飞机供电系统

民用飞机供电系统的历史回顾与发展 航空自动化学院电气工程及自动化系2010 09 01 于敦主编 民用飞机供电系统发展研究 严东超 飞机供电系统 国防工业出版社 程国华 大型民用飞机电源系统的现状与发展 刘建英 飞机电源系统 兵器工业出版社 B737 600 700 800 900AMM24前续课程 电工学 航空电机学总学时 18学时授课教师 朱继军 参考资料 课程内容及学时分配 建议 第一章概述 7学时 第二章不同民用飞机供电系统简介 3学时 第三章飞机供电系统举例 4学时 复习答疑 2学时考试 2学时 第一章概述 本章内容 1 1飞机供电系统的功用1 2飞机供电系统的组成1 3飞机供电系统的主要类型及发展历程1 4各供电系统技术特点1 5飞机供电系统的发展方向1 6先进飞机供电系统状况1 7关于我国飞机供电系统技术水平1 8对发展我国飞机供电系统的一些看法 1 1飞机供电系统的功用 所占比例 1 加热和防冰负载 40 2 电子设备 20 3 电动机构 30 4 照明设备 8 1 2飞机供电系统的组成 飞机供电系统主要由飞机电源系统 控制及保护装置 供电网络等组成 1飞机电源系统为保证飞机在各种情况下正常供电 飞机电源系统由主电源 辅助电源 应急电源 二次电源和地面电源组成 主电源 由主发动机直接或间接传动的发电系统 是机上全部用电设备的能量来源 辅助电源 工作条件 飞机在地面 且主电源不工作时 或空中作为主电源的备份电源类型 航空蓄电池 APU G作用 航前 后准备 起动主发动机等 1 2飞机供电系统的组成 应急电源 工作条件 飞行中主电源和辅助电源全部失效供电对象 关键负载 EssentialLoad 类型 航空蓄电池 BAT 静变流器 INV 冲压空气涡轮发电机 RAT 液压马达驱动发电机 HMG 1 2飞机供电系统的组成 外接地面电源 EP 工作场合 飞机在地面类型 电源车 柴油发电机组 中频电源 电瓶车作用 加油 装卸货物 清洁 地面检查 起动主发动机等 1 2飞机供电系统的组成 二次电源 概念 将主电源电能变换为另一种形式或规格的电能类型 DC AC 旋转变流机 静止变流器AC DC 变压整流器 DC DC 直流升压机 直流变换器 1 2飞机供电系统的组成 1 3飞机供电系统的主要类型及发展历程 飞机电源系统经历了低压直流 交流 高压直流的发展过程 其中交流电源经历了恒速恒频 变速恒频 变速变频 1 3飞机供电系统的主要类型及发展历程 一 低压直流电源系统自1914年飞机上第一次使用航空直流发电机以来 飞机直流电源系统经历了九十年的发展过程 其额定电压由6伏 12伏 逐步发展为28伏的低压直流电源系统 一直沿用至今 28伏低压直流电源系统主要由直流发电机 调压器 保护器和滤波器等组成 二次电源 旋转变流机 静变流器应急电源 航空蓄电池应用 30座以下的小型支线飞机 通用航空飞机 二 恒速恒频交流电源系统 CSCF 结构示意图 容量 30 40 60 90 120KVA辅助电源 APU G 应急电源 BAT INV RAT HMG 二次电源 TRU特点 恒装的采购费用 维修费用 寿命周期费用高 重量重 效率低 供电质量差 可靠性和可维修性也较差 恒频 三 变速恒频交流电源系统 VSCF 结构示意图 特点 无CSD 可靠性高 寿命周期费用低 但技术不稳定 VSCF电源与CSCF电源可互换 不需改变配电和用电部分 通用性强 应用 MD 90 四 变速变频交流电源系统 VSVF 结构图 特点 不需要CSD 结构简单 重量轻 可靠性高 适用机型 涡桨飞机 接近于恒频交流电涡喷飞机 需另配变频器 五 270伏高压直流电源系统 270V直流电源系统由发电机和控制器构成 美国的F 14A战斗机 S 3A和P 3C反潜机等局部采用了高压直流供电技术 而F 22战斗机上已采用了65kW的270V高压直流电源系统 F 35战斗机则采用了250kW 270V高压直流起动发电系统 因此270V直流电源系统也将是今后飞机电源的发展方向之一 1 4各供电系统技术特点一 低压直流电源系统的特点 1 随着电源容量的增加 低压直流电源系统的重量也在增大 原因 有电刷 电压低 电流大 发电机的体积重量及输电线路重量增大 例如 航空直流发电机 18KW 重量为41 5kg 喷油冷却航空交流发电机 60KVA重量为17kg左右 1 4各供电系统技术特点一 低压直流电源系统的特点 2 飞行高度和速度的不断提高 使低压直流电源系统的工作条件恶化 飞行高度增加 1万米以上 电刷磨损加剧 换向条件恶化 高速飞行时 直流发电机的冷却问题也难以解决 冷却条件差将导致发电机带载能力下降 1 4各供电系统技术特点一 低压直流电源系统的特点 3 二次电源复杂 效率低 主电源为直流电源 则二次电源为变流机 变流器 效率低 体积重量大 且交流电用量大 占95 以上 使变换设备增多 4 优点 控制 保护设备简单 易实现并联供电 可用作起动发电机 减轻机载设备的重量 1 4各供电系统技术特点二 恒频交流电源系统特点 长期以来 民航客机的主要电源一直是115V 3相 400Hz交流电 1恒速恒频交流电源系统传统的恒频是通过以恒定的转速驱动发电机的转子而产生的 一台恒速传动装置 CSD 便可以把发动机主齿轮箱的变速输出稳定为一个恒定转速 1 4各供电系统技术特点二 