УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ НАСОСА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ В КОНТУРЕ ПИТАНИЯ ТОПЛИВОМ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК F02C9/28 

Предлагаемое изобретение относится к устройству и к способу контроля насоса высокого давления в контуре питания топливом инжекторов газотурбинного двигателя, такого, например, как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета.

В газотурбинном двигателе такого типа контур питания инжекторов топливом содержит комбинацию из насоса низкого давления и шестеренчатого насоса высокого давления, причем насос низкого давления обеспечивает подкачку насоса высокого давления для того, чтобы устранить явление кавитации, а насос высокого давления обеспечивает расход и давление топлива, которые являются достаточными для того, чтобы обеспечить питание инжекторов камеры сгорания газотурбинного двигателя, а также охлаждение смазывающей жидкости этого газотурбинного двигателя и системы IDG (аббревиатура английского выражения "Integrated Drive Generator) и управление приводными механизмами элементов изменяемой геометрии газотурбинного двигателя (таких, например, как лопатки направляющего аппарата с изменяемым углом установки).

Топливо, подаваемое при помощи насоса высокого давления, проходит через блок FMU (аббревиатура английского выражения Fuel Metering Unit), который содержит клапан регулирования расхода, связанный с клапаном нагнетания и отсечки, который сам, в свою очередь, присоединен к каналам питания инжекторов.

При наличии электрического управляющего сигнала на открытие клапан нагнетания и отсечки остается закрытым в гидравлическом отношении до тех пор, пока давление топлива на выходе из клапана регулирования не достигнет заданной величины, например, 19 бар.

Шестеренчатый насос высокого давления приводится в движение механическим образом при помощи газотурбинного двигателя, и скорость его вращения является пропорциональной скорости вращения газотурбинного двигателя. Расход топлива и его давление на выходе из этого насоса определяются скоростью вращения насоса. Было установлено, что по мере старения насоса оказывается необходимым увеличивать скорость вращения этого насоса для того, чтобы поддерживать расход топлива и его давление на заданных величинах.

Это обстоятельство может сделать затруднительным, и даже невозможным, повторный запуск газотурбинного двигателя в полете в том случае, когда по тем или иным соображениям газотурбинный двигатель был остановлен и должен быть снова запущен только под действием воздуха, который протекает через лопатки компрессора и турбины вследствие перемещения самолета (содействие стартера, которое также может быть принято в определенных точках области повторного запуска). В этом случае топливный насос высокого давления приводится во вращательное движение с относительно небольшой скоростью, но должен, однако, обеспечивать при этом давление и расход топлива, достаточные для того, чтобы вызвать гидравлическое открытие клапана нагнетания и отсечки, и для того, чтобы обеспечить надлежащее питание инжекторов газотурбинного двигателя.

Износ насоса высокого давления, который выражается в постепенном снижении расхода топлива на выходе из насоса при заданной скорости его вращения и определенном давлении, должен подвергаться контролю для того, чтобы насос мог быть заменен прежде, чем повторный запуск газотурбинного двигателя в полете окажется невозможным.

Рекомендации в области технического обслуживания предусматривают замену насоса высокого давления через 12000 часов его функционирования и не дают возможности оптимизировать продолжительность срока службы таких насосов, поскольку, с одной стороны, отсутствует возможность выявления уже развивающегося износа насоса, а с другой стороны, эти рекомендации иногда приводят к замене насосов, которые еще в состоянии нормально функционировать.

Техническая задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить достаточно простое, эффективное и экономически выгодное решение этой проблемы.

В соответствии с данным изобретением предлагается устройство контроля насоса высокого давления в контуре питания топливом газотурбинного двигателя, причем контур содержит клапан нагнетания и отсечки, который отрегулирован на заданный порог давления и устанавливается между клапаном регулирования расхода топлива и каналом питания инжекторов, и средства измерения скорости вращения газотурбинного двигателя, отличающееся тем, что это устройство имеет в своем составе средства выявления открытия клапана нагнетания и отсечки, средства регистрации измеренной величины скорости вращения газотурбинного двигателя при открытии клапана нагнетания и отсечки и средства сравнения этой величины с заданным порогом, чтобы предложить замену насоса высокого давления в том случае, когда зарегистрированная величина скорости вращения достигает заданного порога. Эти средства располагаются в системе FADEC (Full Authority Digital Engine Control) управления газотурбинным двигателем.

