Система топливоподачи и регулирования газотурбинного двигателя

 

Система относится к области авиационного топливорегулирования. Система содержит электроприводной насосный агрегат, управляемый по частоте вращения, и электронный блок управления. Насосный агрегат состоит из насоса и последовательно включенного в топливную схему объемного дозирующего устройства с элементом поддержания постоянного перепада давлений. Указанные составляющие насосного агрегата имеют общий вал привода от электродвигателя. При подаче топлива от насоса к объемному дозирующему устройству и далее на выход и форсункам двигателя за счет поддержания постоянного перепада давлений на дозирующем устройстве сохраняется величина внутренних перетечек в этом устройстве, независимо от давления на форсунках, что обеспечивает повышение точности дозирования и расширяет область применения системы. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к системам топливорегулирования авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). В практике авиационного топливорегулирующего агрегатостроения используются как системы, содержащие в качестве топливоподачи насосы с приводом от вала ГТД, так и системы, имеющие насосы топливоподачи с приводом от электродвигателя. Последние используются преимуществено для малоразмерных маршевых авиадвигателей или в качестве самолетных вспомогательных силовых установок и являются новым направлением в развитии электронно-гидромеханических систем регулирования ГТД.

Известна система топливоподачи и регулирования ГТД, содержащая шестеренный насос с управляемым электроприводом, электронный регулятор, включающий в себя блок управления частотой вращения электродвигателя привода, датчик расхода топлива. Дозирование топлива осуществляется изменением частоты вращения электродвигателя привода насоса (см. , например, Научно-технический отчет "Экспериментальные исследования демонстрационного образца САУ и топливопитания с управляемым электроприводом топливного насоса на двигателе ТА-12", номер госрегистрации Х75284, М., ЦИАМ им. Баранова П.И., 1991 г., стр.8, 20, рис.1.1).

Недостатком этой системы является относительная сложность обеспечения точности дозирования, т.к. требуется компенсация нестабильности и неоднозначности расходной характеристики относительно частоты вращения шестеренного насоса, что объясняется нестабильными внутренними перетечками топлива в качающем узле. Используемый для этого датчик расхода (или система датчиков) утяжеляет структуру системы регулирования, требует дополнительного места для размещения в компоновке двигателя, что исключает возможность использования такой системы в реальных конструкциях малоразмерных ГТД, т.е. сужается область ее применения. Кроме этого, включение датчика расхода (например, турбинного типа) в систему автоматического управления (САУ) противоречит основной концепции применения электронно-гидромеханических САУ с полной электронной ответственностью (максимально возможное сокращение количества гидромеханических элементов).

Наиболее близким техническим решением является система топливоподачи и регулирования ГТД, содержащая шестеренный насос с управляемым электроприводом и электронный регулятор, включающий в себя блок управления частотой вращения электродвигателя привода (см. Научно-технический отчет "Экспериментальные исследования демонстрационного образца САУ и топливопитания с управляемым электроприводом топливного насоса на двигателе ТА-12", номер госрегистрации Х75284, М., ЦИАМ им. Баранова П.И., 1991 г., стр.12, 13, 25, рис.2.1).

В данной системе не требуется датчик расхода (или система датчиков), т. к. здесь используется косвенный метод определения расхода G_т=f(n_эд, Р_т), где n_эд - частота вращения электродвигателя, Р_т - давление топлива на выходе насоса. Косвенный метод определения расхода и дозирования топлива заключается в использовании в счетно-решающем устройстве электронного регулятора расчетно-экспериментальной зависимости производительности топливного шестеренного насоса от частоты вращения его привода с учетом изменения давления на форсунках ГТД (как следствие изменения расхода топлива на них). В соответствии с этой зависимостью, введенной в электронную память программного блока, регулятор, выполняя заданные законы регулирования, задает тот или иной уровень частоты вращения привода топливного насоса для обеспечения необходимого расхода топлива на форсунках ГТД.

