СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СТВОРКАМИ РЕАКТИВНОГО СОПЛА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2006 года по МПК F02K1/15 

Изобретение относится к области автоматического регулирования газотурбинного двигателя (ГТД), а более конкретно - к системам управления створками реактивного сопла ГТД.

Известны системы управления створками реактивного сопла ГТД, содержащие насос переменной подачи топлива с входным и выходным каналами и механизмом изменения положения наклонной шайбы, узел управления, включающий в себя сервопоршень, в одну полость которого подведено давление в реактивном сопле, а в другую - давление за компрессором, и другой сервопоршень, положение которого зависит от положения первого сервопоршня и связанного с механизмом изменения положения наклонной шайбы насоса, причем входной и выходной каналы 1 этого насоса подключены к полостям гидроцилиндров створок реактивного сопла (см. патент Англии №1131840, 1968 г.).

В данной системе в случае включения форсажного режима давление в реактивном сопле возрастает, на что реагирует первый сервопоршень узла управления. В полости этого сервопоршня, куда подается давление в реактивном сопле, происходит повышение давления, в результате чего появляется перепад давлений на этом сервопоршне, под действием которого последний смещается на определенную величину. Золотник управления, размещенный внутри второго сервопоршня, жестко связан с первым сервопоршнем, который при смещении увлекает за собой этот золотник. Смещение последнего приводит к тому, что на втором сервопоршне появляется перепад давлений, под действием которого он смещается и через рычаг изменяет положение наклонной шайбы насоса, что приводит к изменению давления в выходном канале и производительности самого насоса.

Так как входной и выходной каналы насоса связаны с гидроцилиндрами сопла, то последнее под действием этих гидроцилиндров начнет изменять свое проходное сечение, в результате чего давление в реактивном сопле начнет снижаться, что приведет к снижению давления в полости первого сервопоршня, связанной с внутренней полостью этого сопла. Перепад давлений на этом сервопоршне восстанавливается, что приведет к его остановке, а это приведет к прекращению изменения наклонной шайбы насоса, изменению его выходного давления и производительности. Гидроцилиндры створок сопла остановятся, и сопло займет другое положение по отношению к первоначальному.

Недостатком данной системы является то, что она сложна по конструкции из-за наличия большого количества рычагов и поэтому недостаточно надежна в работе.

Наиболее близкой системой по достигаемому результату и числу совпадающих признаков является система управления створками реактивного сопла ГТД, содержащая плунжерный насос переменной производительности с входным и выходным каналами и механизмом изменения положения наклонной шайбы, узел управления, подключенный с одной стороны к полостям поршня гидроцилиндров створок сопла, а с другой - к выходному каналу плунжерного насоса, и блок регулирования, связанный с механизмом изменения положения наклонной шайбы плунжерного насоса (см. патент Англии №1115138, 1968 г.).

В данной системе рабочая жидкость от плунжерного насоса непосредственно подводится к узлу управления, а отводится от него к насосу через теплообменник, отдавая последнему часть своего тепла. В свою очередь, узел управления через трубопроводы связаны с полостями сервопоршней гидроцилиндров, жестко соединенных с кожухом, на конус которого опираются створки реактивного сопла. Обратная связь от кожуха к узлу управления осуществляется через тягу, которая воздействует на ряд элементов узла управления, при этом сам этот узел может изменять положение кожуха в зависимости от условия полета самолета, на котором размещен данный двигатель.

Блок управления данной системы через рычаг связан с механизмом изменения положения наклонной шайбы плунжерного насоса. В состав блока входит рабочий поршень, внутри которого размещен шток управления, соединенный с поршнем регулирования, имеющим командную полость, связанную с иглой управления. Данная игла через систему рычагов соединена с другим рабочим поршнем, внутри которого размещен шток, непосредственно связанный с сервопоршнем, в одну полость которого подводится давление внутри реактивного сопла, а в другую - давление за компрессором.

При включении форсажного режима давление в реактивном сопле повышается, что приводит к повышению давления в одной из полостей сервопоршня. На нем появляется перепад давлений, под действием которого данный поршень начнет смещаться. При движении сервопоршня начинают поворачиваться рычаги, связанные с этим сервопоршнем, а также с иглой управления. Изменение положения иглы приводит к изменению давления в командной полости поршня регулирования, на котором появляется перепад давлений. Под действием этого перепада он смещается вместе со штоком, установленным внутри рабочего поршня, связанного с механизмом изменения положения наклонной шайбы плунжерного насоса. При смещении данного штока в полостях рабочего поршня начинает изменяться давление, что приведет к смещению поршня и одновременно к повороту наклонной шайбы насоса, который начинает изменять давление в выходном канале, а также изменять его производительность.

