СИСТЕМА ТОПЛИВОПИТАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS-TURBINE ENGINE FUEL SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам топливопитания газотурбинных двигателей (ГТД) летательного аппарата (ЛА).
Известна система топливопитания газотурбинного двигателя, содержащая регулятор, связанный с датчиками параметров работы двигателя, насос высокого давления (плунжерный) и основной топливный насос (центробежный) для подачи топлива, переключатели подключения насосов с устройствами управления, связанными с регулятором, а также датчики давления топлива, установленные на выходе насосов и связанные с регулятором (см. патент RU 122705, опубл. 10.12.2012 г., кл. F02C 9/26).
Недостатком известной системы топливопитания является снижение КПД центробежного насоса при уменьшении величины потребляемого расхода топлива.
Параметры основного топливного насоса выбираются исходя из обеспечения максимального КПД при максимальном расходе топлива в двигатель. Необходимость обеспечения подачи топлива в двигатель в широком диапазоне потребных расходов топлива (отношение максимального расхода топлива к минимальному расходу может быть более 50) приводит к работе с низким КПД основного топливного насоса при обеспечении малых расходов топлива в двигатель, например, на режиме крейсерского полета. Работа с низким КПД основного топливного насоса при неблагоприятных внешних условиях может вызвать перегрев топлива в системе питания.
Кроме того, недостатком известной системы топливопитания, при работе на режимах с малым потреблением топлива и подаче топлива к дозаторам от плунжерного насоса высокого давления, является потеря энергии, затраченной на повышение давления топлива.
При работе двигателя на режимах с малым расходом топлива величина потребного давления топлива за насосом высокого давления значительно превышает величину потребного давления топлива на входе в агрегаты дозирования. Это приводит к необходимости дросселирования (уменьшения) давления топлива при подаче топлива от насоса высокого давления к дозатору топлива. Во время дросселирования топлива механическая энергия, затраченная на повышение давления топлива в насосе высокого давления, теряется, переходя в тепловую и вызывая нагрев топлива.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение энергетической эффективности системы топливопитания.
Для достижения указанного технического результата в системе топливопитания газотурбинного двигателя, которая содержит регулятор, связанный с датчиками параметров работы двигателя, насос высокого давления и основной топливный насос для подачи топлива, переключатели подключения насосов с устройствами управления, связанными с регулятором, а также датчики давления топлива, установленные на выходе насосов и связанные с регулятором, установлен регулируемый гидроприводной топливный насос, содержащий дросселирующий элемент с сервомотором, шестеренный гидромотор и шестеренный насос, которые кинематически связаны между собой, и датчик давления топлива на выходе, при этом вход в гидромотор через дросселирующий элемент гидравлически связан с выходом насоса высокого давления, выход из шестеренного гидромотора гидравлически связан с выходом из шестеренного насоса, а сервомотор дросселирующего элемента гидравлически связан с переключателем.
Отличительные признаки, а именно: установка регулируемого гидроприводного топливного насоса, содержащего дросселирующий элемент с сервомотором, шестеренный гидромотор и шестеренный насос, которые кинематически связаны между собой, и датчик давления топлива на выходе, и то, что при этом вход в гидромотор через дросселирующий элемент гидравлически связан с выходом насоса высокого давления, выход из шестеренного гидромотора гидравлически связан с выходом из шестеренного насоса, а сервомотор дросселирующего элемента гидравлически связан с переключателем, обеспечивают возможность использования энергии давления топлива, отбираемого от насоса высокого давления, для повышения давления топлива, поступающего на вход в шестеренный насос. Расход топлива, отбираемый от насоса высокого давления для привода шестеренного гидромотора, объединяется с расходом топлива, подаваемым шестеренным насосом. Суммарная величина расхода топлива в 2-3 раза выше, чем величина расхода топлива, отбираемая от насоса высокого давления. Это позволяет уменьшить отбор топлива от насоса высокого давления и тем самым снизить подогрев топлива в системе топливопитания.
Таким образом, энергетическая эффективность системы топливопитания повышается за счет следующих факторов:
- уменьшения расхода топлива, а следовательно, и величины мощности, необходимой для привода насоса высокого давления;
- уменьшение подогрева топлива за счет перехода энергии давления топлива в механическую энергию, а не в тепловую как в прототипе;
- основной топливный насос подключается на более высоких режимах подачи топлива и работает с большим КПД.
