ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА С МНОГОКАНАЛЬНЫМИ ФОРСУНКАМИ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ Российский патент 2018 года по МПК F02C7/228 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей, в частности, авиационных газотурбинных двигателей и более конкретно относится к системам подачи воздуха и топлива в эти камеры сгорания.

В частности, изобретение относится к системам впрыска с двойным контуром впрыска топлива, которые содержат центральную форсунку, часто называемую контрольной форсункой, обеспечивающую оптимизированный постоянный расход топлива на режимах малого газа, а также периферическую форсунку, иногда называемую главной форсункой, которая обеспечивает оптимизированный неравномерный расход для высокооборотных режимов. Эти системы впрыска были разработаны для обеспечения лучшей адаптации подачи воздуха и топлива на разных режимах работы камер сгорания с целью снижения расхода топлива и выбросов загрязняющих веществ, таких как оксиды азота и дымы.

Уровень техники

Как правило, авиационный газотурбинный двигатель содержит топливный резервуар, камеру сгорания и топливную систему, выполненную с возможностью регулирования потока топлива из топливного резервуара в камеру сгорания.

Топливная система содержит набор топливных форсунок, расположенных в камере сгорания, топливный насос для подачи топлива под давлением из топливного резервуара, блок дозировки топлива FMU (английское сокращение от Fuel Metering Unit) для управления потоком топлива в направлении форсунок, и контур питания топливом, гидравлически соединяющий блок дозировки топлива с топливными форсунками.

Во время запуска газотурбинного двигателя топливо откачивают из топливного резервуара в направлении блока FMU при помощи насоса, и после достижения давления, достаточного для запуска, блок FMU направляет топливо в форсунки.

Топливная система может содержать множество каналов для потока. Например, топливная система может содержать два ряда форсунок (главный набор и вспомогательный набор), трубопроводы для каждого набора и клапан деления потока, расположенный на выходе блока FMU.

В таких системах топливо поступает в первичные и вторичные форсунки в зависимости от режима работы газотурбинного двигателя. Например, во время запуска газотурбинного двигателя топливо сначала поступает только в первичные форсунки через первичный контур питания. Однако, как только топливо, поступающее из первичных топливных форсунок, начинает гореть равномерно и удовлетворительно, его затем подают во вторичные форсунки через вторичный контур питания. Иначе говоря, первичный контур питания выдает контрольный поток, который запускает процесс горения, тогда как вторичный контур питания имеет главный расход, предназначенный для дополнения и интенсификации процесса горения после того, как устанавливается постоянное горение контрольного потока.

Чтобы решить проблемы, связанные с присутствием остаточного топлива в трубопроводах топливной системы после остановки газотурбинного двигателя, в документе US 5809771 было предложено продувать трубопроводы топливной системы при помощи клапана, соединенного с контрольными и главными форсунками и выполненного с возможностью всасывания, накапливания и затем нагнетания топлива, когда газотурбинный двигатель остановлен.

Однако работой топливной системы напрямую управляет давление, присутствующее на выходе блока FMU, что не позволяет в достаточной степени адаптировать расход к режиму газотурбинного двигателя и изменять значения распределения топлива в течение времени, например, с учетом старения газотурбинного двигателя. Поэтому, как предложено в документе US 5809771, топливо продувают только при выключении газотурбинного двигателя. Кроме того, применение двух контуров питания топливом часто приводит к разным потерям напора между двумя контурами.

Наконец, поскольку главный контур питания имеет неравномерный расход, в трубопроводах может образоваться кокс в сложных условиях, в которых может находиться топливная система, в частности, что касается температуры.

В документе ЕР 2535644 была предложена топливная система для газотурбинного двигателя, выполненная с возможностью впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, содержащая контрольный контур, главный контур и регулятор расхода. Однако эта топливная система не содержит средства, позволяющего избегать образования кокса, когда главный контур не пропускает топливо.

В документе ЕР 2063087 тоже описана топливная система для газотурбинного двигателя, выполненная с возможностью впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, содержащая контрольный контур, главный контур и регулятор расхода. В этом документе предложено также продувать контуры, когда двигатель не работает. Однако средства продувки не уточнены.

Наконец, в документе ЕР 1988267 описана топливная система для газотурбинного двигателя, выполненная с возможностью впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, содержащая контрольный контур, два главных контура, регулятор расхода и продувочный резервуар. Однако конфигурация топливной системы является такой, что она тоже позволяет продувать главные контуры только при выключенном газотурбинном двигателе.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения состоит в создании топливной системы, в частности, для авиационного газотурбинного двигателя, содержащей две магистрали питания топливом, выполненные с возможностью впрыска топлива в камеру сгорания в зависимости от режима газотурбинного двигателя, позволяющей ограничить риски образования кокса и, в случае необходимости, устраняющей перепады потерь напора между двумя контурами.

Для этого изобретением предложена топливная система для газотурбинного двигателя, выполненная с возможностью впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, содержащая:

- контрольный контур, выполненный с возможностью впрыска топлива в камеру сгорания,

- главный контур, выполненный с возможностью впрыска топлива в камеру сгорания, и

- регулятор расхода, выполненный с возможностью регулирования распределения расхода топлива между контрольным контуром и главным контуром в зависимости от режима газотурбинного двигателя, при этом указанный регулятор расхода содержит золотник, подвижный между первой конфигурацией, в которой главный контур перекрыт и контрольный контур открыт, и второй конфигурацией, в которой одновременно главный контур и контрольный контур пропускают топливо, и

- топливный резервуар, насос высокого давления, выполненный с возможностью создания давления в топливе на выходе топливного резервуара, и продувочный резервуар, соединяемый выборочно с одной стороны с резервуаром или с насосом высокого давления и с другой стороны с главным контуром, при этом указанный продувочный резервуар выполнен с возможностью всасывания, накапливания и продувки топлива в главном контуре в зависимости от разности давления между главным контуром и резервуаром или насосом высокого давления, с которым он соединен.