По трубопроводам, связывающим плунжерный насос с узлом управления, эти изменения передаются на сервопоршень гидроцилиндров, связанных с кожухом, который начнет смещаться, приводя к раскрытию сопла и падению давления внутри реактивной трубы. Такое падение будет происходить до тех пор пока не остановится сервопоршень блока управления, который прекратит воздействовать на наклонную шайбу плунжерного насоса. Следовательно, качающий узел плунжерного насоса изменяет давление в выходном канале и свою производительность пропорционально величине газовых сил, действующих на створки сопла.

Недостатком данной системы является ее недостаточная надежность, связанная с тем, что, во-первых, наличием большого количества рычагов, которые при работе могут влиять на точность регулирования, во-вторых, в системе не предусмотрен контроль за величиной минимального давления за насосом, так как упущение этого фактора приводит к ненормальной работе сервопоршней и золотниковых пар системы, в-третьих, в системе не предусмотрено ограничение максимального давления за насосом, что скажется на неудовлетворительной работе ряда узлов данной системы, в-четвертых, в системе не предусмотрен контроль давления в полостях сервопоршней гидроцилиндров створок сопла, что особенно важно в момент максимального раскрытия сопла, когда сопло находится на механическом упоре.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных выше недостатков и повышение надежности работы всех узлов системы.

Указанная цель достигается тем, что в системе управления створками реактивного сопла ГТД, содержащей плунжерный насос переменной производительности с входным и выходным каналами и механизмом изменения положения наклонной шайбы, узел управления, подключенный с одной стороны к полостям сервопоршней гидроцилиндров сопла, а с другой - к выходному каналу плунжерного насоса, и блок регулирования, связанный с механизмом изменения положения наклонной шайбы плунжерного насоса, дополнительно введен селектор, связанный с полостями поршней гидроцилиндров, а блок регулирования содержит клапаны ограничения минимального и максимального давления за насосом, командный клапан и клапан ограничения давления в бесштоковой полости сервопоршня гидроцилиндров сопла, причем все клапаны соединены с механизмом изменения положения наклонной шайбы насоса, выходной канал которого подключен к трем первым клапанам, четвертый клапан связан с бесштоковой полостью сервопоршней гидроцилиндров, при этом третий клапан также дополнительно соединен с селектором.

Клапан ограничения минимального давления за насосом выполнен в виде подпружиненного золотника, торцевая полость которого связана с выходным каналом насоса, противоположная пружинная - со сливом, в теле золотника сделано центральное сверление, соединенное с радиальным каналом, выходящим на цилиндрическую поверхность золотника и образующим с проточкой, выполненной вокруг золотника, перемычку, при этом проточка подключена к механизму изменения положения наклонной шайбы плунжерного насоса,

Клапан ограничения максимального давления за насосом выполнен в виде подпружиненного двухпояскового золотника, имеющего пружинную полость, связанную со сливом, противоположную торцевую полость, соединенную с выходным каналом насоса, и канавку, размещенную между поясками, подключенную к сливу и образующую перемычки с двумя каналами, подходящими к тому пояску, который ближе к пружинной полости, при этом канал, соединенный с механизмом изменения положения наклонной шайбы размещен ближе к канавке, чем канал, соединенный с торцевой полостью золотника.

Командный клапан выполнен в виде подпружиненного двухпояскового золотника, имеющего пружинную полость, связанную с селектором, противоположную торцевую полость, соединенную с выходным каналом насоса, и канавку, выполненную между поясками, связанную через жиклер с механизмом изменения положения склонной шайбы и образующую перемычку с каналом, подключенным к торцевой полости и подходящим к тому пояску, который ближе к этой полости, и другую перемычку с каналом, связанным со сливом и подходящим к тому пояску золотника, который ближе к пружинной полости.

Клапан ограничения давления в бесштоковой полости сервопоршней гидроцилиндров сопла выполнен в виде подпружиненного золотника, торцевая полость которого связана с бесштоковой полостью, а противоположная пружинная - со сливом, в теле золотника со стороны пружинной полости сделано центральное сверление, соединенное с радиальным каналом, выходящим на цилиндрическую поверхность золотника и образующим перемычку с проточкой, выполненной вокруг золотника и соединенной с механизмом изменения положения наклонной шайбы насоса.

