СИСТЕМА ТОПЛИВОПИТАНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК F02C9/26 

Заявленное техническое решение относится к области топливопитания и автоматического регулирования газотурбинных двигателей (ГТД), в частности к топливоподающему и топливодозирующему устройствам, связанным с электронным регулятором расхода топлива в ГТД на всех режимах его работы.

Известна система топливопитания и регулирования малоразмерного ГТД (см. патент США №3.946.551, М кл. F 02 C 9/08, 1974 г.), содержащая центробежный насос с приводом непосредственно от ротора двигателя, объемный электроприводной насос, частота вращения которого регулируется электронным регулятором, и клапан постоянного перепада давлений на объемном насосе. Возможен вариант системы, в которой вместо электроприводного насоса применен пьезоэлектрический мотор, приводящий в действие через гидроусилитель поршневой насос. При запуске двигателя давление, создаваемое центробежным насосом, невелико, клапан постоянного перепада давлений полностью открыт и дозирование топлива в камеру сгорания двигателя осуществляется объемным насосом пропорционально частоте вращения электропривода или поршневым насосом пропорционально частоте управляющего сигнала пьезоэлектрического мотора.

На режимах от малого газа до максимального центробежный насос обеспечивает требуемое давление и расход топлива в двигатель является функцией частоты вращения электропривода объемного насоса с постоянным перепадом давлений топлива на нем, при использовании пьезоэлектрического мотора система работает в режиме широтно-импульсной модуляции с постоянной частотой импульсов (100...200 Гц).

Данной системе присущи следующие недостатки:

- ограниченный ресурс работы центробежного насоса, т.к. максимальная частота вращения ротора ГТД составляет 50000... 70000 об/мин;

- невысокая экономичность центробежного насоса, т.к. его работа при высоких напорах и небольших подачах на малоразмерный ГТД не может обеспечить большого коэффициента быстроходности и обычно КПД таких насосов не превышает 20%;

- возможность использования системы только для малоразмерных ГТД, т.к. с увеличением давления и расхода топлива электропривод (пьезоэлектромотор) объемного насоса становится неэффективен из-за увеличения габаритов и массы.

Известна также гидромеханическая система управления для ТРДФ (см. А.А. Шевяков, Автоматика авиационных и ракетных силовых установок, М.: Машиностроение, 1970 г., рис. 2.53), содержащая шестеренный насос, дроссельную иглу для дозирования топлива в основные коллекторы форсунок, регулятор постоянного перепада давлений (РППД) на дроссельной игле, состоящий из подпружиненного чувствительного и исполнительного элементов, где управляющая полость исполнительного элемента через отсечную кромку золотника чувствительного элемента соединена с магистралью низкого давления. В данной системе регулирования дозирование топлива в основной контур форсунок двигателя на всех режимах работы обеспечивается шестеренным насосом. Недостатком данной системы является ограниченный ресурс работы шестеренного насоса и существенный перегрев топлива на режимах полетного и малого газа.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение долговечности работы системы топливопитания в основной контур форсунок ГТД.

Поставленная задача решается тем, что в системе топливопитания и регулирования ГТД, содержащей корпус, в котором расположены объемный насос с каналами подвода и отвода топлива, клапан предельного давления, дозатор с магистралями подвода и отвода топлива, регулятор постоянного перепада давлений (РППД), включающий в себя подпружиненный чувствительный и исполнительный элементы, причем исполнительный элемент, соединяющий входную и выходную магистрали объемного насоса, выполнен в виде сервомотора, управляющая полость которого через отсечную кромку чувствительного элемента РППД связана с каналом подвода топлива на вход в объемный насос, к объемному насосу параллельно подключен многоступенчатый центробежный насос со встроенным на входе отсечным клапаном, выходы из насосов через обратный или отсечной клапан объединены в общую магистраль, в которой установлен подпружиненный дросселирующий золотник, пружинная полость которого соединена с магистралью отвода топлива от дозатора, полость, образованная противоположным торцом золотника и корпусом, соединена с магистралью подвода топлива к дозатору, причем в чувствительном элементе РППД пружинная полость соединена с магистралью подвода топлива к дозатору, а полость между противоположным торцом чувствительного элемента и корпусом дозатора соединена с общей магистралью за насосами.

В исполнительном элементе РППД управляющая полость может быть соединена через электромагнитный клапан с каналом подвода топлива в объемный насос.

Отсечной клапан на выходе из центробежного насоса может быть выполнен в виде подпружиненного золотника, управляющие полости которого через соответствующие дроссели связаны с магистралью выхода из центробежного насоса, а управляющая пружинная полость, кроме того, через электромагнитный клапан соединена с магистралью подвода топлива на вход в насосы.

