УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА, УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ТОПЛИВА В АВИАЦИОННОМ ДВИГАТЕЛЕ С УПОМЯНУТЫМ УСТРОЙСТВОМ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ И АВИАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК F15B13/43 F15B11/48 F15B20/00 F02C9/46 F02C9/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к управлению положением исполнительного механизма с помощью электрически управляемого сервоклапана.

Частной областью применения изобретения является управление положением исполнительных механизмов, используемых в авиационных двигателях, в частности, для измерения топлива или для регулирования направляющих лопастей с различно устанавливаемым углом или заслонок форсунок в газотурбинных двигателях.

При таких применениях требуется «замораживание» положения управляемого элемента в случае отказа электрической цепи в управлении с помощью сервоклапана для обеспечения надежной работы и возможности нахождения снова положения, занимаемого перед отказом, когда удалось исправить повреждение.

Уровень техники

Сервоклапаны с так называемой памятью положения в случае отказа (или сервоклапаны с «замораживанием» при отказе (fail freeze) хорошо известны. В частности, можно назвать патент FR 2818331. В этом патенте сервоклапан содержит распределитель, который в случае отказа электрического управления приходит в положение, в котором распределитель закрывает рабочие отверстия, соединенные с камерами управления исполнительного механизма. Уход из «замороженного» положения исполнительного механизма трудно предотвратить из-за утечки гидравлической жидкости, содержащейся в камерах исполнительного механизма.

Цель и сущность изобретения

Целью изобретения является создание исполнительного механизма, регулируемого с помощью электрически управляемого сервоклапана, в котором положение исполнительного механизма может быть "заморожено" в случае отказа электрической цепи без существенной опасности его сдвига.

Эта цель достигается с помощью устройства управления положением исполнительного механизма, содержащего:

- электрически управляемый сервоклапан, содержащий гидравлический распределитель, имеющий, по меньшей мере, одно подающее отверстие высокого давления, по меньшей мере, один выход низкого давления и, по меньшей мере, два рабочих отверстия, при этом каждое рабочее отверстие предназначено для соединения с высоким давлением или низким давлением в зависимости от управляемого положения ползуна в гидравлическом распределителе, и

- исполнительный механизм, содержащий ползун, несущий, по меньшей мере, две ступени и предназначенный для скольжения в цилиндре, при этом исполнительный механизм имеет две камеры управления, соединенные с соответствующими рабочими отверстиями в распределителе сервоклапана и расположенные каждая на одной стороне соответствующей ступени, и промежуточную камеру, соединенную с высоким или низким давлением и расположенную между другими сторонами ступеней,

- при этом ползун гидравлического распределителя в случае отказа электрического управления переводится в защитное положение, в котором вызывается остановка ползуна исполнительного механизма по существу в его положении на момент отказа, причем:

- в защитном положении ползуна гидравлического распределителя в камерах управления исполнительного механизма с помощью их соединения с рабочими отверстиями распределителя устанавливается одинаковое низкое или высокое давление, противоположное давлению, создаваемому в промежуточной камере, так что на каждую ступень ползуна исполнительного механизма воздействует высокое давление на одной стороне и низкое давление на другой стороне, и

- герметизация между каждой из указанных ступеней ползуна исполнительного механизма и цилиндра исполнительного механизма обеспечивается динамическим уплотнением, создающим силу трения между ступенью и цилиндром в зависимости от разницы давлений, действующих на две стороны ступени.

Предпочтительно, промежуточная камера исполнительного механизма соединена с высоким давлением, и в защитном положении ползун распределителя соединяет рабочие отверстия распределителя с низким давлением.

Таким образом, на замороженное положение ползуна исполнительного механизма не влияют утечки. Небольшие утечки в уплотнениях не изменяют величину разницы давлений, которые действуют на динамические уплотнения и тем самым на силу трения, которая «замораживает» положение ползуна исполнительного механизма.

Изобретение применимо, в частности, в устройстве управления потоком топлива в авиационном двигателе, при этом исполнительный механизм образует измерительное устройство, а промежуточная камера соединена с источником топлива высокого давления и имеет одно выпускное отверстие, поперечное сечение для потока которого является функцией положения ползуна исполнительного механизма.

При таком применении динамические уплотнения также обеспечивают преимущество предотвращения утечек измеряемого потока топлива.

