УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ СТАРТЕРОМ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2021 года по МПК F02C7/26 

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности, к управлению перекрывной регулирующей заслонкой потока сжатого воздуха или газа, подаваемого в качестве рабочего тела в воздушно-турбинный стартер (далее стартер), который используется для запуска газотурбинного двигателя (далее ГТД) авиационной или наземной техники.

Известно и принято за наиболее близкий аналог (прототип) устройство для управления воздушным стартером (RU №2679951, МПК F02C 7/26, опубл. 14.02.2019), содержащее перекрывную регулирующую заслонку с полным электроуправлением и представляет собой поворотную заслонку, в которой привод оси заслонки выполняется от электромеханизма с понижающим многоступенчатым планетарным редуктором.

Недостаток данного устройства заключается в том, что система построена на дискретных электромеханических элементах и не позволяют регулировать и обеспечивать заданную скорость поворота клапана по требуемому запрограммированному закону из закрытого положения клапана до открытого или промежуточного и обратно от открытого или промежуточного положения до закрытого, а также не позволяет применять современные средства диагностики и контроля элементов своей конструкции в режиме реального времени, что не может удовлетворять современным требованиям к пусковым устройствам ГТД.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, и невозможно обеспечить при использовании прототипа, является низкая надежность работы, низкая точность поддержания требуемого давления воздуха на выходе из поворотной заслонки и более высокая масса пускового устройства по сравнению с предложенным прототипом.

Технической задачей изобретения является применение в конструкции устройства управления воздушным стартером поворотной заслонки с электроприводом, предназначенным для обеспечения начала подачи воздуха в стартер, регулирования давления воздуха при работе стартера, отключения подачи воздуха по окончании работы стартера и аварийного (экстренного) отключения стартера по сигналу системы автоматического управления и контроля запускаемого ГТД с обеспечением заданной скорости поворота клапана по требуемому запрограммированному закону из закрытого положения клапана до открытого или промежуточного и обратно от открытого или промежуточного положения до закрытого, возможность применить современные средства диагностики и контроля элементов своей конструкции в режиме реального времени, а также дополнительно снизить массу устройства в целом.

Техническая задача решается тем, что в устройстве для управления воздушным стартером газотурбинного двигателя, расположенном на входе в воздушный стартер, содержится корпус с заслонкой, прикрепленной при помощи болтового соединения на своей оси и выполненной поворотной с приводом от электромеханизма, и упором, соединенным с корпусом посредством фланцевого соединения для фиксации положения поворотной заслонки в закрытом положении, возвратный механизм с отверстием под ключ, прикрепленный к корпусу при помощи болтового соединения, для обеспечения передачи крутящего момента, электромеханизм, закрепленный к корпусу посредством фланцевого соединения и соединенный при помощи шлицевого соединения с осью поворотной заслонки, с электродвигателем, планетарным редуктором и электромагнитом для управления планетарным редуктором, систему автоматического управления и контроля газотурбинным двигателем, согласно изобретению, дополнительно содержится датчик давления, расположенный на выходе поворотной заслонки, с возможностью контроля давления воздуха на входе в воздушный стартер и управления приводом от электромеханизма поворотной заслонки, электродвигатель электромеханизма выполнен бесконтактным вентильным, дополнительно содержится блок управления и контроля, который встроен, например, в электромеханизм, либо в систему автоматического управления и контроля газотурбинным двигателем, либо выполнен в виде отдельного агрегата.

Предлагаемая конструкция устройства управления воздушным стартером, содержащая перекрывную регулирующую поворотную заслонку с полным электроуправлением, представляет собой поворотную заслонку, в которой привод оси заслонки выполняется от электромеханизма, построенного на бесконтактном вентильном электродвигателе с модульным электронным блоком управления и контроля, понижающим многоступенчатым планетарным редуктором, электромагнитом, бесконтактных датчиков крайних положений выходного вала электромеханизма и электрического соединителя.

В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, выполнение датчика давления, расположенного на выходе поворотной заслонки, для контроля давления воздуха на входе в воздушный стартер и управления электродвигателем электромеханизма привода поворотной заслонки позволяет перепрограммировать давление настройки в системе автоматического управления ГТД или в блоке управления и контроля электромеханизмом привода заслонки, с возможностью непрерывной регистрации измерения параметров, а в случае применения сигнализаторов, как описано в прототипе, при изменении давления настройки, сигнализаторы необходимо заменять.

