СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК F02C9/00 

Изобретение относится к системам регулирования и может быть использовано в системе подачи топлива к форсункам авиационного газотурбинного двигателя (ГТД).

Известна система регулирования, содержащая качающий узел, запорный клапан, установленный в магистрали подачи топлива в двигатель, полость слива, устройство управления подачей топлива, выполненное в виде перепускной иглы и связанное с управляющими элементами основного и резервного регулятора через каналы управления (см. патент FR 1554025, МКл. F 02 C, 1970).

Недостатками этой системы являются:
1. Низкая надежность системы из-за большого количества одновременно работающих управляющих элементов, из-за одновременной зависимости основного и резервного регуляторов.

2. Наличие бросков и провалов по расходу топлива при переходе с основного регулятора на резервный.

3. Высокое давление за качающим узлом из-за наличия дозирующей иглы в линии подачи топлива.

4. Нет дополнительных ограничителей по скорости подачи топлива на приемистости и сбросе при работе на основном регуляторе.

5. Нет ограничения максимального расхода топлива при работе на основном регуляторе.

Задачей изобретения является повышение надежности работы системы за счет:
1. Уменьшения одновременно работающих элементов, управляющих расходом топлива;
2. Улучшения переходных процессов системы;
3. Снижения давления за качающим узлом;
4. Ограничения расхода топлива по времени на приемистости и сбросе и ограничения максимального расхода топлива в условиях отрицательных температур на взлетном режиме при работе основного регулятора.

Поставленная задача решается тем, что в системе регулирования, содержащей качающий узел, датчик расхода, запорный клапан, установленный в магистрали подачи топлива в двигатель, полость слива, автомат запуска, устройство управления подачей топлива, выполненное в виде перепускной иглы, которое через каналы управления связано с управляющими элементами основного, например, электронного и резервного, например, гидромеханического регуляторов, управляющие элементы обоих регуляторов соединены с датчиком расхода, при этом в основной регулятор может быть введен механизм перемещения, например, в виде сервомотора, соединенный через пружину с элементом управления подачей топлива основного регулятора.

Механизм перемещения может быть снабжен замедлителями скорости перемещения и регулируемым ограничителем максимального перемещения.

Кроме того, управляющий элемент резервного регулятора может быть выполнен, например, в виде аккумулятора и регулятора режима, причем аккумулятор имеет замкнутую полость, соединенную со сливом через дроссель приемистости, в которой установлен стабилизатор, например, в виде мембраны, соединенной с дросселирующим элементом, установленным в управляющем канале, имеющий возможность соединения с регулятором режима и с автоматом запуска.

Предложенная система в качестве примера представлена на чертежах и описана ниже. На фиг.1 показана схема системы, а на фиг.2 - ее характеристики, где:
А - статическая характеристика двигателя,
Б - программа регулирования приемистости основного регулятора,
В - линия ограничения приемистости управляющим элементом,
Г - линия ограничения максимального расхода G_т max,
Д - характеристика резервного регулятора.

Система содержит качающий узел, в выходном канале которого установлено устройство управления подачей топлива, выполненное в виде перепускной иглы 3, а в магистрали 4 подачи топлива в двигатель установлены датчик расхода 5 и запорный клапан 6. Игла 3 соединена с усилителем, выполненным в виде сервомотора 7, управляющая полость 8 которого связана через переключатель, выполненный в виде селектора 9, и каналы 10 и 11 с управляющими элементами 12 и 13 электронного основного 14 и гидромеханического резервного 15 регуляторов, соответственно.

Управляющий элемент 12 выполнен в виде золотника с дросселирующим сечением 16. К торцу золотника подведено давление P_к=P'_к+P_сл, пропорциональное расходу топлива G_т в двигатель, от датчика расхода 5, где: Р'_к - эффективное давление. Другой торец золотника 12 расположен в полости с давлением слива Р_сл и соединен через пружину 17 с механизмом перемещения, например, с сервомотором 18, управляющие полости 19 и 20 которого соединяются со сливом через электроклапан 21 основного регулятора 14. В управляющие полости 19 и 20 подведено давление от источника питания, например, от клапана постоянного давления Р_кпд через замедлители скорости перемещения, выполненные в виде дросселей 22 и 23.

На сервомоторе 18 установлен датчик положения 24, соединенный с регулятором 14. Управляющая полость селектора 9 связана со сливом через электромагнитный клапан 25, связанный с регулятором 14.

