ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ АВТОМАТ РАЗГОНА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1996 года по МПК F02C9/26 

Изобретение относится к управлению топливоподачей в газотурбинных установках, в частности при разгоне двигателя.

Известна система регулирования газотурбинного двигателя [1] с гидравлическим автоматом разгона, содержащим дозирующий клапан с мембранной полостью управления, воздушный редуктор и электромагнитный клапан.

Недостатком данного автомата разгона является сложность конструкции и недостаточная надежность из-за наличия мембранной воздушной камеры, гидравлическая характеристика которой недостаточно стабильна.

Известна также система регулирования газотурбинного двигателя с гидравлическим автоматом разгона [2] содержащим объемный насос, дроссель и регулятор скорости, соединенные с линией слива, клапан нагрузки, имеющий перепускную полость и связанный через жиклер с регулятором скорости.

Недостатком данного автомата разгона является снижение расхода топлива в двигатель перед срабатыванием клапана нагрузки, что в условиях отрицательных температур окружающей среды может привести к выходу двигателя на равновесный режим до срабатывания клапана нагрузки, так как потребный равновесный расход топлива двигателя в этих условиях повышается, а характеристика разгона остается неизменной, т. е. произойдет "зависание" двигателя до его выхода на требуемый скоростной режим.

Кроме того, данный автомат разгона до срабатываний клапана нагрузки формирует практически линейную характеристику подачи топлива через форсунку в зависимости от частоты вращения, а то время как газотурбинный двигатель имеет нелинейную оптимальную характеристику разгона.

Целью изобретения является повышение надежности запуска в предельных температурных условиях на входе в двигатель, а также обеспечение нелинейной характеристики разгона, близкой к оптимальной, из условий предотвращения помпажа и не превышения максимальной температуры газов на входе в турбину.

Поставленная цель достигается тем, что в гидравлический автомат разгона, содержащий объемный насос, регулятор скорости клапан нагрузки, жиклер на выходе объемного насоса, регулируемый дроссель и дроссель, выполненный в виде подпружиненного золотника, подпружиненный торец которого подключен за жиклером на выходе насоса, а противоположный торец до этого жиклера, встроен клапан ограничения максимального давления, вход которого соединен с выходом насоса через клапан нагрузки, а выход с линией слива.

Кроме того, что пружинная полость клапана нагрузки соединена с входом регулируемого дросселя через дополнительный жиклер.

При таком выполнении автомата разгона давление топлива в линии форсунки ограничивается клапаном максимального давления. При вступлении в работу регулятора скорости падение давления топлива в линии форсунки не произойдет, так как регулятор скорости берет на себя расход, идущий на клапан максимального давления, т. е. при открытии регулятора скорости клапан максимального давления прикрывается. Кроме того, при срабатывании дросселя, выполненного в виде подпружиненного золотника, слив топлива из линии форсунки осуществляется только через дополнительный жиклер, установленный между клапаном нагрузки и регулируемым дросселем, что обеспечивает необходимый "излом" характеристики, т. е. ее нелинейность.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявляемого устройства; на фиг. 2 характеристика подачи топлива в камеру сгорания двигателя в зависимости от частоты вращения ротора (кривая abckgf' характеризует процесс подачи в газотурбинный двигатель с использованием прототипа).

Гидравлический автомат разгона содержат объемный насос 1, дроссель 2 перепуска топлива и регулятор 3, соединенный с линией слива 4, клапан 5 нагрузки, выполненный в виде подпружиненного пружиной 6 золотника 7, полость 8 которого через жиклер 9 и пружинную полость 10 соединена с регулятором 3 скорости, жиклер 11, установленный на выходе объемного насоса 1, регулируемый дроссель 12, клапан 13 ограничения максимального давления и жиклер 14.

Подпружиненный золотник 2 состоит из плунжера 15, пружины 16, входного окна 17, выходного окна 18, пружинной полости 19 и противоположной полости 20.

Регулятор 3 содержит центробежный датчик 21 с грузиком 22 и клапаном 23 и клапан 24 постоянного давления перед клапаном 23. Топливо впрыскивается в камеру сгорания двигателя через форсунку 25 и одновременно поступает по каналам 26 и 27 в линию слива.

Гидравлический автомат разгона работает следующим образом.

В начальный момент разгона часть топлива от насоса 1 через жиклер 11 поступает к форсунке 25, одновременно по каналу 26 через дроссель 2 и канал 27 часть топлива поступает к регулируемому дросселю 12 и через него в линию слива 4. При этом плунжер 15 дросселя 2 под действием пружины 19 находится на нижнем упоре и поэтому топливо, прошедшее через окна 17 и 18, не дросселируется. В камеру сгорания двигателя поступает необходимое количество топлива. Этот процесс соответствует участку ab на фиг. 2.