Выполнение электродвигателя бесконтактным вентильным обеспечивает бесконтактность устройства и отсутствие элементов, требующих обслуживания, и поэтому, увеличение срока службы, большую перегрузочную способность по моменту электродвигателя, высокое быстродействие, наивысшие энергетические показатели, широкий диапазон регулирования частоты вращения вала электромеханизма и возможность регулирования частоты вращения по различным законам, реализацию режима торможения вала электромагнитным моментом электродвигателя и наилучшие массогабаритные показатели при прочих равных условиях. Блок управления и контроля позволяет:

- осуществить плавный пуск и останов электромеханизма;

- регулировать и поддерживать заданную скорость частоты вращения вала электромеханизма по требуемому запрограммированному закону;

- обеспечивать требуемое время поворота из закрытого положения клапана до открытого;

- применить встроенный автоматизированный контроль, осуществляющий непрерывную оценку работоспособности систем электромеханизма на земле и в полете;

- принимать и передавать сигналы в систему автоматического управления и контроля ГТД;

- повысить точность управления поворотной заслонкой;

- снизить массу устройства в целом.

Блок управления и контроля может быть встроен, например, в электромеханизм, либо в систему автоматического управления и контроля ГТД, либо выполнен в виде отдельного агрегата.

Блок управления и контроля может быть встроен, например, в электромеханизм, что позволяет использовать перекрывную заслонку как полноценный агрегат со встроенным контролем.

Блок управления и контроля может быть встроен в систему автоматического управления и контроля ГТД, что позволяет повысить надежность работы электромеханизма перекрывной заслонки в случаях сильного воздействия внешних факторов, например, высокая температура и вибрация на электромеханизм.

Блок управления и контроля может быть выполнен в виде отдельного агрегата, что позволяет внедрить перекрывную заслонку с электромеханизмом и блоком управления в существующие ГТД с минимальными затратами при их модернизации, а также повысить надежность работы электромеханизма перекрывной заслонки в случаях сильного воздействия внешних факторов, например, высокая температура и вибрация.

Технический результат в альтернативных вариантах от использования блока управления и контроля одинаков.

На фиг. 1 изображена - Конструкция устройства для управления воздушным стартером.

На фиг. 2 изображена - Принципиальная схема электромеханизма с блоком управления и контроля, встроенного в электромеханизм.

На фиг. 3 изображена - Принципиальная схема электромеханизма с выносным блоком управления и контроля в случае высокой температуры поворотной заслонки.

На фиг. 4 изображена - Принципиальная схема электромеханизма с блоком управления и контроля, встроенного в систему автоматического управления ГТД.

Канал команд - показывает связь системы автоматического управления и контроля ГТД с блоком управления и контроля электромеханизма, команды поступают от системы автоматического управления и контроля ГТД в блок управления и контроля электромеханизмом.

Канал сигналов - показывает связь блока управления и контроля электромеханизмом, а также датчика давления с системой автоматического управления и контроля ГТД, сигналы поступают из блока управления и контроля электромеханизмом, а также из датчика давления в систему автоматического управления и контроля ГТД.

Канал диагностики - показывает связь блока управления и контроля электромеханизмом с системой управления и контроля ГТД, сигнал от блока управления и контроля электромеханизмом поступает в систему управления и контроля ГТД по отдельному каналу.

Описание устройства

Устройство для управления воздушным стартером (без позиции) состоит из следующих основных узлов: корпуса 1 с поворотной заслонкой 2 и упором 3 фиксации закрытого положения поворотной заслонки 2, электромеханизма 4, пружинного возвратного механизма 5 с устройством ручного открытия 6 поворотной заслонки 2, в котором имеется отверстие 7 под ключ. На крышке 8 возвратного механизма 5 выполнен указатель визуального контроля положения оси поворотной заслонки 2. В случае несрабатывания электромеханизма на открытие, по причине отказа самого электромеханизма или элементов автоматики двигателя, предусмотрено ручное открытие заслонки.

Электромеханизм 4 (фиг. 2) состоит из следующих основных узлов: бесконтактный электродвигатель 9, блок управления и контроля электромеханизмом 10, понижающий планетарный редуктор 11, электромагнит 12, бесконтактные выключатели 13 и электрический соединитель 14. Встроенная система контроля, осуществляющая автоматизированный контроль режимов работы и составляющих элементов электромеханизма 4, входит в состав электронного блока управления и контроля электромеханизмом 10.