Настоящее изобретение также относится к устройству управления потоком топлива в авиационном двигателе, содержащему упомянутое устройство управления положением, в котором исполнительный механизм образует блок измерения топлива, при этом промежуточная камера соединена с источником топлива под высоким давлением и имеет выходное отверстие, проточное поперечное сечение которого является функцией положения ползункового клапана исполнительного механизма.

В другом аспекте изобретения предусматривается авиационный двигатель, содержащий упомянутое устройство управления потоком топлива.

Краткое описание чертежей

Ниже приводится для лучшего понимания изобретения его подробное описание, не имеющее ограничительного характера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых, изображено:

фиг.1 - схема устройства с сервоклапаном и исполнительным устройством согласно одному варианту выполнения изобретения;

фиг.2 и 3 - разрез динамического уплотнения такого типа, который можно использовать для герметизации между ползуном и цилиндром исполнительного механизма, согласно фиг.1 в увеличенном масштабе;

фиг.4 - соотношение между силой электрического тока управления сервоклапаном и несколькими различными рабочими точками, и

фиг.5-10 - конфигурации гидравлического распределителя сервоклапана согласно фиг.1 для нескольких различных рабочих точек на фиг.4.

Подробное описание вариантов выполнения

Ниже приводится описание варианта выполнения изобретения со ссылками на фиг.1-4 и 5-10 в контексте применения для измерения (управления потоком) топлива в системе впрыска топлива авиационного двигателя.

На фиг.1 схематично показано устройство сервоклапана 10, управляющего исполнительным механизмом 50, образующим блок измерения топлива.

Сервоклапан 10 управляется электрически и содержит электродвигатель, например крутящий электродвигатель 12, гидравлический распределитель 20 и соответствующие гидромеханические элементы (гидравлический потенциометр и механический негативный повторитель), которые образуют контрольный управляющий элемент 14 распределителя 20.

Гидравлический распределитель 20, частный вариант выполнения которого приводится ниже, содержит ползун, который может линейно перемещаться в цилиндре. Распределитель 20 содержит отверстия, соединенные с двойным источником высокого давления (81) и выходом (или возвратом в бак низкого давления (82)), рабочие выходы 85, 86, соединенные с измерительным блоком 50, и контрольные управляющие входы 83, 84, открывающиеся в контрольные управляющие камеры, расположенные на концах распределителя 20. Контрольные управляющие входы 83, 84 соединены с контрольным управляющим элементом 14, при этом давления, прикладываемые с помощью элемента 14 к входам 83, 84, действуют противоположно друг другу с целью управления перемещением ползуна распределителя. Используемая гидравлическая жидкость может быть топливом.

Блок 50 измерения топлива содержит ползун 52, несущий две ступени 54, 56 и способный скользить в цилиндре 60. Ступени 54, 56 разделяют внутренний объем цилиндра 60 на управляющие камеры 62, 64, расположенные на концах цилиндра 60, и на промежуточную камеру 66, расположенную между ступенями 54, 56. Управляющие камеры 62, 64 соединены управляющими линиями с рабочими выходами 85, 86.

Промежуточная камера 66 соединена через подающее отверстие 71 с источником высокого давления (81) (источником подачи топлива под высоким давлением) и через рабочее отверстие 73 с трубкой впрыска топлива. Степень закрывания рабочего отверстия 73 ступенью 56 определяет измеряемый поток.

Узел из сервоклапана и блока измерения топлива, указанных выше, сам по себе известен.

В случае отказа электрического возбуждения сервоклапана ползун гидравлического распределителя переходит в положение, в котором одинаковое давление, в данном случае низкое давление, имеется на рабочих выходах 85 и 86. Затем на каждую ступень 54, 56 измерительного блока 50 действует на одной стороне низкое давление, а на другой стороне - высокое давление.

Герметизация между ступенями 54, 56 и цилиндром 60 осуществляется с помощью динамических уплотнений, создающих силу трения между ступенью и цилиндром в зависимости от разницы давлений, действующих на двух сторонах каждой из ступеней. Таким образом, в случае отказа электрического возбуждения сервоклапана эта разница давлений является максимальной (разница между 81 и 82), так что сила трения также является максимальной. Поэтому положение ползуна 52 в момент отказа сохраняется без опасности его существенного сдвига, так что расход топлива замораживается на своей величине в момент отказа.