恒频交流电源系统特点 目前产生恒频的最佳方法是使用组合驱动发电机 IDG 如图1所示 整体驱动发电机把恒速传动装置和发电机合二为一 构成一个整体 与恒速传动装置和发电机分开使用的系统比较 组合驱动发电机的体积较小 重量较轻 且维护较为简单 虽然恒速恒频电源系统目前仍广泛用于各种军 民用飞机 而且经过几十年的发展 有了很大的改进 但它在可靠性 维修性 重量 费用 战损生存能力等方面一直存在着不同程度的缺陷 1 4各供电系统技术特点二 恒频交流电源系统特点 2 变速恒频交流电源系统在过去20年中 在若干民用飞机上试验并使用过一种产生恒频电源的替代方法 即试图通过电子变频装置把由变速发动机附件齿轮箱直接驱动的一台发电机产生的变频电源转换为恒频电源 这就是所谓的变速恒频 VSCF 技术 变速恒频交流电源系统与恒速恒频交流电源系统相比 具有电气性能好 效率高 可靠性高 维护费用低等优点 因此曾一度受到很高的重视 但大功率变速恒频电源系统主要受到功率器件的限制 经过实践发现 这一技术没有能够达到预期的可靠性要求 现在已经不把这一技术视为近期民用飞机领域中恒频电源的替代技术 1 4各供电系统技术特点三 变频交流电源系统特点 优点 变频交流电源系统具有结构简单 能量转换效率高 功率密度高等优点 变频交流电源系统由交流发电机和控制器构成 系统只有一次变换过程 交流发电机直接由发动机附件传动机匣驱动 没有恒速传动装置 恒速恒频系统采用 和二次变换装置 变速恒频系统采用 结构简单 重量轻 体积小 功率密度高 可靠性高 费用低 能量转换效率高 易于构成起动发电系统 因此单从电源系统本身来讲而不考虑配电系统 用电设备和发动机起动等因素 在各种电源系统方案中 变频交流发电系统具有结构最简单 可靠性最高 效率最高 费用最低等优点 而且具有较小的重量和体积 1 4各供电系统技术特点三 变频交流电源系统特点 缺点 但由于其输出频率取决于发动机减速器输出转速 尤其是多数飞机均采用涡喷发动机或涡扇发动机 发动机转速变化范围大 因此这种变频交流电源系统称之为宽变频交流电源系统 它具有频率变化大的缺点 难以满足机载电子设备对供电品质的要求 其发展曾一度受到了限制 应用 但随着电力电子技术的发展及其在飞机上的应用 变频交流电源系统更易于构成变频交流起动发电系统 因此 在最新研制的大型民用飞机上也得到了应用 如Boeing787飞机和A380飞机 使用变频电源的飞机主要有以下几种 如表1所示 1 4各供电系统技术特点三 变频交流电源系统特点 表1变频电源飞机列表序号飞机名称生产国家生产年代主发电机容量 kVA 频率范围 Hz 贝尔法斯特英国19668 50334 485SF 340支线瑞典19842 26ATP支线运输英国19872 30全球快车加拿大19944 40324 596新舟 60中国19972 20325 528B 787美国20094 250360 8007A 380欧洲20084 150360 800 1 4各供电系统技术特点三 变频交流电源系统特点 结论 由于交流发电机直接由发动机附件传动机匣驱动 其转速随着发动机的转速而变化 频率变化范围较大 一般约为2 1左右 为满足飞机各种不同用电负载的需要 二次电源变换形式较多 造成飞机配电系统十分复杂 1 4各供电系统技术特点四 高压直流电源系统特点 270V直流电源系统由发电机和控制器构成 恒速恒频交流电源效率在68 左右 高压直流电源的效率可达到85 以上 270V高压直流电源系统具有结构简单 能量转换效率高 功率密度高 易实现不中断供电以及使用安全等优点 1 5飞机供电系统的发展方向 资料表明 B737 800与B737 300相比 驾驶舱的仪表板采用了大尺寸显示器 增加了航空电子设备 改进了座舱的内饰 使乘客感到更加宽敞和舒适 以上的改进对于电源系统而言 能够分析出的是驾驶舱和客舱的用电量会增加 主发电机的功率由2 60kVA增加到2 90kVA 与此同时 APU发电容量也从40kVA增加到90kVA 如表2所示 1 5飞机供电系统的发展方向 1 5飞机供电系统的发展方向 1 飞机上存在多种二次能源 以电能逐步取代液压能 气压能等其它形式的二次能源 提高了飞机的可靠性 维护性 经济性 提高了飞机的总体性能 被列为多电的子系统为 飞控系统 液压系统 环控系统 防冰系统 2 多电技术的关键技术是大功率的发电机和大功率的电动机 飞机技术的发展带来飞机的用电量的快速增加 要求飞机供电系统的容量也相应增加 3 随着电力电子技术 计算机技术的发展 飞机供电系统的电压等级从28V低压直流向115V 400Hz恒频交流 270V高压直流 115V变频交流和230V变频交流方向发展 1 5飞机供电系统的发展方向 B787 A380飞机以及A320后继机 B737后继机都将可能是多电飞机 多电飞机是未来飞机发展的方向之一 但是多电的程度是需要根据飞机的航程 载客量以及设备的体积 重量 效率 可靠性 经济技术风险等方面综合考虑 1 6先进飞机供电系统状况一 空客A380多电飞机 A380飞机是一个典型的多电商用飞机 它完全按多电飞机电力系统来设计 总的发电功率是915KVA 其中 由发动机驱动4台150KVA的变频交流发电系统 发电容量共600KVA 频率在360Hz 800Hz之间 由辅助动力装置 APU 