ДОЗАТОР ТОПЛИВА С КОМПЕНСИРУЮЩИМ РЕГУЛИРУЮЩИМ КЛАПАНОМ И РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН Российский патент 2008 года по МПК F02C9/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в широком смысле к топливоподающим системам в турбомашинах и, более конкретно, к дозатору топлива, обладающему высокой точностью.

Уровень техники

Топливоподающее системы турбомашины, в частности авиационной газовой турбины, описаны, например, в патента США № 5555720. Для большей наглядности типичная топливоподающая система турбомашины схематично представлена на фиг.6. Центральным элементом системы является дозатор 10 топлива. Питающий трубопровод 12 дозатора 10 топлива связан с выходом насоса 14 высокого давления, который перекачивает топливо из топливного бака (стрелка 16), а выходной трубопровод 18 связан с множеством топливных форсунок, расположенных в камере сгорания турбомашины (стрелка 20).

Известный дозатор для топливной системы описанного типа представлен, например, в патенте США № 6092546. Дозатор, который регулирует расход топлива перед его подачей в топливные форсунки от насоса высокого давления, содержит дозирующий клапан 22, который получает топливо под давлением Р1 от регулирующего клапана 24 и подает его под давлением Р2 к топливным форсункам через обратный клапан 26. При этом требуется поддерживать постоянство разности давлений Р2-Р1 на выходе и входе дозирующего клапана 22 с помощью датчика 28 дифференциального давления, который подсоединен к его входу и выходу и воздействует на степень открытия регулирующего клапана 24. Когда давление на входе дозирующего клапана 22 повышается (соответственно, снижается) по отношению к давлению на выходе, датчик приводит в действие регулирующий клапан 24 для увеличения (снижения) расхода топлива, отводимого обратно к насосу через возвратный трубопровод 30, что снижает (повышает) расход топлива, подаваемого на дозирующий клапан.

Подробное описание регулирующего клапана, который обеспечивает рециркуляцию топлива к насосу высокого давления и поддержание примерно постоянного падения давления на дозирующем клапане путем соответствующего варьирования количества топлива, поступающего на его вход от регулирующего клапана, и который может быть выбран в качестве ближайшего аналога регулирующего клапана по настоящему изобретению, приведено в патенте США № 5845484, F02C 009/28, 1998.

В целом дозатор описанного типа работает удовлетворительно. Однако для использования в авиации он имеет слишком большую массу и высокую стоимость, а его надежность и точность дозирования могут быть повышены.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в том, чтобы усовершенствовать дозатор топлива в аспекте снижения его массы и стоимости. Задачей изобретения является также повышение надежности дозатора топлива и соответственно снижение затрат на вмешательство в необходимых случаях и профилактический технический уход. Другой задачей, решаемой изобретением, является повышение точности дозирования топлива по сравнению с известными устройствами.

Для решения поставленных задач в соответствии с изобретением предложен дозатор топлива в турбомашине, установленный между насосом высокого давления, который перекачивает топливо из топливного бака, и множеством топливных форсунок, предназначенных для впрыска топлива в камеру сгорания турбомашины. Дозатор топлива по изобретению содержит дозирующий клапан, на вход которого под давлением Р1 поступает подлежащее впрыску топливо от регулирующего клапана (34) и с выхода которого топливо под давлением Р2 через обратный клапан подается к множеству топливных форсунок. Регулирующий клапан содержит гидравлический золотник, выполненный с возможностью перемещения в корпусе под действием давлений Р1 и Р2, подаваемых непосредственно от входа и выхода дозирующего клапана к двум впускным отверстиям на концах регулирующего клапана, с соответствующими сечениями S1 и S2. При этом гидравлический золотник содержит первый кольцевой золотниковый канал для обеспечения рециркуляции топлива к насосу высокого давления посредством установления сообщения между первым впускным отверстием, выполненным в корпусе и связанным с выходом насоса высокого давления, и выпускным отверстием, выполненным в корпусе и связанным с входом насоса высокого давления.

Дозатор по изобретению характеризуется тем, что гидравлический золотник дополнительно содержит второй кольцевой золотниковый канал для обеспечения дополнительной рециркуляции топлива к насосу высокого давления посредством установления сообщения между вторым впускным отверстием, выполненным в корпусе и связанным с входом дозирующего клапана, и вспомогательным выпускным отверстием, выполненным в корпусе и связанным с входом насоса высокого давления.

Таким образом, за счет такого решения дозатора без использования датчика дифференциального давления достигается более компактная, менее дорогая конструкция дозатора, обеспечивающая высокую точность дозирования. Кроме того, дозатор обеспечивает компенсацию механических и гидравлических паразитных явлений.