На выходе поворотной заслонки 2 установлен датчик давления 15, по которому контролируется заданное давление воздуха на входе в воздушный стартер. Датчик давления 15 имеет связь с блоком управления и контроля электромеханизма 10 через электрический соединитель 16. Возможно исполнение связи датчика давления 15 с блоком управления и контроля электромеханизмом 10 через электрический соединитель 14. Датчик давления 15 выполнен в виде преобразователя давления в электрический сигнал.

Электромеханизм 4 связан с системой автоматического управления и контроля ГТД 17 линией связи через электрический соединитель 14.

Принципиальные схемы устройства управления воздушным стартером (без позиции) могут иметь варианты расположения блока управления и контроля электромеханизмом 10 в зависимости от температуры окружения устройства и других конструктивных факторов.

Исполнение расположения с выносным блоком управления и контроля электромеханизма 10 и способа связи датчика давления 15 с блоком управления и контроля электромеханизма 10 приведен на фиг. 3, который отличается передачей сигнала давления с датчика давления 15 на выносной блок управления и контроля электромеханизмом 10 и связи выносного блока управления и контроля электромеханизмом 10 с электромеханизмом 4 и системой автоматического управления и контроля ГТД 17.

Исполнение расположения блока управления и контроля электромеханизмом 10, встроенным в систему автоматического управления и контроля ГТД 17, приведен на фиг. 4, который отличается связью электромеханизма 4 с системой автоматического управления и контроля ГТД 17 и передачей сигнала датчиком давления 15 на систему автоматического управления и контроля ГТД 17.

Конструкция электромеханизма 4 позволяет выполнить дублирование его блока управления и контроля 10, а также датчика давления 15, что приводит к дополнительной надежности устройства.

Устройство работает следующим образом.

Открытие и закрытие поворотной заслонки 2 при работе может происходить по заложенным в блоке управления и контроля 10 программам управления, например:

1) при давлении ниже настройки - полное открытие поворотной заслонки 2;

2) при достижении давления настройки - остановка поворотной заслонки 2;

3) при достижении давления выше настройки - прикрытие поворотной заслонки 2;

4) нормальное открытие по сигналу системы автоматического управления и контроля ГТД 17;

5) нормальное закрытие по сигналу системы автоматического управления и контроля ГТД 17;

6) аварийное (экстренное) - закрытие поворотной заслонки 2 по сигналу системы автоматического управления и контроля ГТД 17 возвратным механизмом 5.

Устройство работает во взаимодействии с системой автоматического управления и контроля ГТД 17, что позволят гибко менять давление настройки как дискретно, так и по заданному закону в системе автоматического управления и контроля ГТД 17.

При включении электромеханизма 4 в сеть, напряжение питания бортовой сети поступает на блок управления и контроля электромеханизмом 10. Блок управления и контроля электромеханизмом 10 проводит самодиагностику элементов схемы и состояния электродвигателя. При удовлетворительном результате самодиагностики, электромеханизм формирует сигнал об исправном состоянии и «ЗАКРЫТО», электромеханизм 4 переходит в режим ожидания входных команд управления от системы автоматического управления и контроля ГТД 17. При неудовлетворительном результате встроенного контроля, сигнал об исправном состоянии не формируется.

При подаче от системы автоматического управления и контроля ГТД 17 сигнала «ОТКРЫТЬ» поворотная заслонка 2 перекладывается в полностью открытое положение (90°) или в промежуточное положение (до 90°) в зависимости от заложенного значения в систему автоматического управления и контроля ГТД 17 давления настройки воздуха на выходе из поворотной заслонки 2, контролируемое датчиком давления 15. Воздушный стартер (без позиции), под действием давления воздуха из поворотной заслонки 2, раскручивает ГТД. Если после останова поворотной заслонки 2 в промежуточном или в полностью открытом положении давление воздуха перед поворотной заслонкой 2 будет нарастать и достигнет перед воздушным стартером (за заслонкой) предельной величины, то система автоматического управления и контроля ГТД 17 выдает сигнал управления «ЗАКРЫТЬ» и поворотная заслонка 2 будет закрываться до достижения заложенного значения в систему автоматического управления и контроля ГТД 17 давления настройки воздуха на выходе из поворотной заслонки 2.