Предлагаемая система в качестве примера представлена на чертеже и описана ниже.

Система содержит

- объемный шестеренный насос 1, расположенный в корпусе 2, подключенный к каналам подвода 3 и отвода 4 топлива;

- клапан предельного давления 5 и обратный клапан 6, установленные в канале 4;

- дозатор топлива 7 с подводящей 8 и отводящей 9 магистралями, связанными через реечную передачу с датчиком положения 10, и выполненный в виде гидравлического сервомотора, управляющая полость 11 которого образована дросселем 12 и управляющим элементом 13 электронного регулятора (на чертеже не показан);

- подпружиненный дроссельный золотник 14, воспринимающий давление подвода и отвода топлива к дозатору и связывающий дросселирующей кромкой магистраль 15 за обратным клапаном 6 с магистралью 8 подвода топлива к дозатору 7;

- регулятор постоянного перепада давлений (РППД), включающий в себя подпружиненный чувствительный 16 и исполнительный 17 элементы, при этом исполнительный элемент 17, соединяющий каналы 3 и 4, выполнен в виде сервомотора, а чувствительный элемент 16 - в виде подпружиненного золотника, воспринимающего перепад давлений на дросселирующей кромке золотника 14 и своей отсечной кромкой соединяющего управляющую полость 18 исполнительного элемента 17 РППД, образованную дросселями 19, 20 и электромагнитным клапаном 21, с каналом 3 подвода топлива;

- многоступенчатый центробежный насос, включающий в себя лопастные колеса 22, закрепленные с помощью проставок 23 на валу 24, направляющие аппараты 25, установленные в корпусе 26 с помощью разделителей 27, гидравлическую разгрузочную пяту, состоящую из вращающегося 28 и невращающегося 29 разгрузочных дисков, торцевое уплотнение 30 и манжетное уплотнение 31 с дренажной полостью 32, подшипник скольжения 33 на левой опоре вала 24 и подшипник скольжения, совмещенный с вращающимся диском 28, выполненные со сквозными отверстиями, соединяющими общую магистраль отвода топлива 34 через центробежный канал 35 вала 24 и полость 36 с каналом 37, соединенным с каналом 3. В магистрали 34 установлен золотник 14, пружинная полость которого соединена с магистралью 9, а полость, образованная противоположным торцом и корпусом 2, - с магистралью 8;

- отсечной клапан на выходе из центробежного насоса, выполненный в виде подпружиненного золотника 38, управляющие полости 39, 40 которого через соответствующие дроссели 41, 42 связаны с полостью 43 выхода из насоса, при этом пружинная полость 40 дополнительно связана через электромагнитный клапан 44 с каналом 3 подвода топлива;

- отсечной клапан включения подвода топлива 45, установленный на входе в центробежный насос, выполнен в виде статического сервомотора, пружинная полость 46 которого связана с каналом 3 подвода топлива, а управляющая полость 47 через дроссель 48 соединена с магистралью 34 отвода топлива и через электромагнитный клапан 49 - с каналом 3 подвода топлива, причем шток сервомотора через шарнир соединен с клапаном 45;

- вентиляционный дроссель 50, установленный в полости 43 выхода из центробежного насоса.

Система работает следующим образом.

В транспортном положении под действием соответствующих пружин дозатор 7, исполнительный элемент РППД 17, отсечной клапан 38 и клапан 45 закрыты. Дросселирующий золотник 14 находится в открытом положении. Электромагнитные клапаны 21, 49 открыты, а электромагнитный клапан 44 закрыт.

При запуске двигателя происходит раскрутка ротора двигателя турбостартером, частота вращения шестеренного насоса 1 увеличивается и давление на выходе 43 насоса в канале 4 повышается. Когда давление за шестеренным насосом 1 достигает величины, обеспечивающей нормальный распыл топлива пусковыми форсунками, включается механизм подачи топлива к пусковым форсункам (на чертеже не показан) и происходит розжиг камеры сгорания. Дальнейший процесс запуска двигателя до режима малого газа осуществляется дозатором 7 через управляющий элемент 13 по закону, определяемому электронным регулятором, за счет изменения давления топлива в управляющей полости 11.

На режимах малого газа, взлета, посадки, набора и сброса высоты топливо подается шестеренным насосом 1 и через отсечную кромку дозатора 7, образующую проходное сечение с заданной площадью, поступает в магистраль 9. На каждом режиме значение расхода топлива в виде электрического сигнала от датчика положения 13 поступает в электронный регулятор, который при необходимости корректирует расход топлива путем изменения давления в управляющей полости 11 управляющим элементом 13, работающим, например, в режиме широтно-импульсной модуляции.

