一种飞机辅助动力系统的制作方法

本发明涉及飞机辅助动力控制，具体涉及一种飞机辅助动力系统。

背景技术：

1、根据飞机的控制需求，现有的燃气涡轮辅助动力装置普遍具备提供环控引气和输出轴功率(电功率)的功能。辅助动力装置通常需要满足以下功能：提供主发动机起动用能源，提供环控引气，提供飞机地面短停和检查用能源，提供飞机飞行中应急用能源。辅助动力装置的使用使得飞机不再依赖地面电源车或气源车就能够起动主发动机，在不启动主发动机的情况下提供环控引气和电源，同时增加了飞机飞行的安全性。由于目前辅助动力装置需要为飞机地面维护、空调系统、电子设备等提供辅助能源，其运行时间大幅增加，民航飞机用辅助动力装置工作时间/飞机飞行时间比例已达0.85左右。基于上述考虑，辅助动力装置有持续降低燃油消耗率的需求。

2、对于典型的具有起动主发动机和提供环控引气的辅助动力装置，在环控引气状态工作时间远大于起动主发动机状态工作时间。辅助动力装置的引气状态可以用引气温度、引气压力和引气流量三个物理参数来确定。由于受飞机管路系统工作温度限制，通常引气温度会有一个相对固定的最高限制值，实际上辅助动力装置工作时在整个包线范围内引气温度相对稳定，以某型辅助动力装置为例，其引气温度的整个包线范围在450k附近的范围内变化。

3、单个辅助动力装置在特定大气环境下的引气流量有一个最大值(假定为m，超过这个值辅助动力装置排气温度可能超过限制值)，实际引气流量(不大于最大值m)通常由飞机的需求来决定。相对的，引气压力却在整个包线范围大幅变化，以某型辅助动力装置为例，当在15℃的海平面标准天时，其引气压力为400kpa左右；当在高空状态时其引气压力下降为200kpa；当在-40℃的低温海平面状态时，其引气压力升高至550kpa。由此可知，即使是精心设计的辅助动力装置，在不同环境条件下的辅助动力装置的引气压力也大幅变化。

4、现有技术中，大部分时间辅助动力装置引气压力都处于富余状态，浪费多余的引气能量，降低了辅助动力装置的工作效率。即使辅助动力装置不输出引气，为了防止压气机喘振，仍然需要通过防喘活门放出多余的高压气体。上述两种情况造成了能源浪费，不利于降低碳排放。

5、由于引气压力的限制，辅助动力装置压气机增压比一般不超过4.5，该值远小于热力循环分析所需的最佳增压比。这同样使得辅助动力装置的热效率较低。

6、燃气涡轮发动机的输出功率和引气能量可以通过供油速率来调节，当燃气涡轮发动机处于设计点(通常是最大工作状态)工作时，输出功率大，能量利用效率高。由于飞机的引气需求和电功率需求处于一个动态变化的过程，这使得传统燃气涡轮辅助动力装置大部分时间偏离高效的设计点，处于一个低效的状态。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中飞机辅助动力系统中能量利用率低的问题，从而提供一种飞机辅助动力系统。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种飞机辅助动力系统，包括：控制器、燃气涡轮发动机、涡轮机、压缩机、储能电池、第一发电机、第二发电机及电动机，其中，控制器，其用于基于指令信号切换自身的工作模式后，控制与其连接的涡轮机、压缩机、第一发电机、第二发电机及电动机切换工作状态；燃气涡轮发动机，其用于为第一发电机提供机械能并输出第一引气，第一引气用于为飞机的环控系统提供环控引气或为飞机的主发动机提供启动引气；涡轮机，其与燃气涡轮发动机及第二发电机连接，其用于对第一引气进行降压的同时，将其内部产生的机械能输入至第二发电机；压缩机，其与燃气涡轮发动机及电动机连接，其用于在电动机的作用下对第一引气进行升压；第一发电机、第二发电机、储能电池中至少一个用于为电动机或飞机供电；当储能电池的电量小于第一阈值时，第一发电机，和/或第二发电机为储能电池充电。

4、本发明提供的飞机辅助动力系统，涡轮机可以对燃气涡轮发动机输出的第一引气进行降压，压缩机可以对燃气涡轮发动机输出的第一引气进行升压，因此，当飞机所需的环控引气或主发动机启动引气需要不同压力的第一引气时，控制器通过调整涡轮机或压缩机工作状态，即可控制第一引气的压力。当第一引气经过涡轮机时，第一引气多余的压力作用在涡轮机上从而使涡轮机产生的机械能够通过第二发电机转换为电能储存在储能电池中，燃气涡轮发动机输出的机械能也能通过第一发电机转换为电能储存在储能电池中，当飞机需求功率增加时，储能电池中的电能释放为飞机供电，从而实现对系统中机械能及电能的有效利用，节约系统能耗，提高能量利用率，降低碳排放。