驱动两台120KVA恒速发电机 发电容量共240KVA 一个空气充压涡轮系统驱动一个75KVA发电系统 A380飞机大部分的作动装置采用电力作动 使飞机的设计更为简单 地面保障设备减少 飞机性能大为提高 1 6先进飞机供电系统状况二 波音787飞机 波音787飞机是一个典型的多电商用飞机 它与A380飞机相比 更接近全电飞机 它完全按多电飞机来设计 总发电功率是1460KVA 波音787飞机的电源系统与以往的波音飞机有着很大的区别 飞机上的电源来自4个安装在发动机上的230V交流250KVA变频发电机和2个安装在辅助动力装置 APU 上的230V交流225KVA变频发电机组成 变频系统取代了传统的恒频系统 频率在360Hz 800Hz之间 1个空气充压涡轮系统驱动一个10KVA交流发电系统 电源经过变频 整流 变压分配后形成飞机的4种电源模式 即传统的115V交流 28V直流和新的230V交流 270V直流 其中230V交流和270V直流电源主要用于以往由气源系统驱动的系统部件 1 6先进飞机供电系统状况二 波音787飞机 波音787飞机上取消了传统的气源系统 这样的设计优化了飞机能源的使用 提高了发动机的效率 由于取消了气源系统的各个部件 活门 管道等 大大降低了飞机的重量 系统的可靠性得到显著提高 飞机的维修成本也得到有效降低 1 6先进飞机供电系统状况三 F35战斗机 F35战斗机是一个典型多电战斗机 技术更加先进 能携带更大的高能武器 它完全按多电飞机来设计 总的发电功率是250KW F35战斗机采用固态配电技术 对飞机的电力系统进行了优化设计 一次配电和二次配电系统采用集中控制 飞机可靠性大为提高 飞机重量大大减轻 飞机性能更为优越 F35战斗机成为典型的第二代多电飞机 1 6先进飞机供电系统状况三 F35战斗机 F35的综合机载机电系统主要包括热 能量管理系统 T EMM 起动 发电系统和电静液作动器系统 EHA 并由飞机管理系统控制 从而使机载机电系统在布局 能量利用和控制信息共享上实现了最优化 该飞机接近于全电飞机 1 7关于我国飞机供电系统技术水平一 恒速恒频交流电源系统 我国陕西航空电气有限责任公司 115厂 自行研制的比较先进的 比较成熟的电源系统为恒速恒频系统 其中组合式传动发电机 IDG 容量为60KVA 恒装由南京液压中心研制 该产品已经装备多种类型的战斗机 属于货架产品 1 7关于我国飞机供电系统技术水平一 恒速恒频交流电源系统 南京机电液压工程中心的恒装研究具有悠久历史 主要是参考仿照美国和俄罗斯技术 具有120KVA以下的恒装研制能力 当前主要生产研制60KVA的恒装 功率传输效率约80 已经在军机上采用 最长实现200飞行小时无故障使用 从产品角度上可以使用 但仍存在一些问题 如专利保护问题 单独适航取证问题 可靠性还需要进一步验证 1 7关于我国飞机供电系统技术水平一 恒速恒频交流电源系统 由于恒速装置的技术难度高 我国要研制更大功率的IDG已经很困难 尽管国外研制的IDG能够达到150KVA 但由于工艺 材料等技术因素 我国在短期内实现技术的突破很困难 1 7关于我国飞机供电系统技术水平二 变频交流电源系统 陕西航空电气有限责任公司 115厂 已经开始了变频电源的研制 其中发电机容量为90KVA 该产品已经在装配与试验 该厂曾经研制了15KVA的变速恒频电源系统 其中发电机部分为变频发电机 1 7关于我国飞机供电系统技术水平二 变频交流电源系统 由于变频发电机的结构与IDG发电机相同 为三级发电机 部分关键技术可以通用 该厂已经完成了电磁设计 冷却 整流等关键技术 如果承担更大功率的变频发电机的研制 没有很大的技术难点 因此其有能力承担更大功率变频发电机的研制 但是与国外比较 在材料 轴承 热处理等技术上仍存在差异 在寿命 可靠性等性能上亦不如国外水平 1 7关于我国飞机供电系统技术水平补充 三级式无刷交流发电机 组成 永磁式副励磁机 旋转磁极式 给交流励磁机的励磁绕组 GCU等供电 交流励磁机 旋转电枢式 为主发电机提供励磁电源 旋转整流器 将交流励磁机电枢转子上发出的交流电变为直流电 为主发电机的励磁绕组供电 主发电机 旋转磁极式 供电到飞机电网 1 7关于我国飞机供电系统技术水平补充 三级式无刷交流发电机 航空交流发电机实物图 航空交流发电机转子 CSD外形图 CSD分解图 1 7关于我国飞机供电系统技术水平三 高压直流电源系统 高压直流电源可采用开关磁阻发电机和绕线式发电机 115厂研制的270V 70KW开关磁阻电机应用于海军 军用70KW的开关磁阻发电机在研制中 作为预研项目 该厂曾经研制过125KW的磁悬浮开关磁阻发电机 1 7关于我国飞机供电系统技术水平四 试验条件 115厂作为我国最有实力的航空电源生产厂 有着比较完善的研发试验条件 为新型发电机的研制提供了很好的硬件条件 1 7关于我国飞机供电系统技术水平五 总结 目前我国国内飞机电源系统的整体发展水平滞后于国外电源系统供应商 国外Boeing787上已经装配了变频250KVA的发电机 而我们国内90KVA的发电机还在研制中 另外我们国内技术储备与国外相比差距较大 中国商用飞机有限责任公司的成立 标志着我国大型客机项目的正式启动 开创了我国大型飞机研制的新局面 国内电源生产厂家可以借助大型客机项目展开国际合作 