Перечисленные выше новые признаки в данной системе управления створками реактивного сопла ГТД являются существенными, так как они достаточны для того, чтобы отличить данную систему от всех известных систем управления створками реактивного сопла ГТД и при наличии этих признаков добиться получения положительного эффекта, а именно - повышения надежности системы за счет введения в блок регулирования четырех клапанов, соединенных с механизмом изменения положения наклонной шайбы насоса. Благодаря такому подключению в данной системе предусматривается контроль за минимальным и максимальным давлениями за насосом, контроль за давлением в бесштоковой полости сервопоршней гидроцилиндров сопла и контроль за давлением в полостях сервопоршней гидроцилиндров сопла.

На чертеже представлена схема работы данной системы управления створками реактивного сопла ГТД.

Система содержит плунжерный насос 1 переменной производительности с входным каналом 2, выходным каналом 3 и механизмом изменения положения наклонной шайбы 5, узел 6 управления, подключенный к полостям 7 и 8 сервопоршней гидроцилиндров 9 сопла двигателя, блок 10 регулирования, связанный с механизмом 4 изменения положения наклонной шайбы 5, селектор 11, связанный с полостями 7 и 8 сервопоршней гидроцилиндров 9 сопла, причем блок 10 регулирования включает в себя клапан ограничения минимального давления за насосом, выполненный в виде подпружиненного золотника 12, торцевая полость 13 которого соединена с выходным каналом 3, а пружинная полость 14 - со сливом. В теле золотника 12 сделано центральное сверление 15, связанное с радиальным каналом 16, которое образует с проточкой 17 перемычку 18, при этом проточка 17 подключена к механизму 4 изменения положения наклонной шайбы 5.

В блок 10 регулирования также входит клапан ограничения максимального давления за насосом, выполненный в виде подпружиненного двухпояскового золотника 19, имеющего пружинную полость 20, торцевую полость 21 и канавку 22, размещенную между поясками, подключенную к сливу и образующую перемычку 23 с каналом 24, соединенным с механизмом 4 изменения положения наклонной шайбы, и перемычку 25 с каналом 26, связанным с торцевой полостью 21, при этом канал 24 размещен ближе к канавке, чем канал 26.

Командный клапан, входящий в блок 10 регулирования, выполнен в виде подпружиненного двухпояскового золотника 27, имеющего пружинную полость 28, связанную с селектором 11, торцевую полость 29, соединенную с выходным каналом 3 насоса и канавку 30, выполненную между двумя поясками, связанную через жиклер 31 с механизмом 4 изменения положения наклонной шайбы 5 и образующую перемычку 32 с каналом 33, связанным с торцевой полостью 29, и перемычку 34 с каналом 35, связанным со сливом.

Клапан ограничения давления в бесштоковой полости, входящий также в блок 10 управления, выполнен в виде подпружиненного золотника 36, торцевая полость которого связана с бесштоковой полостью 7, а пружинная полость 38 - со сливом, в теле золотника 36 со стороны пружинной полости 38 сделано центральное сверление 39, соединенное с радиальным каналом 40, образующим перемычку 41 с проточкой 42, выполненной вокруг золотника 36 и связанной с механизмом 4 изменения положения наклонной шайбы 5 насоса.

Узел 6 управления содержит электрогидропреобразователь 43, связанный с электронным блоком, а его управляющий золотник 44 соединен с полостями 7 и 8 сервопоршней гидроцилиндров 9 сопла. В данную систему, кроме того, входит фильтр 45 тонкой очистки высокого давления, расположенный между выходным каналом 3 насоса и узлом 6 управления, и блоком 10 регулирования.

Данная система управления работает следующим образом.

Масло из маслобака поступает к подкачивающей ступени (на чертеже не указаны) и затем оно поступает во входной канал 2 плунжерного насоса 1 переменной производительности. После насоса масло под высоким давлением через выходной канал 3 и фильтр 45 поступает на электрогидропреобразователь 43 узла 6 управления, а также в блок 10 регулирования. В зависимости от величины управляющего тока, поступающего от электронного блока на этот электрогидропреобразователь его управляющий золотник 44 занимает различное положение, что приведет к тому, что расход масла, подводимый в одну из полостей сервопоршней гидроцилиндров 9 сопла с выходного канала 3 насоса и отводимый из противоположной полости сервопоршней гидроцилиндров через теплообменник в маслобак будет меняться.

Так, например, если ток, поступающий на электрогидропреобразователь 43 будет больше определенной величины, то масло будет поступать в полость 7 и шток гидроцилиндров 9 переместится в сторону раскрытия сопла. Если ток, поступающий на тот же электрогидропреобразователь 43, будет меньше определенной величины, то масло поступит в полость 8 и шток гидроцилиндров 9 сместится в сторону закрытия сопла. При этом масло из противоположных полостей сервопоршней гидроцилиндров через окна во втулке золотника 44 поступает в теплообменник и далее через фильтр низкого давления (на чертеже не указаны) поступает в маслобак.

