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飞机上的电从哪儿来

时间:2018年08月08日 11:23   来源:大飞机报
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  随着经济全球化的发展,国人的脚步迈得越来越远也越来越广。长途旅行过程中,飞机是目前大多数人的首选。飞机在飞行过程中,巡航高度通常在8000到10000米之间。在万米高空中,当你乘坐在机舱中,开着阅读灯,用着机载娱乐系统,享受机上的餐饮,看着窗外翼尖一闪一闪的灯光,有没有想过,所有这些设备是如何运转的呢?答案就是电。一架飞机的正常运转,就像现代社会生活一样,是万万不可能离开电能的。在飞机上,除了各种照明设备用电以外,还有很多看不见的设备也在用着电,其数量甚至可达上万件。比如为你的美食进行加热的厨房烤箱、驾驶舱中的仪表、机身罩住的飞机的眼睛——雷达等等。这些设备对电的稳定性要求极高。万米高空中,飞机上的电是谁来提供?不同用电设备的纷繁复杂的用电需求又是如何满足的呢?

 

  飞机上的四大供电系统

  飞机上的电到底是怎么来的?答案是显而易见的,飞机上自身就装有发电设备,它不仅重量轻、功率大而且对发出的电的品质要求还非常高。更重要的是,飞机飞行过程中是不能停电的。为了避免飞机飞行过程中突然停电,飞机的供电系统是多余度的。目前,民航客机的供电系统通常有四个余度来满足飞机供电需求。

  第一个余度为主发电机。飞机机翼下方通常可以看到两个圆筒型的装置,大家都知道那是飞机的发动机。飞机能够在天空中翱翔就是依靠发动机。拆开发动机外边的防护罩后,会看到发动机机身遍布密密麻麻的管线,在这些管线中就有我们最为关注的主发电机。民航客机中,一台发动机通常带着一台发电机,比如B737和A320等,而一些超大型民航客机的用电需求是非常巨大的,这就需要更大功率的发电机发出更多的电能,因此通常采用一台发动机带两台发电机的方式。多台发电机之间互为冗余,当检测到一台发电机出现故障时,会自动将该发电机关停,由另外可以正常工作的发电机继续为飞机提供电能。

  第二个余度为辅助动力发电机(ASG)。除了主发电机外,在飞机的尾部通常还装有一个小型的发电机,它是由飞机的辅助动力装置(APU)带动的。当飞机的主发电机出现故障时,辅助动力发电机就要接替主发电机,负责为飞机提供电能。

  第三个余度为冲压空气涡轮(RAT)发电机。当主发电机和APU发电机均出现故障时,这时飞机就处于非常危险的状态。此时,飞行员需要根据飞机的飞行速度和高度及时按下RAT释放按钮,RAT释放出以后就像风筝一样在气流的驱动下旋转,带动内部的发电机及其它设备为飞机提供备用电能及液压能等,保证飞机的安全飞行。

  第四个余度为蓄电池。乘客乘坐飞机时,都要进行严格的安检,特别是针对乘客随身携带的电池(充电宝)更要进行安检,确认其容量大小符合民航管理规定。乘客携带的电池是为了在手机没电时给手机充电用的,那飞机上蓄电池也是同样的道理。在主发电机及辅助动力发电机都出现故障,而RAT尚未释放,无法提供电能时,飞机就面临停电的风险。这是就需要靠蓄电池临危受命,为飞机重要的设备,特别是驾驶舱中的关键仪表设备供电,避免飞机失去控制。随着技术的发展,飞机蓄电池的技术也在不断进步。目前,大部分民航客机使用的蓄电池为传统的镍镉蓄电池。经过多年的使用,其安全性也得到了验证。但是随着多电飞机的发展,镍镉蓄电池无论从重量还是容量上,都存在一定的不足,因此B787飞机中使用了新型的锂离子蓄电池。在提供同样的电能时,锂离子蓄电池相比镍镉蓄电池的重量更轻,体积更小,是未来飞机蓄电池的应用方向。

 

  如何满足不同用电设备的用电需求?