Поскольку клапан нагнетания и отсечки в контуре питания топливом обычно уже оснащен средством выявления его открытия, устройство контроля в соответствии с предлагаемым изобретением использует главным образом компоненты, уже установленные в данном газотурбинном двигателе, и оказывается, вследствие этого, особенно выгодным в экономическом плане.

В то же время, предлагаемое устройство дает возможность с высокой точностью отслеживать изменения скорости вращения в момент открытия клапана нагнетания и отсечки, причем это изменение является репрезентативным для износа насоса высокого давления в контуре питания топливом, для сигнализации о необходимости замены насоса высокого давления в том случае, когда выявленная скорость вращения достигает заданного порога, за пределами которого повторный запуск газотурбинного двигателя в полете станет затруднительным, или даже невозможным.

Предпочтительным образом выявляется открытие клапана нагнетания и отсечки, и соответствующая величина скорости вращения регистрируется в процессе каждой из фаз запуска газотурбинного двигателя.

В соответствии с другим признаком предлагаемого изобретения это устройство также содержит средства измерения температуры топлива и средства коррекции зарегистрированной величины скорости вращения в зависимости от расхождения между измеренной температурой и заданной температурой.

Это позволяет учесть изменения плотности топлива, которые являются следствием изменений температуры топлива, для коррекции зарегистрированных величин скорости вращения и выполнять, таким образом, сравнения с заданным порогом в условиях, соответствующих по существу постоянной температуре.

В данном изобретении также предлагается способ контроля насоса высокого давления в контуре питания топливом газотурбинного двигателя, причем этот контур содержит клапан нагнетания и отсечки, установленный между клапаном измерения расхода топлива и контуром питания инжекторов, отличающийся тем, что этот способ состоит в выявлении открытия этого клапана нагнетания и отсечки, в регистрации величины скорости вращения газотурбинного двигателя, соответствующей этому открытию, в сравнении этой величины с заданным порогом и в предложении замены насоса высокого давления в том случае, когда зарегистрированная величина скорости вращения достигает заданного порога.

В соответствии с другими признаками предлагаемого изобретения этот способ также состоит в измерении температуры топлива на выходе из клапана нагнетания и отсечки, в коррекции зарегистрированной величины скорости вращения в зависимости от расхождения между измеренной температурой и заданным значением температуры и в определении порога сравнения зарегистрированной величины скорости вращения таким образом, чтобы обеспечить повторный запуск газотурбинного двигателя в полете на протяжении всего срока службы насоса высокого давления.

В данном изобретении также предлагается газотурбинный двигатель, например, турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета, отличающийся тем, что он содержит устройство контроля насоса высокого давления в контуре питания топливом описанного выше типа.

В общем случае предлагаемое изобретение позволяет оптимизировать эксплуатацию насосов высокого давления в контурах питания топливом газотурбинных двигателей, а также позволяет сделать более надежным автоматический тест раскрутки газотурбинных двигателей.

Предлагаемое изобретение будет лучше понято и другие его признаки, подробности и преимущества станут более отчетливыми при изучении приведенного ниже описания не являющегося ограничительным примера реализации этого изобретения, где даются ссылки на приведенную в приложении единственную фигуру, на которой схематически представлен контур питания топливом инжекторов газотурбинного двигателя.

Контур питания топливом, схематически представленный на приведенной в приложении фигуре, содержит в основном топливный бак 10, с которым связан вход насоса 12 низкого давления, а выход этого насоса питает, через теплообменники 16 и фильтры 17, шестеренчатый насос 14 высокого давления, причем упомянутые теплообменники используются, в частности, для охлаждения смазывающей жидкости газотурбинного двигателя и системы генератора со встроенным приводом IDG (Integrated Drive Generator).

