный нагревательный элемент.

Таким образом, пользуясь совокупностью данных о наружных условиях полета и наличием этих данных в бортовой ЭВМ, оптимизируют удаление льда с различных узлов гондолы. Это связано с тем, что температура наружной среды, давление, скорость и пр., являются решающими факторами при образовании льда на поверхности гондолы.

Знание указанных наружных условий полета позволяет поместить Самолет внутрь области режимов полета, соответствующей заданной тепловой модели, которая связывает с этой областью режимов полета необходимые значения электрической мощности, подаваемой на нагревательные элементы.

Предпочтительно, в качестве самолетного центрального блока управления используют так называемую ЭЦСУД (Электронно-Цифровую Систему Управления Двигателем (FADEC)). Этот же блок также обозначают с помощью сокращения ЭСУД (Электронная Система Управления Двигателем).

Преимущественно, параметры наружных условий полета получают с помощью, по меньшей мере, одного канала передачи данных с использованием шины «Авиационного радио», АР (ARINC, Aeronautical Radio Incorporation), причем указанный канал связи, предпочтительно, резервируют.

Предпочтительно, параметры наружных условий полета включают в себя, по меньшей мере, один из следующих параметров: наружная температура, скорость самолета, уровень влажности.

Преимущественно, способ согласно изобретению включает в себя управление рядом резистивных нагревательных элементов. Также преимущественно, резистивные нагревательные элементы распределяют, по меньшей мере, по двум секциям нагревательных элементов, причем способ предусматривает выдачу в каждую секцию собственной электрической мощности, одинаковой или разной по величине, в зависимости от принятой тепловой модели и размещения секции. В результате этого имеется возможность предусмотреть разные мощности, например, для первой периферийной цепи резистивных нагревательных элементов, помещенной внутри воздухозаборника, второй периферийной цепи элементов, находящейся в зоне кромки, и третьей периферийной цепи, несколько смещенной вперед по потоку относительно кромки гондолы.

Предпочтительно, применяемую тепловую модель выбирают из ряда тепловых моделей, включающего в себя, по меньшей мере, одну тепловую модель, соответствующую крейсерской мощности двигателя, при этом остальные тепловые модели могут быть тепловыми моделями, в частности, соответствующими, среди прочего, режимам взлета, набора высоты, снижения, ожидания перед посадкой и нахождения самолета на земле.

Преимущественно, в рамках способа используют контур регулирования электрической мощности, подаваемой на нагревательные элементы, в зависимости от мощности, рассеиваемой указанными нагревательными элементами.

Предпочтительно, в тех случаях, когда применяют тепловую модель, соответствующую области режимов полета без обледенения, нагревательные элементы получают питание в соответствии с режимом предварительного нагрева с поддержанием заданной температуры. Благодаря этому удастся повысить реактивность противообледенительной системы в процессе входа в область режимов полета без обледенения, предотвращая в то же время температурные пики и локальные перегревы в случаях чрезмерно быстрого подъема температуры.

Преимущественно, способ включает в себя этап запроса датчика обледенения, причем этот запрос выполняют, в основном, в тех случаях, когда применяемая тепловая модель соответствует области режимов полета с обледенением.

Предметом изобретения является также устройство, сконструированное таким образом, чтобы обеспечить реализацию предложенного способа.

Должно быть совершенно понятно, что, хотя предложенные способ и устройство рассматриваются здесь применительно к кромке воздухозаборника, изобретение отнюдь не ограничивается таким применением и может быть использовано для любой поверхности, которая может подвергаться обледенению.

Сущность изобретения станет более понятной из нижеследующего детального описания, приводимого со ссылками на приложенные чертежи, где

- фиг.1 - схематическое изображение устройства управления электрической противообледенительной системы согласно изобретению;

- фиг.2 и 3 - графические изображения областей режимов полета с обледенением в зависимости от величин наружной температуры и наружного давления.

На фиг.1 схематически показано устройство управления электрической системы для удаления льда с воздухозаборника гондолы турбореактивного двигателя (не показана).

Данный воздухозаборник снабжен рядом сгруппированных в секции 1 нагревательных элементов.

Преимущественно, каждая секция нагревательных элементов соответствует одной отдельной зоне воздухозаборной кромки.

Можно, например, объединить резистивные нагревательные элементы в первую периферийную секцию, состоящую из резистивных нагревательных элементов, помещенных возле внутреннего объема воздухозаборника (Инт.), второй периферийной секции резистивных нагревательных элементов, находящейся в зоне воздухозаборной кромки гондолы, и третьей периферийной секции нагревательных элементов, несколько смещенной (D2) вперед по потоку относительно кромки гондолы.