На фиг.2 и 3 подробно показан один вариант выполнения такого динамического уплотнения 70. Как само по себе известно, динамическое уплотнение 70 содержит кольцо 72 круглого поперечного сечения, расположенное в канавке 74, образованной во внутренней стенке цилиндра 60, и кольцо 76, расположенное, по меньшей мере частично, в канавке 74 и опирающееся на кольцо 72 круглого поперечного сечения. Кольцо 72 круглого поперечного сечения выполнено из эластомера, например Viton^®. На фиг.2 уплотнение 70 показано, когда давления, приложенные к двум сторонам уплотнения, являются одинаковыми или незначительно различаемыми. Под действием большой разницы давлений на двух сторонах уплотнения 70 (смотри фиг.3) кольцо круглого поперечного сечения деформируется и прикладывает к кольцу 76 усилие, имеющее тенденцию к увеличению силы, действующей на смежную ступень (например, ступень 54). Кольцо 76 предпочтительно выполнено из материала с низким коэффициентом трения, например политетрафторэтилена (PTFE). Естественно, что, как вариант, канавка, в которой размещается кольцо круглого поперечного сечения, может быть выполнена в самой ступени.

При использовании динамических уплотнений можно также улучшать герметизацию между ступенями 54, 56 и цилиндром 60 при нормальной работе измерительного блока, что уменьшает требования к допускам на размеры.

Пример изменения расхода топлива, измеренного в качестве функции силы электрического тока электродвигателя 12, показан на фиг.4.

Рабочие точки А, В, С, D, Е и F соответствуют следующему: максимальный расход (А), стационарный расход (В), пределы диапазона минимального расхода (C-D) и пределы диапазона положений «замораживания» («замораживание при отказе»), когда сила тока возбуждения становится слишком низкой или нулевой.

На Фиг.5-10 показаны положения ползуна 22 гидравлического распределителя относительно цилиндра 40 указанного распределителя 20 для различных рабочих точек A-F соответственно, положение которого управляется с помощью контрольного управляющего элемента 14 под действием электродвигателя 12.

В положении А ползун 22 находится в первом конце своего хода в цилиндре 40, при этом разница давлений, приложенных к контрольным управляющим камерам 31, 32 на конах цилиндра, является максимальной. Контрольные управляющие камеры 31, 32 образованы концами цилиндра 40 и соответствующими ступенями 23, 24, которые несет ползун 22. Рабочий выход 86 (который в данном случае содержит два отдельных отверстия, выполненных в стенке цилиндра 40) соединен с низким давлением 82 через камеру 33 низкого давления LP, которая расположена между ступенью 23 и ступенью 25 и в которую открывается выход. Рабочий выход 85 связан с высоким давлением 81 через контрольную управляющую камеру 31.

В положении В ползун 22 закрывает рабочий выход 85 ступенью 23 и два отверстия, образующие рабочий выход 86, ступенью 25 и ступенью 26.

В положениях С и D ползун 22 соединяет рабочий выход 86 с высоким давлением 81 через камеру 35, расположенную между ступенями 24 и 26, в то время как рабочий выход 31 открывается в камеру 33 низкого давления 82.

В положениях Е и F ползун 22 соединяет камеру 33 низкого давления 81 с рабочим выходом 85 и с рабочим выходом 86 через проход 29, образованный в ползунковом клапане 22 и соединяющий камеру 33 низкого давления 82 с камерой 34, расположенной между ступенями 25 и 26. В положении F ползун 22 находится на другом конце своего хода в цилиндре 40.

Естественно, что рабочий профиль на фиг.3 и указанное выше внутреннее расположение распределителя сервоклапана приведены лишь в качестве примера и возможны другие формы при условии, что в случае отказа электрического возбуждения сервоклапана 10 ползун гидравлического распределителя 20 приходит в защитное положение, в котором, в данном случае, оба рабочих выхода 85 и 86 находятся под низким давлением для обеспечения «замораживания» положения измерительного блока 50.

Изобретение, естественно, применимо к гидравлическим исполнительным механизмам, помимо блоков измерения топлива для авиационных двигателей, поскольку положение исполнительного механизма можно «замораживать» посредством приложения в двух управляющих камерах давления (82 или 81), противоположного давлению, приложенному в промежуточной камере, с герметизацией с помощью динамических уплотнений между промежуточной камерой и каждой из управляющих камер.