Выход насоса 14 высокого давления питает клапан 18 регулирования расхода (FMV или Fuel Metering Valve), который позволяет дозировать количество топлива, направляемого к инжекторам 20 газотурбинного двигателя, в зависимости от условий его функционирования.

Разность давлений между входом и выходом насоса 14 также используется для управления системой 22 вспомогательного оборудования с изменяемой геометрией, содержащей, в частности, приводные механизмы лопаток направляющего аппарата с изменяемым углом установки.

Избыточное количество закачиваемого топлива возвращается к передней по потоку части насоса 14 высокого давления посредством клапана 19 отведения.

Клапан 24 нагнетания и отсечки установлен между выходом клапана 18 регулирования расхода и контуром 26 питания инжекторов 20, причем этот клапан 24 является чувствительным к давлению топлива на выходе из клапана 18 и препятствует питанию топливом инжекторов 20 до тех пор, пока это давление не достигнет определенной величины, то есть до тех пор, пока повышение давления топлива ниже заданного порога, причем это повышение давления соответствует разности давлений между выходом и входом насоса 14 и составляет, например, 19 бар.

Клапан 24 нагнетания и отсечки оборудован детектором 28 открытия и двумя органами 29 и 31 электрогидравлического управления типа клапана с сервоприводом или клапана с соленоидом, один из которых приводится в действие при помощи средств 32 обработки, а другой приводится в действие при помощи системы 33 раскрутки. Эти органы 29 и 31 управления оказываются эффективными только в том случае, когда давление является достаточным.

Датчик 30 температуры устанавливается на линии 26, обеспечивающей питание инжекторов 20.

Сигналы, выдаваемые детекторами 28 и 30, подаются в средства 32 обработки, которые принимают также выходной сигнал детектора 34, измеряющего скорость вращения газотурбинного двигателя.

В упомянутых средствах 32 обработки сигнал открытия клапана 24 нагнетания и отсечки, который выдается детектором 28, управляет регистрацией величины скорости вращения, выдаваемой детектором 34, и регистрацией величины температуры топлива, выдаваемой детектором 30. Зарегистрированные величины скорости вращения сравниваются с заданной пороговой величиной, за пределами которого будет затруднительно обеспечить повторный запуск газотурбинного двигателя в полете, и которое соответствует максимально допустимому износу насоса 14 высокого давления. В том случае, когда эта пороговая величина оказывается достигнутой скоростью вращения, при помощи средств 32 обработки формируется сигнал 36 для сигнализации о необходимости выполнения замены насоса 14 высокого давления.

Измерение температуры топлива в линии 26 позволяет учитывать изменения плотности топлива, которые являются следствием изменений температуры топлива и которые оказывают влияние на расход насоса 14 высокого давления. Выявленные изменения температуры топлива позволяют корректировать измеренные величины скорости вращения и приводить их, таким образом, к случаю питания топливом, находящимся по существу при постоянной температуре.

Открытие клапана 24 нагнетания и отсечки происходит в процессе осуществления каждой фазы запуска газотурбинного двигателя. Таким образом, контроль насоса 14 высокого давления может быть реализован при каждом запуске газотурбинного двигателя и позволяет регулярно отслеживать износ насоса 14 высокого давления для того, чтобы предложить его замену в том случае, когда это становится необходимым.

Предлагаемое изобретение позволяет также сделать более надежным тест раскрутки газотурбинного двигателя, связывая оригинальным и автоматическим образом этот тест с фазой запуска и с контролем насоса высокого давления.

Пример реализации логики такого теста описан в последующем изложении, причем возможны и многочисленные другие варианты его реализации.

Когда запускают двигатель и он работает на режиме, составляющем несколько процентов от номинального режима, средствами 32 обработки формируется электрический сигнал, подаваемый на электрогидравлический привод 29 клапана 24 нагнетания и отсечки. При этом гидравлический контур не открывается, поскольку режим оказывается ниже порога для открытия клапана 24 нагнетания и отсечки.

Режим увеличивается вследствие действия стартера, и когда достигается порог открытия (выявляемый детектором 28), средства 32 обработки регистрируют величину скорости вращения, которая позволяет дать оценку состояния насоса 14 высокого давления.

