КОНТУР ДОЗИРОВАНИЯ ТОПЛИВА И СПОСОБ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПЛОТНОСТИ ТОПЛИВА
FUEL DOSING CIRCUIT AND METHOD WITH COMPENSATION FOR FUEL DENSITY VARIABILITY

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к контуру дозирования топлива для турбомашины и к способу дозирования, который может быть осуществлен с помощью такого контура.
Уровень техники
Турбомашина традиционно содержит контур дозирования топлива, содержащий устройство дозирования топлива, подающее в камеру сгорания турбомашины расход топлива, адаптированный к рабочей скорости вращения турбомашины.
Контур дозирования также содержит (для случая турбореактивных двигателей, которыми оснащаются самолеты со встроенными в них топливными баками - по сравнению с конструкциями самолетов, оснащенными турбомашинами, отличными от турбореактивных двигателей, и имеющими встроенный бак) насос, который забирает топливо из топливного бака турбомашины для его подачи в устройство дозирования, а также регулирующий клапан, который обеспечивает рециркуляцию в насос избыточного расхода топлива, подаваемого в устройство дозирования.
Каждая рабочая скорость вращения турбомашины создает соответствующий массовый расход топлива, который должен обеспечиваться устройством дозирования. На фиг. 1 показана плотность различных типов топлива (каждая кривая с номерами от 1 до 4 соответствует разному топливу, причем кривая с номером 5 соответствует одному примеру определения размера двигателя) в зависимости от температуры. На этой фигуре видно, что плотность топлива может значительно изменяться, в частности, в зависимости от типа используемого топлива (более или менее летучих видов топлива) и температуры топлива. В настоящее время устройства дозирования управляются алгоритмами управления, которые связывают желаемый целевой массовый расход с положением устройства дозирования для заданных условий температуры и типа топлива.
Следовательно, эти алгоритмы управления не позволяют учитывать изменчивость плотности топлива при управлении устройством дозирования, а следовательно, точно адаптировать дозированный массовый расход к плотности топлива, чтобы получать целевой массовый расход топлива.
Кроме того, невозможно точно определять массовый расход, обеспечиваемый устройством дозирования, поскольку расходомеры, используемые для определения количества топлива, обеспечиваемого устройством дозирования, являются объемными расходомерами, а массовые расходомеры не имеют достаточного времени срабатывания, чтобы обеспечивать достоверную информацию, адаптированную в любой момент времени к скорости вращения двигателя турбомашины.
Это приводит к значительной неточности, порядка 12%, при определении массового расхода, обеспечиваемого устройством дозирования для камеры сгорания топлива.
Можно рассчитать долю неточности в расходе топлива, обеспечиваемом устройством дозирования, которая возникает из-за неизвестности плотности топлива, по следующей формуле (A), выражающей обеспечиваемый расход:
, (А)
где:
- Wf - массовый расход топлива, впрыскиваемого устройством дозирования в кг/ч;
- ρ - плотность топлива в кг/л;
- К - константа; и
- S - сечение отверстия щели устройства дозирования в мм².
Влияние плотности на расход впрыскиваемого топлива является следующим:
3
3
Изменение плотности от 700 до 900 кг/м создает неточность в массовом расходе впрыскиваемого топлива, составляющую от -6,4 до 6,1%, по сравнению с алгоритмом, рассчитанным для средней плотности 803 кг/м.
Однако эта неточность влияет на определение размеров турбомашины.
В частности, значительное изменение скорости вращения турбомашины, например от диапазона высоких скоростей до оборотов холостого хода или наоборот, вызывает резкое изменение расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания. Это изменение происходит за меньшее время, чем изменение скорости вращения турбомашины. Поэтому должны быть определены рабочие допуски, называемые запас по помпажу и запас по остановке, чтобы турбомашина продолжала функционировать, несмотря на то, что обеспечиваемый расход топлива отличается от требуемого, необходимого для функционирования, и была адаптированной к скорости вращения, причем эти допуски достигаются посредством превышения размера турбомашины.
Из-за большой неточности в расходе топлива, обеспечиваемом устройством дозирования, допуски, а также превышение размеров турбомашины, должны быть даже еще больше.
Были предложены некоторые решения, в которых использовался датчик температуры в сочетании с вычислительным устройством, корректирующим управление устройством дозирования в соответствии с алгоритмами компенсации, установленными на основе плотности или температуры топлива.
Однако это решение позволяет корректировать только часть отклонений, связанных с температурой, путем дополнительного добавления других источников неопределенности, связанных с разработкой алгоритма.
