ДВУХКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ТОПЛИВОПИТАНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2014 года по МПК F02C9/26 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности, к системам автоматического управления газотурбинными двигателями (ГТД).

Известна двухканальная система регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель (ГТД), содержащая насос, дозатор, выполненный в виде дозирующей иглы с сервопоршнем, электрогидропреобразователь и электрический датчик положения дозирующей иглы, связанные с электронным регулятором и дозатором, управляющий клапан сравнения, соединенный пружиной с иглой, выполняющий функцию клапана управления резервного канала, пневмогидропреобразователь, соединенный с каналом подвода воздуха от компрессора, гидравлическую проточную камеру с дросселями и междроссельной камерой, соединенной с клапаном сравнения. При этом первый дроссель непосредственно соединен с задатчиком режимов двигателя (см. патент РФ №2230922, 7 F02C 9/26, 2002 г).

Недостатком указанной системы является невозможность использования резервного канала управления для регулирования газотурбинных двигателей со свободной турбиной. При отсутствии ограничения частоты вращения свободной турбины (уменьшением расхода топлива), возможна ее раскрутка и, следовательно, выход на недопустимые режимы работы двигателя.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является ограничение частоты вращения свободной турбины при работе резервного канала управления, что обеспечивает надежную работу и улучшает энергетические характеристики ГТД во всех условиях эксплуатации без существенного усложнения конструкции.

Для достижения указанного технического результата в двухканальной системе топливопитания и регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель, содержащей насос, дозатор топлива, клапан постоянного перепада давлений на дозаторе, основной и резервный каналы управления, золотник-селектор переключения каналов управления с электромагнитным клапаном, электрогидропреобразователь основного канала управления, задатчик режимов резервного канала управления, гидравлически связанный с исполнительным электромеханизмом управления режимами работы двигателя, междроссельную камеру резервного канала управления, входной дроссель которой соединен с задатчиком режимов, клапан управления резервного канала, соединенный пружиной с дозатором и гидравлически - с междроссельной камерой, пневмогидропреобразователь, соединенный с каналом подвода командного давления воздуха, а гидравлической магистралью - с задатчиком режимов и с междроссельной камерой, в гидравлической магистрали, соединяющей пневмогидропреобразователь с задатчиком режимов и междроссельной камерой, параллельно установлены жиклер и клапан ограничения оборотов с датчиком частоты вращения, связанным со свободной турбиной двигателя.

Отличительные признаки, а именно, установка в гидравлической магистрали, соединяющей пневмогидропреобразователь с задатчиком режимов и междроссельной камерой, параллельно жиклера и клапана ограничения оборотов с датчиком частоты вращения, связанным со свободной турбиной двигателя, повышают надежность системы при работе резервного канала управления, т.к. за счет ограничения расхода топлива, не допускается раскрутка свободной турбины до недопустимой величины.

Предложенная система представлена на чертеже и описана ниже.

Система содержит топливный насос 1; дозатор топлива, выполненный в виде дозирующей иглы 2 с сервопоршнем 3 и датчиком положения 4; механические упоры минимального расхода 5 и максимального расхода 6; клапан постоянного перепада давлений 7 на дозирующей игле 2, золотник-селектор 8 переключения каналов управления, управляемый электромагнитным клапаном 9.

Система также содержит магистраль 10 подвода управляющего давления к управляемой полости 11 сервопоршня 3, соединенную либо с магистралью 12 основного канала управления, либо с магистралью 13 резервного канала управления.

Электрогидропреобразователь 14 основного канала управления, соединен с электронным блоком управления газотурбинного двигателя (БУ ГТД) (на схеме не показан).

Канал резервного управления содержит: задатчик режимов 15 с пазом 16, и междроссельную камеру 17. Входной дроссель междроссельной камеры 17 образован проходными сечениями паза 16, регулируемого жиклера 18 и клапана 19, например, золотникового типа, установленных параллельно в гидравлической магистрали, соединяющей пневмогидропреобразователь 20 с задатчиком режимов 15 и междроссельной камерой 17.