Предпочтительно, для обеспечения дополнительного регулирования функции дозирования второе выпускное отверстие связано с входом дозирующего клапана через нерегулируемую диафрагму. Отверстие нерегулируемой диафрагмы может быть выполнено в корпусе или находиться вне регулирующего клапана.

Вспомогательное выпускное отверстие предпочтительно связано с входом насоса высокого давления через регулируемую диафрагму, которая может содержать несколько отверстий идентичной формы (предпочтительно выполненных электроэрозионным способом), отстоящих друг от друга на одинаковое угловое расстояние относительно продольной оси корпуса, в котором они выполнены, и смещенных относительно друг друга в направлении перемещения регулирующего клапана. Предпочтительно указанные отверстия имеют проходные сечения, выбранные из следующих форм: круглая, прямоугольная, треугольная или продолговатая.

Изобретение относится также к компенсирующему регулирующему клапану высокой точности, входящему в состав описанного дозатора топлива.

Краткое описание чертежей

Другие свойства и достоинства настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют пример осуществления изобретения, не вносящий каких-либо ограничений.

Фиг.1 схематично изображает топливоподающую систему, содержащую дозатор топлива в соответствии с изобретением.

Фиг.2А и 2В изображают соответственно в перспективе и в продольном разрезе регулирующий клапан дозатора топлива по фиг.1.

Фиг.3А-5В - это диаграммы, иллюстрирующие различные возможные формы регулируемой диафрагмы и соответствующие функции компенсации для регулирующего клапана по фиг.2А.

Фиг.6 схематично изображает топливоподающую систему, известную из уровня техники.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематично представлена топливоподающая система турбомашины в соответствии с изобретением.

Как и известная система, данная топливоподающая система содержит топливный насос 14 высокого давления, который перекачивает топливо из топливного бака 16 для его подачи через дозатор 32 топлива к форсункам 20 камеры сгорания турбомашины.

Однако согласно изобретению дозатор топлива не включает устройства для определения ΔР, а содержит только дозирующий клапан 22, обратный клапан 26 и компенсирующий регулирующий клапан 34, который обеспечивает как регулирование разности давления на входе и выходе дозирующего клапана, так и компенсацию паразитных механических и гидравлических явлений. Этот усовершенствованный дозатор 32 топлива имеет сниженную массу (за счет ликвидации датчика ΔР), а следовательно, и пониженную стоимость в сочетании с более высокой точностью дозирования.

Регулирующий клапан 34 содержит гидравлический золотник 36, который может перемещаться против действия пружины 37 в корпусе 38 под действием сил давления, приложенным к двум его концам 36А, 36В, которые имеют соответствующие площади S1, S2 поперечного сечения и подвергаются соответственно действию давлений Р1 и Р2, существующих на входе на выходе дозирующего клапана 22. Гидравлический золотник содержит два кольцевых золотниковых канала 40, 42. Первое впускное отверстие 44, выполненное в корпусе 38, связано с питающим трубопроводом 12 (т.е. с выходом насоса 14 высокого давления), а первое выпускное отверстие 46, также выполненное в корпусе, связано с входом дозирующего клапана 22. Кольцевая канавка 45 корпуса 38 обеспечивает непрерывное сообщение между первым впускным отверстием 44 и выпускным отверстием 46 для питания топливом дозирующего клапана. Первый золотниковый канал 40 предназначен для обеспечения рециркуляции или отвода избытка топлива к насосу через второе выпускное отверстие 48, выполненное (например, просверленное) в корпусе 38. Второй золотниковый канал 42 обеспечивает сообщение между вспомогательным выпускным отверстием 50, которое также выполнено в корпусе 38 (например, в виде сверления) и связано через диафрагму, имеющую коэффициент передачи Kb (который изменяется в зависимости от положения клапана), с возвратным трубопроводом 30 с насосом (при давлении Pb), и вторым впускным отверстием 52, которое также выполнено (просверлено) в корпусе и связано с входом дозирующего клапана 22 (при давлении Р1) через нерегулируемую диафрагму 54 с коэффициентом передачи К1. Эта нерегулируемая диафрагма может, как это показано на чертеже, находиться снаружи от регулирующего клапана 34. Альтернативно, она может быть выполнена непосредственно в корпусе 38, например с помощью соответствующих сверлений.

Такая специальная конструкция золотника 36 позволяет передавать на дифференциальную площадь S1 - S2 поперечного сечения давление (Pm), которое модулируется в интервале от давления Р1 до давления Pb рециркуляции к насосу, изменяясь в зависимости от положения клапана. Практически значение ДР на дозирующем клапане определяется усилием (F0) пружины в соответствии со следующим уравнением:

ΔР · Площадь сечения золотника - F0=0

и теоретически является постоянным. Однако жесткость (R) пружины и реактивные усилия F_реакт., действующие на золотник, возмущают это идеальное равновесие, вызывая изменение положения или смещение регулирующего клапана (С_клап.) и изменяя ΔР на дозирующем клапане. Именно для преодоления этих механических и гидравлических паразитных явлений и компенсации указанного изменения положения регулирующего клапана введено давление Pm, величина которого составляет:

(Р1-Pm)(S1-S2)=Р·С_клап.+F_реакт.

