СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ПУСКОВОГО ТОПЛИВА В ВОСПЛАМЕНИТЕЛЯХ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 1997 года по МПК F02C9/28 

Заявленное изобретение относится к газотурбинным двигателям (ГТД), используемым преимущественно в авиации, в частности, к системам запуска ГТД.

Для розжига камеры сгорания ГТД при запуске часто используется способ подачи пускового топлива в воспламенители, при котором его расход не регулируется. Топливо в воспламенители поступает непосредственно от топливного насоса, связанного с валом двигателя, следовательно, его расход зависит от частоты вращения двигателя, от давления воздуха в камере сгорания и других параметров, связанных с режимом полета и режимом работы двигателя при запуске. Это приводит к изменению расхода пускового топлива, а также коэффициента избытка воздуха в воспламенителях в широком диапазоне. В то же время диапазон устойчивого воспламенения топливо-воздушной смеси (ТВС) по коэффициенту избытка воздуха лежит в узком интервале, который изменяется на различных режимах полета 1, с. 197. Это не позволяет обеспечить запуск двигателя, например, через 1-2 мин после останова двигателя из-за высокой частоты вращения.

Известен способ регулировки расхода топлива в воспламенителях, при котором расход топлива поддерживается постоянным на всех режимах полета и режимах работы двигателя [1, с. 63] Это позволяет исключить влияние вышеперечисленных факторов на расход топлива, однако коэффициент избытка воздуха, оказывающий определяющее влияние на воспламенение пускового топлива не остается постоянным, так как зависит дополнительно от расхода воздуха через воспламенители. Такой способ позволяет поддерживать оптимальным коэффициент избытка воздуха лишь в некотором диапазоне режимов полета.

Известно, что наибольшая интенсивность пускового факела достигается в моменты, когда устанавливается наиболее благоприятное соотношение параметров для сгорания топливно-воздушной смеси [1, с. 199] Для запуска ГТД необходим розжиг ТВС в камере сгорания, осуществляемый с помощью воспламенителей, создающих первичную область воспламенения. Воспламенение ТВС определяется соотношением текущего и предельного для данных температур и давления ТВС коэффициентов избытка воздуха. оптимальным условием для воспламенения пускового топлива в воспламенителях является поддержание коэффициента избытка воздуха в воспламенителях близким к единице. Предложенный способ регулирования расхода пускового топлива направлен на создание в воспламенителях камеры сгорания оптимальных условий для воспламенения пускового топлива.

Для поддержания оптимального коэффициента избытка воздуха во воспламенителях расход топлива, подаваемый в воспламенители, предлагается изменять пропорционально плотности воздуха или величине, пропорциональной плотности: отношению давления к температуре газа в камере сгорания.

Так, при поддержании постоянного расхода топлива в воспламенителях коэффициент избытка воздуха зависит только от расхода воздуха в воспламенителях, равного в общем случае
G_в= c • ρ • F,
где G_в расход воздуха, кг/с;
c скорость потока, м/с;
ρ плотность воздуха, кг/м³;
F площадь поперечного сечения воспламенителя, м.

При анализе запусков ГТД было обнаружено, что скорость воздуха в воспламенителях в зависимости от режима полета практически не меняется и не оказывает влияния на расход воздуха. В то же время изменение плотности воздуха в воспламенителях существенно влияет на текущий коэффициент избытка воздуха. Это особенно проявляется при изменении температурного состояния двигателя и высоты запуска. В тех случаях, когда двигатель не остыл, происходит снижение максимальной высоты запуска на 15-20% Температурное состояние двигателя (камеры сгорания) оценивалось по температуре газа за турбиной. Влияние температурного состояния двигателя на воспламенение ТВС особенно проявляется при запуске с неустановившихся оборотов авторотации (встречный запуск). Поэтому, согласно приведенной формуле, при постоянстве площади поперечного сечения воспламенителей и скорости расход воздуха для поддержания оптимальных условий воспламенения необходимо изменять пропорционально плотности воздуха.

Способ осуществляется следующим образом.

При запуске ГТД необходимое изменение расхода пускового топлива в воспламенителях камеры сгорания ГТД оценивают по изменению давления и температуры, измеренным в одном из сечений по тракту ГТД, причем наиболее достоверную информацию о величине расхода воздуха в области установки воспламенителей дает измерение этих параметров в камере сгорания, и изменяют расход пускового топлива пропорционально отношению давления к температуре.

В некоторых случаях (малых числах М полета) давление по тракту двигателя практически не отличается от давления окружающей среды, которое, в свою очередь, может меняться в ходе запуска в гораздо меньшей степени (10-20%), чем температура воздуха (2-3 раза), связанная с температурным состоянием двигателя. Поэтому в этих случаях расход топлива достаточно изменять лишь обратно пропорционально температуре газа в камере сгорания.

Давление и температура по тракту двигателя связаны газодинамическими зависимостями. Изменение давления или температуры в любом из сечений двигателя приведет к изменению давления или температуры по тракту двигателя. Так, температуру газа в камере сгорания оценивают по температуре газа за турбиной, а давление по давлению воздуха за компрессором. Поэтому расход топлива можно изменять пропорционально отношению давления к температуре или обратно пропорционально температуре газа, измеренным в одном из сечений двигателя по тракту двигателя.

На ГТД, в котором расход пускового топлива при запуске поддерживался постоянным на всех режимах полета, был проведен летный эксперимент, установивший однозначную зависимость текущего коэффициента избытка воздуха от плотности воздуха в воспламенителях. Эти результаты были подтверждены на другом типе газотурбинного двигателя, в котором расход воздуха не регулировался и зависел от многих параметров: скорости и высоты полета, температурного состояния двигателя, частоты вращения двигателя. При этом плотность воздуха в воспламенителях оценивалась по величине давления и температуры воздуха, измеренным во входном сечении двигателя и в сечении за турбиной двигателя. Наиболее оптимальным сечением для оценки плотности воздуха в воспламенителях является сечение в камере сгорания. Однако из-за конструктивных трудностей температура воздуха в камере сгорания оценивалась по температуре воздуха (газа) за турбиной. Давление воздуха в камере сгорания принималось равным давлению за компрессором двигателя.

Способ регулирования расхода пускового топлива в воспламенителях камеры сгорания газотурбинного двигателя, создающий оптимальные условия воспламенения по коэффициенту избытка воздуха в воспламенителях при запуске на всех режимах полета и работы двигателя. Расход топлива изменяют обратно пропорционально температуре газа или пропорционально отношению давления к температуре газа в одном из сечений двигателя.

Способ регулирования расхода пускового топлива в воспламенителях камеры сгорания газотурбинных двигателей, включающий изменение расхода пускового топлива пропорционально расходу воздуха через воспламенители, оцениваемому по параметрам воздушного потока в одном из сечений по тракту газотурбинных двигателей, отличающийся тем, что изменение расхода воздуха оценивают по изменению давления и температуры, измеренным в камере сгорания, и изменяют расход пускового топлива пропорционально отношению давления к температуре или при незначительном изменении давления по сравнению с изменением температуры обратно пропорционально изменению температуры.