Указанные зоны воздухозаборной кромки, хотя они и работают в одинаковых наружных условиях, имеют разные потребности в подаваемой на них мощности, необходимой для удаления льда.

Устройство управления содержит блок управления 2, получающий питание от трехфазной сети переменного тока 3 напряжением, например, 115 В или 230 В с регулируемой частотой, при этом от указанного блока управления 2 запитывают секцию 1 резистивных нагревательных элементов через выходы 4, преобразуя переменное или постоянное питающее напряжение в регулируемое постоянное питающее напряжение для каждой секции 1.

Совершенно очевидно, что, исходя из конкретных потребностей, выходное напряжение может быть также переменным.

Каждый электрический выход 4 является выделенным и снабжает питанием одну секцию. Таким образом, на каждую секцию 1 поступает собственное питающее напряжение, являющееся функцией электрической мощности, требуемой для удаления льда из зоны воздухозаборной кромки, обслуживаемой секцией 1.

Кроме того, блок управления 2 осуществляет измерение тока, потребляемого каждой нагревательной секцией 1. Таким образом, мощность, рассеиваемая каждым нагревательным элементом, легко определяют с помощью блока управления 2 без необходимости использовать для этого какой-либо температурный датчик.

В соответствии с предлагаемым способом, в блоке управления 2 используют информацию о наружных условиях полета, имеющуюся в регуляторе типа ЭЦСУД 6. Обмен данными между блоком управления 2 и ЭЦСУД 6 обеспечивают с помощью канала связи 5 по резервной шине АР.

Преимущество использования ЭЦСУД для получения указанных данных заключается в том, что вся информация, касающаяся полетных условий, уже присутствует и подтверждена. Таким образом, блок управления 2 использует полученную от ЭЦСУД информацию для определения электрической мощности, которую необходимо подать в секцию 1 резистивных нагревательных элементов в зависимости от конкретных режимов полета, и поддерживает эту мощность на основе результатов измерений тока и напряжения, выполненных тем же блоком управления 2.

В ходе обычного полета различают, в частности, следующие полетные режимы: взлет, набор высоты, крейсерский режим, снижение, ожидание перед посадкой и нахождение самолета на земле.

Пользуясь существующими тепловыми моделями, можно определить необходимую для удаления льда электрическую мощность для каждой секции 1 резистивных нагревательных элементов.

В Таблице 1 (см. ниже) приведены примерные значения электрической мощности, требуемой для удаления льда с воздухозаборной кромки гондолы диаметром 75,1 дюйма, разделенной на три зоны D1, D2 и Инт.

Сокращение МТО означает Maximum Take-off, «максимальный режим взлета».

«12 час» соответствует положению «12 часов» в зоне воздухозаборника, то есть положению вблизи крепежной стойки.

«6 час» соответствует положению «6 часов» в зоне воздухозаборника.

Исходя из информации, полученной от ЭЦСУД 6, блок управления 2 определяет, соответствуют ли условия движения самолета области режимов полета с обледенением, и определяет подлежащую применению тепловую модель (режим), а следовательно, и определяемую этой моделью электрическую мощность, которую необходимо подать в нагревательные секции 1.

На фиг.2 и 3 приведены графики, иллюстрирующие области режимов полета с обледенением, где по оси ординат отложены температурные пределы в °С, а по оси абсцисс - пределы давления (барометрическая высота: высота, на которой давление составляет 1013,25 гПа).

Когда условия движения самолета выходят из области режимов полета с обледенением, блок управления подает питание к секциям 1 в соответствии с режимом предварительного нагрева, поддерживая определенную температуру, чтобы система реагировала со всей возможной быстротой, как только самолет войдет в указанную область режимов полета с обледенением.

К блоку управления 2 можно добавить датчик обледенения, обеспечивающий подачу необходимой электрической мощности только в том случае, если движение самолета происходит в условиях реального обледенения.

Хотя изобретение было описано выше применительно к частному примеру осуществления, надо понимать, что оно не ограничивается только этим примером, но охватывает всевозможные технические эквиваленты рассмотренных здесь средств и их различных комбинаций, при условии, что они включены в объем изобретения.

Реферат

Изобретение относится к области авиации, в частности к способу контроля и управления, по меньшей мере, одним резистивным нагревательным элементом (1), входящим в состав противообледенительной системы гондолы самолетного турбореактивного двигателя, отличающемуся тем, что он включает этапы: получение параметров наружных условий полета от самолетного центрального блока управления (6), определение тепловой модели, соответствующей полученным условиям полета. В зависимости от выбранной тепловой модели, подают необходимую электрическую мощность (4) на резистивный нагревательный элемент. Обеспечивается оптимизация расхода электрической мощности и повышение надежности. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Формула