ЭЛЕКТРОПРИВОДНОЙ НАСОС Российский патент 2015 года по МПК F02C9/26 

Изобретение относится к двигателестроению, более точно касается электроприводных насосов систем подачи рабочей среды.

Известны системы управления и топливопитания газотурбинным двигателем (ГТД), содержащие шестеренный насос высокого давления с электроприводом и электронный регулятор ГТД, величина расхода топлива в камеру сгорания определяется по измеренной величине частоты вращения электродвигателя насоса (патенты US 7197879 B2, US 7540141 B2). Однако такой подход не позволяет точно определить величину расхода из-за наличия утечек по зазорам насоса, зависящих от перепада давлений на нем, температуры рабочей среды и др. Величина расхода топлива нужна, т.к. часто используется в алгоритмах управления двигателем.

Известны технические решения [WO 2009/052794 A3, US 6655152 B2, патент РФ №2308606, опубл. 2006 г.], согласно которым в топливной системе с электроприводным насосом и электронным регулятором устанавливается датчик расхода, располагаемый за насосом. Электрический сигнал с датчика поступает в электронный регулятор ГТД, где он преобразуется в величину расхода рабочей среды и используется в алгоритмах управления. Недостатком таких систем является наличие датчика расхода, который инерционен, усложняет систему управления и снижает ее надежность из-за возможных погрешностей и отказов.

Технический результат заключается в повышении надежности и качества контроля или управления газотурбинным двигателем за счет безинерционного определения величины расхода рабочей среды на выходе насоса, в том числе в алгоритмах управления ГТД на переходных режимах его работы.

Указанный технический результат достигается тем, что электроприводной насос для газотурбинного двигателя (ГТД), содержащий насос подачи рабочей среды и электропривод, включающий в себя электродвигатель и блок управления частотой его вращения, связанный с электродвигателем, датчиками и системой управления высшего уровня, содержит модуль, служащий для неизмеряемого расчетного определения расхода рабочей среды, выполненный в виде цифрового электронного устройства, имеющего входы для поступления сигналов из блока управления о частоте вращения электродвигателя n_ЭД и тока в его силовых обмотках 1эд, содержащего память со значениями предварительно полученной экспериментальной зависимости расхода рабочей среды от косвенных параметров в виде частоты вращения электродвигателя и тока в его силовых обмотках и алгоритм вычисления расчетного значения объемного расхода Q_н по экспериментальным значениям и измеряемым значениям сигналов с датчиков частоты вращения электродвигателя и тока в его силовых обмотках, основанный на зависимости Q_Н=f(n_эд,I_эд).

Электроприводной насос для газотурбинного двигателя (ГТД) может содержать на выходе насоса датчик температуры рабочей среды, соединенный с модулем, а модуль выполнен с возможностью расчета величины массового расхода G_н как произведение плотности рабочей среды при данной температуре на объемный расход.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием и рисунком, где показана принципиальная схема электроприводного насоса согласно изобретению.

Электроприводной насос содержит насос 3 и регулируемый электропривод, включающий электродвигатель 2 и блок 1 управления, который содержит контур управления током I_эд в силовых обмотках электродвигателя и контур управления частотой вращения _nэд электродвигателя (условно показаны связью 18). Соответствующие датчики указанных параметров всегда встроены в электропривод (на рисунке не показаны), информация с них поступает в блок управления 1 по связи 18 и может использоваться в блоке 6.

Вход 8 насоса 3 служит для поступления рабочей среды с давлением P_вх, а выход 9 - для отвода рабочей среды с давлением P_вых из насоса.

Согласно изобретению электроприводной насос также содержит модуль 6, служащий для неизмеряемого расчетного определения расхода рабочей среды, предназначенного, например, для использования в алгоритмах контроля или управления ГТД. Модуль 6 выполнен в виде цифрового электронного устройства, содержащего память со значениями предварительно полученной экспериментальной зависимости расхода рабочей среды от косвенных параметров в виде частоты вращения электродвигателя и тока в его силовых обмотках и алгоритм вычисления расчетного значения объемного расхода Q_н по экспериментальным значениям и измеряемых сигналов датчиков частоты вращения электродвигателя n_эд, и тока в его силовых обмотках I_ЭД, основанный на зависимости Q_н=f(n_эд,I_эд).

На входы 10 и 11 модуля 6 из блока 1 поступают сигналы о частоте вращения электродвигателя n_эд и токе в его силовых обмотках I_эд.

Модуль 6 может быть связан с блоком 1 управления (показан на рисунке) или встроен в него.

Требуемый режим работы электропривода по частоте его вращения может быть задан в виде сигнала U_упр из систем управления 4 высшего уровня на вход 16 блока 1.

