ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР ПОДАЧИ ТОПЛИВА, ДОЗАТОР ТОПЛИВА ДЛЯ ДАННОГО РЕГУЛЯТОРА И ТУРБОМАШИНА, СНАБЖЕННАЯ ДАННЫМ РЕГУЛЯТОРОМ Российский патент 2008 года по МПК F02C9/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системам подачи топлива (топливоподающим системам) в турбомашинах и более конкретно касается гидромеханического регулятора с силовым балансиром и гидравлическим следящим приводом с форсункой и лопаткой.

Уровень техники

Известный гидромеханический регулятор вышеуказанного типа, предназначенный для использования в топливоподающей системе турбомашины, схематично изображен на фиг.9. Его основной частью является дозатор 10 топлива, входной патрубок 12а которого соединен с насосом 14 высокого давления, выходной патрубок соединен с форсунками подачи топлива в камеру сгорания турбомашины 16, а регулировка расхода топлива, поступающего в форсунки из насоса высокого давления, осуществляется силовым (или тахиметрическим) балансиром 20.

Балансир, способный поворачиваться вокруг оси 22, которая проходит через герметичную перегородку, в стандартном варианте содержит коромысло с двумя плечами 24, 26, которое постоянно находится в состоянии равновесия под воздействием трех сил, приложенных к нему (см. фиг.10). Первая сила F1 (на схеме направлена вниз) приложена на расстоянии Ld от оси поворота, в фиксированной точке первого плеча, тягой 18 дозатора топлива при посредстве первого упругого элемента типа сжатой пружины 28. Вторая сила F2, противонаправленная по отношению к первой, приложена форсункой 30, которая выбрасывает струю топлива под давлением в фиксированную точку первого плеча коромысла (образующего лопатку), находящуюся на расстоянии Lb от оси поворота. Третья сила F3 (на схеме также направлена вниз) приложена к фиксированной точке второго плеча 26 коромысла, находящейся на расстоянии Ls от оси поворота. Эта последняя, направленная вниз сила возникает в результате приложения к воздушному сильфону 32 разности давлений βР3-Р1, где Р3-давление на выходе компрессора высокого давления (не представлен) турбомашины, β - коэффициент, зависящий от режима работы турбомашины и определяемый оператором для осуществления так называемого ограничения ускорения во избежание сбоя компрессора низкого давления (не представлен) турбомашины, а Р1 - давление на входе компрессора низкого давления. Предохранительный клапан 34 воздушного сильфона завершает конструкцию этого регулятора, который, разумеется, также содержит гидравлические входы и выходы высокого давления HP и низкого давления ВР.

Выписав баланс сил, приложенных к коромыслу балансира 20, можно констатировать, что такой регулятор позволяет лишь изменять величину раскрытия дозатора топлива в зависимости от разницы давлений βР3-Р1, от которой она зависит линейно. Действительно, можно показать, что эта величина Xd задается следующей формулой:

где А и В - константы.

Таким образом, заданному закону ускорения двигателя турбомашины, которому в приведенном примере соответствует простая геометрическая зависимость (например, линейная зависимость 50 или параболическая зависимость 52) расхода подаваемого топлива от разности давлений βР3-Р1, как показано на фиг.11, соответствует линейная зависимость 54 или параболическая зависимость расхода топлива, проходящего через дозатор, как показано на фиг.12.

Однако такая простота конструкции дозатора достижима только в случае использования законов ускорения одного типа. Действительно, при необходимости использования двух разных законов ускорения, например, таких, как представлены на фиг.11, хорошо видно, что две кривые зависимости расхода топлива, проходящего через дозатор, накладываются одна на другую на некоторых участках абсциссы (см. фиг.12), что делает невозможным использование одного и того же зазора дозатора и, следовательно, приводит к необходимости использования двух дозаторов топлива. Это создает многочисленные неудобства как с точки зрения массы оборудования, так и с точки зрения его стоимости, надежности и точности дозирования.