По мере роста частоты вращения насоса 1, приводимого от ротора двигателя, увеличивается перепад давлений на жиклере 11 и на оборотах n₁ перепад становится достаточным для преодоления преднатяга пружины 16. Плунжер 15 перемещается вверх, перекрывая окно 18 и тем самым уменьшая слив через дроссель 12 (участок bc на фиг. 2).

В точке П₂ окно 18 перекрывается полностью и топливо от насоса 1 на слив к дросселю 12 продолжает поступать только через полость 8 клапана нагрузки 5 и последовательно расположенные жиклеры 9 и 14. Поэтому участок cd на фиг. 2 имеет более крутой наклон, чем участок bc, причем степень крутизны его определяется величиной проходной площади дополнительного жиклера 14.

На оборотах П₃ давление в линии форсунки 25 и, следовательно, перед запорным элементом клапана 13 ограничения максимального давления на разгоне достигает величины настройки клапана 13. При возрастании частоты вращения насоса выше П₃ давление практически не изменяется и характеризуется отрезком de на фиг. 2.

При достижении частоты вращения П₄ под действием увеличивающейся центробежной силы грузика 22 происходит открытие клапана 23. При этом возникает дополнительный расход топлива через жиклер 9, клапан 24 постоянного давления и клапан 23. В результате на жиклере 9 возрастает перепад давлений, который воздействует на торцы золотника 7 клапана нагрузки 5. Под действием этого перепада золотник 7 резко перемещается вверх и прекращает подачу топлива через жиклеры 9 и 14 на слив через регулируемый дроссель 12 и клапан 13 ограничения максимального давления. Двигатель по линии ef выходит на регуляторный режим, определяемый кривой fm на фиг. 2. Топливо при этом из полости 8 клапана нагрузки 5 непосредственно поступает к клапану 24, а от него к клапану 23.

Линия lm определяет собой характеристику равновесных режимов двигателя. Пунктирная характеристика ckqf' условно показывает процесс разгона при отсутствии в схеме автомата разгона клапана 13 ограничения максимального давления и жиклера 14.

Площадь сечения дополнительного жиклера 14 рассчитывается из условия требуемого характера протекания участка cd, а площадь жиклера 9 определяется однозначно требуемой частотой П₄ срабатывания клапана нагрузки 5.

При останове двигателя электромагнитным клапаном (на фиг. 1 не указан) перекрывается подвод топлива к форсунке 25. Частота вращения двигателя начинает падать и при снижении до оборотов П₂ усилие от перепада давлений на жиклере 11 сравняется с усилием пружины 19 дросселя 2, плунжер 15 начнет перемещаться вниз и при частоте П₁ полностью откроет окно 18.

В результате топливо после жиклера 11 по каналу 26 через окна 17 и 18, каналу 27 и дополнительному жиклеру 14 поступит в пружинную полость 10 клапана нагрузки. Давления в полостях 10 и 8 станут равными и под действием пружины 6 золотник 8 клапана нагрузки займет исходное положение. Система готова к повторному запуску.

Таким образом, наличие в автомате разгона клапана ограничения максимального давления, вход которого соединен с выходом насоса через клапан нагрузки, а выход с линией слива, обеспечивает стабильное протекание характеристики разгона без провала при срабатывании регулятора частоты вращения. Кроме того, соединение пружинной полости клапана нагрузки с входом регулируемого дросселя через дополнительный жиклер обеспечивает требуемый наклон характеристики разгона после срабатывания дросселя, выполненного в виде подпружиненного золотника.

Применение предлагаемого гидравлического автомата разгона газотурбинного двигателя обеспечивает на всех стадиях запуска подачу топлива в камеру сгорания по закону, близкому к оптимальному.

Использование: автоматическое регулирование газотурбинных двигателей. Сущность изобретения: гидравлический автомат разгона содержит объемный насос 1, регулятор 3 скорости, клапан 5 нагрузки, жиклер 11 на выходе объемного насоса, регулируемый дроссель 12 и дроссель 2, выполненный в виде подпружиненного золотника. В автомат разгона встроен клапан 13 ограничения максимального давления, вход которого соединен с выходом насоса через клапан 5 нагрузки, а выход связан с линией слива. Пружинная полость клапана 5 нагрузки соединена с входом регулируемого дросселя 12 через дополнительный жиклер 14. 2 ил.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ АВТОМАТ РАЗГОНА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, содержащий объемный насос, регулятор скорости, подпружиненный клапан нагрузки, жиклер на выходе объемного насоса, регулируемый дроссель и дроссель, выполненный в виде подпружиненного золотника, подпружиненный торец которого подключен за жиклером на выходе объемного насоса, а противоположный торец - до жиклера, отличающийся тем, что он имеет дополнительный жиклер и клапан ограничения максимального давления, вход которого соединен с выходом насоса через клапан нагрузки, а выход связан с линией слива, причем пружинная полость клапана нагрузки соединена с входом регулируемого дросселя через дополнительный жиклер.