Вышеупомянутая топливная система имеет также следующие предпочтительные, но не ограничительные отличительные признаки:

- она дополнительно содержит на выходе регулятора расхода регулятор давления, выполненный с возможностью изменения давления в контрольном контуре и главном контуре и уменьшения разности потерь напора между контрольным контуром и главным контуром на входе регулятора давления,

- продувочный резервуар соединен с главным контуром на выходе регулятора давления,

- продувочным резервуаром управляет регулятор расхода, который выборочно соединяет продувочный резервуар с топливным резервуаром или с насосом высокого давления таким образом, что:

в первой конфигурации золотника продувочный резервуар соединен с резервуаром и накапливает топливо, содержащееся в главном контуре, и

во второй конфигурации золотника продувочный резервуар соединен с насосом высокого давления и нагнетает в главный контур топливо, накопленное, когда золотник находился в первой конфигурации,

- регулятор давления содержит средства регулирования, выполненные с возможностью изменения проходного сечения главного контура и контрольного контура на выходе регулятора расхода, чтобы ограничивать потери напора в указанных контурах,

- средствами регулирования управляют два противодействующих давления, которые соответствуют давлению на входе контрольного контура и давлению на входе главного контура, чтобы адаптировать проходное сечение указанных главного и контрольного контуров,

- средства регулирования дополнительно содержат золотник, выполненный с возможностью корректировать проходное сечение главного контура и контрольного контура, при этом положение золотника находится в динамическом равновесии в зависимости от давления на входе контрольного контура и от давления на входе главного контура,

- она дополнительно содержит блок дозировки топлива FMU на входе регулятора расхода, и

- регулятор расхода приводится в действие сервоклапаном и дополнительно содержит пассивный электрический датчик линейных перемещений LVDT, выполненный с возможностью определения конфигурации золотника в регуляторе расхода.

Вторым объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий описанную выше топливную систему, выполненную с возможностью впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя.

Третьим объектом изобретения является способ регулирования с применением топливной системы, впрыскивающей топливо с входным расходом в камеру сгорания газотурбинного двигателя через контрольный контур и главный контур, как было описано выше, при этом указанный способ регулирования содержит следующие этапы:

- регулируют распределение расхода топлива в контрольном контуре и в главном контуре в зависимости от режима газотурбинного двигателя, перемещая подвижный золотник между первой конфигурацией, в которой главный контур перекрыт, а контрольный контур открыт, и второй конфигурацией, в которой открыты одновременно главный контур и контрольный контур, и

- управляют продувочным резервуаром в зависимости от положения подвижного золотника регулятора расхода, выборочно соединяя продувочный резервуар с резервуаром или с насосом высокого давления таким образом, чтобы всасывать, накапливать или продувать топливо в главном контуре.

Вышеупомянутый способ имеет также следующие предпочтительные, но не ограничительные отличительные признаки:

- распределение входного расхода топлива между контрольным контуром и главным контуром регулируют, контролируя положение подвижного золотника, который изменяет проходное сечение для топлива на входе контрольного контура и проходное сечение для топлива на входе главного контура, при этом контрольный контур и главный контур получают, каждый, часть входного расхода, при этом каждое положение подвижного золотника фиксирует часть входного расхода, поступающую в контрольный контур, и часть входного расхода, поступающую в главный контур, независимо от входного расхода топлива, обеспечивая таким образом регулирование распределения входного расхода на основании контроля положения золотника, и способ дополнительно содержит этап, во время которого распределение входного расхода топлива корректируют, чтобы соблюдать минимальный или максимальный расход топлива, которое должно поступать в контрольный контур и/или в главный контур;

- способ содержит этап, на котором уравнивают давление в главном контуре на входе регулятора давления топливной системы и давление в контрольном контуре на входе указанного регулятора давления;

- способ содержит этапы, на которых выбирают часть X входного расхода топлива, которая должна поступать в контрольный контур и/или в главный контур, где X составляет от 0 до 100%, и подвижный золотник перемещают в положение, позволяющее получить указанную часть X;

- контрольный контур и главный контур содержат входные отверстия, имеющие сечения одинаковой формы, при этом способ содержит этап, на котором фиксируют часть Х_контур входного расхода топлива, поступающую в контрольный контур (9а), соответственно в главный контур (9b), на основании формулы: где S_контур - площадь проходного сечения для топлива на входе контрольного контура, соответственно главного контура, S_{контрольн} - площадь проходного сечения для топлива контрольного контура, и S_главн - площадь проходного сечения для топлива главного контура;

- контрольный контур и главный контур содержат входные отверстия, имеющие сечения разной формы, при этом способ содержит этап, на котором фиксируют часть Х_контур входного расхода топлива, поступающую в контрольный контур, соответственно главный контур, на основании формулы: где S_контур - площадь проходного сечения для топлива на входе контрольного контура, соответственно главного контура, K_контур - константа, связанная с формой сечения входного отверстия контрольного контура, соответственно главного контура, S_{контрольн} - площадь проходного сечения для топлива контрольного контура, и S_главн - площадь проходного сечения для топлива главного контура;

- способ содержит этап, на котором в зависимости от интервала минимального и максимального расхода для контрольного контура и главного контура контролируют положение подвижного золотника таким образом, чтобы удерживать площадь проходного сечения для топлива контрольного контура, соответственно главного контура в заданном интервале таким образом, чтобы потеря напора контрольного контура, соответственно главного контура находилась в заранее определенном интервале.