Наиболее близким из известных заявителю аналогов заявленных объектов изобретения является техническое решение, относящееся к гидромеханическому регулятору расхода топлива, подаваемого в турбомашину при посредстве дозатора топлива, раскрытое в патенте США 5411239, дата публикации - 02.05.1995.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании гидромеханического регулятора, способного устранить вышеуказанные недостатки и позволяющего использовать один и тот же дозатор для реализации двух разных типов законов ускорения.

Целью изобретения также является обеспечение возможности перехода от одного закона ускорения к другому без риска возникновения чрезмерного или недостаточного расхода топлива.

Для решения поставленных задач в соответствии с изобретением предлагается гидромеханический регулятор расхода топлива, подаваемого в турбомашину при посредстве дозатора топлива, содержащего тахиметрический балансир на основе коромысла. Балансир поворачивается вокруг оси под воздействием, по меньшей мере, первой силы, прилагаемой управляющей тягой дозатора топлива при посредстве первого упругого элемента. Гидромеханический регулятор по изобретению характеризуется тем, что дополнительно содержит тягу, соединенную с управляющим поршнем. Управляющий поршень прилагает к указанному коромыслу балансира при посредстве второго упругого элемента силу, противонаправленную по отношению к указанной первой силе так, чтобы вызвать дополнительное открытие дозатора топлива при переходе от первого закона ускорения двигателя ко второму закону ускорения двигателя. Тяга управляющего поршня дополнительно соединена с двухпозиционным пневматическим клапаном, обеспечивающим переход между первым законом ускорения двигателя и вторым законом ускорения двигателя и соединенным, с одной стороны, с базовым давлением Р0, а с другой стороны, с давлением Р3 на выходе компрессора высокого давления турбомашины через воздушные отверстия S0 и S1.

Таким образом, в данной конфигурации переход от одного закона ускорения двигателя к другому происходит постепенно, без перебоев подачи топлива и с использованием всего одного дозатора.

Первая сила предпочтительно приложена к фиксированной точке первого плеча коромысла, находящейся на расстоянии Ld от оси поворота, а противонаправленная сила приложена к другой фиксированной точке первого плеча коромысла, находящейся на расстоянии Lc от оси поворота.

При заданном законе ускорения двигателя базовое давление Р0 соответствует давлению на входе компрессора высокого давления или атмосферному давлению. Одно из указанных воздушных отверстий предпочтительно является регулируемым для обеспечения возможности настройки второго закона ускорения.

Изобретение также охватывает дозатор топлива, используемый в вышеописанном гидромеханическом регуляторе, и турбомашину, содержащую данный регулятор. Дозатор по изобретению содержит единственный дозирующий зазор, обеспечивающий непрерывное изменение расхода топлива, подаваемого в турбомашину, при переходе от первого закона ускорения двигателя ко второму закону ускорения.

Краткое описание чертежей

Другие свойства и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи и не вносящего каких-либо ограничений.

На чертежах:

- фиг.1 схематично изображает гидромеханический регулятор по изобретению в первом положении, соответствующем использованию первого закона ускорения двигателя,

- фиг.2 схематично изображает гидромеханический регулятор по изобретению во втором положении, соответствующем использованию второго закона ускорения двигателя,

- фиг.3 иллюстрирует баланс сил, существующий в регуляторе по фиг.1 и 2,

- на фиг.4 и 6 приведены диаграммы, иллюстрирующие два примера разных законов ускорения двигателя для двух разных режимов работы двигателя турбомашины,

- на фиг.5 и 7 приведены диаграммы, иллюстрирующие два примера зависимостей расхода топлива, проходящего через дозатор, для двух режимов работы двигателя турбомашины по фиг.4 и 6 соответственно,

- фиг.8 иллюстрирует изменение сечения дозирующего зазора в зависимости от положения дозатора в регуляторе по фиг.1 и 2,

- фиг.9 схематично изображает известный гидромеханический регулятор,

- фиг.10 иллюстрирует баланс сил, существующий в регуляторе по фиг.9,

- на фиг.11 приведена диаграмма, иллюстрирующая два характерных примера законов ускорения двигателя для двух режимов работы двигателя турбомашины,

