直升机是一种以动力装置驱动的旋翼作为主要升力和推进力来源, 能垂直起落及前后、左右飞行的旋翼航空器。因其具备其它多数固定翼航空器所不具备的垂直升降、悬停、小速度向前或向后飞行的特点, 使得直升机在很多场合可以大显身手。伴随着机载设备的增多, 如雷达、导航等设备, 不仅对电源系统的功率容量提出了更高的要求, 而且对电源系统的可靠性也提出了更高的要求, 促使直升机电源系统不断改进发展。
1 直升机电源系统的组成
直升机电源系统可以分为交流电源系统和直流电源系统两类。
1.1 交流电源系统
交流电源系统由主交流电源系统、辅助交流电源系统和外部交流电源系统组成。
(1) 主交流电源系统:由两个独立的子系统组成, 每个子系统主要由一台主减速器驱动的交流发电机、发电机驱动器、发电机接触器等组成。
主交流电源系统的作用是正常工作条件下提供全机交直流负载工作所需电源, 当一个子系统出现故障时除了桨叶防冰系统仍可提供全机交直流负载电源。
(2) 辅助交流电源系统:其硬件主要由辅助动力装置驱动的发电机、辅助发电机控制器、辅助电源/外部电源接触器和一个汇流条连接接触器等组成。
辅助交流电源系统属于机上辅助或应急电源, 在无外部电源时或者当两个主交流发电机都不供电时, 提供全机重要的交直流负载所需的电源。
(3) 外部交流电源系统:主要由外部交流电源插座、接触器、外电源监控器、一个与辅助电源共用的辅助电源/外部电源接触器和共用的汇流条连接接触器等组成。
外部交流电源系统用于接收地面三相交流电源向机上用电设备供电。
1.2 直流电源系统
(1) 主直流电源系统:由两个独立的子系统组成。每个子系统硬件主要由一台变压整流器、接触器等组成。
主直流电源系统的作用是正常工作条件下和一个子系统出现故障时提供全机直流用电负载电源。
(2) 蓄电池电源系统:其硬件由一台镉镍蓄电池、蓄电池接触器和充电器所组成。
蓄电池的作用雨辅助电源相似, 为机上提供辅助或应急直流电源, 在地面, 提供辅助动力装置启动所需的电源。在主直流电源两个子系统都出现故障的情况下, 提供安全飞行所必需的直流电源。
2 Bell直升机电源系统的工作原理及存在的问题
Bell直升机上使用的电源系统是直流电源系统, 其重要的改进是机上蓄电池系统使用的是一种透气式、24V、13A/H的镍-镉碱性电瓶。它以碱性物质作电解液, 工作过程中电解质不消耗仅完成导电作用。该电瓶的基本工作原理是基于化学反应电子的活动走向, 由于镍和镉都是化学特性很活泼的物质, 它们在氢氧化钾的溶液中很容易分解和化合, 在这个过程中, 实现了放电和充电, 为机上设备提供辅助电源。
有几方面影响着镍镉电瓶容量。第一是活性物质的数量, 碱性电瓶的容量决定于各个电池极板上活性物质的数量, 它们受电池的设计制造所限制。第二是放电电流, 放电电流大, 容量下降快。尤其是超过小时率电流放电, 其容量下降显著。第三是温度, 碱性电瓶的容量随电解液温度的降低而降低。
3 国内外直升机电源系统研究现状
目前, 国内外直飞机所采用的电源系统主要有恒速恒频交流、变速恒频交流、28V低压直流和混合供电系统等4种。另外, 在一些飞机上采用了三相变频交流供电系统;个别飞机还采用了135V高压直流供电系统和270V高压直流供电系统。
3.1 恒速恒频交流发电系统
恒速恒频交流发电系统的主电源由恒速传动装置和交流发电机及其励磁调节、控制保护装置等组成。恒速传动装置把转速变化的发动机输出功率变换成恒定转速的输出功率加到发电机轴上, 从而使发电机输出恒频交流电。
该系统有一个明显的改进就是集成电路型发电机控制装置的应用, 在一些较新的系统中还采用了微处理机型的发电机控制装置, 从而明显改善了系统的维修性, 也提高了系统的控制和保护功能。目前这种电源系统被广泛应用于各类机种上。
3.2 变速恒频交流发电系统
变速恒频交流发电系统有循环变换器式和直流网络式变速恒频交流发电系统, 是一种电子化的恒频交流发电系统。循环变换器式由高频交流发电机输出的较高频率的交流电直接通过变频器变换为所需要的交流电, 再经过逆变器把直流电变换成交流电;直流网络式由普通航空交流发电机输出的交流变频功率经过多相整流变为直流电, 再经过独立的逆变器把直流电变换成矩形波的交流电、经过波形综合及滤波后就得到三相正弦波交流电。
该电源系统除了作为主电源外, 还可以把变速恒频交流发电系统作为备份电源使用。
3.3 变频交流发电系统
变频交流发电系统的交流发电机直接由发动机传动, 发电机的输出频率在一定的范围内变化。由于变频交流发电系统简单、可靠、重量轻、技术成熟;由于重型直升机广泛采用涡桨发动机, 在巡航时发动机转速几乎保持恒定;该系统主要在重型直升机上得到广泛的应用。
通过现有的科学技术可以采用简单的变速恒频功率变换技术来获取恒频交流电, 从而使变频交流发电系统具有较轻的重量、较低的采购和维护费用。因而与恒速恒频交流发电系统相比, 变频交流发电系统将具有更低的寿命周期费用, 会在接下来的直升机研发中得到重用。
3.4 低压直流发电系统
该系统是飞机最早使用的电源系统, 主要由直流发电机、电压调节器、反流割断器和过压保护器等组成。由于该系统结构简单, 技术和使用维护上比较成熟, 起动/发电机可以完成起动任务, 是轻型直升机的标准发电系统。国内早期的直升机几乎全部采用低压直流电源系统。
近些年来, 由于在系统中采用了无刷直流发电机、高转速的起动/发电机和固态发电机控制装置, 28V低压直流系统得到更新和发展, 在小型飞机上的竞争力也明显增强。新的28V低压直流发电系统有两个特征。其一是采用高转速的起动/发电机, 其二是采用固态发电机控制装置。
4 结语和展望
本文介绍了直升机电源系统的组成, 并以Bell直升机为例阐述了电源系统的工作原理及存在的问题, 通过对目前的直升机电源系统进行分类分析, 对不同机型的电源系统提供不同的研究方向。我国在飞机电源系统领域的起步较晚, 应为设计出高安全性和高可靠性的直升机电源系统而努力。
摘要：作为直升机上极其重要的系统, 直升机电源系统的供电质量及可靠性程度影响着整个飞机的性能。本文从组成、工作原理、性能测试等方面介绍直升机电源系统, 并以Bell直升机电源系统为例针对存在的问题提出直升机电源系统的发展方向。
关键词：直升机,电源系统,工作原理
参考文献
[1] 董希建.飞机交流发电机控制器的技术研究[D].南京航空航天大学, 2008.
[2] 何梅.Bell直升机电源系统[J].动力与电气工程, 2010.
[3] 廖颖熙.战术通用直升机电源系统的数字仿真研究[D].南京航空航天大学, 2006.