Repülőgépek áramellátó berendezései
2015/3. lapszám | Dobai Gábor | 8312 |
Figylem! Ez a cikk 10 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Minden villanyszerelő ismeri a kommunális és ipari fogyasztók közcélú villamos hálózatról történő ellátásának minden csínját-bínját, hiszen szeretett szakmánk lényegében erről szól. Vannak azonban a villamos energia felhasználásának, illetve az azzal történő ellátásnak olyan speciális területei, melyeket csak az ezeken a területeken dolgozó szaktársaink ismernek.
Ilyen szakterület például a magas szintű ellátásbiztonságot nyújtó redundáns áramellátó rendszerek köre, melyek közül a legegyszerűbb és legismertebb, amellyel mindannyian találkozunk, a számítógépek szünetmentes áramforrása. Nagy biztonságú áramellátó rendszerek alkalmazási területei még a kórházak, a telekommunikációs és műsorszóró hálózatok berendezései, a metró, és mindezen rendszerek technológiai csúcspontja, a repülőgépek áramellátó berendezései. Ezekről az igen fejlett rendszerekről lesz most szó a továbbiakban. A repülőgép elektromos rendszere alatt a villamos hálózati elemeknek azt a zárt rendszert képező összességét értjük, amely a villamos energiát előállítja, szállítja, elosztja, átalakítja, tárolja és hasznosítja. Lényeges az a speciális körülmény, hogy ezek a rendszerek a levegőben teljesen magukra vannak hagyva, következésképpen önállónak és magas szinten üzembiztosnak kell lenniük.
Egyszerű elektromos rendszerek
Az első repülőgépeknek egyáltalán nem volt áramellátó rendszere, mivel nem hordoztak olyan készülékeket, amelyeknek szükségük lett volna rá, a gépek összes villamos berendezése a motor mágneses gyújtásából állt, és néhány nagyon egyszerű egymotoros típusban ma sincs sokkal több. Az 1920-as években már megjelentek a rádiók és navigációs műszerek, amelyek egyenárammal működtek. A gyors fejlődés során általánossá vált a villamos áramot igénylő fedélzeti berendezések használata. A savas akkumulátorok használatát repülőgépeken mindig is kerülték, az energiát nikkel-acél (lúgos) akkumulátorok szolgáltatták, melyeket kis generátorokkal töltöttek, jellemzően 28 V egyenfeszültségre. Ez a feszültségszint abból adódott, hogy általában 24 darab lúgos akkucellát kapcsoltak sorba, amelyek cellafeszültsége egyenként 1-1,2 V. Ennek okán a 28 V egyenfeszültség elterjedt. Ma már csak az egészen kis forgalmú magáncégek hajlanak arra, hogy 28 V DC elektromos rendszerrel üzemeltessenek repülőgépet.
Fejlett elektromos rendszerek
A repülőgépek levegőbe emelkedéséhez, levegőben maradásához, egyszóval a gravitáció legyőzéséhez energiára van szükség. De energia kell a gép irányításához, világításához, a földi személyzettel való kommunikációhoz, a radarhoz és az utaskényelmi berendezések működtetéséhez is, melyek hidraulikus és villamos rendszerek. Ezeknek a sokrétű, szerteágazó funkcióknak az ellátásához az energiát elektromos áram formájában biztosítják, amit magán a repülőgépen kell előállítani. A repülőgép elsődleges erőforrása a hajtómű, mely általában, de nem kizárólag kerozin tüzelőanyagú gázturbina. Lehet még a repülőgépeknél szokásos csillag hengerelrendezésű Otto-motor, melynek tüzelőanyaga 105-ös oktánszámú ólmozott benzin, és lehet még igen ritkán dízelmotor is. A szokásos szisztéma szerint minden hajtómű tengelyéhez mechanikusan egy-egy generátor csatlakozik, példának okáért a Boeing 737-es esetében 2 db 50 kW-os generátor.
Érdekes mérnöki feladatot jelent, hogy hogyan lehetséges a változó fordulatszámmal pörgő gázturbinával hajtott generátorban közel állandó feszültségű és frekvenciájú villamos áramot előállítani. Hasonló probléma vetődik fel a tervezők számára közúti gépjárművek és a vasúti kocsik generátorról működtetett akkutöltőinek esetében is. Mindegyik esetben az jelenti a megoldandó műszaki problémát, hogy a széles tartományban változó fordulatszámú hajtógépről megforgatott generátorral kell viszonylag stabil feszültségű és frekvenciájú, közel szinuszos lefolyású váltakozó áramot előállítani. Ezt a feladatot ún. körömpólusú generátorok alkalmazásával oldják meg, melyek jellemzője, hogy kimenő feszültségük a fordulatszám változásától kevésbé függ.