  大家都知道家里用的电是从发电站发出来,经过国家电网的输送,最终将电从很远的水力发电站或者火力发电站输送到千家万户。飞机的电也是如此。通常而言,飞机发电机发出来的电是恒频交流电(115VAC/400Hz),但是飞机上的各个设备用电时,需要的则不一定是直接从发电机发出来的电。就如同小区周围通常会有一个变压器,将电转换成家用电器可以使用的电一样。飞机上也是存在各种各样的电能转换设备的。这些电能转换设备都是以配电盘箱的方式安装在飞机机身内部的。

  以波音787为例,电能转换装置通常分为三种:第一种是自耦变压整流器,将发电机发出的交流电转换为直流电,同时对电压进行变换,满足高压直流用电设备的用电需求,这种设备的功率通常是比较大的。第二种是自耦变压器,对发电机发出的电进行调压,满足不同电压体制交流用电设备的用电需求。第三种是变压整流器,将发电机发出的交流电转换为直流电,同时对电压进行变换,满足低压直流用电设备的用电需求,这种设备的功率一般不大,但数量是最多的,驾驶舱中各种仪表面板所用的电绝大多数是从该设备获取的。

  国外技术上较为先进的两款飞机分别为空客公司的A380和波音公司的B787,这两款飞机作为“多电飞机”概念的探索和践行,代表了未来飞机的发展方向,简要介绍这两款飞机的供电机制,从而对国外先进机型的供电有个大概的了解。

  A380作为第一代多电飞机,率先在大型客机上组合液压作动器、电液作动器(EHA)和电备份液压作动器(EBHA)与分散式电液能源系统等新型电液技术。A380也是多年来第一款利用变频电源的大型民用客机,其总发电功率是910kVA。其中,4台发动机分别驱动4台150kVA的变频交流发电系统,发电容量共600kVA,频率在380-760Hz之间;由APU驱动两台120kVA的恒速发电机,发电容量共240kVA;一个空气充压轮系统(RAT)驱动一个70kVA的发电系统。

  此外,空客公司的A350与A380相比,基本上沿用了A380探索得到的技术。它们采用了230VAC变频交流作为主发电系统。电源系统的主发电系统包括有4个230/400V变频交流发电机,由 Hamilton Sundstrand提供,频率范围都在360-800Hz之间,每台发电机的发电容量都为100kVA。而APU则使用了起动发电技术,发电容量为150kVA,电源系统总发电容量为550kVA。

  而波音787电源系统有4台变频交流起动/发电机(VFSG)、2台APU辅助动力起动/发电机(ASG)和1个冲压空气涡轮(RAT)发电机。波音787飞机每台发动机驱动2台变频交流起动/发电机(VFSG L1、VFSG L2、VFSG R1、VFSG R2),每台发电机的额定容量为250kVA,输出三相电压为235V、频率为360-800Hz的变频交流电。4台主发电机结构、性能相同,可以互换。波音787飞机有两台APU发电机(ASG L和ASG R),每台APU发电机的额定容量为225kVA,输出三相电压为235V、频率为360-440Hz的变频交流电,APU发电机与VFSG发电机不能互换使用。波音787飞机的应急电源为RAT驱动的交流发电机,能够为飞机提供额定容量为10kW、电压为230V的三相变频交流电。

 

  澳门皇冠:向飞机提供更先进可靠的电能

  澳门皇冠北研中心目前针对飞机的供电、配电及用电等领域开展了广泛深入的研究,建立了多电航电综合实验室。该实验室建筑面积13019平方米,可以模拟300座级双通道的宽体客机在地面的布局,是国际先进、国内领先的飞机系统综合集成实验室。多电航电综合实验室以未来民机多电技术发展需求为指引,以掌握、发展突破多电技术为核心,以引领、攻克、测试、验证、评估飞机多电系统相关技术为目标,具备多电技术研发、测试、集成和验证能力。目前,实验室已经完成基础建设,所有设备基本具备交付状态,部分设备已进入实验室进行安装调试,预计2018年底,大部分设备可以完成集成测试,生动形象地对外展示飞机供电是如何实现的。

  实验室完全建成后,北研中心将在飞机系统研究方面具备如下能力:1-2MW多电体系架构定义与评估,覆盖,满足多种机型供电需求;多电/全电系统集成验证;起动发电、高功率配电、电环控、电除冰、电刹车等多电关键技术的研究测试和验证;多电/全电系统综合控制技术研究与验证;多电/全电系统综合热管理技术研究与验证以及多电/全电系统关键元部件定义、试验与评估。

  所有这些能力的提升,目的都是为了向飞机供电提供更先进更可靠的电能,首先保证飞机飞行的安全性,同时不断提高旅客飞行过程中的舒适性,让中国人自己的大飞机受到更多乘客的喜爱。(何兆民)

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