- на фиг.12 приведена диаграмма, иллюстрирующая два примера зависимости расхода топлива, проходящего через дозатор, для двух режимов работы двигателя турбомашины по фиг.11.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Гидромеханический регулятор по изобретению, используемый в турбомашине, схематично изображен на фиг.1 и 2. Этот регулятор предназначен для регулирования расхода топлива, подаваемого в турбомашину, путем изменения сечения дозирующего отверстия дозатора топлива. Это изменение должно соответствовать двум различным режимам работы двигателя, обеспечивая подачу необходимого количества топлива для ускорения турбомашины, и предусматривать возможность перехода от одного из этих режимов к другому. Первый режим соответствует режиму запуска двигателя, а второй - рабочему режиму или режиму замедления на полной мощности в зависимости от скорости вращения турбомашины и положения рычага управления.

На фиг.1 изображен регулятор, находящийся в первом положении, которое соответствует режиму работы двигателя турбомашины в соответствии с первым законом ускорения (β=1); на фиг.2 изображен тот же регулятор, находящийся во втором положении, которое соответствует режиму работы двигателя турбомашины в соответствии со вторым законом ускорения (β=0,5).

Как и в известной конструкции, топливный насос 14 высокого давления откачивает топливо из топливного бака (не представлен) и подает его через дозатор 10 топлива к форсункам камеры 16 сгорания турбомашины. Изменение сечения дозирующего отверстия достигается путем смещения тяги 18 дозатора, управляемой через сжатую пружину 28 силовым балансиром 20, который поворачивается вокруг оси 22 и выполнен на основе коромысла 24, 26.

Как показано на фиг.3, на это коромысло воздействуют направленная вниз сила F1, создаваемая тягой 18 дозатора топлива и приложенная при посредстве первого упругого элемента 28 к фиксированной точке первого плеча 24 коромысла, расположенной на расстоянии Ld от оси поворота, а также направленная вверх сила F2, создаваемая форсункой 30, которая выбрасывает струю топлива под давлением в фиксированную точку первого плеча коромысла, находящуюся на расстоянии Lb от оси поворота, и направленная вниз третья сила F3, создаваемая в результате воздействия разности давлений βР3-Р1 на воздушный сильфон 32 и приложенная к фиксированной точке второго плеча 26 коромысла, находящейся на расстоянии Ls от оси поворота. Как и в вышеописанном варианте, предохранительный клапан 34 воздушного сильфона завершает конструкцию регулятора, который, разумеется, содержит также гидравлические входы и выходы высокого давления HP и низкого давления ВР.

Однако в соответствии с изобретением коромысло силового балансира 20, кроме того, подвержено воздействию дополнительной, направленной вверх силы F4. Сила F4 приложена к фиксированной точке первого плеча коромысла, находящейся на расстоянии Lc от оси поворота (в приведенном примере это расстояние меньше, чем расстояние Ld) тягой 36. Тяга 36 соединена с управляющим поршнем 38 при помощи второго сжатого упругого элемента 40, обладающего жесткостью Кс и создающего статическое усилие Fco. Поршень, скользящий в цилиндре 42 на отрезке Хс, управляется управляющим давлением Рс, создаваемым на входе 42А цилиндра, выход 42 В которого соединен с гидравлическим входом высокого давления HP. Приложение этого управляющего давления и соответственно силы F4 к плечу балансира 20 вызывает дополнительное смещение (в направлении открытия) дозатора 10. Такое дополнительное смещение обеспечивает непрерывность потока топлива, поступающего в дозатор, при переходе от первого ко второму закону ускорения, как это описано ниже со ссылками на фиг.4-8.

