ES2984545T3 - Hybrid propulsion system for a helicopter - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un sistema de propulsión híbrido (4) que comprende controladores (5, 7, 11) y un eje de transmisión (3) de un helicóptero que tiene un rotor principal (1) conectado a una caja de cambios y que puede mantener estable una actitud de vuelo predefinida por un piloto. El sistema de propulsión híbrido comprende un controlador piloto (5), así como un motor de combustión interna (VM) (6) y un motor eléctrico (EM) (10) que se acoplan directamente con el eje de transmisión (3). El motor de combustión interna (6) está conectado a un controlador de motor de combustión interna (7), y el motor eléctrico (10) está conectado a un controlador de motor eléctrico (11). Según la invención, un sensor de par (17) y un tacómetro (18) están situados respectivamente en el eje de transmisión (3), en donde tanto el controlador de motor de combustión interna (7) como el controlador de motor eléctrico (11) pueden recibir respectivamente valores de la velocidad de rotación actual (DZ) y del par actual (DM) durante el funcionamiento. Se almacenan valores predefinidos de la velocidad de giro (DZ0) y del par motor (DM0), con los que el motor de combustión interna (6) puede aumentar su rendimiento óptimo, y se pueden recuperar para el controlador del motor eléctrico (11), y los primeros (DZ0) también se pueden recuperar para el controlador del motor de combustión interna (7). En el controlador del motor eléctrico (11) se almacena una primera directiva para aplicar siempre una fuerza de accionamiento o de frenado desde el motor eléctrico (10) al eje de transmisión (3), siendo dicha fuerza tal que el motor de combustión interna (6), cuando ha alcanzado o mantiene la velocidad de giro óptima (DZ0) en el eje de transmisión (3), genera automáticamente, en dicho eje de transmisión (3), el par motor (DM0) con el que alcanza la potencia óptima del motor. La invención se refiere también a un procedimiento correspondiente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)The invention relates to a hybrid propulsion system (4) comprising controllers (5, 7, 11) and a transmission shaft (3) of a helicopter having a main rotor (1) connected to a gearbox and capable of stably maintaining a flight attitude predefined by a pilot. The hybrid propulsion system comprises a pilot controller (5) as well as an internal combustion engine (VM) (6) and an electric motor (EM) (10) which are directly coupled with the transmission shaft (3). The internal combustion engine (6) is connected to an internal combustion engine controller (7), and the electric motor (10) is connected to an electric motor controller (11). According to the invention, a torque sensor (17) and a tachometer (18) are respectively located on the transmission shaft (3), wherein both the internal combustion engine controller (7) and the electric motor controller (11) can respectively receive values of the current rotation speed (DZ) and the current torque (DM) during operation. Predefined values of the rotational speed (DZ0) and the torque (DM0), with which the internal combustion engine (6) can increase its optimum performance, are stored and can be retrieved for the electric motor controller (11), and the former (DZ0) can also be retrieved for the internal combustion engine controller (7). A first directive is stored in the electric motor controller (11) to always apply a driving or braking force from the electric motor (10) to the drive shaft (3), said force being such that the internal combustion engine (6), when it has reached or maintains the optimum rotational speed (DZ0) on the drive shaft (3), automatically generates, on said drive shaft (3), the torque (DM0) with which it reaches the optimum engine power. The invention also relates to a corresponding method. (Automatic translation with Google Translate, without legal value)
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Sistema híbrido de propulsión de un helicóptero Hybrid propulsion system for a helicopter
Campo técnico Technical field
La invención se refiere a un sistema de propulsión híbrido con controladores y un eje de transmisión de un helicóptero con un rotor principal conectado a una transmisión, que puede mantener estable un comportamiento de vuelo predeterminado por un piloto, que comprende un controlador del piloto, un motor de combustión (VM) y un motor eléctrico (EM), ambos acoplados directamente al eje de transmisión (3). El VM está conectado a un control de VM, que puede regular el suministro de combustible desde un tanque de combustible al VM para proporcionar una fuerza de propulsión deseada en el eje de transmisión, y el EM con un controlador de EM, que mediante la descarga de una batería puede operar el EM o cargar la batería mediante una potencia mecánica aplicada al EM, lo que permite que el eje de transmisión sea impulsado o frenado respectivamente. La invención también se refiere a un método para operar un sistema de propulsión híbrido como este. The invention relates to a hybrid propulsion system with controllers and a drive shaft of a helicopter with a main rotor connected to a transmission, capable of stably maintaining a flight behavior predetermined by a pilot, comprising a pilot controller, a combustion engine (VE) and an electric motor (EM), both directly coupled to the drive shaft (3). The VE is connected to a VE control, which can regulate the supply of fuel from a fuel tank to the VE to provide a desired propulsion force on the drive shaft, and the EM to an EM controller, which by discharging a battery can operate the EM or charge the battery by a mechanical power applied to the EM, allowing the drive shaft to be driven or braked respectively. The invention also relates to a method for operating such a hybrid propulsion system.
Estado de la técnica State of the art
Al igual que en la industria automotriz, en los helicópteros también se conoce la propulsión con un motor eléctrico adicional, en particular con propulsión híbrida. As in the automotive industry, propulsion with an additional electric motor is also known in helicopters, particularly with hybrid propulsion.
Un sistema similar al descrito anteriormente se conoce en US 2017/0225573 A1. Incluye un motor de combustión y un motor eléctrico que está dispuesto entre el motor de combustión y la transmisión del rotor principal. Lo mismo ocurre en US 2018/0354635 A1. Esta también describe un método que regula la distribución entre el motor de combustión y el motor eléctrico con varios sistemas informáticos. A similar system to the one described above is known from US 2017/0225573 A1. It includes a combustion engine and an electric motor which is arranged between the combustion engine and the main rotor transmission. The same is true of US 2018/0354635 A1. This also describes a method regulating the distribution between the combustion engine and the electric motor with various computer systems.