Таким образом, уравнение равновесия имеет следующий вид:

ΔР·S2+(Р1-Pm)(S1-S2)-F0-R·C_клап.-F_реакт.=0

Модулированное давление создается посредством гидравлического потенциометра, который образован нерегулируемой диафрагмой (с коэффициентом передачи К1), питаемой давлением Р1, и диафрагмой, регулируемой в зависимости от положения регулирующего клапана, имеющей коэффициент передачи Kb и питаемой давлением Рb. В стабилизированном режиме значение Pm определяется зависимостью:

Pm=K1²·Р1/(K1²+Kb²)+Kb²·Pb/(K1²+Kb²).

Фиг.2А и 2В схематично изображают пример выполнения регулирующего клапана 34 соответственно в перспективе и в продольном разрезе. На чертежах показан золотник 36, который может скользить в корпусе 38. Золотник содержит два кольцевых золотниковых канала 40, 42. Первый золотниковый канал 40 дополнительно снабжен четырьмя прорезями 56, которые равномерно распределены по боковой поверхности золотника и по которым топливо проходит вначале. Видны также различные впускные отверстия 44, 52 и выпускные отверстия 46, 48, 50 для топлива, выполненные в корпусе по существу напротив кольцевых золотниковых каналов. Более конкретно, вспомогательное выпускное отверстие 50, которое определяет функционирование регулируемой диафрагмы, выполнено в виде множества отверстий одинаковой формы, равномерно распределенных по боковой поверхности корпуса и смещенных по отношению друг к другу в направлении продольной оси клапана. Эти отверстия предпочтительно выполнены электроэрозионным способом или сверлением, а прорези 56 могут быть выполнены известным способом фрезерования.

Фиг.3А, 4А, 5А изображают три примера выполнения этих отверстий, представляя три сечения различной формы, а фиг.3В, 4В, 5В изображают соответствующие кривые распределения расхода топлива через вспомогательное выпускное отверстие 50 в зависимости от положения регулирующего клапана. При этом штрихпунктирные линии соответствуют оптимальной компенсации изменений положения регулирующего клапана под действием паразитных явлений, которые были определены выше.

На фиг.3А регулируемая диафрагма Kb образована тремя круглыми отверстиями 60, отстоящими друг от друга на одинаковое угловое расстояние относительно продольной оси корпуса и смещенными относительно друг друга вдоль этой оси (т.е. в направлении перемещения регулирующего клапана) на расстояние по существу равное половине диаметра отверстия. На фиг.4А регулируемая диафрагма Kb образована четырьмя отверстиями 62 треугольного проходного сечения, отстоящими друг от друга на одинаковое угловое расстояние относительно продольной оси корпуса и смещенными относительно друг друга вдоль этой оси таким образом, что вершина одного треугольника лежит на линии основания предыдущего треугольника. На фиг.5А регулируемая диафрагма Kb образована двумя щелями 64, отстоящими друг от друга на одинаковое угловое расстояние относительно продольной оси корпуса и смещенными относительно друг друга вдоль этой оси на длину щели.

В нормальном режиме система работает следующим образом. Как это известно, рассогласование давлений, действующих на два конца 36А, 36В гидравлического золотника, вызывает перемещение регулирующего клапана 34 и соответственно увеличение или уменьшение расхода топлива, направляемого на рециркуляцию. Более конкретно, когда давление Р1 на входе дозирующего клапана 22 повышается, это повышение приводит к воздействию на конец 36А гидравлического золотника и вызывает движение золотника вверх (см. фиг.1); при этом проходное сечение канала к возвратному трубопроводу 30 увеличивается. В результате расход рециркуляции увеличивается и давление Р1 снижается, поддерживая постоянной величину ΔР. Подобным же образом, когда давление Р2 на выходе дозирующего клапана 22 повышается, это повышение приводит к воздействию на конец 36В гидравлического золотника и вызывает движение золотника вниз; при этом проходное сечение канала к возвратному трубопроводу 30 становится меньше. В результате расход рециркуляции уменьшается и давление Р1 повышается, поддерживая постоянной величину ΔР.

Однако практически значение ΔР, получаемое в результате движений регулирующего клапана, не является строго одним и тем же в связи с влияниями на равновесие золотника жесткости пружины и реактивных усилий. Таким образом, когда регулирующий клапан поочередно то открывается, то закрывается, реальное значение ΔР практически равно исходному значению ДР плюс-минус погрешность, вносимая указанными паразитными явлениями.