Кроме того, тяга соединена с двухпозиционным пневматическим клапаном 44, образующим двухпозиционный переключатель. В «закрытом» положении (фиг.1) вход воздушного сильфона 32 изолирован от базового давления Р0 и, следовательно, напрямую связан с давлением Р3, а в «открытом» положении (фиг.2) вход воздушного сильфона 32 соединен с давлением Р0 и давлением Р3 через пневматический потенциометр, образованный двумя отверстиями: выпускным отверстием S0, предусмотренным в линии подачи давления Р0, и впускным отверстием S1, предусмотренным в линии подачи давления Р3. Поскольку в оптимальном варианте давление Р0 соответствует давлению на входе компрессора высокого давления или атмосферному давлению, а отверстия S0 и S1 идентичны, коэффициент β оказывается равен соответственно 1 и 0,5, что соответствует двум требуемым законам ускорения. Это значение коэффициента остается постоянным, пока поток в отверстии S0 остается звуковым (т.е. приблизительно при βР3/Р0>1,89). Одно из воздушных отверстий (в оптимальном варианте выпускное отверстие S0) предпочтительно может быть регулируемым (например, при помощи остроконечного винта) для точной настройки второго закона ускорения.

Таким образом, в данной конфигурации регулировка значения коэффициента β и значения переключающей силы F4 осуществляется при помощи одного и того же гидромеханического элемента, что позволяет обеспечить точную синхронизацию при переходе от одного закона ускорения к другому.

Как и в известном варианте, новое положение Xd дозатора можно определить из уравнения равновесия балансира:

F3×Ls=F1×Ld-F2×Lb-F4×Lc,

причем F3=Ss×(βР3-Р1),

а F1=Xd×Kd+Fdo,

где Ss - сечение сильфона 32, Kd и Fdo - соответственно жесткость и статическая сила пружины 28. Тогда:

Таким образом, по сравнению с уравнением (1), не учитывавшим силу F4:

Xd=A(βP3-P1)+B+δXd,

где δXd=(F4×Lc)/(Kd×Ld) соответствует величине дополнительного смещения дозатора под воздействием управляющей силы F4.

Принцип действия гидромеханического регулятора по изобретению объясняется ниже со ссылками на фиг.4-8, которые иллюстрируют изменение закона ускорения двигателя в двух крайних точках работы двигателя (в двух крайних состояниях в процессе полета), первая из которых соответствует максимальной высоте и минимальному числу Маха, а вторая соответствует минимальной высоте и максимальному числу Маха. Из этих диаграмм видно, что расход Wf дозированного топлива плавно изменяется при переходе от одного закона ускорения двигателя к другому, никогда не создавая ни чрезмерного, ни недостаточного расхода, и что регулятор по изобретению позволяет изменять закон ускорения двигателя постепенным и непрерывным образом при использовании одного и того же дозатора.

На каждой из фиг.4 и 6 представлены две кривые: кривая 50, соответствующая линейному закону ускорения (в случае переходного режима работы между повторным зажиганием и замедлением), и кривая 52, соответствующая параболическому закону ускорения (в случае режима работы между замедлением и работой на полной мощности). Эти две кривые перекрывают одна другую, причем максимальный расход в случае первого закона ускорения меньше, чем минимальный расход в случае второго закона ускорения. На фиг.4 представлен в увеличенном виде фрагмент фиг.6, соответствующий области перекрывания двух законов ускорения. На каждой из фиг.5 и 7 представлены зависимости изменения расхода топлива, проходящего через дозатор, т.е. изменения расхода Wf топлива в зависимости от положения Xd дозатора. Можно видеть, что в переходном режиме при переходе режима работы двигателя из точки А, соответствующей первому закону ускорения, в точку В, соответствующую второму закону ускорения (фиг.4), смещение дозатора непрерывным образом переходит по кривой 58 расхода из точки А' в точку В' (фиг.5). Аналогичным образом при переходе режима работы двигателя из точки С, соответствующей первому закону ускорения, в точку D, соответствующую второму закону ускорения (фиг.6), смещение дозатора непрерывным образом переходит по кривой 58 расхода из точки С' в точку D' (фиг.7).