Desde la EP 3162713 se conoce otro sistema híbrido que opera un helicóptero mediante un motor eléctrico y un motor de combustión interna. El objetivo del control allí descrito es absorber los picos de potencia a través del motor eléctrico, de manera que el motor de combustión se opere preferiblemente en modo «estado estable», también conocido como «potencia promedio móvil». Para lograr esto, la señal de control utilizada se divide en una parte de alta frecuencia y una parte de baja frecuencia, enviando la señal más rápida y de alta frecuencia al motor eléctrico, y la señal más lenta y de baja frecuencia al motor de combustión. Por lo tanto, los cambios rápidos son asumidos por el motor eléctrico, mientras que el motor de combustión solo tiene que hacer cambios de potencia de manera gradual, por así decirlo «amortiguado». La desventaja de esta división es de seguridad en caso de fallo de uno de los motores. Dado que ninguno de los motores recibe la señal completa, el motor restante no puede asumir automáticamente los requisitos de vuelo. Se requiere un sistema de supervisión adicional para detectar el fallo del motor y garantizar de inmediato que el motor restante reciba la señal completa. Cada sistema de control o supervisión adicional necesario aumenta nuevamente el riesgo para la seguridad de vuelo. Another hybrid system is known from EP 3162713, which operates a helicopter by means of an electric motor and an internal combustion engine. The aim of the control described there is to absorb power peaks via the electric motor, so that the combustion engine is preferably operated in “steady state” mode, also known as “moving average power”. To achieve this, the control signal used is split into a high-frequency part and a low-frequency part, with the faster, high-frequency signal being sent to the electric motor, and the slower, low-frequency signal being sent to the combustion engine. Rapid changes are therefore taken over by the electric motor, while the combustion engine only has to make power changes in a gradual, so to speak “damped” manner. The disadvantage of this split is safety in the event of failure of one of the engines. Since neither engine receives the full signal, the remaining engine cannot automatically take over the flight requirements. An additional monitoring system is required to detect engine failure and immediately ensure that the remaining engine receives the full signal. Each additional control or monitoring system required again increases the risk to flight safety.
Presentación de la invención Presentation of the invention
La presente invención tiene como objetivo describir un sistema de propulsión híbrido que garantice el funcionamiento más seguro posible del helicóptero. También es un objetivo adicional de la invención proporcionar un método según el cual se pueda realizar la operación de manera segura. Este funcionamiento seguro también debe tener lugar con un consumo mínimo de combustible. The present invention aims to describe a hybrid propulsion system that ensures the safest possible operation of the helicopter. It is also a further object of the invention to provide a method according to which the operation can be carried out safely. This safe operation should also take place with minimum fuel consumption.
Las tareas se resuelven mediante las características de las primeras reivindicaciones de las respectivas categorías. Otras realizaciones ventajosas se describen en las reivindicaciones subordinadas. The tasks are solved by the features of the first claims of the respective categories. Other advantageous embodiments are described in the dependent claims.
Según la presente invención, en un sistema de propulsión híbrido mencionado anteriormente, se disponen en el eje de transmisión al menos un sensor de par y un tacómetro, donde tanto el controlador del VM como el controlador del EM pueden recibir en funcionamiento los valores actuales de la velocidad de giro DZ y del par actual DM. According to the present invention, in a hybrid propulsion system mentioned above, at least one torque sensor and a tachometer are arranged on the drive shaft, where both the VM controller and the EM controller can receive in operation the current values of the rotational speed DZ and the current torque DM.
Además, se almacenan valores predefinidos de la velocidad de giro DZo y del par DMo en los que el VM alcanza su eficiencia óptima. Estos valores son accesibles desde el controlador del EM, siendo el primero de estos valores, DZo, también accesible por el controlador del VM. In addition, predefined values of the rotational speed DZo and the torque DMo are stored at which the VM reaches its optimum efficiency. These values are accessible from the EM controller, the first of these values, DZo, being also accessible by the VM controller.
El controlador del VM es capaz de manera autónoma, mediante la adaptación de la potencia del VM, alcanzar y mantener constantemente la velocidad de giro DZo predeterminada en el eje de transmisión, manteniendo así estable cualquier comportamiento de vuelo predeterminado por el controlador del piloto. Además, el controlador del EM, mediante el uso del EM, puede impulsar o frenar adicionalmente el eje de transmisión, lo que cambia la velocidad de giro DZ y el controlador del V<m>ajusta automáticamente la potencia en el VM para volver a alcanzar y mantener la velocidad de giro DZo predeterminada en el eje de transmisión. The VM controller is autonomously able, by adapting the VM power, to constantly reach and maintain the predetermined DZo rate of turn on the driveshaft, thus maintaining stable any flight behavior predetermined by the pilot controller. In addition, the EM controller, by using the EM, can additionally boost or brake the driveshaft, which changes the DZ rate of turn and the V<m>controller automatically adjusts the power to the VM to again reach and maintain the predetermined DZo rate of turn on the driveshaft.
En el controlador del EM se almacena una primera directiva para ejercer siempre una fuerza de impulsión o frenado del EM en el eje de transmisión, que provoque que el VM, cuando haya alcanzado o mantenga la velocidad de giro óptima DZo en el eje de transmisión, genere automáticamente el par DMo en el eje de transmisión, en el que alcanza la potencia óptima del motor. A first directive is stored in the EM controller to always exert a driving or braking force of the EM on the drive shaft, which causes the VM, when it has reached or maintains the optimum rotational speed DZo on the drive shaft, to automatically generate the torque DMo on the drive shaft, at which it reaches the optimum motor power.
Preferiblemente, el EM está situado entre el VM y la transmisión del rotor principal 1. La velocidad de giro DZ puede ser medida en cualquier punto del eje de transmisión, siendo igual en todas partes. Al menos uno de los sensores de par debe estar situado entre el VM y el EM para determinar la carga del Vm en el eje de transmisión. Se pueden colocar más sensores de par entre el EM y la transmisión para determinar la carga total en el eje de transmisión. Sin embargo, el sensor de par entre el VM y el EM es fundamental para el controlador del EM, ya que indica la potencia en el VM, que según la primera directiva debe operarse con la máxima eficiencia. Preferably, the EM is located between the VM and the main rotor transmission 1. The rotational speed DZ can be measured at any point on the drive shaft, being the same everywhere. At least one of the torque sensors must be located between the VM and the EM to determine the load of the VM on the drive shaft. More torque sensors can be placed between the EM and the transmission to determine the total load on the drive shaft. However, the torque sensor between the VM and the EM is essential for the EM controller, as it indicates the power at the VM, which according to the first directive must be operated with maximum efficiency.