На выходе междроссельной камеры 17 резервного канала управления расположен выходной жиклер 21. Клапан 22 управления резервного канала соединен пружиной обратной связи 23 с дозирующей иглой 2 и гидравлически - с междроссельной камерой 17.

Командное давление воздуха по каналу 24 подводится к пневмогидропреобразователю 20, который через паз 16 гидравлически связан с междроссельной камерой 17 параллельными магистралями 25 и 26.

Клапан 19 снабжен датчиком частоты вращения 27, выполненным, например, в виде центробежного тахометра. Усилие датчика 27 уравновешивается настроечной пружиной 28. Датчик 27 соединен приводом 29 со свободной турбиной ГТД.

Исполнительный электромеханизм 30, управляющий режимами работы двигателя, гидравлически связан с задатчиком режимов 15. Исполнительный электромеханизм 30 может быть выполнен как в виде электромеханизма, работающего в релейном режиме (электромагнитного клапана), так и в виде пропорционального электрогидропреобразователя.

Подача топлива в систему осуществляется через входную магистраль 31. Топливо от насоса 1 к клапану постоянного перепада давлений 7 и к дозирующей игле 2 подводится через магистраль нагнетания 32.

Пневмогидропреобразователь 20 состоит из вакуумированного сильфона 33, соединенного рычагом 34 с клапаном 35.

Система работает следующим образом.

Из входной магистрали 31 топливо поступает в топливный насос 1. Насос 1 повышает давление топлива. Из магистрали нагнетания 32 топливо поступает к элементам регулирования и дозирования.

Расход топлива в двигатель определяется площадью открытого проходного сечения дозирующей иглы 2 и перепадом давлений топлива на нем. Проходное сечение определяется положением дозирующей иглы 2. Клапан постоянного перепада 7 поддерживает постоянный перепад давлений на дозирующей игле 2.

При уменьшении величины перепада на дозирующей игле 2 клапан 7, перемещаясь, уменьшает перепуск топлива из магистрали нагнетания 32 во входную магистраль 31.

При увеличении величины перепада на дозирующей игле 2 клапан 7, перемещаясь, увеличивает перепуск топлива из магистрали нагнетания 32 во входную магистраль 31.

При работе основного канала управления подается команда на электромагнитный клапан 9. Электромагнитный клапан 9 закрывается, увеличивая давление, подводимое к золотнику-селектору 8. Золотник-селектор 8 перемещается, при этом магистраль 10 подвода управляющего давления к управляемой полости 11 сервопоршня 3 переключается с магистрали 13 резервного канала управления на магистраль 12 основного канала управления.

Управление расходом топлива в двигатель на основном канале управления осуществляется по командам БУ ГТД. Электрические сигналы от БУ ГТД преобразуются в электрогидропреобразователе 14 в гидравлические команды, управляющие положением дозирующей иглы 2.

При поступлении на электрогидропреобразователь 14 от БУ ГТД команды на увеличение режима электрогидропреобразователь 14 увеличивает давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3. Сервопоршень 3 с дозирующей иглой 2 перемещается в сторону увеличения проходного сечения дозирующей иглы 2. При этом клапан 7 поддерживает постоянный перепад на дозирующей игле 2. Расход топлива в двигатель увеличивается. Датчик положения 4 выдает в БУ ГТД электрический параметр, величина которого пропорциональна положению дозирующей иглы 2. БУ ГТД в зависимости от величины параметра, характеризующего положение дозирующей иглы, выполняет корректировку управляющей команды, в результате чего дозирование топлива выполняется по заданному закону приемистости.

При поступлении на электрогидропреобразователь 14 от БУ ГТД команды на уменьшение режима электрогидропреобразователь 14 уменьшает давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3. Дозирующая игла 2 перемещается в сторону уменьшения проходного сечения дозирующей иглы 2. При этом клапан 7 поддерживает постоянный перепад на дозирующей игле 2. Расход топлива в двигатель уменьшается. Датчик положения 4 выдает в БУ ГТД электрический параметр, величина которого пропорциональна положению дозирующей иглы 2. БУ ГТД в зависимости от величины параметра, характеризующего положение дозирующей иглы 2, выполняет корректировку управляющей команды, в результате чего дозирование топлива выполняется по заданному закону сброса.