Работа, которая привела к этому изобретению, получила финансирование со стороны Программы Seventh Framework FP7/2007-2013 Европейского Союза в рамках конвенции о субсидиях №ACP1-GA-2011-283216-LEMCOTEC.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки, задачи и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания не ограничительных примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

На фиг. 1 представлен пример осуществления заявленной топливной системы газотурбинного двигателя в первой конфигурации, соответствующей режиму малого газа газотурбинного двигателя;

на фиг. 2 показана топливная система, изображенная на фиг. 1, в переходной конфигурации между первой конфигурацией и второй конфигурацией, соответствующей изменению режима газотурбинного двигателя;

на фиг. 3 показана топливная система, изображенная на фиг. 1, во второй конфигурации, соответствующей высокооборотному режиму газотурбинного двигателя;

на фиг. 4 представлены этапы варианта осуществления способа регулирования распределения топлива между контрольным контуром и главным контуром;

на фиг. 5 представлены этапы коррекции распределения топлива в зависимости от условий расхода для одного из контуров.

Осуществление изобретения

Топливная система

От входа к выходу в направлении прохождения потока топлива топливная система 1 содержит:

- топливный резервуар 5,

- насос 6 высокого давления, выполненный с возможностью повышения давления топлива в резервуаре, и

- блок 7 дозировки топлива FMU, питаемый топливом при помощи насоса 6 высокого давления и выполненный с возможностью управления потоком топлива в направлении камеры 8 сгорания через контур питания топливом.

В данном случае контур питания топливом содержит два ряда форсунок 8а, 8b, каждый из которых связан с контуром питания 9а, 9b, и регулятор 2 расхода (или клапан деления расхода), расположенные на выходе блока 7 FMU.

В частности, контур питания включает в себя контрольный контур 9а, выполненный с возможностью непрерывного впрыска топлива в камеру 8 сгорания через контрольные форсунки 8а, и главный контур 9b, выполненный с возможностью прерывистого впрыска топлива в камеру 8 сгорания через главные форсунки 8b.

Расходом контрольного 9а и главного 9b контуров управляют при помощи регулятора 2 расхода, расположенного между блоком 7 FMU и контрольными 8а и главными 8b форсунками. Регулятор 2 расхода регулирует распределение расхода между каждым контуром питания 9а, 9b в зависимости от режима газотурбинного двигателя и может приводиться в действие, например, сервоклапаном 20.

Наконец, топливная система 1 содержит также регулятор 3 давления, расположенный на выходе регулятора 2 расхода и выполненный с возможностью изменения давления в контрольном контуре 9а и главном контуре 9b с целью уменьшения или устранения разности потерь напора между двумя контурами 9а и 9b на входе регулятора 3 давления.

В частности, регулятор 2 расхода содержит:

- входное отверстие 22 для впуска топлива из резервуара через насос 6 высокого давления и блок 7 FMU,

- контрольное нагнетательное отверстие 24а, выполненное с возможностью нагнетания топлива в главном контуре 9b в направлении главной форсунки 8b, и

- подвижный золотник 26, имеющий первую конфигурацию, в которой золотник 26 перекрывает главное нагнетательное отверстие 24b, при этом контрольное нагнетательное отверстие 24а является открытым, и вторую конфигурацию, в которой открыты одновременно контрольное нагнетательное отверстие 24а и главное нагнетательное отверстие 24b. Таким образом, в первой конфигурации топливо впрыскивается в камеру 8 сгорания только через контрольную форсунку 8а, тогда как во второй конфигурации главная форсунка 8b тоже впрыскивает топливо в камеру 8 сгорания. В этой конфигурации положение золотника 26 позволяет соблюдать процентное соотношение распределения между контрольным контуром 9а и главным контуром 9b.

Положением золотника 26 регулятора 2 расхода управляет сервоклапан 20. Кроме того, топливная система 1 может содержать пассивный электрический датчик 21 линейных перемещений LVDT (английское сокращение от Linear Variable Differential Transformer), позволяющий получать информацию о конфигурации золотника 26 в регуляторе 2 расхода.

Что касается регулятора 3 давления, то он содержит:

- контрольное отверстие 30а впуска топлива из контрольного нагнетательного отверстия 24а,

- главное отверстие 30b впуска топлива из главного нагнетательного отверстия 24b,

- контрольное выходное отверстие 32а, выполненное с возможностью нагнетания топлива из контрольного контура 9а в контрольную форсунку 8а,

- главное выходное отверстие 32b, выполненное с возможностью нагнетания топлива из главного контура 9b в главную форсунку 8b,

при этом каждый набор впускных 30а, 30b и выходных 32а, 32b отверстий соединен с магистралью питания соответствующего контура, и

- средства регулирования, выполненные с возможностью изменения проходного сечения магистралей главного контура 9b и контрольного контура 9а между регулятором 2 расхода и главной 8b и контрольной 8а форсунками соответственно с целью ограничения потерь напора в этих контурах 9а, 9b.

Средства регулирования регулятора 3 давления содержат подвижный золотник 38, выполненный с возможностью изменения проходного сечения для топлива в магистралях главного контура 9b и контрольного контура 9а между регулятором 2 расхода и форсунками 8а, 8b.

Например, золотник 38 управляется двумя противодействующими давлениями, соответствующими давлению Ра на уровне контрольного впускного отверстия 30а и давлению Pb на уровне главного впускного отверстия 30b. Для этого противодействующие давления Ра и Pb управляют положением золотника 38 при помощи контрольного трубопровода, выполненного с возможностью отбора давления на уровне контрольного впускного отверстия 30а и приложения этого давления с первой стороны золотника 38, и главного трубопровода, выполненного с возможностью отбора давления на уровне главного впускного отверстия 30b и приложения этого давления со второй стороны золотника 38. Таким образом, золотник 38 находится в динамическом равновесии в зависимости от давлений Ра и Pb на входе регулятора 3 в каждом из контуров питания контрольной 8а и главной 8b форсунок.