提升自己的技术水平 从而提升我们的产业结构 1 8对发展我国飞机供电系统的一些看法 我国航空工业迎来了一个难得的发展机遇期 大型运输机 干线飞机 新型战斗机和高超音速飞行器的研制都对航空电源系统提出了迫切的需求 对我国航空电源的发展来说是一个珍贵的机遇 认清形势 找出差距 满足需求 才能得到突破式发展 1 8对发展我国飞机供电系统的一些看法一 与国外航空电源的差距 我国电源系统缺少系列化 可供选择的电源产品和技术储备较少 尚不能满足飞机发展的需要 我国航空发电技术有了较大提高 但航空电源系统研制开发能力和试验验证手段比较薄弱 我国在多电飞机和全电飞机采用的高压直流电源系统 自动配电技术等项目预研刚刚起步 宽变频系统尚未研究 1 8对发展我国飞机供电系统的一些看法二 需要突破的技术关键 1 航空电源系统供电体制的研究我国现有航空电源系统供电体制主体是28伏低压直流电源系统和400HZ115伏 200伏恒频交流电源系统 270伏高压直流电源系统是主要的研究内容 这种供电体制在歼击机上应用有其突出的优点 变频供电混合供电体制研究也应该是研究的重点 为适应大型机的发展 在发电系统中要打破恒速传动装置和全功率逆变装置的发展制约 大大提高系统的效率和可靠性 降低全寿命周期费用 1 8对发展我国飞机供电系统的一些看法二 需要突破的技术关键 2 航空电源供电系统结构的研究我国航空电源供电系统的结构基本上是传统的典型结构 这种结构已经无法适应今后飞机技术发展的需要 不能达到系统容错 重构 不间断供电等重要的技术性能 新的系统结构研究的重点是智能化分布式固态配电系统 1 8对发展我国飞机供电系统的一些看法二 需要突破的技术关键 3 航空电源系统核心部件的技术研究3 1发电机设计技术方面的研究 1 大功率开关磁阻起动 发电机技术的研究这种研究最终能够取消大功率发动机的燃气起动机 并且适应向多电飞机发展的需要 2 异步起动 发电机技术的研究作为独立电源系统方面 这是一个重要的发展方向 3 高功率密度永磁发电机的技术研究这类发电机技术在无人机高速飞行器上有较大的应用可能 4 多级电压交直流发电机技术研究这类技术将有效的减少二次电能变换设备 提高无人机的燃油利用率 增加无人机的效载荷 适应高性能无人机发展 1 8对发展我国飞机供电系统的一些看法二 需要突破的技术关键 3 2发电机先进结构方面的有关研究 1 组合到发动机内的内装式发电机的研究探索与航空发动机的协调结构设计等关键技术 这种结构结合到多电飞机技术发展 就可以取消发动机附件机匣或者飞机附件机匣 技术上是跨越式发展 2 发电机新型的冷却结构方式和新的冷却技术研究大功率的发电机和集中式绕组的冷却技术 如绕组导体内腔及铁心内部循油冷却技术在航空电机上应用以及新型冷却介质在航空电机上应用 3 新型结构材料在航空电机上的应用研究特别是发动机内装的起动 发电机需要的耐高温达6000的磁性材料 1 8对发展我国飞机供电系统的一些看法三 组合电源装置不宜大力发展 在研制新系统和新设备时既要考虑到技术可行性 又必须估计到其发展前途和对今后发展的影响 正是出于上述考虑 不主张发展组合电源装置 具体理由如下 1 我国已能生产分离式的恒速恒频系统 其功率也完全能满足干线飞机和军用飞机的要求 这种系统仍广泛用于国外的干线飞机 因而 为减轻一点重量去发展组合电源装置必要性不大 也不经济合理 2 国外的下一代干线飞机和战斗机都有不再采用组合电源装置的趋势 新的变速恒频系统也正开始在民用飞机上使用 这说明可靠性差又十分昂贵的组合电源装置正逐步淘汰 我们现在再去研制这种装置显得不合时宜 1 8对发展我国飞机供电系统的一些看法三 组合电源装置不宜大力发展 3 前苏联研制组合电源装置的过程表明 研制该装置需花费很多时间和财力 前苏联的技术条件和经济实力都比我们强 但他们在仿制恒速传动装置 CSD 的前提下 仍需十多年才研制出第一代组合电源装置 4 我们对组合电源装置的研制费用和时间 需求量 外销可能性 取得适航性的可能性以及经济上是否有利等可行性问题还没有做具体的分析和论证 待这些问题解决后再发展也不迟 1 8对发展我国飞机供电系统的一些看法三 组合电源装置不宜大力发展 5 恒速恒频系统的 摊子 比低压直流系统更大 受继承性的影响也更深 发展组合电源装置将使我们以后像美国现在一样 处于进退两难的局面 因而我们顺应飞机供电系统发展的潮流 积极发展变速恒频系统 早日把变速恒频系统装在民用飞机上 1 8对发展我国飞机供电系统的一些看法四 改造低压直流系统 我国生产的低压直流系统虽然能满足支线飞机等小型民用机的要求 但毕竟是属于50年代的产品 在重量 性能 可靠性和维修性等方面都低于国外目前的水平 应把改造低压直流系统的重点放在设计高转速高性能的起动 发电机和开发固态的发电机控制装置两个方面 1 8对发展我国飞机供电系统的一些看法五 努力开发供电系统应用的电子技术 最近一段时间内 飞机供电系统的发展是以更多地采用电子技术为特征的 变速恒频系统就是一种电子化的恒频交流系统 电气多路传输系统则是多路传输技术用于配电系统的产物 发展中的高压直流系统将采用计算机和固态功率控制器 并具有负载自动管理功能 1 8对发展我国飞机供电系统的一些看法五 努力开发供电系统应用的电子技术 因此我们应把重点放在开发固态功率控制器 