Перемещение дозатора при работе основного канала управления огранивают механические упоры минимального расхода 5 и максимального расхода 6.

На установившихся режимах при отклонении величины регулируемых параметров двигателя от заданных значений БУ ГТД производит корректировку управляющего тока на электрогидропреобразователе 14. Работа элементов системы при корректировке расхода топлива аналогична работе при приемистости и сбросе.

При работе на резервном канале управления снимается команда с электромагнитного клапана 9. Электромагнитный клапан 9 открывается, уменьшая давление, подводимое к золотнику-селектору 8. Золотник-селектор 8 перемещается, при этом магистраль 10 подвода управляющего давления к управляемой полости 11 сервопоршня 3 переключается с магистрали 12 основного канала управления на магистраль 13 резервного канала управления.

При работе на резервном канале управления система обеспечивает управление расходом топлива в зависимости от величины воздушной команды с коррекцией расхода топлива по положению задатчика режимов 15.

Расход топлива в двигатель определяется площадью открытого проходного сечения дозирующей иглы 2, зависящей от ее положения и перепада давлений топлива, поддерживаемого клапаном постоянного перепада 7.

Положение дозирующей иглы определяется командным давлением в междроссельной камере 17, гидравлически связанной с клапаном 22 управления резервного канала, которое уравновешивается усилием от пружины обратной связи 23 на дозирующей игле 2. Усилие от пружины обратной связи 23 увеличивается пропорционально ходу дозирующий иглы 2 от упора минимального расхода 5.

При увеличении командного давления в междроссельной камере 17 равновесие нарушается, сила от командного давления в междроссельной камере 17 преодолевает силу пружины 23 и перемещает клапан 22. Клапан 22 уменьшает перепуск топлива, подводимого к нему по магистралям 10 и 13, из управляемой полости 11 сервопоршня 3 во входную магистраль 31. Давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3 увеличивается. Дозирующая игла 2, сжимая пружину 23, перемещается в сторону упора максимального расхода 6, до тех пор, пока не займет новое равновесное положение, при котором возросшее усилие пружины 23, действующее на клапан 22, станет равным усилию от командного давления в междроссельной камере 17.

При уменьшении командного давления в междроссельной камере 17 равновесие нарушается, сила от пружины 23 преодолевает силу от командного давления в междроссельной камере 17 и перемещает клапан 22. Клапан 22 увеличивает перепуск топлива, подводимого к нему по магистралям 10 и 13, из управляемой полости 11 сервопоршня 3 во входную магистраль 31. Давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3 уменьшается. Дозирующая игла 2 перемещается в сторону упора минимального расхода 5, до тех пор, пока не займет новое равновесное положение, при котором снизившееся усилие пружины 23, действующее на клапан 22, станет равным усилию от командного давления в междроссельной камере 17.

Командное давление в междроссельной камере 17 вырабатывается, в зависимости от величины воздушной команды, подводимой по магистрали 24 к пневмогидропреобразователю 20, и корректируется задатчиком режимов 15.

Пневмогидропреобразователь 20 вырабатывает гидравлическую команду Р_Г, пропорциональную величине воздушной команды, уравновешивая на рычаге 34 момент силы от давления воздуха, сжимающего вакуумированный сильфон 33, и момент силы от давления топлива, действующего на клапан 35.

При увеличении величины воздушной команды пропорционально увеличивается величина гидравлической команды.

В качестве воздушной команды может использоваться:

- полное давление на входе в двигатель;

- давление на выходе из какой-либо ступени компрессора;

- отношение давлений и др.

Гидравлическая команда Р_Г корректируется (редуцируется) в междроссельной камере 17, а проходное сечение паза 16 изменяется в зависимости от положения задатчика режимов 15, которым управляет исполнительный электромеханизм 30.