На прилагаемых фигурах главный контур 9b находится слева, тогда как контрольный контур 9а находится справа. Таким образом, давление Ра, отбираемое в контрольном контуре 9а, прикладывают к левой стороне золотника 38, тогда как давление Pb, отбираемое в главном контуре 9b, действует на правую сторону золотника 38.

Таким образом, когда топливо поступает через регулятор 2 расхода только в контрольный контур 9а, давление Ра на уровне контрольного впускного отверстия 30а превышает давление Pb на уровне главного впускного отверстия 30b. Чтобы не добавлять потери напора, золотник 38 перемещается таким образом, чтобы не перекрывать магистраль питания контрольного контура 9а (фиг. 1).

Если же главный контур 9b тоже получает питание топливом через регулятор 2 расхода, давление Pb на уровне главного впускного отверстия 30b повышается, что приводит к перемещению золотника 38 регулятора 3 давления таким образом, чтобы значения давления на входе регулятора 3 давления в главном контуре 9b и в контрольном контуре 9а уравнялись. Так, на фиг. 3 золотник 38 переместился влево по отношению к положению на фиг. 1.

При этом положение золотника 38 регулятора 3 давления определяют в зависимости от значения давлений Ра и Pb. Например, если давление Pb (на уровне главного впускного отверстия 30b) выше, чем давление Ра (на уровне контрольного впускного отверстия 30а), золотник 38 перемещается, чтобы уменьшить проходное сечение в магистрали питания контрольного контура 9а, частично ее перекрывая, и чтобы увеличить проходное сечение в магистрали питания главного контура 9b, вследствие чего в контрольном контуре 9а потери напора увеличиваются, а в главном контуре 9b уменьшаются. В данном случае, благодаря главному и контрольному трубопроводам, которые отбирают давление на уровне соответствующих впускных отверстий 30а, 30b, золотник 38 перемещается влево.

В варианте осуществления регулятор 3 давления может дополнительно содержать ограничители 39а, 39b расхода, расположенные на главном и контрольном трубопроводах и выполненные с возможностью сглаживания расхода и предупреждения возможных пиков давления, связанных с изменением состояния (открытое/закрытое) главного контура 9b.

Топливная система 1 дополнительно содержит продувочный резервуар 4, выполненный с возможностью всасывания, накопления и нагнетания топлива в магистраль питания главного контура 9b. Он предназначен для продувки контура 9b, когда этот контур не используют, чтобы избегать образования кокса, для накопления топлива и для его последующего нагнетания в контур 9b с целью предварительного заполнения магистрали, когда главный контур 9b переходит из закрытого состояния в открытое состояние.

Для этого продувочный резервуар 4 содержит продувочное отверстие 40, соединенное с магистралью питания главного контура 9b, предпочтительно между главным выходным отверстием 32b регулятора 3 давления и главной форсункой 8b, и приводное отверстие 42, выборочно соединяемое с топливным резервуаром 5 или с насосом 6 высокого давления, предпочтительно через регулятор 2 расхода. Для этого приводное отверстие 42 соединено с первым отверстием 42а регулятора 2, выполненным с возможностью установления гидравлического сообщения со вторым отверстием 28а регулятора 2, когда золотник 38 находится в своей первой конфигурации, и с третьим отверстием 42b регулятора 2, выполненным с возможностью установления гидравлического сообщения с вторым отверстием 28b регулятора 2, когда золотник 38 находится в своей второй конфигурации.

Продувочный резервуар 4 работает аналогично гидравлическому аккумулятору и содержит подвижную разделительную стенку 45, ограничивающую приводную полость 44 и продувочную полость 46. Таким образом, в зависимости от того, соединен продувочный резервуар 4 с топливным резервуаром 5 или с насосом 6 высокого давления, разность давления между приводным отверстием 42 и продувочным отверстием 40 заставляет перемещаться разделительную стенку 45 продувочного резервуара 4. Действительно, давление на уровне продувочного отверстия 40 равно давлению в главном контуре 9b на уровне форсунки 8b, тогда как давление на уровне приводного отверстия 42 равно либо давлению топливного резервуара 5, либо давлению на выходе насоса 6 высокого давления.

Кроме того, на разделительную стенку 45 может действовать усилие в направлении положения покоя со стороны пружины 48 сжатия. Жесткость пружины 48 определяют в зависимости от необходимого объема для приводной 44 и продувочной 46 полостей продувочного резервуара 4, а также от действующих приводных давлений.

Согласно варианту выполнения, продувочным резервуаром 4 управляет регулятор 2 расхода таким образом, чтобы конфигурация золотника 26 регулятора 2 расхода определяла конфигурацию продувочного резервуара 4.

Так, в первой конфигурации регулятора 2 расхода приводное отверстие 42 продувочного резервуара 4 соединено с топливным резервуаром 5 через первое 42а и второе 28а отверстия. Таким образом, давление в приводной полости 44 равно давлению топливного резервуара 5, тогда как давление в продувочной полости 46 равно давлению в главном контуре 9b на уровне главной форсунки 8b. Поскольку давление в главном контуре 9b выше, чем в топливном резервуаре 5, разделительная стенка 45 продувочного резервуара 4 находится со стороны приводного отверстия 42.

Во второй конфигурации регулятора 2 расхода приводное отверстие 42 продувочного резервуара 4 соединено с насосом 6 высокого давления через третье 42b и четвертое 28b отверстия. Таким образом, давление в приводной полости 44 равно давлению насоса 6 высокого давления, тогда как давление в продувочной полости 46 остается равным давлению в главном контуре 9b. Поскольку давление в главном контуре 9b ниже, чем на уровне насоса 6 высокого давления, стенка продувочного резервуара 4 перемещается в направлении продувочного отверстия 40.