Недостатком этой системы является значительная зависимость точности дозирования топлива от внутренних перетечек в насосе, т.к. программа регулирования не может учитывать в достаточной мере все факторы, влияющие на внутренние перетечки в насосе, особенно если учесть множественность сочетаний производственных допусков, влияющих на монтажные зазоры в качающем узле. Таким образом, здесь точность дозирования в большей степени зависит от величины перепада давлений топлива в зазорах качающего узла, который, в свою очередь, зависит от перепада давлений топлива на самом насосе. Так по данным исследования (см. Научно-технический отчет "Экспериментальные исследования демонстрационного образца САУ и топливопитания с управляемым электроприводом топливного насоса на двигателе ТА-12", номер госрегистрации Х75284, М., ЦИАМ им. Баранова П.И., 1991 г., стр. 9) в диапазоне частоты вращения n_нac=50... 100% при изменении давления за насосом от 0 до 5 кгс/см² утечки составляют 27 и 8% при изменении давления от 5 до 10 кгс/см². Необходимая же точность дозирования в подобных САУ ГТД должна быть не хуже 3%. Кроме того, точность дозирования зависит от изменения температуры топлива, т.к. при изменении вязкости топлива по температуре перетечки также количественно изменяются.

Задачей изобретения является повышение точности дозирования топлива и расширение области применения системы топливоподачи и регулирования газотурбинных двигателей, использующих топливные насосы с управляемым электроприводом.

Поставленная задача решается за счет того, что в систему топливоподачи и регулирования ГТД, содержащую электроприводной насос топливоподачи объемного типа и блок управления частотой вращения электродвигателя насоса, введено объемное дозирующее устройство с элементом поддержания постоянного перепада на нем сливного типа, которое установлено последовательно насосу так, что выходной канал насоса является входным каналом дозирующего устройства, и которое имеет общий привод с насосом. При этом объемное дозирующее устройство и насос топливоподачи могут быть выполнены в виде однотипных шестеренных качающих узлов, а элемент поддержания перепада давлений - в виде гидравлического клапана поддержания постоянного перепада давлений сливного типа или электромеханического управляемого исполнительного механизма с первичными датчиками давлений, установленными во входном и выходном каналах дозирующего устройства. Дополнительно в одном из каналов объемного дозирующего устройства может быть установлен датчик температуры, выход которого связан блоком управления частотой вращения электродвигателя привода насоса, а в блок управления введена программа коррекции частоты вращения по температурному изменению плотности топлива и установлен переключатель сорта топлива.

По сравнению с прототипом заявляемая система обеспечивает дозирование топлива при постоянных, независимо от давления топлива на форсунках и достаточно однозначно учитываемых (программным блоком управления) перетечках в дозирующем устройстве. При этом относительная величина перетечек (q_пер/Q_тф), где q_пер - величина перетечек, Q_тф - расход топлива на форсунках, по своему уровню значительно меньше (~2% против 8%), чем у прототипа. Это объясняется наличием постоянного и достаточно малого (2 кг/см², не более) перепада давлений на дозирующем устройстве и, как следствие, стабильного перепада давлений в зазорах вращающегося рабочего органа дозатора.

Обеспечение постоянства отрегулированного уровня перепада определяется незначительной зависимостью избытков перепускаемого топлива на элементе поддержания постоянного перепада давлений при изменении частоты вращения привода насоса. В свою очередь, этот эффект получен за счет использования общего электропривода насоса и дозатора. Все это определяет качественную сторону заявленного технического решения, повышающего точность дозирования.

Сущность заявленного технического решения представлена на чертежах.

На фиг. 1 приведена схема топливоподачи и регулирования ГТД. На фиг.2 дана графическая иллюстрация особенности расходных характеристик заявляемого технического решения, где линия А характеризует потребные расходы на форсунках двигателя, обеспечиваемые объемным дозирующим устройством с единым электроприводом по заявляемому техническому решению; линия Б - производительность насоса топливоподачи с единым электроприводом. Обозначения на фиг.1: ЭППД - элемент поддержания постоянного перепада давлений; на фиг.2: Q_изб - избытки топлива, срезаемые устройством поддержания постоянного перепада; Q_min, Q_max - минимальный и максимальный потребные расходы соответственно; n_эл/дв - частота вращения электропривода.