Se puede establecer una línea de señal de datos directa entre el controlador del piloto y el controlador del VM que se utiliza para el despegue y el aterrizaje del helicóptero. Durante estas fases, la primera directiva no se aplica. La conexión indirecta siempre existe a través de el comportamiento de vuelo del helicóptero: cuando el piloto ajusta la inclinación de las palas del rotor para ganar altura, la velocidad de giro DZ en el eje de transmisión disminuye inmediatamente debido a la carga más alta, y luego la demanda de potencia en el funcionamiento normal se alinea con la primera directiva. A direct data signal line can be established between the pilot controller and the VM controller used for takeoff and landing of the helicopter. During these phases, the first directive is not applied. The indirect connection always exists through the helicopter's flight behavior: when the pilot adjusts the pitch of the rotor blades to gain altitude, the DZ rotation speed on the drive shaft immediately decreases due to the higher load, and then the power demand in normal operation is aligned with the first directive.
Además, pueden estar dispuestos un medidor de nivel en el tanque de combustible y un medidor de estado de carga en la batería, los cuales pueden transmitir sus datos de medición en funcionamiento al controlador del EM. A través de una unidad de cálculo, se pueden calcular las energías disponibles en cada momento. En caso necesario, el controlador del EM puede seguir una segunda directiva que difiere de la primera directiva. Esta puede tener el propósito de proteger la batería contra la sobre y la subcarga, ahorrar combustible y/o operar temporalmente el VM con menor potencia para reducir emisiones. In addition, a level gauge in the fuel tank and a state-of-charge gauge in the battery can be arranged, which can transmit their measurement data in operation to the EM controller. Via a computing unit, the energies available at any given time can be calculated. If necessary, the EM controller can follow a second directive that differs from the first directive. This can be intended to protect the battery against over- and undercharging, to save fuel and/or to temporarily operate the MV at lower power in order to reduce emissions.
Es importante que el controlador del VM con el VM esté siempre autónomamente capacitado para alcanzar la velocidad de giro DZ requerida en el eje de transmisión en cualquier momento, para lograr o mantener estable un comportamiento de vuelo predeterminado por el controlador del piloto. Esto significa que un helicóptero con su VM puede ser actualizado con un EM y un controlador del EM de esta manera sin necesidad de intervenir en el sistema existente del controlador del VM. Esto resulta en que en caso de un fallo del sistema, si el EM y/o el controlador del EM fallan, el helicóptero normalmente solo puede volar con el VM. It is important that the VM controller with the VM is always autonomously able to reach the required DZ turn rate on the drive shaft at any time, in order to achieve or maintain a stable flight behaviour predetermined by the pilot controller. This means that a helicopter with its VM can be retrofitted with an EM and an EM controller in this way without the need to intervene in the existing VM controller system. This results in that in the event of a system failure, if the EM and/or the EM controller fail, the helicopter can normally only fly with the VM.
El método según la presente invención para operar un sistema de propulsión híbrido para un eje de transmisión de un helicóptero garantiza un comportamiento de vuelo solicitado por el piloto utilizando un sistema de propulsión híbrido según la invención con controles. Realiza los siguientes pasos: The method according to the present invention for operating a hybrid propulsion system for a helicopter driveshaft ensures a flight behavior requested by the pilot using a hybrid propulsion system according to the invention with controls. It performs the following steps:
Los valores actuales de la velocidad de giro DZ y del valor del par DM se miden continuamente en el eje de transmisión y se transmiten tanto al controlador del EM como al controlador del VM. Los valores predefinidos de la velocidad de giro DZ0 y del par DM0 están almacenados, siendo accesibles ambos valores, DZo, DMo, desde el controlador del EM y al menos la velocidad de giro DZo desde el controlador del VM. Ambos controles siempre detectan las desviaciones de los valores medidos DZ, DM de los valores predefinidos DZ0, DMo, que les son conocidos. The current values of the speed DZ and the torque value DM are continuously measured on the drive shaft and transmitted to both the EM controller and the VM controller. The preset values of the speed DZ0 and the torque DM0 are stored, with both values DZo, DMo being accessible from the EM controller and at least the speed DZo from the VM controller. Both controllers always detect deviations of the measured values DZ, DM from the preset values DZ0, DMo known to them.
Una vez que un piloto genera una demanda de potencia cambiada en el eje de transmisión mediante el controlador del piloto para lograr un comportamiento de vuelo deseado, también se produce un cambio en la velocidad de giro DZ en el eje de transmisión. Debido a una desviación de la velocidad de giro actual DZ de la velocidad de giro predefinida DZo, el controlador del VM ajusta la potencia en el VM de manera gradual para que la velocidad de giro predefinida DZo se alcance nuevamente. Once a pilot generates a changed power demand on the driveshaft via the pilot controller to achieve a desired flight behavior, a change in the DZ turn rate on the driveshaft also occurs. Due to a deviation of the current DZ turn rate from the preset DZo turn rate, the VM controller adjusts the power on the VM in a stepwise manner so that the preset DZo turn rate is reached again.
El siguiente ejemplo explica esto con más detalle: The following example explains this in more detail:
El controlador del VM está configurado de modo que el VM siempre aplique la carga para alcanzar y mantener constante la velocidad de giro óptima DZo. Si el piloto ajusta las palas del rotor para ganar altura, la velocidad de giro DZ disminuye como consecuencia. El VM responde a esta disminución de la velocidad de giro DZ con un aumento de potencia, lo que aumenta el par aplicado por él. Esto, a su vez, hace que la velocidad de giro DZ aumente. Una vez que esta vuelva a alcanzar y mantenerse constante en el valor predefinido DZo, el controlador del VM no tiene ninguna otra razón para cambiar la potencia del motor. El VM continúa funcionando sin cambios, pero ahora con un par DM más alto que antes de ajustar las palas del rotor. Cuando el helicóptero desciende, ocurre lo contrario, el par aplicado por el VM disminuye. The VM controller is set up so that the VM always applies load to reach and maintain constant the optimal DZo rate of turn. If the pilot adjusts the rotor blades to gain altitude, the DZ rate of turn decreases accordingly. The VM responds to this decrease in DZ rate of turn with an increase in power, which increases the torque applied by it. This in turn causes the DZ rate of turn to increase. Once this is again reached and maintained constant at the predefined DZo value, the VM controller has no further reason to change the engine power. The VM continues to operate unchanged, but now with a higher DM torque than before adjusting the rotor blades. When the helicopter descends, the opposite occurs, the torque applied by the VM decreases.