Предпочтительно золотник 26 регулятора 2 расхода выполнен с возможностью соединения приводного отверстия 42 продувочного резервуара 4 с насосом 6 высокого давления через второй канал 28b до прихода в свою вторую конфигурацию, чтобы продувочный резервуар 4 мог вытолкнуть топливо, которое он содержит в своей продувочной полости 46, в направлении главного контура 9b, пока регулятор 2 расхода не позволит топливу пройти в главный контур 9b через регулятор 3 давления.

При этом топливная система 1 может работать следующим образом.

В случае слабой тяги (фиг. 1) работает только контрольный контур 9а, при этом главный контур 9b перекрыт.Золотник 26 регулятора 2 расхода находится в своей первой конфигурации, то есть он перекрывает главное нагнетательное отверстие 24b, при этом контрольное нагнетательное отверстие 24а пропускает топливо.

Насос 6 повышает давление топлива по команде от блока FMU 7, затем поступает в регулятор 2 расхода. Поскольку золотник 26 находится в своей первой конфигурации, топливо проходит только в контрольный контур 9а питания, поэтому давление Ра (на уровне контрольного впускного отверстия 30а) выше в контрольном контуре 9а, чем в главном контуре 9b. Золотник 38 регулятора 3 давления расположен таким образом, чтобы не добавлять потерь напора на контрольной магистрали: в данном случае золотник 38 находится справа под действием давления Ра.

Кроме того, в этой первой конфигурации золотника 26 регулятора 2 расхода продувочный резервуар 4 соединен с топливным резервуаром 5. Таким образом, давление в приводной полости 44 ниже, чем давление в продувочной полости 46, поэтому разделительная стенка 45 находится рядом с приводным отверстием 42. Следовательно, продувочная полость 46 содержит топливо, которое было предварительно закачано в главный контур 9b (см. описание ниже со ссылками на фиг. 2 и 3).

Когда тяга становится больше (фиг. 3), главный контур 9b тоже должен подавать топливо. Золотник 26 регулятора 2 расхода переходит в свою вторую конфигурацию, чтобы открыть главное нагнетательное отверстие 24b, при этом контрольное нагнетательное отверстие 24 остается открытым.

Насос 6 продолжает поддерживать давление топлива по команде блока FMU 7, затем топливо поступает в регулятор 2 расхода. Поскольку золотник 26 находится в своей второй конфигурации, топливо проходит одновременно в контрольный контур 9а и в главный контур 9b. Следовательно, давление Pb (на уровне главного впускного отверстия 30b) повышается, поэтому золотник 38 регулятора 3 давления перемещается, чтобы ограничить потери напора одновременно в контрольном контуре 9а и в главном контуре 9b. В представленном на фигурах примере выполнения золотник 38 перемещается вправо за счет разности давления между Ра и Pb, после чего приходит в свою точку равновесия, то есть когда значения давления Ра, Pb на уровне контрольного 32а и главного 32b выходных отверстий становятся одинаковыми.

Когда золотник 26 регулятора 2 расхода переходит из первой конфигурации во вторую конфигурацию (фиг. 2), приводное отверстие 42 продувочного резервуара 4, которое было соединено с топливным резервуаром 42, начинает сообщаться с насосом 6 высокого давления. Таким образом, давление в приводной полости 44 становится выше, чем давление в продувочной полости 46, поэтому разделительная стенка 45 перемещается в направлении продувочного отверстия 40. Содержащееся в продувочной полости 46 топливо выталкивается в магистраль питания главного контура 9b между регулятором 3 давления и главной форсункой 8b, что позволяет заранее заполнить магистраль питания и, следовательно, сократить время реагирования для впрыска топлива в камеру 8 сгорания через главный контур 9b.

Когда золотник 26 регулятора 2 расхода приходит в свою вторую конфигурацию, приводное отверстие 42 продолжает сообщаться с насосом 6 высокого давления, поэтому разделительная стенка 45 остается со стороны продувочного отверстия 40. Действительно, давление топлива на выходе насоса 6 высокого давления выше, чем давление топлива в главном контуре 9b, по причине присутствия регуляторов 2,3 и блока FMU 7 между насосом 6 и главной форсункой 8b, которые добавляют потери напора.

При этом понятно, что переход золотника 26 регулятора 2 расхода из первой конфигурации во вторую конфигурацию и наоборот является непрерывным. Этап, во время которого продувочный резервуар 4 нагнетает содержащееся в его продувочной полости 46 топливо в главный контур 9b, происходит непосредственно перед этапом, во время которого главный контур 9b начинает пропускать топливо.

Когда тяга опять становится слабой (фиг. 1), работать должен только контрольный контур 9а, а главный контур 9b должен быть перекрыт.Следовательно, золотник 26 регулятора 2 расхода возвращается в свою первую конфигурацию, чтобы перекрыть главное нагнетательное отверстие 24b, при этом контрольное нагнетательное отверстие 24а остается открытым.

Таким образом, топливо опять проходит только в контрольный контур 9а, и давление Ра (на уровне контрольного впускного отверстия 30а) становится выше в контрольном контуре 9а, чем в главном контуре 9b. Следовательно, золотник 38 регулятора 3 давления перемещается таким образом, чтобы не добавлять потерь напора в контрольной магистрали: в данном случае золотник 38 перемещается вправо под действием давления Ра.

Кроме того, когда золотник 26 регулятора 2 расхода возвращается в свою первую конфигурацию, приводное отверстие 42 продувочного резервуара 4 опять соединяется с топливным резервуаром 5. Давление в приводной полости 44 ниже, чем давление в продувочной полости 46, поэтому разделительная стенка 45 перемещается в направлении приводного отверстия 42. Топливо, содержащееся в главном контуре 9b, всасывается и заполняет продувочную полость 46, чтобы ограничивать образование кокса в главном контуре 9b.

Способ регулирования

Далее следует описание способа регулирования с применением описанной выше топливной системы. Его можно применять для всех описанных выше вариантов системы.