Система топливоподачи и регулирования ГТД содержит объемный насос топливоподачи 1, который соединен валом 2 (или валами), с одной стороны, с управляемым электроприводом 3, а с другой, с объемным дозирующим устройством 4. При этом объемный насос 1 и объемное дозирующее устройство 4 конструктивно могут быть выполнены в виде шестеренных качающих узлов. Через каналы 5, 6 к дозирующему устройству гидравлически подключен элемент 7 поддержания постоянного перепада давлений (ЭППД), имеющий канал 8 перепуска топлива на вход в насос. Элемент 7 поддержания постоянного перепада давлений представляет собой гидромеханическое или электромеханическое устройство.

Таким устройством может быть: - гидравлический золотниковый клапан, подпружиненный с одного торца, куда подведено через канал 6 давление выхода из дозирующего устройства, и воспринимающий через канал 5 входное давление дозирующего устройства - другим торцом, а также имеющий отсечную кромку для перепуска рабочей жидкости со стороны канала 5 через канал 8 на слив в канал 9; - электрогидропреобразователь, например, электромагнитный клапан типа МКТ-157.

Электропривод 3 электрически связан с блоком 10 управления частотой вращения насоса. Насос топливоподачи 1 имеет канал входа 9 и канал выхода 11, который является одновременно каналом входа в объемное дозирующее устройство 4. Выходной канал 12 соединен с магистралью подвода топлива к форсункам ГТД.

Система работает следующим образом. Из блока управления 10 на вход в электропривод 3 поступает электрический сигнал, задающий определенную величину частоты вращения. Управляемый электропривод устанавливает заданную частоту вращения вала 2, рабочий орган насоса 1 создает нагнетание топлива, перекачивая его со входа 9 в канал выхода 11, откуда топливо поступает на вход в объемное дозирующее устройство 4 и далее - на выход из системы через канал 12 на форсунки ГТД. Производительность насоса топливоподачи 1 конструктивно обеспечена так, чтобы она была больше пропускной способности объемного дозирующего устройства 4 на величину избытков топлива, необходимых для функционирования ЭППД 7. При увеличении частоты вращения привода 3 насоса 1 с дозирующим устройством 4 повышается расход топлива на форсунках и, как следствие, возрастает давление в топливной системе. Элемент 7 реагирует на увеличение производительности насоса и изменение перепада давлений перепуском топлива через канал 8 на вход насоса. По окончании переходного процесса на выходе насоса 1 устанавливается более высокий уровень давления. На дозирующем устройстве 4, при более высоком уровне давления топлива на его входе 5 и выходе 6, сохраняется отрегулированная величина перепада давлений. При уменьшении частоты вращения электропривода 3 система работает аналогично, но в сторону уменьшения уровня давления в топливном тракте с сохранением величины перепада давлений на дозирующем устройстве 4.

Очевидно, точность дозирования рассматриваемой системы зависит от объемного КПД собственно дозирующего устройства и точности поддержания постоянного перепада давлений на дозирующем устройстве. Для повышения объемного КПД дозирующего устройства схема системы выполнена таким образом, что 95% суммарного перепада давлений (100% между каналами 9 и 12) срабатывается на насосе топливоподачи 1, а на дозирующем устройстве 4 за счет элемента 7 - всего 5%. Это означает, что внутренние перетечки, от которых зависит точность дозирования в объемных устройствах, будут достаточно малыми и не будут зависеть от давления на форсунках, которое может изменяться во всем диапазоне режимов работы ГТД в 30 раз.

Точность поддержания постоянного перепада давлений на дозирующем устройстве определяется статической ошибкой, т.к. в системах регулирования ГТД с простой гидромеханической частью (к которым относится заявляемое техническое решение) используются в качестве элементов поддержания постоянного перепада статические механизмы прямого действия. Таким механизмом может быть, например, известный клапан постоянного перепада давления золотникового типа с пружиной, регулировка которой определяет заданную величину поддерживаемого перепада давлений, и имеющий отсечную кромку для перепуска избытков топлива на вход системы. Статическая ошибка элемента поддержания перепада давлений зависит от избытков топлива, перепускаемых через канал 8 на вход 9 насоса, и чем больше их величина, тем больше эта ошибка. Применение объемного насоса топливоподачи 1 и объемного дозирующего устройства 4 с единым электроприводом дает возможность иметь во всем диапазоне частоты вращения электродвигателя минимальные избытки топлива, которые поступают на вход дозирующего устройства 4, тем самым уменьшая статическую ошибку.