Резервный регулятор 15 содержит гидромеханический управляющий элемент 13, выполненный в виде аккумулятора (сильфона) 26, во внутреннюю полость которого подведено давление Р_к от датчика 5 расхода через дроссель 27. Замкнутая полость 28, в которой размещен аккумулятор 26, сообщена со сливом через дроссель 29 и стабилизатор, состоящий из чувствительного элемента (мембраны) 30, Чувствительный элемент 30 соединен с золотником 31, дросселирующее сечение 32 которого соединяет управляющую полость 8 сервомотора 7 со сливом. Регулятор режима 33, замеряющий величину давления Р_к, выработанного датчиком 5, сигнал от рычага управления двигателем α, величину атмосферного давления воздуха Р_н и параметры двигателя, например, частоту вращения ротора двигателя П_квд, и вырабатывающий программу установившегося режима, киниматически соединен с дросселем 32 через мембрану 30 во время его работы.

Система снабжена клапаном останова 34. Резервный регулятор также содержит автомат запуска 35, замеряющий величину параметра двигателя, например, давление воздуха за компрессором Р_квд и величины параметров Р_к, Р_н, α и вырабатывающий программу запуска, соединен с мембраной 30 во время его работы. Дросселирующие сечения клапана минимального расхода 36 на запуске и клапана 37 постоянного перепада на дросселе 29 при сбросе режима установлены в управляющий канал 11. Сервомотор 18 снабжен регулируемым ограничителем 38 максимального перемещения (mах).

Работает система следующим образом.

Топливо от качающего узла 1 по каналу 2 через датчик расхода 5, вырабатывающий сигнал расхода топлива в виде командного давления Р_к, и по каналу 4 через запорный клапан 6 поступает к форсункам двигателя. Расход топлива в двигатель регулируется положением перепускной иглы 3, которая управляется основным 14 или резервным 15 регуляторами. Таким образом, управление расходом топлива на установившихся режимах производится одним управляющим элементом 12 при работе на основном регуляторе или управляющим элементом 13 при работе на резервном регуляторе. Уменьшение количества одновременно работающих элементов, по сравнению с прототипом, уменьшает вероятность отказа работы системы, что повышает надежность.

При работе основного регулятора 14, который выполняет необходимую программу регулирования, поступает сигнал на электроклапан 21, например, в виде сигнала широтно-импульсной модуляции. Величина расхода жидкости из полостей 19 и 20, поступающей через дроссели 22 и 23, изменяется. Сервомотор 18 перемещается, изменяя величину усилия пружины 17 на золотник 12, на котором замеряется команда Р_к, выработанная датчиком 5, пропорциональная расходу топлива в двигатель, которая уравновешивает усилие пружины 17.

При перемещении золотника 12 вправо дросселирующее сечение 16 на слив увеличивается, давление в управляемой полости 8 сервомотора 7 падает, и он перемещается, увеличивая сечение перепускной иглы 3 и тем самым уменьшая расход топлива в двигатель. Давление Р_к падает, и золотник 12 перемещается влево, уменьшая дросселирующее сечение 16, давление в управляющей полости сервомотора 7 увеличивается, и устанавливается равновесное положение сервомотора 7. Каждому значению расхода топлива, т.е. Р_к, соответствует определенное положение сервомотора 18. Датчик положения 24 сервомотора 18, связанный с электронным регулятором 14, выдает сигнал по расходу топлива G_т и скорости его изменения.

При отклонении программы приемистости, заложенной в регуляторе 14, или при забросах расхода топлива выше максимального значения сервомотор 18 ограничивает скорость нарастания расхода топлива при приемистости по времени с помощью заранее подобранной проливки дроссельных пакетов 22 и 23. Ограничение максимального расхода топлива обеспечивается при посадке сервомотора 18 на регулируемый mах ограничитель 38.

На ограничителе 38 сервомотора 18 затяжка пружины 17 остается постоянной, поэтому Р_к, а следовательно, и расход топлива поддерживаются постоянными. Таким образом, появляется дополнительное ограничение расхода топлива по времени на приемистости и сбросе и ограничение максимального расхода топлива при работе на электронном регуляторе 14 в условиях земли и при отрицательных температурах (см. фиг.2, линии Б и В), что также повышает надежность работы двигателя на приемистости, не допуская забросов температуры и помпажа двигателя.