На выходе 12 модуля 6 формируется сигнал о величине объемного расхода, который поступает в блок 5 регистрации параметров. Полученная информация о величине расхода может передаваться из блока 5 в систему управления высшего уровня 4 (на рисунке связь показана пунктиром), например, для использования в алгоритмах управления ГТД или в алгоритмах его контроля и диагностики, а также другим потребителям (эти связи на рисунке не показаны).

Вход 15 модуля 6 служит для ввода в память экспериментальных характеристик насоса 3.

Эти характеристики обычно задают в виде экспериментальных зависимостей объемного расхода от частоты вращения насоса и величины перепада давлений на насосе, который учитывает влияние утечек рабочей среды в насосе с выхода на вход по зазорам. Одновременно могут быть введены зависимости плотности рабочей среды от ее температуры.

Как известно, величина крутящего момента на валу электродвигателя пропорциональна току в его силовых обмотках, а момента на валу насоса - величине перепада давления на нем.

Следовательно, для электроприводного насоса величина тока в силовых обмотках электродвигателя пропорциональна перепаду давлений на насосе, и эта особенность характеристик используется в данном изобретении для расчета величины расхода за насосом без использования датчика расхода.

В процессе работы насоса на вход модуля 6 расчета расходов из блока 1 поступают сигналы о текущих значениях частоты вращения электродвигателя и тока в его силовых обмотках. С использованием методов двойной интерполяции по зависимостям Q_н=f(n_эд,I_эд) определяется величина объемного расхода, которая передается в блок 5 информационно-измерительной системы.

На выходе насоса может быть установлен датчик 7 температуры рабочей среды. Сигнал с него поступает на собственный вход 14 модуля 6, на выходе 13 которого формируется сигнал о величине массового расхода G_Н как произведение плотности рабочей среды при данной температуре на объемный расход.

Следует заметить, что в данном случае имеет место практически безинерционное определение объемного расхода рабочей среды, так как постоянные времени измерения частоты вращения электродвигателя и тока пренебрежимо малы.

Таким образом, заявленный электроприводной насос позволяет определить величину расхода рабочей среды без использования дополнительного датчика расхода. Использование этой информации позволяет повысить надежность контроля и управления работой двигателей.

Изобретение может быть использовано в системах подачи топлива в камеры сгорания авиационных газотурбинных двигателей или двигателей в стационарных газотурбинных установках, в системах смазки подшипников двигателей, в системах подачи агрессивных сред, а также в других системах, которые используют электроприводные насосы.

Электроприводной насос для газотурбинного двигателя (ГТД) содержит насос подачи рабочей среды и электропривод, включающий в себя электродвигатель и блок управления частотой его вращения, связанный с электродвигателем, датчиками и системой управления высшего уровня. Электроприводной насос также содержит модуль, служащий для неизмеряемого расчетного определения расхода рабочей среды. Модуль выполнен в виде цифрового устройства, имеющего входы для поступления сигналов из блока управления о частоте вращения электродвигателя n_эд и тока в его силовых обмотках I_эд, содержащего память со значениями предварительно полученной экспериментальной зависимости расхода рабочей среды от косвенных параметров в виде частоты вращения электродвигателя и тока в его силовых обмотках и алгоритм вычисления расчетного значения объемного расхода Q_н по экспериментальным значениям и измеряемым значениям сигналов с датчиков частоты вращения электродвигателя и тока в его силовых обмотках, основанный на зависимости Q_н=f(n_эд,I_эд). Технический результат заключается в повышении надежности и качества контроля или управления газотурбинным двигателем за счет безинерционного определения величины расхода рабочей среды на выходе насоса, в том числе в алгоритмах управления ГТД на переходных режимах его работы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электроприводной насос для газотурбинного двигателя (ГТД), содержащий насос подачи рабочей среды и электропривод, включающий в себя электродвигатель и блок управления частотой его вращения, связанный с электродвигателем, датчиками и системой управления высшего уровня, отличающийся тем, что содержит модуль, служащий для неизмеряемого расчетного определения расхода рабочей среды, выполненный в виде цифрового устройства, имеющего входы для поступления сигналов из блока управления о частоте вращения электродвигателя n_эд и тока в его силовых обмотках I_эд, содержащего память со значениями предварительно полученной экспериментальной зависимости расхода рабочей среды от косвенных параметров в виде частоты вращения электродвигателя и тока в его силовых обмотках и алгоритм вычисления расчетного значения объемного расхода Q_н по экспериментальным значениям и измеряемым значениям сигналов с датчиков частоты вращения электродвигателя и тока в его силовых обмотках, основанный на зависимости Q_н=f(n_эд,I_эд).

2. Электроприводной насос для газотурбинного двигателя (ГТД) по п.1, отличающийся тем, что содержит на выходе насоса датчик температуры рабочей среды, соединенный с модулем, а модуль выполнен с возможностью расчета величины массового расхода G_н как произведение плотности рабочей среды при данной температуре на объемный расход.