Топливо, поступающее на уровень регулятора 2 расхода из блока 7 дозировки топлива FMU, имеет заданный входной расход, который необходимо распределить между контрольным контуром 9а и главным контуром 9b.

Способ регулирования содержит этап, на котором регулируют распределение входного расхода топлива между контрольным контуром 9а и главным контуром 9b посредством контроля положения подвижного золотника 26.

Этим способом регулирования может управлять блок обработки типа вычислительного устройства, который управляет сервоклапаном 20 и получает на входе команды распределения расхода от оператора или от других систем летательного аппарата, таких как центральный блок управления летательного аппарата.

Подвижный золотник 26 позволяет изменять проходное сечение S_{контрольн} для топлива на входе контрольного контура 9а и проходное сечение S_главн для топлива на входе главного контура 9b, таким образом в каждый контур, контрольный 9а и главный 9b, поступает часть входного расхода.

Сечение S_{контрольн} соответствует открытому сечению нагнетательного отверстия 24а, которое находится на входе контрольного контура 9а, и сечение S_главн соответствует открытому сечению нагнетательного отверстия 24b, которое находится на входе главного контура 9b.

В зависимости от положения поступательно перемещающегося подвижного золотника 26 площадь этих открытых сечений будет больше или меньше.

Таким образом, в контрольный контур 9а поступает часть X входного расхода (Х% входного расхода топлива), и в главный контур 9b поступает остальная часть 1-Х входного расхода ((1-Х)% входного расхода топлива.

Расход W на входе каждого из контуров 9а, 9b можно записать следующим образом:

В этой формуле:

- K является константой, зависящей от формы сечения входного отверстия контура, соответственно контрольного и главного (то есть в данном случае нагнетательного отверстия 24а, соответственно 24b, регулятора 2 расхода);

- S является площадью проходного сечения для топлива на входе контура, соответственно контрольного и главного (в данном случае площадью открытого сечения нагнетательного отверстия 24а, соответственно 24b);

- ΔР является потерей напора, соответствующей разности давления между входом регулятора расхода и входом контура, соответственно контрольного и главного;

- ρ - плотность топлива.

В случае, если потери напора ΔР являются одинаковыми для контрольного контура 9а и главного контура 9b и если константы K равны для контрольного контура 9а и главного контура 9b (в случае входных сечений идентичной формы контрольного контура и главного контура), часть Х_контур входного расхода топлива, поступающего в контрольный контур 9а, соответственно в главный контур 9b, определяют на основании формулы:

В этой формуле:

- S_контур - площадь проходного сечения для топлива на входе контрольного контура 9а, соответственно главного контура 9b. Речь идет о площади сечения нагнетательного отверстия 24а, соответственно 24b, регулятора расхода, которую подвижный золотник 26 оставляет открытой,

- S_{контрольн} - площадь проходного сечения для топлива на входе контрольного контура 9а. Речь идет о площади сечения нагнетательного отверстия 24а регулятора расхода, которую подвижный золотник 26 оставляет открытой, и

- S_главн - площадь проходного сечения для топлива на входе главного контура 9b. Речь идет о площади сечения нагнетательного отверстия 24b регулятора расхода, которую подвижный золотник 26 оставляет открытой.

Таким образом, эта формула позволяет зафиксировать часть входного расхода, предназначенную для каждого контура на основании положения подвижного золотника.

Действительно, положение подвижного золотника 26 фиксирует проходное сечение для топлива на входе контрольного контура 9а и на входе главного контура 9b.

Следовательно, каждое положение подвижного золотника 26 фиксирует часть Х_{контрольн} входного расхода, поступающую в контрольный контур 9а, и часть Х_главн входного расхода, поступающую в главный контур 9b, независимо от входного расхода топлива, что позволяет регулировать распределение входного расхода за счет контроля положения золотника 26.

Таким образом, правило управления распределения входного расхода между контрольным контуром 9а и главным контуром 9b упростилось, так как оно зависит только от положения подвижного золотника 26 и не зависит от значения входного расхода. Положение подвижного золотника 26 известно из показаний датчика 21 перемещения.

Кроме того, использование единственного подвижного золотника 26 позволяет избежать погрешностей, которые возникаю в результате использования нескольких дозаторов и суммируются в случае наличия множества дозаторов.

В случае, когда потери напора на входе контрольного контура 9а и главного контура 9b являются разными, способ включает в себя установку и использование регулятора 3 давления в топливной системе. Этот регулятор давления позволяет уравнивать:

- давление Pb в главном контуре 9b на входе регулятора 3 давления топливной системы 1, и

- давление Ра в контрольном контуре 9а на входе указанного регулятора 3 давления.

В случае когда входные отверстия контрольного контура 9а и главного контура 9b имеют сечения разной формы, то есть нагнетательное отверстие 24а и нагнетательное отверстие 24b имеют входное сечение разной формы, часть Х_контур входного расхода топлива, поступающую в контрольный контур 9а, соответственно главный контур 9b, определяют на основании формулы:

В этой формуле:

- S_контур - площадь проходного сечения для топлива на входе контрольного контура 9а, соответственно главного контура 9b. Речь идет о площади сечения нагнетательного отверстия 24а, соответственно 24b, регулятора расхода, которую оставляет открытой подвижный золотник 26,

- K_контур - константа, зависящая от формы сечения входного отверстия контура, соответственно контрольного (Х_{контрольн}) и главного (Х_главн),

- S_{контрольн} - площадь проходного сечения для топлива контрольного контура 9а. Речь идет о площади сечения нагнетательного отверстия 24а регулятора расхода, которую оставляет открытой подвижный золотник 26, и

- S_главн - площадь проходного сечения для топлива главного контура 9b. Речь идет о площади сечения нагнетательного отверстия 24b регулятора расхода, которую оставляет открытой подвижный золотник 26.