При отказе регулятора 14 на электромагнит 25 поступает сигнал, селектор 9 отключает канал 10 и подключает канал 11 резервного регулятора 15. На работающем двигателе переключение происходит практически без заброса топлива, т к. резервный регулятор 15 находится в положении, соответствующем рабочему положению основного регулятора по расходу топлива. Сигнал Р_к, поступающий в аккумулятор 26 через дроссель 27, задает аккумулятору соответствующий объем замкнутой полости 28, соединенной со сливом через дроссель 29. В случае, если регуляторы 14 и 15 настроены на один и тот же режим, мембрана 30 находится в равновесном положении и дросселирующее сечение 32 золотника 31 удерживает сервомотор 7 в равновесном положении. Если режим регулятора 15 отличается от режима регулятора 14 (см. фиг.2, точки "а" и "в"), то при переходе с основного на резервное управление происходит незначительное изменение расхода топлива G_т по программе приемистости резервного регулятора 15 (см. фиг. 2, линия Д от точки "с" до точки "м" и от точки "м" до точки "в") при сработке регулятора режима 33. Регулятор режима 33 замеряет сигнал Р_к, пропорциональный расходу топлива (G_т), от датчика расхода 5, атмосферное давление (Р_н), положение рычага управления двигателем (α_руд), которое может быть плавным или релейным, параметр двигателя, например, частоту вращения ротора двигателя П_квд и вырабатывает программы, например, G_т=f (Р_н, α_руд и П_квд= f(α_руд), обеспечивая их поддержание воздействием на управление расходом топлива, воздействием на мембрану 30 и соответственно на дросселирующее сечение 32 золотника 31. Таким образом, переход с основного регулятора на резервный происходит без забросов и провалов расхода топлива, что повышает надежность изделия.

Так как соединение управляющих элементов с датчиком расхода позволяет удерживать управляющий элемент 13 резервного регулирования в положении, соответствующем режиму по расходу топлива основного регулятора, переход на резервное регулирование происходит без забросов и провалов по расходу топлива, а это значит двигатель работает без помпажа и забросов температуры в двигателе. Все это повышает надежность работы двигателя.

Приемистость с режима "Малый газ" при работе на резервном регуляторе происходит следующим образом.

Задается режим по регулятору 33, который отсоединяется от мембраны 30, золотник 31 переместится вправо, дроссель 32 закроет сечение на слив из полости 8 сервомотора 7, давление в полости повысится, и сервомотор переместится вниз на уменьшение перепуска топлива в двигатель, расход топлива увеличится и давление Р_к вырастет. Давление в аккумуляторе 26 также повышается, уменьшая объем в замкнутой полости 28, давление в ней также повышается, вытесняя жидкость через дроссель 29. Мембрана 30 стабилизатора перемещает золотник 31 в сторону открытия сечения 32. Давление в управляющей полости 8 падает и скорость перемещения сервомотора 7 уменьшается, соответственно, уменьшается скорость нарастания расхода топлива. Таким образом, нарастание расхода топлива на режиме приемистости идет по программе расход топлива функция времени (G_т = f(τ)) (см. фиг.2, линия Д), где G_т - расход топлива, τ - время.

При достижении заданного режима регулятор режима 33 подходит к мембране 30, перемещая ее влево вместе с золотником 31 и открывая сечение 32 на слив. Сервомотор 7 перемещается вверх на увеличение дозирующего сечения перепускной иглы 3, а расход в двигатель уменьшается до точки "в" (см. фиг.2). В точке "в" регулятор 33 держит сервомотор 7 в равновесном положении. При сбросе режима регулятор 33 перемещает мембрану 30, которая, в свою очередь, перемещает золотник 31 с дросселем 32 влево, открывая его сечение. Сервомотор 7 начинает перемещаться вверх, а перепускная игла - на увеличение перепуска. Давление Р_к начинает падать, аккумулятор 26 уменьшает свой объем. Объем полости 28 начинает увеличиваться и заполняться через дроссель 29, на котором появится обратный перепад давления. Этот перепад замеряется клапаном перепада 37 и поддерживается на дросселе 29 при сбросе за счет дросселирования канала 11. Таким образом, сброс имеет свою программу изменения расхода топлива по времени G_т = f(τ₁) с ограничением минимального расхода топлива клапаном минимального расхода 36, который обеспечивает стабильное горение в камере сгорания при сбросе и запуске двигателя.