5、在一种可选的实施方式中，当飞机的环控系统需要环控引气时，控制器处于环控引气模式，且第一引气的压力大于环控系统的需求压力时，涡轮机将第一引气降压并输出第二引气后，为环控系统提供环控引气；涡轮机将第一引气产生的机械能输入至第二发电机后，第一发电机及第二发电机共同为飞机供电；当储能电池的电量小于第一阈值时，第一发电机及第二发电机还共同为储能电池充电。

6、在一种可选的实施方式中，当飞机的环控系统需要环控引气时，控制器处于环控引气模式，且第一引气的压力小于环控系统的需求压力时，第一发电机为飞机及电动机供电；压缩机在电动机的作用下将第一引气升压并输出第三引气后，为环控系统提供环控引气；当储能电池的电量小于第一阈值时，第一发电机还为储能电池充电。

7、在一种可选的实施方式中，当飞机的环控系统需要环控引气或飞机的主发动机需要启动引气时，控制器处于环控引气模式或主发动机启动模式，且第一引气的压力与环控系统或主发动机的需求压力一致时，燃气涡轮发动机直接为环控系统提供环控引气或为主发动机提供启动引气；第一发电机为飞机供电；当储能电池的电量小于第一阈值时，第一发电机还为储能电池充电；当储能电池的电量大于第二阈值时，储能电池为飞机供电。

8、在一种可选的实施方式中，当飞机的主发动机需要启动引气时，控制器处于主发动机启动模式，且第一引气的压力小于主发动机的需求压力时，第一发电机为飞机及电动机供电；压缩机在电动机的作用下将第一引气升压并输出第三引气后，为主发动机提供启动引气；当储能电池的电量小于第一阈值时，第一发电机还为储能电池充电。

9、在一种可选的实施方式中，当飞机进行检修时，控制器处于检修模式时，环控系统及主发动机均无引气需求，涡轮机将第一引气排出对燃气涡轮发动机进行防喘放气；涡轮机将第一引气产生的机械能输入至第二发电机后，第一发电机及第二发电机共同为飞机供电；当储能电池的电量小于第一阈值时，第一发电机及第二发电机还共同为储能电池充电。

10、本发明提供的飞机辅助动力系统，当飞机无引气需求时，燃气涡轮发动机产生的第一引气通过涡轮机排出，为了利用第一引气的中的压力，提高能量利用率，涡轮机将第一引气的压力转换为机械能输出给第二发电机后，第二发电机再次将机械能转换为电能后储存在储能电池中，提高了能量利用率，避免能源浪费。

11、在一种可选的实施方式中，当飞机在飞行过程中发生故障时，控制器处于应急模式时，且第一引气的压力小于环控系统或主发动机的需求压力时，第一发电机为飞机及电动机供电；压缩机在电动机的作用下将第一引气升压并输出第三引气后，为环控系统提供环控引气或为主发动机提供启动引气；当储能电池的电量大于第二阈值时，储能电池为飞机供电。

12、在一种可选的实施方式中，飞机辅助动力系统还包括：电能分配器，其与控制器、储能电池、第一发电机、第二发电机及电动机连接，其用于在控制器的控制下接收第一发电机及第二发电机的电能后，为飞机、储能电池、电动机中至少一个供电；电能分配器还用于接收储能电池的电能。

13、在一种可选的实施方式中，飞机辅助动力系统还包括：第一气体分配器、第二气体分配器及第三气体分配器，其中，第一气体分配器，其与控制器、燃气涡轮发动机、涡轮机、压缩机及第三气体分配器连接；第二气体分配器，其与控制器、涡轮机及第三气体分配器连接；第三气体分配器，其与压缩机连接；第一气体分配器、第二气体分配器及第三气体分配器均用于在控制器的控制下切换开关状态后，为第一引气提供通路。

14、本发明提供的飞机辅助动力系统，控制器能够根据自身不同工作模式对第一气体分配器、第二气体分配器及第三气体分配器的开关状态进行电控制，从而调整系统内部的引气通路的方向，提高系统的自动化程度，提高控制效率。

15、在一种可选的实施方式中，飞机辅助动力系统还包括：热交换器及冷却装置，其中，热交换器，其与燃气涡轮发动机及涡轮机连接，其用于调整进入涡轮机的第一引气的温度；冷却装置，其涡轮机连接，其用于对涡轮机输出的降压后的第一引气进行冷却。

16、本发明提供的飞机辅助动力系统，第一引气经过涡轮机后温度较高，利用冷却装置能够降低第一引气的温度，提高后级接收第一引气的设备的使用寿命。