Sin embargo, en el método según la presente invención con el sistema de propulsión híbrido, el controlador del EM actúa según su primera directiva. Debido a una desviación de los valores actuales de la velocidad de giro DZ y/o del par DM de los valores predefinidos correspondientes DZo, DMo, ajusta la potencia en el EM de manera más rápida que el VM de manera que, una vez que el VM haya regulado su potencia a la velocidad de giro predefinida DZo, aplique el par DMo predefinido, alcanzando así la eficiencia óptima. El controlador del EM logra esto ya sea cargando la batería mediante la potencia mecánica en el EM o accionando el EM mediante la carga en la batería. En el ejemplo mencionado anteriormente, el controlador del EM entra en juego. Los valores predefinidos de la velocidad de giro DZo y del par DMo son conocidos para él, y puede determinar las diferencias respectivas con los valores actuales DZ, d M en función de los datos de medición que recibe. In the method according to the present invention with the hybrid drive system, however, the EM controller acts according to its first directive. Due to a deviation of the current values of the rotational speed DZ and/or the torque DM from the corresponding predefined values DZo, DMo, it adjusts the power in the EM more quickly than the VM so that, after the VM has regulated its power to the predefined rotational speed DZo, it applies the predefined torque DMo, thus reaching the optimum efficiency. The EM controller achieves this either by charging the battery via the mechanical power in the EM or by driving the EM via the load in the battery. In the example mentioned above, the EM controller comes into play. The predefined values of the rotational speed DZo and the torque DMo are known to it, and it can determine the respective differences to the current values DZ, dM based on the measurement data it receives.
El controlador del EM inicialmente opera según su primera directiva. Por lo tanto, si el piloto ajusta las palas del rotor para ganar altura, la velocidad de giro disminuye inicialmente, como se ha descrito anteriormente. Sin embargo, antes de que el VM aumente su potencia mediante un aumento del par, el EM, que reacciona considerablemente más rápido, asume la carga adicional, de modo que la velocidad de giro requerida DZo se alcanza de inmediato nuevamente. El control del VM, que también supervisa constantemente la velocidad de giro, solo percibe una desviación leve y temporal de la velocidad de giro especificada DZo, la cual fue compensada de inmediato por el EM, ya que este aplicó la carga necesaria de inmediato. Debido a la respuesta más lenta del VM, este no aumenta su potencia, sino que mantiene constante el par originalmente aplicado DM. The EM controller initially operates according to its first directive. Therefore, if the pilot adjusts the rotor blades to gain altitude, the rate of turn is initially reduced, as described above. However, before the VM increases its power by increasing the torque, the EM, which reacts considerably faster, takes on the additional load, so that the required rate of turn DZo is immediately reached again. The VM control, which also constantly monitors the rate of turn, only perceives a slight, temporary deviation from the specified rate of turn DZo, which was immediately compensated for by the EM, as it applied the necessary load immediately. Due to the slower response of the VM, it does not increase its power, but keeps the originally applied torque DM constant.
Lo mismo ocurre durante un descenso, cuando el piloto reduce la inclinación de las palas del rotor. La batería del EM se carga mediante la frenada del EM en el eje de transmisión, antes de que el VM compense el aumento en la velocidad de giro y pueda reducir su potencia. The same occurs during a descent, when the pilot reduces the pitch of the rotor blades. The EM battery is charged by the EM braking on the drive shaft, before the VM compensates for the increase in yaw rate and can reduce its power.
Por lo tanto, esta primera directiva del controlador del EM regula, por un lado, la velocidad de giro DZ0 en el eje de transmisión y la mantiene constante al controlar adecuadamente el EM. Esto evita cambios en la carga del<m>C; su par permanece constante. Esto es deseable siempre y cuando este par coincida con el par especificado DM0. Mientras esto sea así, la eficiencia siempre será óptima. This first directive of the EM controller therefore regulates, on the one hand, the rotational speed DZ0 on the drive shaft and keeps it constant by appropriately controlling the EM. This prevents changes in the load of the <m>C; its torque remains constant. This is desirable as long as this torque matches the specified torque DM0. As long as this is the case, the efficiency will always be optimal.
Además, el controlador del EM siempre verifica si el par actualmente generado en el eje de transmisión por el VM coincide con el par especificado DMo. Las desviaciones pueden ocurrir, por ejemplo, después del despegue, durante el ascenso o el descenso, o después de que el EM haya estado inactivo, como cuando el estado de carga de la batería estuviera demasiado bajo. In addition, the EM controller always checks whether the torque currently generated on the drive shaft by the VM matches the specified torque DMo. Deviations can occur, for example, after takeoff, during ascent or descent, or after the EM has been idle, such as when the battery charge state is too low.
Al detectar una desviación en el par, la primera directiva del controlador del EM también ajusta este par medido DM al valor especificado DMo de la siguiente manera: Si el par medido es demasiado alto, el controlador del EM aumenta la velocidad de giro ligeramente. El controlador del VM responde con una reducción de potencia, lo que hace que el par aplicado por el VM disminuya constantemente. El controlador del EM mantiene el ligero aumento de la velocidad de giro hasta que el par medido DM coincida con el par especificado DM0. Una vez que se logra esto, la potencia del EM se reduce rápidamente hasta que se alcanza nuevamente la velocidad de giro especificada DZo. Como resultado, se mantiene el par especificado DMo. El VM ahora opera en su eficiencia óptima, mientras que el controlador del EM mantiene constante la velocidad de giro para que el VM continúe operando con su potencia óptima. Upon detecting a deviation in torque, the first directive of the EM controller also adjusts this measured torque DM to the specified value DMo as follows: If the measured torque is too high, the EM controller increases the rotational speed slightly. The VM controller responds with a power reduction, which causes the torque applied by the VM to decrease steadily. The EM controller maintains the slight increase in rotational speed until the measured torque DM matches the specified torque DM0. Once this is achieved, the EM power is rapidly reduced until the specified rotational speed DZo is reached again. As a result, the specified torque DMo is maintained. The VM now operates at its optimum efficiency, while the EM controller keeps the rotational speed constant so that the VM continues to operate at its optimum power.