Раскрытие сущности изобретения
Изобретение направлено на преодоление недостатков предшествующего уровня техники, предлагая систему дозирования топлива, имеющую повышенную точность дозированного расхода по сравнению с предшествующим уровнем техники.
С этой целью изобретение предлагает контур дозирования топлива для турбомашины, содержащий:
- устройство дозирования,
- насос, выполненный с возможностью циркуляции расхода топлива в отношении устройства дозирования,
- регулирующий клапан, выполненный с возможностью возврата избыточного расхода топлива, подаваемого в устройство дозирования, в отношении насоса, в соответствии с перепадом давления топлива, на конечных точках устройства дозирования,
- диафрагму, и
- объемный расходомер, выполненный с возможностью определять объемный расход топлива, проходящего через диафрагму.
Диафрагма и объемный расходомер устанавливаются параллельно с устройством дозирования в обходном канале, ниже по потоку от регулирующего клапана, для определения плотности топлива, циркулирующего в контуре дозирования.
Некоторые предпочтительные, но не ограничивающие характеристики контура дозирования, описанные выше, взятые по отдельности или в сочетании, являются следующими:
- объемный расходомер устанавливается выше или ниже по потоку относительно диафрагмы;
- контур дозирования дополнительно содержит электронную плату, выполненную с возможностью приема информации от объемного расходомера об объемном расходе топлива и регулировки заданного значения регулируемой величины устройства дозирования с учетом плотности топлива, определенной таким образом;
- насос выполняется в виде объемного насоса.
В соответствии со вторым аспектом, изобретение также предлагает турбомашину, содержащую такой контур дозирования.
В соответствии с третьим аспектом, изобретение предлагает способ дозирования топлива, реализованный в контуре дозирования топлива, отличающийся тем, что он содержит следующие этапы:
- определение перепада давления на конечных точках устройства дозирования,
- измерение объемного расхода топлива с помощью объемного расходомера,
- вычисление плотности топлива, исходя из перепада давления, объемного расхода и констант, связанных с диафрагмой.
Некоторые предпочтительные, но не ограничивающие характеристики способа дозирования, описанного выше, взятые по отдельности или в сочетании, являются следующими:
- способ дополнительно содержит этап, во время которого расходомер передает информацию об объемном расходе топлива на электронную плату, а электронная плата регулирует заданное значение регулируемой величины устройства дозирования с учетом плотности топлива.
- расход топлива контролируется путем рециркуляции переменного расхода топлива в отношении насоса с помощью регулирующего клапана.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики, задачи и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после прочтения последующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, приводимые в качестве не ограничивающих примеров.
На фиг. 1 показано уже описанное изменение плотности нескольких видов топлива в зависимости от температуры;
на фиг. 2 - схема контура дозирования в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 3 - блок-схема, иллюстрирующая этапы примера варианта осуществления способа дозирования в соответствии с изобретением.
Осуществление изобретения
На фиг. 2 показан контур 1 дозирования топлива для турбомашины, включающий в себя по меньшей мере одну камеру 2 сгорания и один топливный бак 3.
Контур 1 дозирования топлива включает в себя объемный насос 4, устройство 6 дозирования и подводящий трубопровод устройства дозирования, называемый подводящим трубопроводом высокого давления, соединяющий выход объемного насоса 4 с входом устройства 6 дозирования. Устройство 6 дозирования выполнено с возможностью подачи целевого массового расхода топлива в камеру 2 сгорания на основе первоначального расхода топлива, которое подается в него объемным насосом 4 по трубопроводу высокого давления.
Устройство 6 дозирования содержит площадь раскрытия, называемую площадью раскрытия отверстия устройства дозирования, переменного размера, которая обеспечивает протекание жидкости. Следовательно, расход топлива, обеспечиваемый устройством 6 дозирования, является, в частности, функцией площади раскрытия отверстия.
Площадь раскрытия отверстия устройства 6 дозирования изменяется посредством привода от сервоклапана, который управляет перемещением подвижной дозирующей части, чтобы постепенно закрывать дозирующее отверстие или щель. Датчик положения позволяет определять положение подвижной части. Датчик положения обычно является LDVT-датчиком (регулируемым дифференциальным трансформатором с линейной характеристикой).
Существуют различные типы устройств 6 дозирования, например: с традиционной дозирующей щелью, как описано в документе US 7 526 911, или с экспоненциальной дозирующей щелью, как описано в документах EP 1 231 368 и FR 2 825 120. В случае экспоненциальной щели площадь раскрытия отверстия экспоненциально возрастает с перемещением подвижной части, что позволяет повысить точность при низком расходе.