微处理机型发电机控制装置和汇流条功率控制装置以及多路传输技术的研究 促进电子技术在飞机供电系统中的应用 为了达到上述目的 我们应该更加积极地研制和生产飞机供电系统所需的专用半导体器件 如大功率 高转换速度的功率晶体管 垂直场效应晶体管等 复习思考题 1飞机供电系统的功用是什么 并简述其组成情况 2飞机供电系统有哪些主要类型 并简述其发展历程 3分析各供电系统技术特点 4简述飞机供电系统的发展方向5简述空客380多电飞机供电系统状况 6简述波音787多电飞机供电系统状况 7我国飞机供电系统技术发展水平的情况是什么 8为什么我国不宜大力发展组合电源装置 9我国发展机供电系统需要突破的技术关键有哪些 第二章不同民用飞机供电系统简介 2 1民用飞机的种类2 2民用飞机供电系统的特点2 3干线飞机的供电系统2 4支线飞机的供电系统2 5通用航空飞机的供电系统 2 1民用飞机的种类 一 民用飞机的种类1 干线飞机2 支线飞机3 通用航空飞机 小型多用途飞机 轻型飞机 农林飞机 行政飞机 2 1民用飞机的种类 二 所选用的供电系统类型1 干线飞机 主要采用恒速恒频系统 发展的趋势将是变速恒频系统和变速变频系统 2 支线飞机 低压直流系统以及由低压直流系统和变频交流组成的混合供电系统 3 通用航空飞机 低压直流系统以及由低压直流系统和变频交流组成的混合供电系统 2 2民用飞机供电系统的特点 一 适于采用变频交流电用电最多的加热负载对供电频率没有什么要求 二 航空电子设备不是一个重要因素1 在民用飞机上航空电子设备的用电量很少 并且几乎是一个不变的量 不像加热等负载那样是随着飞机尺寸而变化的 2 民用航空电子设备是按ARINC规范设计的 在供电特性和航空电子设备的要求之间不存在不相容的问题 2 2民用飞机供电系统的特点 三 采用起动 发电机发电机容量不超过12kw 将优先采用低压直流供电系统 原因 1 民用飞机对起动时间的要求不像军用机那么高 因而可以采用电起动方式 2 所需直流发电机的容量已足以起动小型民用飞机的发动机 四 强调安全性1 采用一些能满足适航性要求的应急电源装置 2 安装辅助动力装置及其驱动的发电机 以提高足够的备份电力 2 3干线飞机的供电系统一 干线飞机对供电系统的新要求 1 采用节能发动机后要求增加发电容量 随着节能发动机在干线飞机上的应用 将直接影响到环境控制系统和气热防冰系统的运行 因为发动机的核心气流和可用的放气变少了 提取发动机的轴功率 考虑采用电动环境控制系统和电防冰技术 为此要求增加发电容量 2 3干线飞机的供电系统一 干线飞机对供电系统的新要求 2 采用变速恒频起动 发电系统 优点 用一套设备来完成两种功能 因而在飞机上取消冷气起动机和有关管道后可大大减轻重量 电起动系统是一个电子控制系统 易于实现加速度控制和限制最大输入功率 因而能使起动机更好地满足发动机的要求 与冷气起动方式不同 采用电起动方式可使所提供的起动力矩与飞机所处的高度无关 2 3干线飞机的供电系统一 干线飞机对供电系统的新要求 电起动系统的成本比冷气起动系统低 因为与一专用的冷气起动机相比 把发电机改为起动 发电机所增加的费用是低的 目前正在为明天的干线飞机发展超高涵道比的发动机 用变速恒频起动 发电系统来起动这种发动机十分理想 因为起动力矩 转速特性更适应这种发动机特有的性能要求 2 3干线飞机的供电系统一 干线飞机对供电系统的新要求 3 提高发电效率 发电效率高就意味着有效载荷大 收益 干线飞机的用电量大 更应重视效率这个指标 发电效率高也是飞机总体设计和环境控制系统所希望的 4 与集中式电子监控系统接口 B767 可显示供电系统的配置情况 什么部件发生故障以及应该采取什么修正措施 从而实现了对供电系统工作状态的监控 2 3干线飞机的供电系统二 近期内可供选择的供电方案 150 700座 1组合电源装置式恒速恒频系统 第2代 优点 重量轻 维修性有所改善 发展前途 CSD再改进已很困难 原因 要在发动机很宽的转速范围内和加速条件下实现恒速输出是困难的 高的赫兹应力 小体积 高速机械液压部件的运行 也使CSD发展更加困难 因而CSD的采购费用和维修费用一直居高不下 2 3干线飞机的供电系统二 近期内可供选择的供电方案 150 700座 2 变速恒频系统 优点 干线飞机采用变速恒频系统具有很好的实用性 由于干线飞机本来就采用恒频交流系统 因而改用变速恒频系统仅仅是一个更换发电系统的问题 而不要求配电和用电部分也作相应的改变 2 3干线飞机的供电系统二 近期内可供选择的供电方案 150 700座 变速恒频系统具有可靠性高和寿命周期费用低 2 3干线飞机的供电系统二 近期内可供选择的供电方案 150 700座 变速恒频系统供电质量比恒速恒频系统好得多 2 3干线飞机的供电系统二 近期内可供选择的供电方案 150 700座 变速恒频系统的发电效率高 组合电源装置式恒速恒频系统 74 79 变速恒频系统 82 86 易于改成变速恒频起动 发电系统 只需增加一些部件即可 这样可降低营业费用 减轻飞机重量 2 3干线飞机的供电系统二 近期内可供选择的供电方案 150 700座 3 270V高压直流系统 优点 发电效率高 发电和配电系统重量都轻 航空电子设备的电源装置重量轻 可靠性高 易实现不中断供电 寿命周期费用最低 2 3干线飞机的供电系统二 近期内可供选择的供电方案 