Por lo tanto, en funcionamiento, el controlador del EM aumenta la potencia debido a una velocidad de giro insuficiente, cuando DZ < DZo, y/o debido a un par excesivo, cuando DM > DMo, y viceversa. Therefore, in operation, the EM controller increases power due to insufficient rotation speed, when DZ < DZo, and/or due to excessive torque, when DM > DMo, and vice versa.
Según la presente invención, en caso de que el controlador del EM se suspenda debido a la regulación de la velocidad de giro al valor especificado DZo, el controlador del VM garantiza automáticamente un comportamiento de vuelo estable, ya que proporciona la potencia requerida mediante el VM. Esto no requiere ajustes ni supervisión adicionales. According to the present invention, in case the EM controller is suspended due to the regulation of the yaw rate to the specified value DZo, the VM controller automatically ensures a stable flight behavior by providing the required power via the VM. This does not require additional adjustments or monitoring.
En un procedimiento preferido, el controlador del EM puede, basado en los datos de medición de un medidor de nivel del tanque de combustible y/o un medidor de estado de carga de la batería, determinar las energías disponibles y, en consecuencia, desviarse temporalmente de la primera directiva y proceder de acuerdo con una segunda directiva. En esta segunda directiva, la batería puede ser cargada o descargada de manera selectiva para protegerla, ahorrar combustible o para operar temporalmente el VM con menor potencia para reducir emisiones. Esto puede evitar, por ejemplo, la descarga profunda o la sobrecarga de la batería. Por otro lado, en altitudes elevadas, el EM puede ser utilizado de manera más intensiva de manera selectiva, ya que el consumo de combustible aumenta considerablemente allí. Además, durante la fase de despegue y/o aterrizaje, exclusivamente el EM puede ser operado para reducir el ruido y las emisiones de escape en la zona de aterrizaje, o exclusivamente el VM, según sea necesario. In a preferred method, the EM controller can, based on measurement data from a fuel tank level gauge and/or a battery state-of-charge gauge, determine the available energies and accordingly temporarily deviate from the first directive and proceed according to a second directive. In this second directive, the battery can be selectively charged or discharged in order to protect it, to save fuel or to temporarily operate the VM with lower power in order to reduce emissions. This can prevent, for example, deep discharge or overcharging of the battery. On the other hand, at high altitudes, the EM can be used more intensively in a selective manner, since fuel consumption increases considerably there. Furthermore, during the take-off and/or landing phase, exclusively the EM can be operated to reduce noise and exhaust emissions in the landing area, or exclusively the VM, as required.
Mientras que en la EP 3162713 la señal del piloto se divide en una señal de control de alta frecuencia y una de baja frecuencia para lograr una distribución de potencia deseada entre dos motores, en la presente invención la división de potencia en funcionamiento normal es controlada mediante la primera directiva del controlador del EM, ajustando la velocidad de giro medida DZ y el par medido DM a los valores deseados almacenados DZo y DMo. Durante la fase de vuelo normal, excluyendo el despegue y el aterrizaje, los controles de ambos motores no reciben señales de controlador del piloto. El EM y el VM ajustan sus potencias para mantener constante la velocidad de giro especificada DZo, con el EM, que responde más rápidamente, compensando cualquier desviación antes de que el VM, más lento, pueda responder. Además, según la primera directiva, el EM ajusta el par aplicado por el VM al valor especificado DM0 mediante la provisión adicional de potencia, ya sea positiva o negativa. Por lo tanto, este sistema de propulsión híbrido descrito aquí es muy simple de controlar y seguro en su proceso, incluso si el VM falla repentinamente. While in EP 3162713 the pilot signal is split into a high frequency and a low frequency control signal to achieve a desired power distribution between two engines, in the present invention the power split in normal operation is controlled by the first directive of the EM controller, by adjusting the measured rate of turn DZ and the measured torque DM to the stored desired values DZo and DMo. During the normal flight phase, excluding take-off and landing, the controls of both engines receive no signals from the pilot controller. The EM and the VM adjust their powers to maintain the specified rate of turn DZo constant, with the faster responding EM compensating for any deviation before the slower VM can respond. Furthermore, according to the first directive, the EM adjusts the torque applied by the VM to the specified value DM0 by providing additional power, either positive or negative. Therefore, this hybrid propulsion system described here is very simple to control and safe in its process, even if the VM suddenly fails.
De esta manera, el sistema de propulsión híbrido siempre opera con la distribución de carga que utiliza el combustible disponible de manera más eficiente. Sin embargo, esto no se logra mediante cálculos complicados, sino directamente y únicamente a través del conocimiento de los valores actuales de velocidad de giro DZ y par DM, y el conocimiento de sus valores especificados DZo, DMo. In this way, the hybrid propulsion system always operates with the load distribution that uses the available fuel most efficiently. However, this is not achieved by complicated calculations, but directly and solely through knowledge of the current values of rotational speed DZ and torque DM, and knowledge of their specified values DZo, DMo.
En caso de fallo del EM, el sistema de propulsión híbrido de la presente invención se convierte en una propulsión VM convencional, ya que el controlador del VM proporciona, a través del VM, el par requerido exactamente necesario en el eje de transmisión con una demora definida, necesario para alcanzar o mantener el comportamiento de vuelo especificado por el piloto. In case of EM failure, the hybrid propulsion system of the present invention becomes a conventional VM propulsion, since the VM controller provides, through the VM, the exactly required torque needed on the drive shaft with a defined delay, necessary to reach or maintain the flight behavior specified by the pilot.