Közúti járművek és repülőgépek esetében a generátor indítómotor funkciót is betölt oly módon, hogy a gépbe bevezetett energiaátalakítás irányát egyszerűen megfordítják, vagyis a generátor kapcsaira villamos áramot kapcsolva motorként működnek. Repülőgépek hajtóműveiben nem alkalmaznak sebességváltó áttételeket, a hajtómű fordulatszámát csak a pilóta – vagy a robotpilóta – befolyásolja azzal, hogy több vagy kevesebb gázt ad. Ha mármost a generátor viszonylag stabil feszültséget szolgáltat, de frekvenciája még mindig változó, akkor azt más műszaki megoldással kell stabilizálni. Erre két lehetőség kínálkozik: a) eset, hogy a hajtómű változó fordulatszámát mechanikus úton alakítják át stabil fordulatszámmá, ezáltal stabil feszültséggé és frekvenciává.
Ilyen például a Boeing 737-es áramellátó rendszere, ahol a generátorok által termelt 230 V 60 Hz-es váltakozó feszültséggel az utaskényelmi berendezéseket látják el, a különböző egyéb fogyasztói kategóriák számára pedig átalakítják az energiát a nekik legmegfelelőbb feszültségű, frekvenciájú árammá (1. ábra). A b) esetben a generátorok által termelt, erősen ingadozó frekvenciájú váltakozó áramot egyenirányítják, majd inverter segítségével visszaalakítják immár stabil frekvenciájú és feszültségű váltakozó árammá a villamos energiát, amit azután szétosztanak a fogyasztók számára legmegfelelőbb áramnem és feszültségszint szerint. Ennek a megoldásnak az elvi kapcsolására mutat példát a 2. ábra. A statikus inverterek elterjedése előtt a váltó-váltó és az egyen-váltó átalakítás forgógépes átalakítókkal, ún. konverterekkel vagy unformerekkel történt, mint amilyen a 3. ábrán látható.
Az akkumulátortelepeket a repülőgép törzsének alsó részében szokás elhelyezni, hogy minél mélyebben legyenek. Ezek kapacitását a szabályok szerint úgy kell meghatározni, hogy legalább félórás működést biztosítsanak a repülőgép létfontosságú villamos berendezései számára. A repülőgépekben mindig tilos volt a savas akkumulátorok használata, mert az esetleg kifolyó sav gyorsan elkorrodálná a gép szerkezeti elemeit, ami biztos katasztrófához vezetne. Régebben ezért nikkel-kadmium akkumulátorokat alkalmaztak lúgos elektrolittal, melyeket a zárt rendszerű zselés akkuk váltottak fel, jelenleg pedig terjedőben vannak a lítium-ion akkumulátorok a repülőgépiparban is.
A Boeing 737-esnél maradva, normál üzemállapotban, vagyis zavarmentes környezetben két db 50 kW-os generátor biztosítja a repülőgép teljes energiaszükségletét. Egy generátor meghibásodása, ill. kiesése esetén a segédgenerátor 100%-os tartalékot képezve képes átvenni a kiesett gép teljes villamos terhelését. Ebben az esetben a repülőgép összes villamos rendszerének működése még fenntartható. Ha további egy vagy két generátor is meghibásodik, akkor a pilóta terheléskorlátozást léptet életbe, ilyenkor csak a létfontosságú berendezések – a pilótaműszerek – maradnak üzemben, más fogyasztók, mint pl. a konyhai berendezések ellátása megszűnik. A pilótafülkében általában a felső műszerfalon helyezkednek el a repülőgép áramellátó rendszereinek állapotát jelző műszerek, melyeken a pilóta egyenként leolvashatja és ellenőrizheti a releváns paramétereket, mint amilyen a generátorok és inverterek által előállított feszültség és frekvencia, valamint ezek terhelése. Itt találhatók továbbá azok a kapcsolók, amelyek módot adnak arra, hogy a pilóta kikapcsolja a meghibásodott vagy terheléskorlátozás miatt leválasztandó berendezéseket, amikor szükség van rá. Alapesetben, egy ugyancsak a fülke felső részén elhelyezett panel ellenőrzi a repülőgép villamos rendszereinek állapotát. Amennyiben valamilyen rendellenességet észlel, egy központi hibajelző panelen keresztül ad jelzést a pilótának, aki csak ezt követően kényszerül arra, hogy egyenként ellenőrizze az egyes alrendszereket, és beavatkozzon.