Также при отказе основного топливного насоса система топливопитания с гидроприводным топливным насосом может обеспечить большую величину расхода топлива, тем самым увеличивая величину располагаемой тяги ГТД ЛА.
Предложенная система топливопитания представлена на чертеже и описана ниже.
Система содержит топливный насос высокого давления 1, выполненный в виде плунжерного насоса с регулируемой производительностью, основной топливный насос 2, выполненный в виде центробежного насоса, включающего и отключающего подачу топлива по гидравлической команде. Насос высокого давления 1 и основной топливный насос 2 связаны механическим приводом с ГТД (не показан).
Система также содержит гидроприводной топливный насос 3, который состоит из шестеренного гидромотора 4, шестеренного насоса 5 и дросселирующего элемента 6 с сервомотором. Шестеренный гидромотор 4 и шестеренный насос 5 кинематически связаны между собой (например, приводной рессорой). Выход из шестеренного гидромотора 4 и выход из шестеренного насоса 5 объединены расходной гидравлической магистралью. На выходе из гидроприводного топливного насоса 3 установлен обратный клапан 7.
Входы в насос высокого давления 1, основной топливный насос 2 и гидроприводной топливный насос 3 гидравлическими расходными магистралями связаны с топливной системой ЛА 8.
В гидравлической магистрали, соединяющей топливную систему ЛА 8 с вводом в насосы 1, 2 и 3, установлен датчик давления 9. На выходе из насоса высокого давления 1 установлен датчик давления 10, на выходе из основного топливного насоса 2 установлен датчик давления 11, на выходе из гидроприводного топливного насоса 3 установлен датчик давления 12. Датчики давления 9, 10, 11 и 12 подключены к регулятору 13 электрическими цепями. Регулятор 13 может быть выполнен в виде электронного цифрового регулятора.
Выход из насоса высокого давления 1 гидравлическими расходными магистралями связан с гидроприводным топливным насосом 3 и переключателем 14 насоса высокого давления 1.
Выход из основного топливного насоса 2 гидравлическими расходными магистралями связан с переключателем 14 насоса высокого давления 1 и переключателем 15 основного топливного насоса 2.
Переключатель 14 насоса высокого давления 1 и переключатель 15 основного топливного насоса 2 конструктивно могут быть выполнены в виде одного объединенного переключателя.
Выход переключателя 14 насоса высокого давления 1 связан расходными гидравлическими магистралями с электрогидравлическими элементами автоматики 16 (например, электрогидропреобразователями, электрогидроусилителями, электрогидравлическими клапанами) и агрегатами механизации 17 ГТД (например, гидроцилиндрами управления положением направляющих аппаратов компрессора ГТД, гидроцилиндрами управления соплом и др.).
Выход переключателя 15 основного топливного насоса 2 связан расходной гидравлической магистралью с агрегатом дозирования топлива 18.
Переключатель 14 связан командной гидравлической магистралью 19 с насосом высокого давления 1.
Переключатель 15 связан командной гидравлической магистралью 20 с основным топливным насосом 2.
Переключатель 15 основного топливного насоса 2 связан командной гидравлической магистралью 21 с сервомотором дросселирующего элемента 6.
Управление сервомотором дросселирующего элемента 6 конструктивно может быть осуществлено от переключателя 14 насоса высокого давления 1, или от отдельного агрегата, связанного гидравлически с сервомотором дросселирующего элемента 6, а электроцепями с регулятором 13.
К регулятору 13 подключены электрическими цепями датчики 22 контроля параметров ГТД, переключатели 14 и 15, электроисполнительные элементы автоматики 16, агрегаты механизации двигателя 17, агрегат дозирования топлива 18.
Система работает следующим образом.
Из топливной системы ЛА 8 топливо поступает на вход в топливный насос высокого давления 1, на вход в основной топливный насос 2 и на вход в гидроприводной топливный насос 3. Регулятор 13 контролирует величину давления топлива на входе в насосы системы топливопитания по электрическому сигналу от датчика 9.
Насос высокого давления 1 повышает давление топлива и подает его к гидроприводному топливному насосу 3 и переключателю 14. Регулятор 13 по данным, полученным с датчиков 22 о параметрах ГТД, управляет величиной давления на выходе из насоса высокого давления 1, выдавая электрическую команду на переключатель 14. В переключателе 14 электрическая команда преобразуется в гидравлическую, которая по командной гидравлической магистрали 19 поступает в насос высокого давления 1. Регулятор 13 контролирует величину давления топлива по электрическому сигналу от датчика 10.