En caso de fallo del VM, la velocidad de giro disminuye, lo que es compensado de inmediato por el EM mediante potencia adicional. Al mantener constante la velocidad de giro DZ, se garantiza la seguridad del vuelo. Además, el controlador del EM detecta que el par DM proporcionado por el VM ha desaparecido, lo que solo puede significar que el VM está fuera de servicio. Por lo tanto, el EM asume toda la provisión de servicios hasta que el VM vuelva a estar operativo o hasta el aterrizaje. Se garantiza un vuelo seguro en todo momento. In the event of a VM failure, the rate of turn decreases, which is immediately compensated by the EM by means of additional power. By keeping the DZ rate of turn constant, flight safety is ensured. In addition, the EM controller detects that the DM torque provided by the VM has disappeared, which can only mean that the VM is out of service. The EM therefore takes over the entire service provision until the VM is operational again or until landing. A safe flight is guaranteed at all times.
Dado que ambos controles reciben las mismas informaciones, generadas directamente por el comportamiento de vuelo, cada uno de los motores puede garantizar de manera autónoma el comportamiento de vuelo requerido. La distribución de cargas entre los dos motores se realiza completamente de manera automática, ya que el EM reconoce y ejecuta rápidamente su parte del trabajo, permitiendo que el VM siempre opere en el rango óptimo. Además, cuando el combustible es escaso, el controlador del EM puede cargar más al EM para ahorrar combustible. Para evitar una descarga profunda o una sobrecarga de la batería, también se puede desviar de la primera directiva. Además, el EM puede ser activado como un potenciador para proporcionar potencia adicional, por ejemplo, al sobrevolar una montaña alta. Por otro lado, en altitudes extremas o con altas temperaturas, donde la potencia del VM se reduce considerablemente debido al aire enrarecido, el EM puede ser utilizado de manera más intensiva si la carga de la batería lo permite, para aumentar el límite de potencia disponible o ahorrar combustible. Durante la fase de despegue y/o aterrizaje, exclusivamente el EM puede ser operado para reducir las emisiones de ruido y de escape en el área de despegue y/o aterrizaje. Since both controllers receive the same information, generated directly by the flight behaviour, each of the engines can autonomously guarantee the required flight behaviour. The load distribution between the two engines is carried out completely automatically, as the EM quickly recognises and executes its part of the work, allowing the VM to always operate in the optimal range. In addition, when fuel is scarce, the EM controller can load the EM more heavily to save fuel. To avoid deep discharge or overcharging of the battery, it can also deviate from the first directive. In addition, the EM can be activated as a booster to provide additional power, for example when flying over a high mountain. On the other hand, at extreme altitudes or in high temperatures, where the VM's power is considerably reduced due to thin air, the EM can be used more intensively if the battery charge allows it, in order to increase the available power limit or save fuel. During the take-off and/or landing phase, only the EM may be operated to reduce noise and exhaust emissions in the take-off and/or landing area.
Una vez que se resuelve una situación excepcional, la primera directiva se activa nuevamente. Once an exceptional situation is resolved, the first directive is activated again.
Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings
A continuación se explica la invención con referencia a los dibujos. Se muestran: The invention is explained below with reference to the drawings. They are shown:
1 Fig. 1 una representación esquemática de un sistema de propulsión híbrido según la invención; 1 Fig. 1 a schematic representation of a hybrid propulsion system according to the invention;
2 un gráfico para describir la distribución de la carga en diferentes comportamientos de vuelo, como ascenso, vuelo de crucero y descenso. 2 a graph to describe the load distribution in different flight behaviors, such as climb, cruise flight and descent.
Formas de ejecución de la invención Forms of carrying out the invention
La Figura 1 muestra un sistema de propulsión híbrido 4 según la invención en una versión más detallada de la que sería necesaria para la descripción de la invención. Muestra una parte de un helicóptero con un tren de transmisión 3, una caja de cambios con rotor principal 1 y también un rotor de cola 2, que no es relevante para el objeto de la invención. En el tren de transmisión 3 se encuentran paralelamente un motor de combustión (VM) 6 y un motor eléctrico (EM) 10, estando preferiblemente el EM 10 ubicado entre el VM 6 y la caja de cambios del rotor principal 1. Otras disposiciones también son posibles. Figure 1 shows a hybrid propulsion system 4 according to the invention in a more detailed version than would be necessary for the description of the invention. It shows a part of a helicopter with a drive train 3, a main rotor gearbox 1 and also a tail rotor 2, which is not relevant to the subject matter of the invention. A combustion engine (VE) 6 and an electric motor (EM) 10 are arranged in parallel in the drive train 3, the EM 10 preferably being located between the VE 6 and the main rotor gearbox 1. Other arrangements are also possible.
Un controlador del piloto 5 se encarga de recibir las órdenes de control de un piloto para ajustar las palas del rotor principal, lo que resulta indirectamente en la potencia del motor requerida como la velocidad de giro necesaria DZo en el tren de transmisión 3. Una línea de señal de datos opcional 19 de la piloto 5 al controlador del VM 7 puede ser utilizada para maniobras de despegue y aterrizaje. A pilot controller 5 is responsible for receiving control commands from a pilot to adjust the main rotor blades, which indirectly results in the required engine power as the necessary turn rate DZo on the drive train 3. An optional data signal line 19 from the pilot 5 to the VM controller 7 can be used for takeoff and landing maneuvers.
El VM 6 está conectado a un tanque de combustible 8 y este a su vez con el controlador del VM 7, que puede regular el suministro de combustible desde el tanque de combustible 8 al VM 6 para proporcionar la fuerza de propulsión necesaria en el tren de transmisión 3. Además, el EM 10 está conectado a una batería 14, preferiblemente a través de un convertidor de corriente 12 y una unidad de carga 13, que puede estar equipada con un amortiguador de picos de corriente. El EM 10 puede ser operado mediante la carga de la batería 14, o la batería 14 puede ser cargada mediante la potencia mecánica en el EM 10, lo que hace que el tren de transmisión 3 sea accionado o frenado respectivamente. Un controlador de EM 11 está conectado al menos indirectamente, por ejemplo, a través de un convertidor de corriente 12, con el EM 10 y puede controlarlo para proporcionar una fuerza de propulsión o frenado necesaria en el tren de transmisión 3. The VM 6 is connected to a fuel tank 8 and this in turn to the VM controller 7, which can regulate the fuel supply from the fuel tank 8 to the VM 6 to provide the necessary propulsion force in the drive train 3. Furthermore, the EM 10 is connected to a battery 14, preferably via a current converter 12 and a charging unit 13, which can be equipped with a current peak absorber. The EM 10 can be operated by charging the battery 14, or the battery 14 can be charged by the mechanical power in the EM 10, which causes the drive train 3 to be driven or braked respectively. An EM controller 11 is at least indirectly connected, for example via a current converter 12, to the EM 10 and can control it to provide a necessary propulsion or braking force in the drive train 3.