Таким образом, эта формула позволяет зафиксировать часть входного расхода, предназначенную для каждого контура на основании положения подвижного золотника.

Действительно, каждое положение подвижного золотника 26 фиксирует часть Х_{контрольн} входного расхода, поступающую в контрольный контур 9а, и часть Х_главн входного расхода, поступающую в главный контур 9b, независимо от входного расхода топлива.

Контроль распределения входного расхода (см. фиг. 4) может включать в себя этапы, на которых:

- выбирают (этап Е1) часть X входного расхода топлива, предназначенную для контрольного контура 9а или для главного контура 9b, где X составляет от 0 до 100%. Понятно, что выбор части X для одного из контуров фиксирует часть для другого контура, в который поступает остальная часть 1-Х расхода, и

- перемещают (этап Е2) подвижный золотник 26 в положение, позволяющее получить указанную часть X. Это положение известно, так как выше было подчеркнуто, что часть X входного расхода зависит только от открытых проходных сечений для топлива на входе контуров и, возможно, от константы K_контур (см. формулы выше).

Таким образом, способ позволяет выбирать любую часть входного расхода для каждого контура в пределах от 0 до 100%, что обеспечивает точность и контроль в широком диапазоне значений.

На фиг. 5 показано изменение расхода в контрольном контуре 9а в зависимости от времени после подачи команды на распределение расхода.

После подачи этой команды расход топлива в контрольном контуре 9а (кривая 50) уменьшается и достигает минимального расхода 52.

Чтобы расход в контрольном контуре 9а не уменьшился до значения ниже минимального расхода 52, способ содержит этап, на котором распределение входного расхода топлива корректируют таким образом, чтобы соблюдать минимальный расход для контрольного контура 9а. Вычислительное устройство соответственно изменяет положение подвижного золотника 26. Благодаря такому управлению, как показано на фиг. 5, расход, поступающий в контрольный контур 9а, удаляется от значения минимального расхода 52.

Способ можно точно так же применять и для соблюдения максимального расхода. Эту коррекцию можно осуществлять для контрольного контура 9а и/или для главного контура 9b.

Вычислительное устройство, получая значение входного расхода топлива и значение распределения топлива между контурами, может изменять положение подвижного золотника 26 в зависимости от параметров, таких как отношение веса топлива к весу воздуха в камере сгорания или максимальные и минимальные расходы, которые необходимо соблюдать для каждого контура.

Кроме того, благодаря вышеуказанным формулам распределения входного расхода, способ может содержать этап, на котором положение подвижного золотника 26 контролируют таким образом, чтобы удерживать площадь проходного сечения для топлива контрольного контура 9а, соответственно главного контура 9b, в заданном интервале и соблюдать при этом:

- заранее определенный интервал минимального расхода и максимального расхода для контрольного контура 9а и главного контура 9b;

- заранее определенный интервал для потери напора контрольного контура 9а и главного контура 9b (соответствующей разности давления между входом регулятора расхода и контуром, соответственно контрольным и главным). Этот интервал зависит, например, от устройств на выходе контура и от их спецификаций по допустимому давлению.

Способ регулирования улучшает контроль распределения. В частности, контроль при помощи единственного подвижного золотника позволяет уменьшить габарит и массу системы. Кроме того, уменьшается количество погрешностей распределения. Наконец, контроль распределения входного расхода, основанный на положении подвижного золотника, становится намного проще.

Изобретение относится к топливной системе газотурбинного двигателя, содержащей контрольный контур, главный контур, регулятор расхода, выполненный с возможностью регулирования расхода топлива в контрольном и главном контуре в зависимости от режима работы газотурбинного двигателя, и продувочный резервуар, выполненный с возможностью всасывания, накопления или продувки топлива в главном контуре в зависимости от разности давления между главным контуром и резервуаром или насосом высокого давления, с которым он соединен. Описаны также газотурбинный двигатель, содержащий данную топливную систему и способ регулирования, использующий данную систему. Технический результат изобретений – ограничение рисков образования кокса, упрощение и уменьшение габаритов и массы системы. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Топливная система (1) газотурбинного двигателя, выполненная с возможностью впрыска топлива в камеру (8) сгорания газотурбинного двигателя, содержащая:

- контрольный контур (9а), выполненный с возможностью впрыска топлива в камеру (8) сгорания,

- главный контур (9b), выполненный с возможностью впрыска топлива в камеру (8) сгорания, и

- регулятор (2) расхода, выполненный с возможностью регулирования расхода топлива в контрольном контуре (9а) и главном контуре (9b) в зависимости от режима работы газотурбинного двигателя, при этом указанный регулятор (2) расхода содержит подвижный золотник (26), выполненный с возможностью перемещения между первой конфигурацией, в которой главный контур (9b) перекрыт и контрольный контур (9а) открыт, и второй конфигурацией, в которой одновременно главный контур (9b) и контрольный контур (9а) открыты,

при этом топливная система (1) отличается тем, что дополнительно содержит:

- топливный резервуар (5),

- насос (6) высокого давления, выполненный с возможностью повышения давления топлива на выходе из топливного резервуара (5), и

- продувочный резервуар (4), выполненный с возможностью выборочного соединения с одной стороны с резервуаром (5) или с насосом (6) высокого давления и с другой стороны с главным контуром (9b), при этом указанный продувочный резервуар (4) выполнен с возможностью всасывания, накопления и продувки топлива в главном контуре (9b) в зависимости от разности давления между главным контуром (9b) и резервуаром (5) или насосом (6) высокого давления, с которым он соединен.

2. Топливная система (1) по п. 1, отличающаяся тем, что на выходе регулятора (2) расхода дополнительно содержит регулятор (3) давления, выполненный с возможностью изменения давления в контрольном контуре (9а) и главном контуре (9b) и уменьшения разности потерь напора между контрольным контуром (9а) и главным контуром (9b) на входе регулятора (3) давления.