150 700座 两种供电系统比较 2 3干线飞机的供电系统二 近期内可供选择的供电方案 150 700座 大型运输机供电系统的综合对比 2 3干线飞机的供电系统二 近期内可供选择的供电方案 150 700座 270V高压直流系统的应用 目前还不会在干线飞机上全面采用高压直流系统 因为这样做涉及到供电体制的改变问题 将会出现一个不是大量更换用电设备就是为现有的用电设备添加许多功率变换器的局面 因而在干线飞机上首先考虑的方案是在一些必要的场合局部采用高压直流电 如仅在飞行控制系统部分采用高压直流供电 2 3干线飞机的供电系统二 近期内可供选择的供电方案 150 700座 4 变速变频交流系统 解决了异步电动机的变频供电问题 虽然电压和频率都随发动机转速而变化 但可保证在负载变化和发动机转速变化的条件下作到电压和频率基本保持恒定 10 因此绝大多数异步电动机能在较宽的频率范围内正常工作而重量不会过分增加 2 3干线飞机的供电系统二 近期内可供选择的供电方案 150 700座 不同负载采取不同的供电方式 在采用变速变频交流系统的干线飞机上 发电机直接向厨房设备 加热 防冰 照明以及大部分电动机负载供电 航空电子设备和飞行控制系统所需的高质量高压直流和恒频交流电分别由相滞整流器和变速恒频变换器提供 2 3干线飞机的供电系统二 近期内可供选择的供电方案 150 700座 只能采用直流网络式变速恒频技术来产生所需的恒频交流电 变速变频交流系统的发电效率高达95 比cscf和vscf都高得多 这样不但增加了飞机的有效载荷 也解决了大容量发电机的热管理问题 2 3干线飞机的供电系统二 近期内可供选择的供电方案 150 700座 总结 事实上 vsvf系统仅把一小部分电力变换为270v高压直流电和115 200v 400Hz恒频交流电 与vscf系统相比 它的优点主要体现在采购费用 重量 油耗 维修性和安全性方面 下一代干线飞机的供电系统将向vscf系统和vsvf系统的方向发展 2 4支线飞机的供电系统一 支线飞机的特点 1 能在小机场和简易机场起落 支线飞机应具有一定的自足能力 绝大多数支线飞机都装有低压直流起动 发电机 并带有一个大容量的起动发动机用的蓄电池 2 强调经济性 为了使支线飞机具有良好的经济性 要求它有最低的寿命周期费用 选用低压直流系统和由低压直流和变频交流系统组成混合供电系统 费用指标将是很理想的 3 航程短和要求频繁起落 支线飞机往往选用涡桨发动机 这为支线飞机采用变频交流系统创造了条件 2 4支线飞机的供电系统二 支线飞机发展对供电系统的影响 1 向大型化发展 80年代之前 支线飞机绝大多数是19座以下的 采用28v低压直流系统 80年代投入使用的第2代支线飞机大多是30座或30座以上的 随着飞机变大用电量也增多 加之这些飞机采用涡桨发动机 因而不少飞机采用了由低压直流和变频交流系统组成的混合供电系统 90年代投入使用的一些新支线飞机大多是在80年代第2代支线飞机的基础上发展起来的更大的飞机 坐席接近100的那些飞机很可能采用恒频交流系统以减轻配电系统重量 总之 28v低压直流系统和由低压直流系统和变频交流系统组成的混合供电系统仍然是绝大多数支线飞机采用的标准供电系统 2 4支线飞机的供电系统二 支线飞机发展对供电系统的影响 2 向高速度发展 涡桨发动机的支线飞机适用于频繁起落 在飞行性能 油耗和采购费用等方面比喷气式好 因而涡桨发动机不可能完全被取代 在较短航线上的涡桨发动机的支线飞机仍将起主导作用 支线飞机采用喷气式发动机后更倾向于采用恒频交流供电系统 因为不采用涡桨发动机也就意味着在支线飞机上采用变频交流电的良好条件消失了 2 4支线飞机的供电系统三 可用于支线飞机发展的供电系统 28v低压直流系统 由低压直流系统和变频交流系统组成的混合供电系统 变频交流系统 CSCF系统 VSCF系统 可用于支线飞机发展的供电系统 2 4支线飞机的供电系统三 可用于支线飞机发展的供电系统 1 28v低压直流系统支线飞机广泛采用低压直流系统的主要原因 支线飞机用电量不大 具有采用低压直流系统的可能性 低压直流系统较成熟 结构简单 经济性好以及重量也合适 低压直流系统改进后具有更大的竞争力 2 4支线飞机的供电系统三 可用于支线飞机发展的供电系统 低压直流系统的组成 两台起动 发电机 发电机容量在3 9KW之间 一台或二台大容量的镍镉蓄电池 每台容量在22 45Ah之间 为提供恒频交流电 支线飞机上装有二台静止变流器 一台备用 每台容量在250 600VA之间 调压 控制 保护功能是由发电机控制装置来完成的 2 4支线飞机的供电系统三 可用于支线飞机发展的供电系统 新型低压直流系统的两个特征 采用高转速的起动 发电机或发电机和性能更好的铁磁材料 大大减轻了发电机重量 2 4支线飞机的供电系统三 可用于支线飞机发展的供电系统 采用固态发电机控制装置 2 4支线飞机的供电系统三 可用于支线飞机发展的供电系统 2 混合供电系统由低压直流系统和变频交流系统组成的混合供电系统往往应用于30座以上80座以下的支线飞机 经济合理 2 4支线飞机的供电系统三 可用于支线飞机发展的供电系统 可行性分析 负载分析表明 支线飞机上加热和防冰负载占有很大的比例 由于这类负载对供电质量的要求较低 因而用变频交流电来满足这类负载的供电要求既经济又有效 