Además, un medidor de nivel 9 en el tanque de combustible 8 y un medidor de estado de carga 15 en la batería 14 pueden estar dispuestos para transmitir sus datos de medición en funcionamiento a una unidad de cálculo 16. Furthermore, a level gauge 9 in the fuel tank 8 and a state-of-charge gauge 15 in the battery 14 may be arranged to transmit their measurement data in operation to a computing unit 16.
En el tren de transmisión 3 se encuentran al menos un sensor de par 17 y un tacómetro 18. El controlador del VM 7 y el controlador del EM 11 reciben datos de al menos un sensor de par 17 y un tacómetro 18 en funcionamiento. La unidad de cálculo 16 está conectada al controlador del EM 11 y al controlador del VM 7. Se utiliza para calcular la energía disponible, el par necesario en el tren de transmisión 3 y/o para controlar el controlador del EM 11. Incluye una memoria de datos 20, en la que se almacenan los valores de una velocidad de giro DZo y un par DMo predefinidos, siendo estos valores los que logran un acoplamiento óptimo de potencia del VM 6, siendo la eficiencia del VM la más alta en estos valores. At least one torque sensor 17 and a tachometer 18 are located in the drive train 3. The VM controller 7 and the EM controller 11 receive data from at least one torque sensor 17 and a tachometer 18 in operation. The computing unit 16 is connected to the EM controller 11 and the VM controller 7. It is used to calculate the available power, the required torque in the drive train 3 and/or to control the EM controller 11. It includes a data memory 20, in which values of a predefined rotational speed DZo and a torque DMo are stored, these values being those that achieve an optimal power coupling of the VM 6, the efficiency of the VM being highest at these values.
En funcionamiento, es el controlador del EM 11 el que provoca la distribución de las cargas en el VM 6 y el EM 10. Esto se muestra esquemáticamente en la Figura 2. In operation, it is the EM 11 controller that causes the load distribution in the VM 6 and EM 10. This is shown schematically in Figure 2.
La curva discontinua en el diagrama superior representa el comportamiento de vuelo como función del tiempo, como es requerida por el controlador del piloto 5 en cada caso, en particular la altitud de vuelo H. La altitud de vuelo "0" aquí se refiere al suelo. La línea continua representa la altitud de vuelo H efectiva, que tiene un ligero retraso. En la primera fase (I), el helicóptero asciende constantemente hasta alcanzar la altitud de vuelo deseada Hi. En la segunda fase (II), vuela de manera constante a esta altura, y en la tercera fase (III), desciende nuevamente. Entre todas las fases de vuelo, transcurre un tiempo hasta que se alcanza el nuevo objetivo establecido. The dashed curve in the upper diagram represents the flight behavior as a function of time, as required by the pilot controller 5 in each case, in particular the flight altitude H. The flight altitude "0" here refers to the ground. The solid line represents the effective flight altitude H, which is slightly delayed. In the first phase (I), the helicopter climbs steadily until it reaches the desired flight altitude Hi. In the second phase (II), it flies steadily at this height, and in the third phase (III), it descends again. Between all flight phases, a time elapses until the newly set target is reached.
Las curvas en el diagrama central representan esquemáticamente la carga total PH, es decir, el momento total en el rotor principal (línea de puntos), la carga PVM en el VM 6 (línea de puntos y rayas) y la carga PEM en el EM 10 (línea de puntos). El diagrama inferior muestra la velocidad de giro DZ. The curves in the middle diagram schematically represent the total load PH, i.e. the total moment on the main rotor (dotted line), the PVM load on the VM 6 (dotted-dash line) and the PEM load on the EM 10 (dotted line). The lower diagram shows the rotational speed DZ.
Después del proceso de inicio, el VM 6 opera a un nivel constantemente alto. En la primera fase I, el EM 10 funciona como un impulso adicional una vez que el VM 6 alcanza la carga PVM óptima predefinida, aplicando el par DMo. Asiste al VM (6) durante la fase de ascenso en la fase I hasta que se alcanza la altitud de vuelo deseada Hi, es decir, hasta que el piloto reduce ligeramente el ángulo de paso de las palas del rotor. El proceso de inicio puede desviarse de la primera directiva hasta que el helicóptero esté seguro en el aire. After the start-up process, the VM 6 operates at a constantly high level. In the first phase I, the EM 10 functions as an additional booster once the VM 6 reaches the predefined optimal PVM load, by applying the torque DMo. It assists the VM (6) during the climb phase in phase I until the desired flight altitude Hi is reached, i.e. until the pilot slightly reduces the pitch angle of the rotor blades. The start-up process can deviate from the first directive until the helicopter is safely airborne.
Al reducir el paso de las palas del rotor al comienzo de la fase II, la velocidad de giro DZ aumenta brevemente, como se muestra en el diagrama inferior. El EM 10 responde de inmediato y reduce su potencia hasta que la velocidad de giro DZ vuelve a coincidir con la configuración DZ0. La altitud de vuelo ahora permanece constante durante toda la fase II. El VM 6 es lento y, por lo tanto, no responde a este cambio temporal. En el ejemplo mostrado, la carga en el EM 10 en la fase II es negativa, por lo que como generador, descarga la energía adicional disponible del exceso de potencia del VM 6 nuevamente en la batería 14. El VM 6 tampoco cambia su carga en la fase II. By reducing the pitch of the rotor blades at the beginning of phase II, the DZ rate of turn briefly increases, as shown in the diagram below. The EM 10 responds immediately and reduces its power until the DZ rate of turn matches the DZ0 setting again. The flight altitude now remains constant throughout phase II. The VM 6 is sluggish and therefore does not respond to this temporary change. In the example shown, the load on the EM 10 in phase II is negative, so as a generator it discharges the additional energy available from the excess power of the VM 6 back into the battery 14. The VM 6 also does not change its load in phase II.
