ДВУХКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ТОПЛИВОПИТАНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2015 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, клапан постоянного перепада давлений на дозаторе, основной и резервный каналы управления, золотник-селектор переключения каналов управления, 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. Возможен вариант выполнения системы с релейным перемещением задатчика режимов двигателя или вариант системы с пропорциональным перемещением задатчика режимов (см. патент РФ №2230922, 7 F02C 9/26, 2002 г.).

Недостатком варианта системы с релейным перемещением задатчика режима является ограниченная функциональность резервного канала управления, снижающая надежность системы, так как запуск двигателя на резервном канале управления не предусмотрен.

В варианте системы с пропорциональным перемещением задатчика режима возможен ручной запуск двигателя, но для управления перемещением задатчика требуется механическая или электромеханическая связь задатчика с рычагом управления двигателем. Кроме того, для ручного управления запуском необходим квалифицированный оператор. Все это усложняет конструкцию и эксплуатацию двигателя.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является обеспечение автоматического запуска газотурбинного двигателя при работе резервного канала управления, 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 дросселю междроссельной камеры установлен временной топливный автомат, состоящий из дросселирующего элемента с сервомотором, а в гидравлических магистралях, соединяющих управляемую полость сервомотора с насосом, установлены клапан постоянного расхода и электромагнитный клапан.

Отличительные признаки, а именно установка в гидравлической магистрали, соединяющей пневмогидропреобразователь с задатчиком режимов и междроссельной камерой, параллельно дросселю междроссельной камеры временного топливного автомата, состоящего из дросселирующего элемента с сервомотором, а в гидравлических магистралях, соединяющих управляемую полость сервомотора с насосом, - клапана постоянного расхода и электромагнитного клапана, обеспечивают возможность автоматического запуска газотурбинного двигателя. Автоматизация запуска газотурбинного двигателя при работе резервного канала управления гарантирует надежный выход двигателя на режим малого газа и исключает возможность неблагоприятных явлений, которые могут привести к необратимому снижению прочности деталей двигателя. Пример подобных явлений - заброс температуры газов перед турбиной.

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 с основного на резервный канал управления, управляемый электромагнитным клапаном 9.

Система также содержит магистраль 10 подвода управляющего давления к управляемой полости 11 сервопоршня 3, имеющую возможность соединения через золотник-селектор 8 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 проходным сечением паза 16. На выходе междроссельной камеры 17 резервного канала управления расположен дроссель 18.

Клапан 19 управления резервного канала соединен пружиной обратной связи 20 с дозирующей иглой 2 и гидравлически - с междроссельной камерой 17.

Канал 21 подвода командного давления воздуха соединен с пневмогидропреобразователем 22, который через паз 16 гидравлически связан с междроссельной камерой 17.

Пневмогидропреобразователь 22 состоит из вакуумированного сильфона 23, соединенного рычагом 24 с клапаном 25.

Исполнительный электромеханизм 26, управляющий режимами работы двигателя, гидравлически связан с задатчиком режимов 15. Электромеханизм 26 может быть выполнен как в виде работающего в релейном режиме электромагнитного клапана, так и в виде пропорционального электрогидропреобразователя.

В гидравлической магистрали, соединенной с пневмогидропреобразователем 22 и задатчиком режимов 15 параллельно дросселю 18 междроссельной камеры 17, расположен временной топливный автомат 27. Временной топливный автомат 27 состоит из дросселирующего элемента 28, сервомотора 29, пружины 30, упора 31 и регулировочного винта 32.

В гидравлических магистралях 33, 34, 35 и 36, соединяющих управляемую полость сервомотора 29 с насосом 1, установлены электромагнитный клапан 37 и клапан постоянного расхода 38, состоящий из регулируемого жиклера 39 и клапана 40.

Входная магистраль 41 насоса 1 соединена магистралью 36 с электромагнитным клапаном 37. Электромагнитный клапан 37 соединен магистралью 35 с управляемой полостью сервомотора 29.

Магистраль нагнетания 42 соединена магистралью 33 с клапаном постоянного расхода 38. Клапан 38 соединен магистралью 34 с управляемой полостью временного топливного автомата 27.

Система работает следующим образом.

Из входной магистрали 41 топливо поступает в топливный насос 1, там давление топлива повышается, и топливо из магистрали нагнетания 42 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 42 во входную магистраль 41.

При увеличении величины перепада на дозирующей игле 2 клапан 7, перемещаясь, увеличивает перепуск топлива из магистрали нагнетания 42 во входную магистраль 41.

При работе основного канала управления на электромагнитный клапан 9 подается команда, 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 установившихся и переменных режимах при работе основного канала 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 2, 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.

На неработающем двигателе пружина 30 перемещает сервомотор 29 временного топливного автомата 27 в положение, определяемое регулировочным винтом 32. Во время запуска двигателя закрытый электромагнитный клапан 37 разъединяет магистраль 35 и магистраль 36. Топливо из магистрали нагнетания 42 поступает по магистралям 33 и 34 через клапан постоянного расхода 38 в управляемую полость временного топливного автомата 27. Сервомотор 29 перемещается, преодолевая усилие пружины 30, в положение определяемое упором 31. При работе основного канала управления изменение величины проходного сечения дросселирующего элемента 28 не оказывает влияния на величину расхода топлива.

При работе на резервном канале управления снимается команда с электромагнитного клапана 9, он 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 положения иглы 2 и перепада давлений топлива, поддерживаемого клапаном постоянного перепада 7.