Величина давления масла за насосом 1 в данном случае регулируется при помощи золотника 27, который поддерживает давление за насосом несколько большим, чем требуется для нормального перемещения сервопоршней гидроцилиндров 9. Это происходит следующим образом. При нормальной работе, когда положение штоков гидроцилиндров 9 не ограничивается механическими упорами, давление в полостях 7 и 8 определяется величиной внешних газовых сил, действующих на штоки гидроцилиндров 9. Селектор 11 пропускает на золотник 27 большее из двух давлений за электрогидропреобразователем 43, который в статике равны давлениям в полостях 7 и 8 сервопоршней гидроцилиндров.

При увеличении внешних сил, действующих на штоки гидроцилиндров 9, увеличивается давление в полостях сервопоршней последних, а следовательно, давление масла, поступающего в пружинную полость 28 золотника 27, также повышается. В результате этого повышения золотник 27 смещается вниз (по схеме), открывая доступ высокого давления на поршень механизма 4 изменения положения наклонной шайбы 5 насоса 1. Наклонная шайба 5 поворачивается на больший угол, увеличивая давление и производительность насоса.

При уменьшении внешних сил, действующих на штоки гидроцилиндров 9, уменьшается давление в полостях сервопоршней последних, а следовательно, давление масла, поступающего в пружинную полость 28 золотника 27, также понижается. В результате этого понижения золотник 27 смещается вверх, перемычка 34 уменьшается до нуля и поршень механизма 4 соединяется со сливом, что приведет к повороту наклонной шайбы 5 на меньший угол. Производительность насоса 1 падает, падает и давление масла в выходном канале 3. При этом следует отметить, что величина перепада давлений, поддерживаемая золотником 27, определяется затяжкой пружины этого золотника.

Золотник 12 блока 10 обеспечивает ограничение минимального давления за насосом 1, необходимого для стабильной работы всех золотников блока 10 управления и электрогидропреобразователя 43 узла 6 управления. В случае, если давление в выходном канале 3 упадет ниже определенной величины, золотник 12 по действием своей пружины переместится вниз (по схеме). Это приведет к соединению канала 3 через полость 13, каналы 15 и 16, проточку 17 с каналом 24, связанным с полостью поршня механизма 4, что, в свою очередь, вызовет изменение положения наклонной шайбы 5 насоса 1. Наклонная шайба повернется на больший угол, увеличивая производительность насоса и соответственно давления за насосом.

В блоке 10 регулирования золотник 19 обеспечивает ограничение максимального давления в выходном канале 3 насоса 1. Так в случае превышения заданного максимального давления в канале 3 золотник 19 смещается вверх, соединяя канал 24 через проточку 22 со сливом. Давление в полости поршня механизма 4 начнет падать, угол наклона шайбы 5 начнет также уменьшаться, что должно привести к снижению давления в выходном канале 3. Если же, несмотря на это давление, продолжает расти, то золотник 19 продолжит свой ход вверх до тех пор, пока канал 3 через полость 21 и канал 26 не соединится через проточку 22 золотника 19 со сливам. Это обеспечит перепуск рабочей жидкости с выходного канала 3 в слив и предотвратит дальнейшее повышение давления в этом канале.

Золотник 36 во время работы блока 10 регулирования обеспечивает ограничение давления в бесштоковой полости 7 сервопоршней гидроцилиндров 9. В случае, если давление в этой полости достигнет по какой-либо причине большего значения, чем допускается, например, при нахождении штоков гидроцилиндров на механическом упоре максимального раскрытия сопла, ток управления, поступающий на электрогидропреобразователь 43 будет больше определенной величины, то золотник 36 переместится вверх. При смещении этого золотника произойдет соединение полости поршня механизма 4 через проточку 42, каналы 39 и 40 со сливом. Наклонная шайба 5 насоса 1 установится на меньший угол, снижая производительность насоса и ограничивая тем самым давление в выходном канале 3 этого насоса, а следовательно, и в полости 7 сервопоршней гидроцилиндров 9 сопла.

Так как электрогидропреобразователь 43 связан с выходным каналом 3, то изменение давления в последнем через золотник 44 передается в полости 7 и 8 сервопоршней гидроцилиндров 9 сопла двигателя, обеспечивая тем самым нормальную работу этих гидроцилиндров.