Устройство предназначено для управления положением исполнительного механизма в авиационном двигателе с помощью электрически управляемого сервоклапана. Исполнительный механизм (50) содержит ползун (52), несущий, по меньшей мере, две ступени (54, 56) и предназначенный для скольжения в цилиндре, и две камеры (62, 64) управления, соединенные с соответствующими рабочими отверстиями (85, 86) электрически управляемого гидравлического распределителя (20) сервоклапана. Камеры (62, 64) управления расположены каждая на одной стороне соответствующей ступени, и промежуточная камера, соединенная с высоким или низким давлением, расположена между другими сторонами ступеней. В случае отказа электрического управления ползун распределителя (20) переводится в защитное положение, в котором в камерах (62, 64) управления исполнительного механизма устанавливается одинаковое низкое или высокое давление, противоположное давлению, создаваемому в промежуточной камере (66), так что на каждую ступень (54, 56) ползуна исполнительного механизма воздействует высокое давление на одной стороне и низкое давление на другой стороне. Герметизация между каждой ступенью (54, 56) ползуна исполнительного механизма и цилиндром (60) исполнительного механизма обеспечивается динамическим уплотнением (70), создающим силу трения между ступенью и цилиндром в зависимости от разницы давлений, действующих на две стороны ступени, так что в случае отказа электрического управления ползунковый клапан исполнительного механизма останавливается в своем положении на момент отказа («замораживание отказа»). Исполнительный механизм (50) может быть блоком измерения топлива авиационного двигателя. Технический результат - повышение надежности. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство управления положением исполнительного механизма, содержащее:
- электрически управляемый сервоклапан (10), содержащий гидравлический распределитель (20), имеющий, по меньшей мере, одно подающее отверстие высокого давления (81), по меньшей мере, один выход низкого давления (82) и, по меньшей мере, два рабочих отверстия (85, 86), при этом каждое рабочее отверстие предназначено для соединения с высоким давлением или низким давлением в зависимости от управляемого положения ползуна в гидравлическом распределителе, и
- исполнительный механизм (50), содержащий ползун (52), несущий, по меньшей мере, две ступени (54, 56) и выполненный с возможностью скольжения в цилиндре (60), при этом исполнительный механизм имеет две камеры (62, 64) управления, соединенные с соответствующими рабочими отверстиями (85, 86) в распределителе сервоклапана и расположенные каждая на одной стороне соответствующей ступени, и промежуточную камеру (66), соединенную с высоким или низким давлением и расположенную между другими сторонами ступеней,
- при этом ползун (22) гидравлического распределителя в случае отказа электрического управления переходит в защитное положение, в котором обеспечивается остановка ползуна исполнительного механизма, по существу, в его положении на момент отказа, при этом:
- в защитном положении ползуна (22) гидравлического распределителя в камерах (62, 64) управления исполнительного механизма посредством их соединения с рабочими отверстиями (85, 86) распределителя устанавливается одинаковое низкое или высокое давление, противоположное давлению, создаваемому в промежуточной камере (66), так что на каждую ступень (54, 56) ползуна исполнительного механизма воздействует высокое давление на одной стороне и низкое давление на другой стороне, и
- герметизация между каждой из указанных ступеней (54, 56) ползуна исполнительного механизма и цилиндром (60) исполнительного механизма обеспечивается динамическим уплотнением (70), создающим силу трения между ступенью и цилиндром в зависимости от разницы давлений, действующих на две стороны ступени.

2. Устройство по п.1, в котором промежуточная камера (66) исполнительного механизма соединена с высоким давлением (81), и в своем защитном положении ползун распределителя (20) соединяет рабочие отверстия (85, 86) распределителя с низким давлением (82).

3. Устройство управления потоком топлива в авиационном двигателе, содержащее устройство управления положением по п.1, в котором исполнительный механизм (50) образует блок измерения топлива, при этом промежуточная камера (66) соединена с источником топлива под высоким давлением и имеет выходное отверстие, проточное поперечное сечение которого является функцией положения ползункового клапана исполнительного механизма.

4. Авиационный двигатель, содержащий устройство управления по любому из пп.1-3.