Положение дозирующей иглы 2 определяется командным давлением в междроссельной камере 17, гидравлически связанной с клапаном 19 управления резервного канала, которое уравновешивается усилием от пружины обратной связи 20 на дозирующей игле 2. Усилие от пружины обратной связи 20 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 20 и перемещает клапан 19. Клапан 19 уменьшает перепуск топлива, подводимого к нему по магистралям 10 и 13, из управляемой полости 11 сервопоршня 3 во входную магистраль 41. Давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3 увеличивается. Дозирующая игла 2, сжимая пружину 20, перемещается в сторону упора максимального расхода 6 до тех пор, пока не займет новое равновесное положение, при котором возросшее усилие пружины 20, действующее на клапан 19, станет равным усилию от командного давления в междроссельной камере 17.

При уменьшении командного давления в междроссельной камере 17 равновесие нарушается, сила от пружины 20 преодолевает силу от командного давления в междроссельной камере 17 и перемещает клапан 19. Клапан 19 увеличивает перепуск топлива, подводимого к нему по магистралям 10 и 13, из управляемой полости 11 сервопоршня 3 во входную магистраль 41. 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 20, действующее на клапан 19, 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 21 к пневмогидропреобразователю 22, и корректируется задатчиком режимов 15.

Пневмогидропреобразователь 20 вырабатывает гидравлическую команду Р_Г, пропорциональную величине воздушной команды, уравновешивая на рычаге 24 момент силы от давления воздуха, сжимающего вакуумированный сильфон 23, и момент силы от давления топлива, действующего на клапан 25.

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 26.

При поступлении электрической команды на уменьшение режима исполнительный электромеханизм 26 соединяет управляемую полость задатчика режимов 15 и входную магистраль 41. Задатчик режимов 15 перемещается, уменьшая проходное сечение паза 16. Командное давление в междроссельной камере 17 уменьшается, клапан 19, 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 26 разъединяет задатчик режимов 15 и входную магистраль 41. Задатчик режимов 15 перемещается, увеличивая проходное сечение паза 16. Давление в междроссельной камере 17 увеличивается, клапан 19, 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.

На неработающем двигателе пружина 30 перемещает сервомотор 29 временного топливного автомата 27 в положение, определяемое регулировочным винтом 32. До начала запуска двигателя исполнительный электромеханизм 26 соединяет управляемую полость задатчика режимов 15 и входную магистраль 41.

В начале запуска двигателя электромагнитный клапан 37 открыт. Управляемая полость временного топливного автомата 27 соединена магистралями 36 и 35 с входной магистралью 41. При этом расход топлива, поступающий в управляемую полость временного топливного автомата 27 по магистралям 33 и 34, равен расходу топлива, сливаемому через электромагнитный клапан 37 по магистралям 35 и 36 во входную магистраль 41. Пружина 30 прижимает сервомотор 29 к регулировочному винту 32. При этом суммарная величина проходного сечения дросселирующего элемента 28 и дросселя 18 обеспечивает в междроссельной камере 17 давление, соответствующее величине начального расхода топлива на запуске. Регулировочный винт 32 предназначен для установки величины начального расхода на запуске изменением величины проходного сечения дросселирующего элемента 28.

После поступления электрической команды электромагнитный клапан 37 закрывается, разъединяя магистрали 35 и 36. Топливо из управляемой полости временного топливного автомата 27 перестает сливаться во входную магистраль 41.

Из магистрали нагнетания 42 топливо поступает через клапан постоянного расхода 38 в управляемую полость временного топливного автомата 27. Сервомотор 29 перемещается, преодолевая усилие пружины 30. При этом величина суммарного проходного сечения дросселирующего элемента 28 и дросселя 18 изменяется в зависимости от хода сервомотора 29, изменяя давление в междроссельной камере 17, тем самым управляя расходом топлива. Проходное сечение дросселирующего элемента 28 сервомотора 29 определяет величину расхода топлива.

Скорость перемещения сервомотора 29 определяется величиной расхода топлива, поступающего в управляемую полость временного топливного автомата 27, которая устанавливается регулируемым жиклером 39 клапана постоянного расхода 38. Постоянный расход поддерживается клапаном 40, который изменяет свое проходное сечение, поддерживая постоянную величину перепада давлений на регулируемом жиклере 39. Скорость перемещения сервомотора 29 постоянная, следовательно, ход сервомотора 29 пропорционален времени, прошедшему с момента поступления электрической команды на электромагнитный клапан 37. Зависимость изменения проходного сечения дросселирующего элемента 28 от хода сервомотора 29 определяет изменение расхода топлива по времени.

Таким образом, реализуется автоматическое дозирование топлива по времени на режиме запуска при работе резервного канала управления.

После перемещения сервомотора 29 в положение, определяемое упором 31, величина суммарного проходного сечения дросселирующего элемента 28 и дросселя 18 соответствует расходу топлива на установившемся режиме.

Двухканальная система предназначена для автоматического управления ГТД на всех режимах работы двигателя. Система имеет основной и резервный каналы управления. Автоматический запуск на резервном канале управления обеспечивается установкой временного автомата параллельно дросселю междроссельной камеры. Автомат содержит дросселирующий элемент с сервомотором. В магистралях, соединяющих временный автомат с насосом, установлены клапан постоянного расхода и электромагнитный клапан. Технический результат - обеспечение автоматического запуска газотурбинного двигателя при работе резервного канала управления без усложнения конструкции. 1 ил.

Двухканальная система топливопитания и регулирования газотурбинного двигателя, 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 режима и междроссельной камерой, параллельно дросселю междроссельной камеры установлен временной топливный автомат, состоящий из дросселирующего элемента с сервомотором, а в гидравлической магистрали, соединяющей управляемую полость сервомотора с насосом, установлены клапан постоянного расхода и электромагнитный клапан.