В решении по изобретению, когда регулирующий клапан открывается, коэффициент передачи Kb увеличивается и давление Pm, приложенное к (S1 - S2), снижается, компенсируя паразитные усилия, которые увеличиваются и стремятся закрыть регулирующий клапан.

Аналогичным образом, но в обратном порядке, когда регулирующий клапан закрывается, коэффициент передачи Kb уменьшается и давление Pm повышается. Это повышение компенсирует снижение паразитных воздействий при закрытии регулирующего клапана.

Решение по изобретению представляет особый интерес тем, что высокая точность следования заданному закону дозирования достигается при использовании одной регулируемой диафрагмы и одной нерегулируемой диафрагмы, причем последняя может быть расположена как на корпусе регулирующего клапана, так и вне его. Кроме того, передача модулированного давления на дифференциальную площадь сечения торцов регулирующего клапана осуществляется очень простым и экономичным образом, с помощью отверстий разнообразных форм (помимо форм, представленных на чертежах, они могут иметь также продолговатую форму), что позволяет получать легко регулируемую закономерность компенсации.

Дозатор топлива предназначен для турбомашин. Дозатор установлен между насосом высокого давления, который перекачивает топливо из топливного бака, и множеством топливных форсунок, расположенных в камере сгорания турбомашины. Дозатор по изобретению характеризуется тем, что содержит дозирующий клапан, который получает подлежащее впрыску топливо под давлением Р1 от регулирующего клапана и подает топливо под давлением Р2 к множеству топливных форсунок через обратный клапан. При этом регулирующий клапан обеспечивает рециркуляцию топлива к указанному насосу высокого давления в зависимости от разности (Р1-Р2) давлений на входе и выходе дозирующего клапана, подаваемых к двум впускным отверстиям на концах регулирующего клапана. Такое выполнение дозатора и регулирующего клапана позволит снизить их массу и стоимость, а также повысить их надежность и точность дозирования. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Дозатор (32) топлива в турбомашине, установленный между насосом (14) высокого давления, который перекачивает топливо из топливного бака (16), и множеством топливных форсунок (20), предназначенных для впрыска топлива в камеру сгорания турбомашины, причем дозатор топлива содержит дозирующий клапан (22), на вход которого под давлением Р1 поступает подлежащее впрыску топливо от регулирующего клапана (34) и с выхода которого топливо под давлением Р2 подается через обратный клапан (26) к множеству топливных форсунок, при этом регулирующий клапан содержит гидравлический золотник (36), выполненный с возможностью перемещения в корпусе (38) под действием давлений Р1 и Р2, подаваемых непосредственно от входа и выхода дозирующего клапана к двум впускным отверстиям на концах (36А, 36В) регулирующего клапана с сечениями S1 и S2 соответственно, а гидравлический золотник содержит первый кольцевой золотниковый канал (40) для обеспечения рециркуляции топлива к насосу высокого давления посредством установления сообщения между первым впускным отверстием (44), выполненным в корпусе и связанным с выходом насоса высокого давления, и выпускным отверстием (48), выполненным в корпусе и связанным с входом насоса высокого давления, отличающийся тем, что гидравлический золотник дополнительно содержит второй кольцевой золотниковый канал (42) для обеспечения дополнительной рециркуляции топлива к насосу высокого давления посредством установления сообщения между вторым впускным отверстием (52), выполненным в корпусе и связанным с входом дозирующего клапана, и вспомогательным выпускным отверстием (50), выполненным в корпусе и связанным с входом насоса высокого давления.2. Дозатор топлива по п.1, отличающийся тем, что второе выпускное отверстие связано с входом дозирующего клапана через нерегулируемую диафрагму (54).3. Дозатор топлива по п.2, отличающийся тем, что отверстие нерегулируемой диафрагмы выполнено в корпусе или находится вне регулирующего клапана.4. Дозатор топлива по п.1, отличающийся тем, что вспомогательное выпускное отверстие связано с входом насоса высокого давления через регулируемую диафрагму.5. Дозатор топлива по п.4, отличающийся тем, что регулируемая диафрагма содержит несколько отверстий (60, 62, 64) идентичной формы, отстоящих друг от друга на одинаковое угловое расстояние относительно продольной оси корпуса, в котором они выполнены, и смещенных относительно друг друга в направлении перемещения регулирующего клапана.6. Дозатор топлива по п.5, отличающийся тем, что указанные отверстия имеют проходные сечения, выбранные из следующих форм: круглая, прямоугольная, треугольная или продолговатая.7. Дозатор топлива по п.6, отличающийся тем, что указанные отверстия выполнены электроэрозионным способом.8. Регулирующий клапан дозатора топлива по любому из пп.1-7.