Изменение сечения единственного дозирующего отверстия (или зазора) дозатора 10 представлено на фиг.8 (для большей наглядности эта диаграмма представлена без соблюдения масштаба). Форма этого зазора определяется двумя вышеописанными законами ускорения и линейно изменяется в зависимости от величины Xd. Линейному закону ускорения (в случае переходного режима работы между повторным зажиганием и замедлением) соответствует участок 60 с прямоугольным зазором, а параболическому закону ускорения (в случае режима работы между замедлением и работой на полной мощности) соответствует участок 62 с треугольным зазором. При этом регулировка исходного расхода может осуществляться при помощи отверстия, в оптимальном варианте расположенного параллельно дозатору.

Таким образом, конфигурация по изобретению представляет особый интерес в связи с тем, что позволяет использовать два разных закона изменения расхода топлива с одной и той же дозирующей системой. Это дает экономию массы и занимаемого пространства. Кроме того, использование одной независимой системы вместо двух повышает надежность оборудования и сокращает количество возможных поломок. Помимо этого использование этой единой дозирующей системы позволяет осуществлять переход от одного режима к другому без риска прерывания подачи топлива на этапе перехода и таким образом исключает возникновение самопроизвольной остановки или перегрузки двигателя.

Гидромеханический регулятор расхода топлива предназначен для подачи топлива в турбомашины при посредстве дозатора топлива, содержащего тахиметрический балансир на основе коромысла, поворачивающийся вокруг оси под воздействием, по меньшей мере, первой силы F1, прилагаемой управляющей тягой дозатора топлива при посредстве первого упругого элемента. Регулятор дополнительно содержит тягу, соединенную с управляющим поршнем, прилагающим к указанному коромыслу балансира при посредстве второго упругого элемента силу F4, противонаправленную по отношению к первой силе F1 так, чтобы вызвать дополнительное открытие дозатора топлива при переходе от первого закона ускорения двигателя ко второму закону ускорения двигателя. Такое выполнение гидромеханического регулятора, а также дозатора и турбомашины позволит использовать один и тот же дозатор для реализации двух разных типов законов ускорения, а также обеспечить возможность перехода от одного закона ускорения к другому без риска возникновения чрезмерного или недостаточного расхода топлива. 3 н.п. ф-лы, 12 ил.

1. Гидромеханический регулятор расхода топлива, подаваемого в турбомашину при посредстве дозатора (10) топлива, содержащего тахиметрический балансир (20) на основе коромысла, поворачивающийся вокруг оси (22) под воздействием, по меньшей мере, первой силы (F1), прилагаемой управляющей тягой (18) дозатора топлива при посредстве первого упругого элемента (28), отличающийся тем, что дополнительно содержит тягу (36), соединенную с управляющим поршнем (38), прилагающим к указанному коромыслу балансира при посредстве второго упругого элемента (40) силу (F4), противонаправленную по отношению к указанной первой силе, так чтобы вызвать дополнительное открытие дозатора топлива при переходе от первого закона ускорения двигателя ко второму закону ускорения двигателя, причем тяга управляющего поршня дополнительно соединена с двухпозиционным пневматическим клапаном (44), обеспечивающим переход между первым законом ускорения двигателя и вторым законом ускорения двигателя и соединенным, с одной стороны, с базовым давлением Р0, а, с другой стороны, - с давлением РЗ на выходе компрессора высокого давления турбомашины через воздушные отверстия S0 и S1.2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что первая сила приложена к фиксированной точке первого плеча (24) коромысла, находящейся на расстоянии Ld от оси поворота, а противонаправленная сила приложена к другой фиксированной точке первого плеча (24) коромысла, находящейся на расстоянии Lc от оси поворота.3. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что базовое давление Р0 соответствует давлению на входе компрессора высокого давления или атмосферному давлению.4. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что одно из указанных воздушных отверстий является регулируемым для обеспечения возможности настройки второго закона ускорения.5. Дозатор топлива для гидромеханического регулятора расхода топлива, подаваемого в турбомашину, отличающийся тем, что содержит единственный дозирующий зазор (60, 62), обеспечивающий непрерывное изменение расхода топлива, подаваемого в турбомашину, при переходе от первого закона ускорения двигателя ко второму закону ускорения.6. Турбомашина, содержащая гидромеханический регулятор, заявленный в любом из пп.1-4.