Изменение избытков топлива зависит в данной схеме в основном от перепада давлений на насосе топливоподачи, который меняется в зависимости от расхода на форсунках, а увеличение производительности за счет увеличения частоты вращения насоса топливоподачи компенсируется таким же увеличением частоты вращения дозирующего устройства.

Для обеспечения точности в программном регулировании расхода топлива существенное значение имеет обеспечение линейности расходной характеристики по частоте вращения насоса 1 и дозирующего устройства 4, при этом, учитывая область использования заявляемого устройства, это должно сочетаться с простотой конструкции и минимальными габаритами. Наиболее приемлемым решением здесь является выбор единого типа конструкции для насоса топливоподачи и устройства дозирования в виде двух шестеренных качающих узлов, установленных на один приводной вал.

Для повышения точности дозирования система может получить развитие, если в качестве элемента поддержания регулируемого перепада давлений использовать подсистему в виде электромеханического управляемого исполнительного механизма с первичными датчиками давлений, установленными во входном 11 и выходном 12 каналах дозирующего устройства 4. В качестве исполнительного механизма, например, может быть применен электромагнит (типа МКТ-157), работающий в широкоимпульсном режиме перепуска топлива, и управляемый по сигналам от дополнительного контура блока управления. В этом случае положительный эффект получается за счет исключения статической ошибки регулирования. Одновременно такая схема более отвечает концепции систем с полной электронной ответственностью.

При использовании в эксплуатации топлив различных сортов, имеющих относительно большой разброс по плотности, а также учитывая возможно широкий диапазон их рабочих температур, с целью обеспечения точности дозирования весовой массы, заявляемое решение можно дополнить введением в систему регулирования коррекции по плотности топлива. Указанная коррекция заключается в том, что в топливной системе, например, во входном канале 11 устанавливается датчик температур (на фиг.1 не показан), выходной сигнал которого воспринимается блоком управления 10. При этом в электронную часть блока управления должна вводиться программа, учитывающая изменение плотности топлива по температуре, с тем, чтобы скорректировать частоту вращения электропривода. Кроме этого, в блоке управления предусматривается задатчик плотности топлива по сорту топлива, который взаимодействует с программой коррекции по температуре.

При использовании простых по конструкции, малогабаритных и надежных вискозиметров схема может быть далее усовершенствована в части введения в нее датчика вязкости и соответствующей программы регулирования в блоке управления для коррекции частоты вращения электропривода, компенсирующей изменение перетечек топлива в объемном дозирующем устройстве, что еще более повышает точность дозирования электроприводным устройством.

Формула изобретения

1. Система топливоподачи и регулирования ГТД, содержащая электроприводной насос топливоподачи и блок управления частотой вращения электродвигателя насоса, отличающийся тем, что введено объемное дозирующее устройство с элементом поддержания постоянного перепада давлений на нем, установленное последовательно насосу так, что выходной канал насоса является входным каналом дозирующего устройства, и имеющее общий привод с насосом.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что объемное дозирующее устройство и насос топливоподачи выполнены в виде шестеренных качающих узлов.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что элемент поддержания постоянного перепада давлений выполнен в виде гидравлического клапана поддержания постоянного перепада давлений сливного типа.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что элемент поддержания постоянного перепада давлений выполнен в виде электромеханического управляемого исполнительного механизма с первичными датчиками давлений, установленными во входном и выходном каналах дозирующего устройства.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно в одном из каналов объемного дозирующего устройства установлен датчик температуры, выход которого связан с блоком управления частотой вращения электродвигателя привода насоса, а в блок управления введена программа коррекции частоты вращения по температурному изменению плотности топлива и установлен переключатель сорта топлива.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2