3. Топливная система (1) по п. 2, отличающаяся тем, что продувочный резервуар (4) соединен с главным контуром (9b) на выходе регулятора (3) давления.

4. Топливная система (1) по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что регулятор (2) расхода выполнен с возможностью управления продувочным резервуаром (4) и выборочного соединения продувочного резервуара (4) с топливным резервуаром (5) или с насосом (6) высокого давления так, что:

- в первой конфигурации золотника (26) продувочный резервуар (4) соединен с резервуаром и накапливает топливо, содержащееся в главном контуре (9b), и

- во второй конфигурации золотника (26) продувочный резервуар (4) соединен с насосом (6) высокого давления и нагнетает в главный контур (9b) топливо, накопленное, когда золотник (26) находился в первой конфигурации.

5. Топливная система (1) по одному из пп. 2 или 3, отличающаяся тем, что регулятор (3) давления содержит средства (38, Pa, Pb) регулирования, выполненные с возможностью изменения проходного сечения главного контура (9b) и контрольного контура (9а) на выходе регулятора (2) расхода, чтобы ограничивать потери напора в указанных контурах (9а, 9b).

6. Топливная система (1) по п. 5, отличающаяся тем, что средствами регулирования управляют два противодействующих давления (Pa, Pb), которые соответствуют давлению (Ра) на входе контрольного контура (9а) и давлению (Pb) на входе главного контура (9b), чтобы адаптировать проходное сечение указанных главного и контрольного контуров (9а, 9b).

7. Топливная система (1) по п. 6, отличающаяся тем, что средства регулирования дополнительно содержат золотник (38), выполненный с возможностью корректировки проходного сечения главного контура (9b) и контрольного контура (9а), при этом положение золотника (38) находится в динамическом равновесии в зависимости от давления (Ра) на входе контрольного контура (9а) и от давления (Pb) на входе главного контура (9b).

8. Топливная система (1) по одному из пп. 1-3, 6, 7, отличающаяся тем, что дополнительно содержит блок (7) дозировки топлива FMU на входе регулятора (2) расхода.

9. Топливная система (1) по п. 4, отличающаяся тем, что дополнительно содержит блок (7) дозировки топлива FMU на входе регулятора (2) расхода.

10. Топливная система (1) по п. 5, отличающаяся тем, что дополнительно содержит блок (7) дозировки топлива FMU на входе регулятора (2) расхода.

11. Топливная система (1) по одному из пп. 1-3, 6, 7, 9, 10, в которой регулятор (2) расхода приводится в действие сервоклапаном (20) и дополнительно содержит пассивный электрический датчик (21) линейных перемещений LVDT, выполненный с возможностью определения конфигурации золотника (26) в регуляторе (2) расхода.

12. Топливная система (1) по п. 4, в которой регулятор (2) расхода приводится в действие сервоклапаном (20) и дополнительно содержит пассивный электрический датчик (21) линейных перемещений LVDT, выполненный с возможностью определения конфигурации золотника (26) в регуляторе (2) расхода.

13. Топливная система (1) по п. 5, в которой регулятор (2) расхода приводится в действие сервоклапаном (20) и дополнительно содержит пассивный электрический датчик (21) линейных перемещений LVDT, выполненный с возможностью определения конфигурации золотника (26) в регуляторе (2) расхода.

14. Топливная система (1) по п. 8, в которой регулятор (2) расхода приводится в действие сервоклапаном (20) и дополнительно содержит пассивный электрический датчик (21) линейных перемещений LVDT, выполненный с возможностью определения конфигурации золотника (26) в регуляторе (2) расхода.

15. Газотурбинный двигатель, содержащий камеру (8) сгорания, отличающийся тем, что содержит топливную систему (1), выполненную с возможностью впрыска топлива в камеру (8) сгорания, по одному из пп. 1-14.

16. Способ регулирования, отличающийся тем, что применяют топливную систему по одному из пп. 1-14, впрыскивающую топливо с входным расходом в камеру (8) сгорания газотурбинного двигателя через контрольный контур (9а) и главный контур (9b), при этом указанный способ регулирования содержит следующие этапы, на которых:

- регулируют распределение расхода топлива в контрольном контуре (9а) и в главном контуре (9b) в зависимости от режима работы газотурбинного двигателя, перемещая подвижный золотник (26) между первой конфигурацией, в которой главный контур (9b) перекрыт, а контрольный контур (9а) открыт, и второй конфигурацией, в которой открыты одновременно главный контур (9b) и контрольный контур (9а), и

- управляют продувочным резервуаром (4) в зависимости от положения подвижного золотника (26) регулятора (2) расхода, выборочно соединяя продувочный резервуар (4) с резервуаром (5) или с насосом (6) высокого давления так, чтобы всасывать, накапливать или продувать топливо в главном контуре (9b).

17. Способ регулирования по п. 16, в котором:

- распределение входного расхода топлива между контрольным контуром (9а) и главным контуром (9b) регулируют, контролируя положение подвижного золотника (26), который изменяет проходное сечение (S_{контрольн}) для топлива на входе контрольного контура (9а) и проходное сечение (S_главн) для топлива на входе главного контура (9b), при этом контрольный контур (9а) и главный контур (9b) получают, каждый, часть входного расхода,

- при этом каждое положение подвижного золотника (26) фиксирует часть входного расхода, поступающую в контрольный контур (9а), и часть входного расхода, поступающую в главный контур (9b), независимо от входного расхода топлива, обеспечивая таким образом регулирование распределения входного расхода на основании контроля положения золотника (26),

при этом способ дополнительно содержит этап, во время которого распределение входного расхода топлива корректируют, чтобы соблюдать минимальный или максимальный расход топлива, которое должно поступать в контрольный контур (9а) и/или в главный контур (9b).