这些支线飞机基本上都采用涡桨发动机 在巡航时发动机转速基本不变 从而为在支线飞机上采用变频交流系统创造了良好的条件 2 4支线飞机的供电系统三 可用于支线飞机发展的供电系统 低压直流系统部分简介 混合供电系统中的低压直流系统基本上与前面叙述的低压直流系统相同 只是发电机容量大一些 一般在7 5 12kw之间 飞机上的重要负载也都接在低压直流系统上 2 4支线飞机的供电系统三 可用于支线飞机发展的供电系统 变频交流系统部分简介 总容量不大 一般在15 40KVA之间 在大多数情况下 该系统由两台变频交流发电机及其控制和保护装置组成 用来向加热和防冰负载供电 总的来讲 控制和保护功能比较简单 仅对OV UV 相电流不平衡和短路故障进行保护 变频发电机都是无刷的 2 4支线飞机的供电系统三 可用于支线飞机发展的供电系统 3 变频交流系统变频交流系统虽然没有成为支线飞机广泛采用的一种供电系统 但它始终是支线飞机供电系统的候选方案 在飞机上单独使用变频交流系统有着很大的吸引力 2 4支线飞机的供电系统三 可用于支线飞机发展的供电系统 变频交流系统的有利条件 简单 可靠 重量较轻 技术较成熟 中型支线飞机采用涡桨发动机 在巡航时发动机转速基本不变 从而为在支线飞机上采用变频交流系统创造了良好的条件 支线飞机要求高质量供电的设备较少 2 4支线飞机的供电系统三 可用于支线飞机发展的供电系统 4 CSCF系统CSCF系统也没有在支线飞机上得到广泛应用 仅用在一些大型支线飞机上 原因如下 这些支线飞机已是一架中型客机 用电量较大 因而像在干线飞机上一样 采用CSCF系统为好 电动机负载所占比例较大 由于大部分电动机是异步电动机 因而采用恒频供电体制较为合理 经济性好 可使供电系统的寿命周期费用最低 2 4支线飞机的供电系统三 可用于支线飞机发展的供电系统 就目前情况来讲 CSCF系统虽然不会在支线飞机上得到广泛应用 但随着支线飞机向大型化发展 将会有更多的支线飞机采用该系统 5 VSCF系统由于VSCF系统已在行政飞机这种小型飞机上使用 并且 VSCF系统与CSCF系统相比在小容量的范围内具有更大的优势 2 5通用航空飞机的供电系统一 概况 1 定义 通用航空飞机是除了干线飞机和支线飞机之外的所有民用飞机的总称 是世界上数量最多 用途最广的一种飞机 2 分类 小型多用途运输机轻型飞机农林飞机行政飞机 2 5通用航空飞机的供电系统一 概况 3 可选用的供电系统 总的来讲 通用航空飞机是一种小飞机 用电量不可能太大 因而十分适于在这些飞机上采用低压直流系统 但有一些行政飞机十分豪华 因而在这些飞机上采用了恒频交流供电系统 2 5通用航空飞机的供电系统二 小型多用途运输机的供电系统 1 用途 支线客 货运 农林 空中救火 邮政 空中摄影 医疗救护 鱼情探测 资源勘探 跳伞训练 科学考察和空降空投等 2 5通用航空飞机的供电系统二 小型多用途运输机的供电系统 2 供电系统特点小型多用途运输机在大小和用电量方面与小型支线飞机相当 目前使用的小型多用途运输机几乎都采用28v低压直流系统 每台起动 发电机的容量为6或9kw或更小 2 5通用航空飞机的供电系统二 小型多用途运输机的供电系统 3 供电系统的发展趋势可以预料 今后小型多用途运输机将仍然采用同时具有起动能力和使飞机具有一定自足性的低压直流系统 并采用高转速的起动发电机和微处理机型的发电机控制装置和汇流条功率控制装置 2 5通用航空飞机的供电系统三 轻型飞机的供电系统 1 适用场合轻型飞机多为私人所有 绝大多数是一种4 6座的采用活塞发动机的单发动机飞机 这种飞机的数量约占通用航空飞机总数的75 左右 2 5通用航空飞机的供电系统三 轻型飞机的供电系统 2 轻型飞机供电系统的历史沿革 在1964年以前 与支线飞机等小型飞机一样 轻型飞机也采用航空直流发电机 后来发现这种发电机在轻型飞机上有3个缺点 功率重量比小 转速较低时发电机输出功率下降 这种有刷发电机维修性差 2 5通用航空飞机的供电系统三 轻型飞机的供电系统 在60年代中后期 开始在轻型飞机上采用带有输出整流器的交流发电机 从1979年开始 又将系统的额定电压提高到28v 这不但使系统重量减轻 而且使供电参数与目前飞机上广泛使用的28v低压直流系统统一起来 同时还在轻型飞机上加装了欠压警告灯 改用静止变流器等 2 5通用航空飞机的供电系统三 轻型飞机的供电系统 3 轻型飞机低压直流供电系统的特征 比较简单 采用带输出整流器的交流发电机 发电容量较小 一般为28V60A或更小 不采用起动 发电机 用一台小电动机来起动发动机 从而改善了维修性 2 5通用航空飞机的供电系统四 农林飞机的供电系统 1 可选用的供电系统农林飞机是一种飞行速度较慢 飞行高度较低以及用电量不大的小飞机 因而很适于采用低压直流供电系统 有两种 像轻型飞机所用的供电系统一样 采用带输出整流器的交流发电机 像小型支线飞机所用的供电系统一样 采用直流起动 发电机 注 不论采用哪一种直流供电系统 发电容量都较小 一般分别在28v35A 28V70A之间和1 5 6KW之间 2 5通用航空飞机的供电系统四 农林飞机的供电系统 2 发展趋势虽然国外正在积极发展新的农林飞机 但新飞机的用电量即使增加1倍 也不超过12KW 因而今后的农林飞机将继续使用28V低压直流供电系统 2 