A főelosztó berendezés szokásos helye a pilótafülke hátsó fala. A generátorok egy központi elosztón keresztül gyűjtősínekre dolgoznak, melyeket angolosan BUS-oknak nevezünk. Ezek kábeleken keresztül alelosztókkal vannak összekötve, melyekhez csatlakoznak a tényleges fogyasztók, úgymint pilótaműszerek, számítógépek, szervomotorok, EH szelepek, szivattyúk, világítási hálózat és az utaskényelmi berendezések. A vezetékhálózat a szokásos sodrott vezetékekből épül fel, de a szerelésmódra speciális előírások vonatkoznak. Katonai repülőgépek áramellátással kapcsolatos kérdéseit például a MIL-STD-704-es szabvány rögzíti. Az egész áramellátó rendszer kapcsolási struktúráját úgy alakítják ki, hogy a fogyasztók több forrásból, több ellátási útvonalon megtáplálhatók legyenek. Az a követelmény, hogy a repülőgép biztonságos földet érését szolgáló berendezések működéséhez szükséges villamos áramot mindenképpen biztosítani kell, amely egy több átkapcsolási lehetőséget tartalmazó pókhálószerű hálózati struktúrát eredményez. Ezek a struktúrák némileg emlékeztetnek az erőművi segédüzem megoldásaira, illetve az alállomások különböző funkciókra lebontott körvezeték rendszerére (M+, R+, J+).
A repülőgép biztonságos földet érését szolgáló rendszerek közül kiemelt fontosságúak azok az összetett hidraulikus és villamos rendszerek, amelyek a gép függőleges és vízszintes vezérsíkjainak vagy a futóműnek a mozgatását végzik. Ezek az alrendszerek igen jelentős terhelést jelentenek az áramellátó berendezés számára, amit könnyen beláthatunk, ha meggondoljuk, hogy egy közepes szoba alapterületének megfelelő fémfelületet kell megmozgatnia a motornak, 800-900 km/óra sebesség támasztotta légellenállás mellett. Általános tervezési alapelv, hogy a kisebb, de gyorsan mozgatandó kormányfelületek mozgatására hagyományos, vagyis hidraulikus hajtásmechanizmust javasolnak a tervezők, míg a nagyobb felületű, de gyorsabb mozgatást nem igénylő kormányfelületek szervomotorral, azaz villamos hajtással működnek. Ennek oka a súlytakarékosság, vagyis a minél kisebb tömegű szerkezetek beépítése, ez pedig repülőgépek esetében elsődleges tervezési szempont.
A gázturbinák közelében elhelyezkedő hidraulikai szivattyúktól ugyanis a megfelelő nyomás mellett olaj elvezetése egy nagyobb távolságra lévő működtető mechanizmushoz, pl. a hátul lévő vízszintes vagy függőleges vezérsíkhoz igen tekintélyes hosszúságú, ezáltal nagy súlyú csővezetékkel lenne lehetséges csupán. Ezzel szemben a szervomotoros hajtás csak egyszerű sodrott vezetéket igényel, bár lassúbb a hidraulikus hajtásnál. Ami szembetűnő – és repülőgépeknél ez a lényeg –, a súlykülönbség. A tervezőknek persze ezen alapvető szemponton kívül még számos más szempontot is figyelembe kell venniük, aminek eredménye, hogy esetenként kompromisszumos megoldást keresnek, és ideiglenesen feladják ezt az alapelvet, mint például a Boeing 737-esnél. Itt a magassági kormányzást végző hátsó vízszintes vezérsíkok hidraulikus meghajtást kaptak, míg a vízszintes csillapítók szervomotoros és szükségmegoldásként kézi hajtást kaptak, mert itt elegendő a lassú mozgatás. A szárnyból kinyúló, ún. fékszárnyak viszont elsődlegesen hidraulikus hajtásúak, de villamos tartalékhajtóművel vannak ellátva.
A cikket a következő lapszámban folytatjuk, ahol választ adunk arra az izgalmas kérdésre, miért használnak a repülőgépeken 400 Hz frekvenciát, mi célt szolgál a segédhajtómű, és mi az utolsó esély, ha a levegőben minden berendezés felmondta a szolgálatot!?