Контур дозирования может дополнительно содержать запорный клапан 10 или HPSOV (запорный клапан высокого давления), выполненный с возможностью разрешать или блокировать впрыск топлива в камеру сгорания.
Необязательно контур 1 дозирования может содержать электронную плату 11 для управления дозированием топлива. Для этой цели электронная плата может, например, связываться с устройством 6 дозирования в обоих направлениях: она может отправлять заданные значения регулируемой величины в устройство 6 дозирования и принимать обратно данные от устройства дозирования.
Электронная плата 11 также может подключаться к блоку управления, внешнему по отношению к устройству. Блок управления, как правило, представляет собой электронный модуль регулирования ECU (блок управления двигателем) системы FADEC (электронно-цифровой схемы управления двигателем с полной ответственностью), то есть, другими словами, цифровую систему регулирования с полной ответственностью, которая контролирует переменную геометрию (приводные механизмы, устройства дозирования и т.д.) самолета. Блок управления может быть расположен внутри самолета и поэтому не может предназначаться исключительно для регулирования топлива. И наоборот, электронная плата 11 предпочтительно предназначена исключительно для дозирования топлива и для вспомогательных функций. Как вариант, также возможно иметь дополнительное управляющее устройство, в дополнение к основному контролирующему устройству, которое, в частности, может быть зарезервировано исключительно для дозирования топлива. Соединение между управляющим устройством и электронной платой 11 обычно выполняется с помощью соединительного жгута проводов.
Только электронная плата 11 контура 1 дозирования подключена к блоку управления самолета (посредством единственного жгута проводов), в этом случае перераспределение выполняется в контуре 1 дозирования с помощью электронной платы 11. Следовательно, контур 1 дозирования содержит единственный вход от блока управления к электронной плате 11, которая разделяет этот вход на несколько выходов, а именно, в частности, устройство 6 дозирования.
Контур 1 дозирования топлива дополнительно включает в себя регулирующий клапан 5, выполненный с возможностью регулирования расхода топлива, подаваемого в устройство 6 дозирования. В частности, регулирующий клапан 5 выполнен с возможностью возврата избыточного расхода топлива, достигающего устройства 6 дозирования, на вход в объемный насос 4 в зависимости от перепада давления на конечных точках устройства 6 дозирования. Регулирующий клапан 5 также используется для поддержания постоянного перепада ΔP давления топлива между входным и выходным потоками выше и ниже по потоку от устройства 6 дозирования.
Как правило, регулирующий клапан 5 содержит подвижную заслонку, действующую против действия нагруженной пружины с обеспечением заданного значения перепада ΔP давления, которое должно поддерживаться. Заслонка, как правило, является перфорированной, чтобы выпускать топливо по трубке, ведущей к контуру рециркуляции, в соответствии с ее положением равновесия относительно действия пружины.
Один пример регулирующего клапана 5, который может использоваться здесь, был описан в документе FR 1655944, поданном Заявителем 27 июня 2016 года.
Для обеспечения точной настройки небольших отверстий контур 1 дозирования дополнительно содержит обходной канал 7, расположенный параллельно с устройством 6 дозирования и содержащий диафрагму 8, обеспечивающую минимальный расход, и объемный расходомер 9.
d
Диафрагма 8 имеет фиксированное сечение S, установленное во время предварительных испытаний, проводимых на стенде. Как правило, диафрагма может иметь отверстие фиксированного размера и формы.
На конечных точках диафрагмы 8 создается перепад давления, который, как было показано выше, регулируется и определяется регулирующим клапаном 5. Этот перепад ΔP давления равен перепаду ΔP давления на конечных точках устройства 6 дозирования, поскольку диафрагма устанавливается параллельно с устройством 6 дозирования в обходном контуре 7.
Перепад ΔP давления, в частности, может измеряться дифференциальным датчиком.
Кроме того, потеря напора вследствие прохождения через диафрагму 8 определяется по следующей формуле (B):
, (B)
где:
ρ - плотность топлива,
ξ - коэффициент потери напора диафрагмы 8, который является постоянной величиной,
d
Q - объемный расход топлива через диафрагму 8 с сечением S.