Из переключателя 14 по расходным гидравлическим магистралям топливо с высоким давлением поступает к электрогидравлическим элементам автоматики 16 и агрегатам механизации двигателя 17.
На низких режимах работы ГТД регулятор 13 выдает электрический сигнал переключателю 15 на отключение основного топливного насоса 2. Переключатель 15 преобразует электрический сигнал в гидравлическую команду и по командной гидравлической магистрали 20 подает гидравлическую команду основному топливному насосу 2 на отключение подачи топлива.
От насоса высокого давления 1 топливо с высоким давлением по расходной гидравлической магистрали подводится к дросселирующему элементу 6 гидроприводного топливного насоса 3 и далее к шестеренному гидромотору 4. Расход топлива через шестеренный гидромотор 4 определяется площадью открытого проходного сечения дросселирующего. элемента 6 и перепадом давлений топлива на нем. Проходное сечение дросселирующего элемента 6 определяется его положением, которое регулируется гидравлической командой, поступающей к сервомотору дросселирующего элемента 6 по командной гидравлической магистрали 21 от переключателя 15. Величина расхода топлива через шестеренный гидромотор 4 определяет частоту вращения гидромотора 4 и кинематически связанного с ним шестеренного насоса 5.
Аналогичным образом работа гидроприводного топливного насоса 3 производится для варианта конструктивного исполнения с управлением сервомотором дросселирующего элемента 6 переключателем 14, а также для варианта конструктивного исполнения управления сервомотором отдельным агрегатом.
Из топливной системы ЛА 8 топливо по расходным магистралям поступает в шестеренный насос 5, в нем давление топлива повышается, расходные топливные магистрали с выхода шестеренного гидромотора 4 и выхода шестеренного насоса 5 объединяются, и топливо через обратный клапан 7 поступает к переключателю 15.
Регулятор 13 контролирует величину давления топлива за гидроприводным топливным насосом 3 по электрическому сигналу с датчика 12 и управляет давлением топлива на выходе из гидроприводного топливного насоса 3 изменением частоты вращения шестеренного гидромотора 4, выдавая электрическую команду на переключатель 15, в котором электрические команды преобразуются в гидравлическую команду к сервомотору дросселирующего элемента 6.
От переключателя 15 топливо поступает в агрегат дозирования топлива 18.
На режимах работы ГТД с большим расходом топлива регулятор 13 выдает электрический сигнал на переключатель 15 на включение основного топливного насоса 2. Переключатель 15 преобразует электрический сигнал в гидравлическую команду и по командной гидравлической магистрали 20 подает гидравлическую команду основному топливному насосу 2 на включение подачи топлива.
Основной топливный насос 2 повышает давление топлива и подает его к переключателям 14 и 15. Регулятор 13 контролирует величину давления топлива на выходе из основного топливного насоса 2 по электрическому сигналу с датчика 11.
При росте давления топлива за основным топливным насосом 2 до заданной величины регулятор 13 выдает на переключатель 15 электрическую команду на отключение гидроприводного топливного насоса 3. Переключатель 15 преобразует электрическую команду в гидравлическую и по командной гидравлической магистрали 21 подает ее на сервомотор дросселирующего элемента 6. Сервомотор, перемещаясь, перекрывает проходное сечение и отключает подвод топлива от насоса высокого давления 1 к шестеренному гидромотору 4. Обратный клапан 7 закрывается и препятствует обратному перетоку топлива через гидроприводной насос 3.
От основного топливного насоса 2 через переключатель 15 топливо поступает в агрегат дозирования топлива 18.
При отказе насоса высокого давления 1 регулятор 13 выдает на переключатель 14 электрические команды на отключение насоса высокого давления 1 и на подключение подачи топлива от основного топливного насоса 2 к электрогидравлическим элементам автоматики 16 и агрегатам механизации двигателя 17.
Таким образом, предложенная система топливопитания газотурбинного двигателя позволяет повысить энергетическую эффективность и снизить подогрев топлива за счет уменьшения отбора топлива от топливного насоса высокого давления, а также за счет работы основного топливного насоса на режимах с большей величиной КПД.