Таким образом, при рассмотрении выше работы данной системы управления, делается вывод, что эта система обеспечивает достаточно устойчивую и надежную работу всех ее узлов, а также обеспечивает надежную работу качающего узла плунжерного насоса и гидроцилиндров сопла двигателя на всех его режимах работы.

Предложенное изобретение относится к области автоматического регулирования газотурбинного двигателя, а именно к системам управления створками реактивного сопла. Система управления створками реактивного сопла газотурбинного двигателя содержит плунжерный насос, узел управления и блок регулирования. Плунжерный насос выполнен переменной производительности с входным и выходным каналами и механизмом изменения положения наклонной шайбы. Узел управления подключен с одной стороны к полостям сервопоршней гидроцилиндров сопла, а с другой - к выходному каналу плунжерного насоса. Блок регулирования связан с механизмом изменения положения наклонной шайбы плунжерного насоса. Дополнительно в систему управления введен селектор, связанный с полостями сервопоршней гидроцилиндров. Блок регулирования содержит клапаны ограничения минимального и максимального давления за насосом, командный клапан и клапан ограничения давления в бесштоковой полости сервопоршней гидроцилиндров сопла. Все клапаны соединены с механизмом изменения положения наклонной шайбы насоса. Выходной канал насоса подключен к трем первым клапанам, четвертый клапан связан с бесштоковой полостью сервопоршней гидроцилиндров, а третий клапан дополнительно соединен с селектором. Изобретение позволяет повысить надежность работы системы управления. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система управления створками реактивного сопла ГТД, содержащая плунжерный насос переменной производительности с входным и выходным каналами и механизмом изменения положения наклонной шайбы, узел управления, подключенный с одной стороны к полостям сервопоршней гидроцилиндров сопла, а с другой - к выходному каналу плунжерного насоса, и блок регулирования, связанный с механизмом изменения положения наклонной шайбы плунжерного насоса, отличающаяся тем, что дополнительно введен селектор, связанный с полостями сервопоршней гидроцилиндров, а блок регулирования содержит клапаны ограничения минимального и максимального давления за насосом, командный клапан и клапан ограничения давления в бесштоковой полости сервопоршней гидроцилиндров сопла, причем все клапаны соединены с механизмом изменения положения наклонной шайбы насоса, выходной канал которого подключен к трем первым клапанам, а четвертый клапан связан с бесштоковой полостью сервопоршней гидроцилиндров, при этом третий клапан дополнительно соединен с селектором.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что клапан ограничения минимального давления за насосом выполнен в виде подпружиненного золотника, торцевая полость которого связана с выходным каналом насоса, а противоположная пружинная - со сливом, в теле золотника сделано центральное сверление, соединенное с радиальным каналом, выходящим на цилиндрическую поверхность золотника и образующим с проточкой, выполненной вокруг золотника, перемычку, при этом проточка подключена к механизму изменения положения наклонной шайбы насоса.3. Система по п.1, отличающаяся тем, что клапан ограничения максимального давления за насосом выполнен в виде подпружиненного двухпояскового золотника, имеющего пружинную полость, связанную со сливом, а противоположную торцевую полость - с выходным каналом насоса, и канавку, размещенную между поясками, подключенную к сливу и образующую перемычки с двумя каналами, подходящими к тому пояску, который ближе к пружинной полости, при этом канал, соединенный с механизмом изменения положения наклонной шайбы, размещен ближе к канавке, чем канал, соединенный с торцевой полостью золотника.4. Система по п.1, отличающаяся тем, что командный клапан выполнен в виде подпружиненного двухпояскового золотника, имеющего пружинную полость, связанную с селектором, а противоположную торцевую полость - с выходным каналом насоса, и канавку, выполненную между поясками, связанную через жиклер с механизмом изменения положения наклонной шайбы и образующую перемычку с каналом, подключенным к торцевой полости и подходящим к тому пояску, который ближе к этой полости, и другую перемычку с каналом, связанным со сливом и подходящим к тому пояску золотника, который ближе к пружинной полости.5. Система по п.1, отличающаяся тем, что клапан ограничения давления в бесштоковой полости сервопоршней гидроцилиндра сопла выполнен в виде подпружиненного золотника, торцевая полость которого связана с бесштоковой полостью, а противоположная пружинная - со сливом, в теле золотника со стороны пружинной полости сделано центральное сверление, соединенное с радиальным каналом, выходящим на цилиндрическую поверхность золотника и образующим перемычку с проточкой, выполненной вокруг золотника и соединенной с механизмом изменения положения наклонной шайбы насоса.