5通用航空飞机的供电系统五 行政飞机的供电系统 1 适用场合行政飞机是政府机关 军队 企业和事业单位用于行政出差和公务旅行的小型飞机 2 可选用的供电系统行政飞机所采用的供电系统种类繁多 绝大多数行政飞机采用28V低压直流系统 发电容量一般为2 6 2 9 2 12KW 复习思考题 1 简述民用飞机的种类以及它们使用的供电系统类型 2 分析民用飞机供电系统的特点 3 简述干线飞机对供电系统的新要求 4 分析近期可供干线飞机选择的供电方案 5 分析支线飞机的特点及其对供电系统的影响 6 分析近期可供支线飞机选择的供电方案 7 简述通用航空飞机的供电系统情况 第三章B737 600飞机供电系统主要内容 一 电源控制二 电源分配三 电源部件位置四 电源仪表 电瓶 厨房电源组件五 发电机驱动和备用电源组件六 交流系统 发电机 APU组件七 电源使用 第三章B737 600飞机供电系统 功能 电源系统可进行发电 供电及控制等功能 系统有自动和人工控制两种方法 机内测试设备 BITE 和备用电源可使系统保持较高可靠性 组成 电源系统有如下子系统 发电机传动 交流发电 直流电 外部电源 交流电载荷分配 第三章B737 600飞机供电系统 常用缩略语 AGCU APU发电机控制组件APB APU断路器APU 辅助动力装置Bat 电瓶BPCU 汇流条电源控制组件BTB 汇流条断路器CSD 恒速传动装置 第三章B737 600飞机供电系统 EP 外部电源GCB 发电机控制断路器GCR 发电机控制继电器GCU 发电机控制组件Gen 发电机IDG 整体传动发电机SPCU 备用电源控制组件TRU 变压整流器组件 TransformationRegisterUnit 第三章B737 600飞机供电系统 第三章B737 600飞机供电系统一 电源控制 目的 电源系统为飞机提供交流和直流电 系统有自动和人工控制和保护 备用交流和直流系统可以提供正常和应急电源 第三章B737 600飞机供电系统一 电源控制 1 交流电源电源系统有四个主交流电源和一个备用交流电源 下面是四个主交流电源及其供电能力 左整体传动发电机 IDG1 90KVA 右整体传动发电机 IDG2 90KVA APU起动机发电机 低于32000英尺 9753米时90KVA 直到41000英尺 12496米时 降到66KVA 外部电源 90KVA IDG和APU起动机发电机提供3相 400赫兹 115 200伏 正常 电源 交流电源系统的设计可防止两个电源同时给同一负载供电 一个备用交流电源 静变流机提供单相 115伏交流输出给交流备用汇流条 第三章B737 600飞机供电系统一 电源控制 2 直流电源三个变压整流器组件 TRU 将3相 400赫兹 115 200伏交流电变为28伏直流电 飞机也有如下直流电源 主电瓶 主电瓶充电器 辅助电瓶 辅助电瓶充电器如果其它电源不能用 电瓶可以作为备用直流电源 备用电源控制组件 SPCU 控制直流电源的分配 第三章B737 600飞机供电系统一 电源控制 3 备用电源在失去正常电源时 备用电源系统给必要的系统提供最小60分钟的交流和直流电源 以保证飞行安全 电瓶提供直流电源 静变流机使用电瓶电源产生交流电源 SPCU控制备用交流和直流电源的分配 第三章B737 600飞机供电系统一 电源控制 4 保护电源系统可以自动控制为电源失效或负载失效提供保护 下列的航线可更换组件 LRU 给系统提供保护和控制逻辑 左发电机控制组件 GCU1 右发电机控制组件 GCU2 APU发电机控制组件 AGCU 汇流条电源控制组件 BPCU 起动变流机组件 SCU GCU对系统进行监控 以控制和保护IDG APUGCU和起动机变流机组件 SCU 一起工作 以控制和保护APU起动机发电机 汇流条电源控制组件 BPCU 控制和监控外部电源的使用 BPCU保护飞机 以防外部电源超过限制 第三章B737 600飞机供电系统一 电源控制 5 控制在P5面板上的下列组件给电源系统提供人工控制 电源仪表 电瓶和厨房电源组件 P5 13 发电机传动和备用电源组件 P5 5 交流系统 发电机和APU组件 P5 4 这些组件上的电门给LRU提供信号 对部分系统进行控制 LRU然后接通或断开继电器或断路器 以控制电源 第三章B737 600飞机供电系统一 电源控制 断路器允许电源供给汇流条 断路器闭合电源可以通过 当给GCU提供关闭指令时 断路器闭合 只有在电源良好 且没有其他电源供给汇流条时 GCU闭合断路器 GCU通过BPCU接收断路器位置信号 下列是主断路器 外部电源接头 EPC APU电源断路器 APB 发电机控制断路器 GCB P5上的组件也可监控电源系统的状态 面板上有灯和字母 数字LED显示 第三章B737 600飞机供电系统一 电源控制 电源仪表 电瓶和厨房电源组件 发电机传动和备用电源组件 交流系统 发电机和APU组件 第三章B737 600飞机供电系统二 电源分配 1 概况下列交流汇流条直接从交流电源接受电源 交流转换汇流条1 交流转换汇流条2 地面服务汇流条1 地面服务汇流条2系统逻辑自动卸载 卸载 以防交流电源过载 第三章B737 600飞机供电系统二 电源分配 下列直流汇流条直接从变压整流器组件 TRU 接收电源 直流汇流条1 直流汇流条2 电瓶汇流条 第三章B737 60