При работе дозатора 7 на его отсечной кромке поддерживается заданный постоянный перепад давлений золотником 14, на дросселирующем проходном сечении которого, в свою очередь, РППД поддерживает небольшой перепад давлений топлива (например 0,5... 1,5 кгс/см²) за счет слива исполнительным элементом 17 избытка топлива из канала 4 за шестеренным насосом 1 в канал 3 подвода топлива.

Исполнительный элемент 17 РППД управляется чувствительным элементом 16 путем изменения давления в управляющей полости 18.

На крейсерском режиме полета в работу вступает многоступенчатый центробежный насос, для его включения на электромагнитные клапаны 49 и 44 от электронного регулятора подается электрическая команда, под действием которой электромагнитный клапан 49 закрывается, а электромагнитный клапан 44 открывается и соединяет управляющую полость 40 отсечного клапана 38 с каналом 3 подвода топлива. При закрытом электромагнитном клапане 49 давление в управляющей полости 47 сервомотора клапана 45 возрастает, сервомотор перемещается на нижний упор и клапан 45 открывается. Время открытия клапана определяется гидравлическим сопротивлением дросселя 48. Топливо из канала 3 через клапан 45 поступает на вход рабочего колеса 22 первой ступени центробежного насоса и под заданным напором через направляющий аппарат 25 отводится к следующей ступени центробежного насоса и т.д.

При последовательном соединении рабочее колесо 22 создает часть напора при полной подаче, на выходе из насоса в полости 43 напор увеличивается во столько раз, сколько у насоса ступеней. Под действием напора жидкости на выходе из центробежного насоса давление в управляющей полости 39 отсечного клапана 38 возрастает. На клапане 38 возникает перепад давлений, под действием которого клапан 38, преодолевая сопротивление пружины, перемещается на левый упор и своей отсечной кромкой соединяет полость 43 выхода из насоса с магистралью 34. Время открытия отсечного клапана 38 определяется гидравлическим сопротивлением дросселя 41.

При подключении многоступенчатого центробежного насоса давление топлива в магистралях 34 и 15 возрастает, также возрастает перепад давлений топлива на дросселирующей кромке золотника 14, вследствие чего под действием перепада давлений золотник чувствительного элемента 16 перемещается на верхний упор и соединяет управляющую полость 18 исполнительного элемента 17 с каналом 3 входа топлива. Давление в управляющей полости 18 падает, исполнительный элемент 17 перемещается на нижний упор и своей отсечной кромкой соединяет канал 4 отвода топлива с каналом 3 подвода топлива. Давление в канале 4 падает, и обратный клапан 6 закрывается. При этом на электромагнитный клапан 21 подается электрическая команда, электромагнитный клапан 21 закрывается и тем самым уменьшает уровень оперативных расходов на слив при выключенном шестеренном насосе. Следовательно, при работе многоступенчатого центробежного насоса РППД исключен из работы, выход топлива за шестеренным насосом соединен со входом, т.е. давления перед и за насосом одинаковы, и нагрузка на шестерни насоса отсутствует. Во время работы центробежного многоступенчатого насоса заданный перепад давлений топлива на отсечной кромке дозатора 7 поддерживается дросселирующим золотником 14, как и при работе шестеренного насоса. При изменении режима полета, например при посадке самолета, на электромагнитные клапаны 21, 44 подается управляющий сигнал, электромагнитный клапан 21 открывается, а электромагнитный клапан 44 закрывается.

При закрытом электромагнитном клапане 44 давления в управляющих полостях 39, 40 отсечного клапана 38 выравниваются и он под действием пружины перемещается на правый упор, прикрывая своей отсечной кромкой проходное сечение, соединяющее полость 43 с магистралью 34. Время закрытия отсечного клапана 38 определяется гидравлическим сопротивлением дросселей 40, 41.

При закрытом отсечном клапане 38 давление топлива в магистралях 34, 15 уменьшается и перепад давлений топлива на дросселирующей кромке золотника 14 падает. Когда перепад давлений на дросселирующем золотнике 14 уменьшится ниже заданной величины, в работу вступает РППД. При этом золотник 16 чувствительного элемента РППД под действием пружины перемещается в нижнее положение и своей отсечной кромкой уменьшает слив топлива из управляющей полости 18 исполнительного элемента 17. Давление в управляющей полости 18 увеличивается, исполнительный элемент 17 перемещается в верхнее положение и прикрывает своей отсечной кромкой проходное сечение, связывающее каналы 3 и 4. Процесс происходит до тех пор, пока на золотнике 16, а следовательно, и на дросселирующей кромке золотника 14 не восстановится заданный перепад давлений. Через некоторое время, например 0,5...1,0 с, после включения электромагнитного клапана 44 подается управляющая команда на электромагнитный клапан 49. Он открывается, давление в управляющей полости 46 падает, клапан 45 закрывается, и подача топлива центробежным насосом прекращается. Шестеренный и центробежный насосы постоянно приводятся во вращение или непосредственно от ротора двигателя, или от коробки приводов ГТД.