Al iniciar el descenso, al comienzo de la fase III, el piloto nuevamente reduce ligeramente el paso de las palas del rotor, la velocidad de giro DZ aumenta nuevamente temporalmente, el EM 10 responde nuevamente reduciendo su potencia. Sin embargo, esta vez regula a una velocidad de giro DZ que es ligeramente más alta que la configuración DZo, de acuerdo con su segunda directiva. Ahora, la energía en el EM 6 se recupera aún más fuertemente, ya que el EM 10 frena aún más el tren de transmisión 3. Dado que la velocidad de giro DZ ha aumentado ligeramente, ahora responde el VM 6, reduciendo continuamente su potencia. Mientras tanto, el EM 10 mantiene la velocidad de giro DZ elevada, como se muestra en la curva más baja en la fase III: la línea continua, que representa la velocidad de giro DZ actual, es más alta que la línea punteada, que indica DZo. When starting the descent, at the beginning of phase III, the pilot again slightly reduces the pitch of the rotor blades, the DZ rate of turn is again temporarily increased, the EM 10 responds again by reducing its power. However, this time it regulates to a DZ rate of turn that is slightly higher than the DZo setting, in accordance with its second directive. Now, the energy in the EM 6 is recovered even more strongly, as the EM 10 further brakes the drive train 3. Since the DZ rate of turn has increased slightly, the VM 6 now responds, continuously reducing its power. In the meantime, the EM 10 maintains the elevated DZ rate of turn, as shown by the lowest curve in phase III: The solid line, which represents the current DZ rate of turn, is higher than the dotted line, which indicates DZo.
Mientras que la velocidad de giro DZ actual es mayor que la velocidad de giro DZo predefinida, la potencia en el VM 6 y, por lo tanto, las emisiones de ruido y gases en el lugar de aterrizaje disminuyen. Esto se logra al reducir constantemente la potencia eléctricamente generada en el EM 10, lo que reduce su efecto de frenado. As long as the current DZ turn rate is higher than the predefined DZo turn rate, the power in the VM 6 and thus the noise and gas emissions at the landing site are reduced. This is achieved by constantly reducing the electrically generated power in the EM 10, which reduces its braking effect.
Según la presente invención, la velocidad de giro DZ del tren de transmisión 3, después de la primera directiva, es regulada únicamente por el EM 10 para mantenerse constante a DMo del VM 6 a la velocidad de giro DZo prescrita. Después de la segunda directiva, como se muestra en la fase III, se desvía de esto para reducir específicamente la carga en el VM 6. Aparte de la reducción de emisiones ya mencionada, pueden existir otras razones para desviarse de la primera directiva. Específicamente, el almacenamiento o descarga selectiva de la batería 14 cuando su estado de carga lo requiera. Además, el EM 10 puede ser conectado como refuerzo para proporcionar temporalmente una potencia más alta o para ahorrar combustible, por ejemplo, en altitudes más altas. According to the present invention, the rotational speed DZ of the drive train 3, after the first directive, is regulated solely by the EM 10 to keep the DMo of the VM 6 constant at the prescribed rotational speed DZo. After the second directive, as shown in phase III, there is a deviation from this to specifically reduce the load on the VM 6. Apart from the already mentioned emission reduction, there may be other reasons for deviating from the first directive. Specifically, selective storage or discharge of the battery 14 when its state of charge requires it. In addition, the EM 10 may be connected as a booster to temporarily provide higher power or to save fuel, for example, at higher altitudes.
La segunda directiva puede ser regulada, por ejemplo, en función del conocimiento de las reservas de energía, si el controlador del EM 11 tiene información sobre el estado de carga de la batería 14 y el suministro de combustible, mediante requisitos de ruido dependiendo de la altitud de vuelo y/o a través de la especificación previa de la trayectoria de vuelo. The second directive can be regulated, for example, based on knowledge of the energy reserves, if the EM 11 controller has information about the state of charge of the battery 14 and the fuel supply, by noise requirements depending on the flight altitude and/or through pre-specification of the flight path.
Lista de Referencias: Reference List:
1. Transmisión con rotor principal 1. Transmission with main rotor
2. Rotor de cola 2. Tail rotor
3. Eje de transmisión 3. Transmission shaft
4. Sistema de propulsión híbrido 4. Hybrid propulsion system
5. controlador del piloto 5. Pilot Controller
6. Motor de combustión (VM) 6. Combustion engine (ME)
7. controlador del VM 7. VM Controller
8. Tanque de combustible 8. Fuel tank
9. Sensor de nivel 9. Level sensor
10. Motor eléctrico (EM) 10. Electric motor (EM)
11. controlador del EM 11. EM Controller
12. Convertidor de corriente 12. Power converter
13. Unidad de carga 13. Load unit
14. Batería 14. Battery
15. Medidor de estado de carga 15. State of charge meter
16. Unidad de cálculo 16. Unit of calculation
17. Sensor de par 17. Torque sensor
18. Tacómetro 18. Tachometer
19. Línea de señal de datos 19. Data signal line
20. Unidad de almacenamiento de datos con el valor de la velocidad de giro óptima del VM 20. Data storage unit with the value of the optimal VM spin speed
I. Primera fase, ascenso I. First phase, promotion
II. Segunda fase, altitud constante II. Second phase, constant altitude
III. Tercera fase, descenso III. Third phase, descent
t. Tiempo t. Time
H. Altitud actual H. Current altitude
Hi. Altitud deseada Hi. Desired altitude
P. Potencia (redundante con el par) P. Power (redundant with torque)
PH. Potencia total PH. Total power
PEM. Potencia en el EM PEM. Power in the EM
PVM. Potencia en el VM PVM. Power in the VM
DZ. Velocidad de giro en el eje de transmisión, medida DZ. Rotational speed on the drive shaft, measured
DZo. Velocidad de giro óptima DZo. Optimal turning speed
DM. Par en el eje de transmisión, medido DM. Torque on the drive shaft, measured
DMo. Par predeterminado DMo. Default pair
Claims (9)
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