Однако давление выше и ниже по потоку от диафрагмы 8 является известным и определяется регулирующим клапаном 5. Его также можно измерить с помощью дифференциального датчика. Сечение диафрагмы 8 определяется заранее с помощью испытаний, проводимых на стенде. Объемный расход измеряется с помощью объемного расходомера 9, который установлен последовательно с диафрагмой 8 (выше или ниже по потоку от диафрагмы 8 в обходном канале 7). И наконец, коэффициент потери напора диафрагмы 8 является постоянным, а следовательно, соотношение  также является постоянным.
Из этого вытекает, что в пределах ошибок измерения, в соответствии с формулой (B), объемный расход Q изменяется исключительно в зависимости от плотности топлива.
Диафрагма 8 и объемный расходомер 9, установленные последовательно в обходном канале, следовательно, образуют встроенный измеритель плотности, который позволяет повысить общую точность контура 1 дозирования.
Там, где это целесообразно, когда контур 1 дозирования содержит электронную плату 11, измерения, выполненные расходомером 9, передаются на электронную плату 11, так что последняя выводит из этих данных измерения плотность топлива. Электронная плата 11 в этом случае может регулировать заданное значение регулируемой величины устройства 6 дозирования, учитывая объемную плотность топлива.
Как вариант, при отсутствии электронной платы 11 в контуре 1 дозирования, измерения, выполненные расходомером 9, передаются непосредственно в блок управления устройства 6 дозирования.
Чтобы оценить точность дозирования, полученную благодаря диафрагме 8 и добавлению расходомера 9, необходимо учитывать точность калибровки, полученную заранее во время испытаний, проводимых на испытательном стенде, и неточности измерения при нормальном функционировании.
Точность объемного расходомера 9 составляет порядка ±0,8% от измеренной величины. В зависимости от измеренного расхода, это возможное отклонение учитывает весь температурный диапазон. Однако, в противоположном случае, можно измерять температуру в обходном канале 7, содержащем диафрагму 8 и расходомер 9, и применять поправку к считываемому расходу, при этом расходомеры турбины являются чувствительными к вязкости жидкости.
Кроме того, во время предварительных испытаний, проводимых на стенде, электроника калибруется более точно, чем бортовая электроника. Поэтому неопределенность для определения характеристики (обычно составляет ±0,5% от измеренной величины) является более низкой.
В дальнейшем одинаковая точность измерений при калибровке и функционировании при всех температурах, составляющая ±0,8% от измеренной величины, будет рассматриваться с консервативной точки зрения.
Аналогичным образом, датчик перепада давления имеет точность ±0,8% от полной шкалы.
Для сводного баланса будет рассматриваться шкала в 5 бар, то есть точность порядка ±1% для измерения 4 бар (обычное значение регулируемого перепада давления).
Учитывая следующую формулу, определяем объемный расход впрыснутого топлива:
,
где:
Q - расход, измеренный в л/ч с помощью объемного расходомера 9;
ρ - плотность топлива в кг/л;
S - проходное сечение для топлива, связанное с отверстием устройства 6 дозирования;
А - отверстие дозирующей щели устройства 6 дозирования в мм.
Влияние давления и объемного расхода на измерение плотности ρ топлива определяется следующим образом:
А именно:
и
ρ
Все эти ошибки измерений являются случайными. Таким образом, погрешность определения плотности ε будет равна:
Ошибка измерения расхода, скорректированного с использованием плотности , полученной с помощью диафрагмы 8 и объемного расходомера 9, будет, следовательно, составлять .
Ошибка измерения расхода, скорректированного посредством перепада давления, составит .
Следует отметить, что при отсутствии регулирования изменение плотности вызывает изменение расхода на величину от -6,4 до +6,1%, тогда как при регулировании изменение расхода будет находиться в диапазоне примерно ±1,6%, в частности, когда контур 1 дозирования содержит электронную плату 11. При отсутствии электронной платы 11 изменение расхода может составлять от -3 до +3%.
В этом случае дозирование топлива с помощью такого контура 1 дозирования топлива включает:
- определение S1 перепада давления на конечных точках устройства 6 дозирования,
- измерение S2 объемного расхода топлива с помощью объемного расходомера 9,
- вычисление S3 плотности топлива исходя из перепада давления, объемного расхода топлива и констант, связанных с диафрагмой 8,
- определение информации об объемном расходе топлива и передачу S4 этой информации на электронную плату 11, чтобы электронная плата 11 регулировала заданное значение регулируемой величины устройства 6 дозирования, учитывая плотность топлива.
Следует отметить, что расход топлива регулируется на этапе S4 посредством рециркуляции переменного расхода топлива в насос 4 с помощью регулирующего клапана 5.