При подаче от системы автоматического управления и контроля ГТД 17 сигнала «ЗАКРЫТЬ» поворотная заслонка 2 перекладывается из положения полностью открытое (90°) или промежуточного положения (до 90°) в положение «ЗАКРЫТО» (0°). При снятии сигнала на закрытие от системы автоматического управления и контроля ГТД 17, поворотная заслонка 2 останавливается и удерживается в текущем положении до момента подачи сигнала «ЗАКРЫТЬ»/«ОТКРЫТЬ» или «ЭКСТРЕННО ЗАКРЫТЬ».

При наличии сигнала «ЭКСТРЕННО ЗАКРЫТЬ» происходит обесточивание электромагнита 12 и перекладка в сторону закрытия из положения «ОТКРЫТО» (90°) или из промежуточного положения (до 90°) в положение «ЗАКРЫТО» (0°). Экстренное закрытие поворотной заслонки 2 обеспечивается возвратным механизмом 5 поворотной заслонки 2. Данный сигнал также может использоваться как приоритетный для блокировки открытия поворотной заслонки 2 до запуска и в течение работы электродвигателя после запуска, а также обеспечивается функция экстренного закрытия и блокировки поворотной заслонки 2 в закрытом положении независимо от наличия других сигналов от системы автоматического управления и контроля ГТД 17.

Таким образом, предлагаемое изобретение направлено на повышение надежности и контроля работы воздушного стартера за счет применения бесконтактных элементов конструкции с модульным электронным блоком управления и контроля, повышения точности поддержания требуемого давления воздуха на выходе из поворотной заслонки, снижения количества элементов в конструкции, дублирования канала управления и контроля, снижение массы пускового устройства.

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности к управлению перекрывной поворотной заслонкой потока сжатого воздуха (газа), подаваемого в качестве рабочего тела в воздушно-турбинный стартер, который используется для запуска газотурбинного двигателя авиационной или наземной техники. Устройство для управления воздушным стартером газотурбинного двигателя, расположенное на входе в воздушный стартер, содержащее корпус с заслонкой, закрепленной при помощи болтового соединения на своей оси и выполненной поворотной с приводом от электромеханизма, и упором, соединенным с корпусом посредством фланцевого соединения для фиксации положения поворотной заслонки в закрытом положении, возвратный механизм с отверстием под ключ, прикрепленный к корпусу при помощи болтового соединения, для обеспечения передачи крутящего момента, электромеханизм, прикрепленный к корпусу посредством фланцевого соединения и соединенный при помощи шлицевого соединения с осью поворотной заслонки, с электродвигателем, планетарным редуктором и электромагнитом для управления планетарным редуктором, систему автоматического управления и контроля газотурбинным двигателем. Дополнительно в устройстве содержится датчик давления, расположенный на выходе поворотной заслонки, с возможностью контроля давления воздуха на входе в воздушный стартер и управления приводом от электромеханизма поворотной заслонки, электродвигатель электромеханизма выполнен бесконтактным вентильным, дополнительно содержится блок управления и контроля встроенный, например, в электромеханизм, либо в систему автоматического управления и контроля газотурбинным двигателем, либо выполнен в виде отдельного агрегата. В результате чего повышается надежность и контроль работы воздушного стартера. 4 ил.

Устройство для управления воздушным стартером газотурбинного двигателя, расположенное на входе в воздушный стартер, содержащее корпус с заслонкой, закрепленной при помощи болтового соединения на своей оси и выполненной поворотной с приводом от электромеханизма, и упором, соединенным с корпусом посредством фланцевого соединения для фиксации положения поворотной заслонки в закрытом положении, возвратный механизм с отверстием под ключ, прикрепленный к корпусу при помощи болтового соединения, для обеспечения передачи крутящего момента, электромеханизм, прикрепленный к корпусу посредством фланцевого соединения и соединенный при помощи шлицевого соединения с осью поворотной заслонки, с электродвигателем, планетарным редуктором и электромагнитом для управления планетарным редуктором, систему автоматического управления и контроля газотурбинным двигателем, отличающееся тем, что дополнительно содержится датчик давления, расположенный на выходе поворотной заслонки, с возможностью контроля давления воздуха на входе в воздушный стартер и управления приводом от электромеханизма поворотной заслонки, электродвигатель электромеханизма выполнен бесконтактным вентильным, дополнительно содержится блок управления и контроля встроенный, например, в электромеханизм, либо в систему автоматического управления и контроля газотурбинным двигателем, либо выполнен в виде отдельного агрегата.