Запуск двигателя на резервном регуляторе. При запуске двигателя поступает сигнал на клапан 34, который перекрывает канал, соединяющий полость сервомотора 7 со сливом, а канал 11 перекрыт дросселем 32 золотника 31. Сервомотор 7 перемещается вниз на закрытие перепуска топлива через иглу 3. Давление за качающим узлом 1 и в каналах 2 и 4 повышается. Запорный клапан 6 открывается, топливо поступает в двигатель. В датчике 5 вырабатывается сигнал Р_к, который поступает на клапан минимального расхода 36 и на автомат запуска 35, который вырабатывает программу запуска, например, изменение расхода топлива в функции разности давлений воздуха за компрессором и атмосферного давления G_т=f(Р_квд-Р_н). При повышении G_т выше, чем заложено в программе, автомат запуска перемещает мембрану 30 на открытие сечения 32, которое уменьшает скорость перемещения сервомотора 7 с иглой перепуска. Таким образом, запуск обеспечивает программу от минимального расхода до режима "Малый газ" по заданной программе.

При достижении режима "Малый газ" в работу вступает регулятор режима 33, поддерживая режим. Работа регулятора 33 описана выше. Таким образом, при работе на резервном регуляторе управляющим элементом регулятора режима, автомата запуска и приемистости является один дросселирующий элемент 32, установленный в канале управления расходом топлива, что уменьшает вероятность отказа и соответственно повышает надежность работы резервного регулятора.

Система предназначена для автоматического регулирования газотурбинных двигателей. Задачей изобретения является повышение надежности работы системы, снижение давления за качающим узлом, улучшение ее статистических и динамических характеристик и повышение надежности работы двигателя. Система содержит установленные в магистрали подачи топлива в двигатель качающий узел, датчик расхода и запорный клапан. Устройство управления подачей топлива связано каналами управления через селектор с управляющими элементами основного и резервного регуляторов соответственно. Управляющие элементы связаны с датчиком расхода. Кроме того, управляющий элемент соединен через пружину с механизмом перемещения, выполненным в виде сервомотора, и с датчиком положения. Управляющие полости сервомотора соединены со сливом через электроклапан основного регулятора. В управляющие полости подведено давление от клапана постоянного давления через дроссели, определяющие максимальную скорость перемещений механизма. Управляющая полость селектора связана со сливом через электромагнитный клапан регулятора. Резервный гидромеханический регулятор содержит управляющий элемент, выполненный в виде аккумулятора, во внутреннюю полость которого подведено давление Р_к от датчика через дроссель. Замкнутая полость, в которой размещен аккумулятор, сообщена со сливом через дроссель и с чувствительным элементом (мембраной). Мембрана соединена с золотником, дросселирующее сечение которого установлено в канале. Регулятор режима и автомат запуска соединены с мембраной во время их работы. В канале установлены дросселирующие сечения клапана перепада давлений на дросселе при сбросе режима и клапана минимального расхода. За счет того, что управляющие элементы, связанные с устройством управления подачей топлива, соединены с датчиком расхода, уменьшено число одновременно работающих управляющих элементов и улучшены переходные процессы как при работе основного регулятора, так и при переключении системы на работу резервного регулятора без забросов и провалов по расходу топлива. Кроме того, за счет введения механизма перемещения с обратной связью, соединенного с управляющим элементом через пружину, получены дополнительные ограничения по расходу топлива на приемистости и сбросе при работе основного регулятора. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система регулирования газотурбинного двигателя, содержащая качающий узел, датчик расхода и запорный клапан, установленные в магистрали подачи топлива в двигатель, полость слива, автомат запуска, устройство управления подачей топлива, выполненное в виде перепускной иглы и связанное с управляющими элементами основного и резервного регуляторов через каналы управления, отличающаяся тем, что управляющие элементы обоих регуляторов связаны с датчиком расхода. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в основной регулятор введен механизм перемещения, выполненный, например, в виде сервомотора и соединенный через пружину с управляющим элементом подачи топлива основного регулятора. 3. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что механизм перемещения снабжен замедлителями скорости перемещения. 4. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что механизм перемещения снабжен регулируемым ограничителем максимального перемещения. 5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что управляющий элемент резервного регулятора выполнен в виде аккумулятора и регулятора режима, причем аккумулятор имеет замкнутую полость, соединенную со сливом через дроссель приемистости, в которой установлен стабилизатор, соединенный с дросселирующим элементом, установленным в управляющем канале, и имеющий возможность соединения с регулятором режима и с автоматом запуска.