В процессе полета насосы включаются в работу попеременно, но неработающий насос, несмотря на вращение привода, не создает напора жидкости и находится в разгруженном состоянии.

В центробежном насосе к подшипнику скольжения 33 постоянно подводится из магистрали 34 охлаждающее топливо, которое через центральный канал 35 вала 24 подводится также к левому подшипнику скольжения, совмещенному с вращающимся диском 28 гидравлической пяты, и далее через полость 36 и канал 37 сливается в канал 3 подвода топлива. При закрытом клапане 45 охлаждающее топливо, поступившее по зазорам опорных подшипников скольжения к лопастным колесам 22, сбрасывается через вентиляционный дроссель 50 также в канал 3. Осевая сила в центробежном насосе уравновешивается разгрузочными дисками 28, 29.

Таким образом, в предлагаемой системе топливопитания объемным насосом обеспечиваются режимы запуска, малого газа, взлета, плавного набора высоты. При достижении крейсерского режима, наиболее продолжительного по времени, происходит плавное включение многоступенчатого центробежного насоса и выключение объемного насоса. При переходе на режим полетного малого газа (сброс высоты) многоступенчатый центробежный насос плавно отключается и в работу вступает объемный насос, который продолжает работать вплоть до посадки самолета. РППД и дросселирующий золотник перед дозатором обеспечивают устойчивость работы системы топливоподачи при подключении (отключении) каждого из насосов. Попеременная работа каждого из упомянутых насосов позволяет увеличить надежность и долговечность работы системы топливопитания до ~ 20000...30000 ч.

Система предназначена для топливопитания и автоматического регулирования газотурбинных двигателей. Система содержит корпус, в котором расположены объемный насос с каналами подвода и отвода топлива, клапан предельного давления, дозатор с магистралями подвода и отвода топлива, регулятор постоянного перепада давлений (РППД), включающий в себя подпружиненный чувствительный и исполнительный элементы. Исполнительный элемент, соединяющий каналы подвода и отвода топлива, выполнен в виде сервомотора, управляющая полость которого через отсечную кромку чувствительного элемента связана с каналом подвода. К насосу параллельно подключен многоступенчатый центробежный насос со встроенным на входе отсечным клапаном. Выходы насосов через обратные или отсечные клапаны объединены в общую магистраль, в которой установлен подпружиненный дросселирующий золотник, пружинная полость которого соединена с магистралью отвода, а полость, образованная его противоположным торцом и корпусом, - с магистралью подвода. Пружинная полость чувствительного элемента соединена с магистралью подвода, а полость между противоположным торцом чувствительного элемента и корпусом дозатора соединена с общей магистралью за насосами. Таким образом, объемный насос обеспечивает режимы запуска, малого газа взлета, плавного набора высоты, а при достижении крейсерского режима плавно включается центробежный насос и выключается объемный. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система топливопитания и регулирования газотурбинного двигателя, содержащая корпус, в котором расположены объемный насос с каналами подвода и отвода топлива, клапан предельного давления, дозатор с магистралями подвода и отвода топлива, регулятор постоянного перепада давлений (РППД), включающий в себя подпружиненный чувствительный и исполнительный элементы, причем исполнительный элемент, соединяющий входной и выходной каналы объемного насоса, выполнен в виде сервомотора, управляющая полость которого через отсечную кромку чувствительного элемента РППД связана с каналом подвода топлива на вход в объемный насос, отличающаяся тем, что к объемному насосу параллельно подключен многоступенчатый центробежный насос со встроенным на входе отсечным клапаном, выходы насосов через обратный или, соответственно, отсечной клапан объединены в общую магистраль, в которой установлен подпружиненный дросселирующий золотник, пружинная полость которого соединена с магистралью отвода топлива от дозатора, полость, образованная противоположным торцом золотника и корпусом, соединена с магистралью подвода топлива к дозатору, причем в чувствительном элементе РППД пружинная полость соединена с магистралью подвода топлива к дозатору, а полость между противоположным торцом чувствительного элемента и корпусом дозатора соединена с общей магистралью за насосами.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в исполнительном элементе РППД управляющая полость через электромагнитный клапан соединена с каналом подвода топлива в объемный насос.3. Система по п.1, отличающаяся тем, что отсечной клапан на выходе из центробежного насоса выполнен в виде подпружиненного золотника, управляющие полости которого через соответствующие дроссели связаны с магистралью выхода из центробежного насоса, а управляющая пружинная полость, кроме того, через электромагнитный клапан соединена с магистралью подвода топлива на вход в насосы.