При поступлении электрической команды на уменьшение режима исполнительный электромеханизм 30 разъединяет управляемую полость задатчика режимов 15 и входную магистраль 31. Давление, подводимое к задатчику режимов 15, увеличивается. Задатчик режимов 15 перемещается, уменьшая проходное сечение паза 16. Командное давление в междроссельной камере 17 уменьшается, клапан 22, воздействуя на давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3, перемещает дозирующую иглу 2 в новое равновесное положение, уменьшая проходное сечение дозирующей иглы 2. Расход топлива в двигатель уменьшается.

При поступлении электрической команды на увеличение режима исполнительный электромеханизм 30 соединяет задатчик режимов 15 с входной магистралью 31. Задатчик режимов 15 перемещается, увеличивая проходное сечение паза 16. Давление в междроссельной камере 17 увеличивается, клапан 22, воздействуя на давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3, перемещает дозирующую иглу 2 в новое равновесное положение, увеличивая проходное сечение дозирующей иглы 2. Расход топлива в двигатель увеличивается.

Датчик частоты вращения 27 приводится во вращение приводом 29 с частотой, пропорциональной частоте вращения свободной турбины.

Если частота вращения свободной турбины увеличивается выше заданной величины, усилие от датчика частоты вращения 27 становится больше усилия настроечной пружины 28 и перемещает клапан 19. Клапан 19 перекрывает магистраль 26. При этом эквивалентное проходное сечение входного дросселя междроссельной камеры 17 уменьшается, командное давление в междроссельной камере уменьшается, клапан 22, воздействуя на давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3, перемещает дозирующую иглу 2 в новое равновесное положение, уменьшая проходное сечение дозирующей иглы 2. Расход топлива в двигатель уменьшается, тем самым, ограничивая частоту вращения свободной турбины при работе резервного канала управления.

Также, клапан 19 может быть выполнен с электрическим или электромагнитным приводом, перекрывающим магистраль 26 по электрической команде, а датчик частоты вращения 27 может быть выполнен в виде электромеханического, электромагнитного или электронного устройства.

Система предназначена для регулирования подачи топлива в ГТД со свободной турбиной. Система имеет основной и резервный каналы управления. В канале резервного управления установлены задатчик режимов с пазом и междроссельная камера. Входной дроссель камеры образован проходным сечением паза, регулируемого жиклера и клапана с задатчиком частоты вращения. Жиклер и клапан установлены параллельно в магистрали, соединяющей пневмогидропреобразователь с задатчиком и камерой. Датчик соединен со свободной турбиной двигателя. При увеличении частоты вращения свободной турбины выше заданной усилие от датчика перемещает клапан на перекрытие магистрали. Проходное сечение входного дросселя камеры уменьшается, давление в камере уменьшается, уменьшая проходное сечение дозирующей иглы. Расход топлива в двигатель уменьшается, и частота вращения свободной турбины ограничивается. Технический результат изобретения - повышение надежности работы системы на резервном режиме управления. 1 ил.

Двухканальная система топливопитания и регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель, содержащая насос, дозатор топлива, клапан постоянного перепада давлений на дозаторе, основной и резервный каналы управления, золотник-селектор переключения каналов управления с электромагнитным клапаном, электрогидропреобразователь основного канала управления, задатчик режимов резервного канала управления, гидравлически связанный с исполнительным электромеханизмом управления режимами работы двигателя, междроссельную камеру резервного канала управления, входной дроссель которой соединен с задатчиком режимов, клапан управления резервного канала, соединенный пружиной с дозатором и гидравлически - с междроссельной камерой, пневмогидропреобразователь, соединенный с каналом подвода командного давления воздуха, а гидравлической магистралью - с задатчиком режимов и с междроссельной камерой, отличающаяся тем, что в гидравлической магистрали, соединяющей пневмогидропреобразователь с задатчиком режимов и междроссельной камерой, параллельно установлены жиклер и клапан ограничения оборотов с датчиком частоты вращения, связанным со свободной турбиной двигателя.