Средства 32 обработки обеспечивают при этом сигнал в систему 33 раскрутки, которая включает свой тест, то есть команду на закрытие клапана 24 нагнетания и отсечки при помощи электрогидравлического привода 31.

Средства 32 обработки проверяют, посредством детектора 28 открытия, что система 33 раскрутки была эффективной, и выдает команду на окончание теста в систему 33 раскрутки для того, чтобы эта система выдала команду на закрытие своего электрогидравлического органа 31. Одновременно средства 32 выдают команду на закрытие в электрогидравлический привод 29. При этом клапан 24 нагнетания и отсечки закрывается.

Вращение двигателя, вызываемое стартером, продолжается, и, при оптимальном режиме запуска, средства 32 обработки выдают команду на открытие клапана 24 нагнетания и отсечки посредством электрогидравлического привода 29 и выдают команду в блок зажигания, который приводит в действие одну или несколько свечей зажигания двигателя.

Устройство и способ контроля насоса высокого давления в контуре питания топливом газотурбинного двигателя путем выявления открытия клапана нагнетания и отсечки, установленного на выходе клапана регулирования расхода топлива, путем измерения скорости вращения газотурбинного двигателя, соответствующей открытию клапана нагнетания и отсечки, и путем последующего отслеживания изменения величины этой скорости вращения для того, чтобы предложить замену насоса высокого давления, когда измеренная величина этой скорости вращения достигает заданного порога. Технический результат изобретений - создание простого эффективного и экономически выгодного решения по контролю насоса высокого давления. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство контроля насоса (14) высокого давления в контуре питания топливом газотурбинного двигателя, причем этот контур содержит клапан (24) нагнетания и отсечки, который отрегулирован на заданный порог давления и который устанавливается между клапаном (18) регулирования расхода топлива и каналом (26) питания инжекторов, и средства (34) измерения скорости вращения газотурбинного двигателя, отличающееся тем, что это устройство имеет в своем составе средства (28) выявления открытия клапана (24) нагнетания и отсечки, средства (32) регистрации измеренной величины скорости вращения газотурбинного двигателя при открытии клапана (24) нагнетания и отсечки и средства сравнения этой измеренной величины с заданным порогом, чтобы предложить замену насоса (14) высокого давления в том случае, когда зарегистрированная величина скорости вращения достигает заданного порога.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что порог сравнения определяется для того, чтобы повторный запуск газотурбинного двигателя в полете был обеспечен на протяжении всего срока службы насоса высокого давления.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что это устройство содержит средства (30) измерения температуры топлива на выходе из клапана (24) нагнетания и отсечки и средства (32) коррекции зарегистрированной величины скорости вращения в зависимости от расхождения между измеренной температурой и заданной температурой.

4. Газотурбинный двигатель, такой как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета, отличающийся тем, что он содержит устройство контроля насоса высокого давления по п.2 или 3.

5. Способ контроля насоса высокого давления в контуре питания топливом газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что он состоит в выявлении открытия клапана (24) нагнетания и отсечки, в регистрации величины скорости вращения газотурбинного двигателя, соответствующей этому открытию, в сравнении этой величины с заданным порогом и в предложении замены насоса (14) высокого давления в том случае, когда зарегистрированная величина скорости вращения достигает заданного порога.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что он состоит в выявлении открытия клапана (24) нагнетания и отсечки и в регистрации соответствующей величины скорости вращения в процессе осуществления каждой из фаз запуска газотурбинного двигателя.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что он состоит в измерении температуры топлива на выходе из клапана (24) нагнетания и отсечки и в коррекции зарегистрированной величины скорости вращения в зависимости от расхождения между измеренной температурой топлива и заданным значением температуры.

8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что он состоит в определении порога сравнения зарегистрированной величины скорости вращения таким образом, чтобы обеспечить повторный запуск газотурбинного двигателя в полете на протяжении всего срока службы насоса (14) высокого давления.

9. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что он состоит в осуществлении теста системы (33) раскрутки во время фазы запуска газотурбинного двигателя и после выявления открытия клапана (24) нагнетания и отсечки.