СИСТЕМА ТОПЛИВОПОДАЧИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE FUEL FEED SYSTEM

Заявленное техническое решение относится к системам подачи топлива в газотурбинные двигатели (ГТД) летательных аппаратов.
Известна система подачи топлива в газотурбинный двигатель, содержащая центробежный насос низкого давления, шестеренный насос высокого давления, связанный трубопроводом с теплообменником, в котором топливо нагревается и возвращается по другому трубопроводу к насосу высокого давления (см. патент США №6189313 В1, МПК F02C 7/224, 2001 г.).
Недостатком этой системы является ее ограниченное применение, т.к. она обеспечивает удовлетворительную работу только в случае, если топливный бак расположен выше двигателя и работает баковый подкачивающий насос. Однако существуют летательные аппараты, например вертолеты, где бак расположен ниже двигателя, а баковый насос может быть выключен. При этом с подъемом на высоту из топлива в баке начинает выделяться растворенный воздух, и состав топливной смеси топливо/воздух может дойти до соотношения 1:1, что ведет к образованию крупных пузырьков воздуха, способных перекрыть подачу топлива центробежным насосом, а всасывающая способность шестеренного насоса может оказаться недостаточной для поднятия жидкости от топливного бака до двигателя и для преодоления сопротивления всасывающего трубопровода.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является система подачи топлива в основную и форсажную камеры ГТД, содержащая центробежный насос низкого давления с приводом от двигателя, выход которого через топливный фильтр и топливомасляный радиатор соединен с шестеренным насосом высокого давления (см. Н.А.Максимов, В.А.Секистов. «Двигатели самолетов и вертолетов». М.: Воениздат, 1977 г., стр.239, 240, рис.13.1).
Указанная система не может обеспечить безотказную работу двигателя при превышении величины давления на входе в центробежный насос над давлением насыщенных паров топлива 7÷10 кПа и при соотношении фаз топливо-паровоздушная смесь ~1:1.
При эксплуатации этой системы на вертолете при наборе высоты динамическое равновесие топливо-воздух нарушается. Скорость выделения воздуха при этом зависит от скорости набора высоты. При больших скоростях топливо вскипает и становится перенасыщенным воздухом, который бурно выделяется из него. Нормальная работа центробежного насоса возможна только при непрерывном поступлении в него топлива, а попадание воздуха в топливную систему может привести к останову двигателя.
Таким образом, в системах топливопитания для работы в подобных условиях главной проблемой становится насос низкого давления.
Известны насосы низкого давления с сепарацией воздуха (см. Л.С.Аринушкин и др. «Авиационные центробежные насосные агрегаты». М.: Машиностроение, стр.30, 33, 63, 64, рис.2.22). Применение такого насоса в системе топливоподачи приведет к увеличению веса и габаритов системы из-за увеличения объема прокачиваемого топлива. Сепаратор может понизить кавитационный запас насоса примерно вдвое, но при избытке давления входа в подкачивающий насос над давлением насыщенных паров 7÷10 кПа не исключит образование паровоздушного пузыря большого объема, который, попав на вход в насос низкого давления, может привести к останову двигателя.
Также известен пароотделяющий и дозирующий насос для системы топливоподачи ГТД (см. патент США №4854824, МПК F04C 19/00, 1989 г.), где тоже предусмотрена сепарация воздуха.
Но применение такого насоса тоже ведет к увеличению габаритов системы, т.к. на сепарацию воздуха требуется больший перепуск, а при выделении большого пузыря воздуха возможен останов работы.
Известен центробежно-шестеренный насос на подшипниках скольжения с гидравлической компенсацией зазоров (см. патент РФ №2304730, МПК F04D 13/12, 2006 г.), где топливо подводится со стороны впадины зубьев, и при вращении шестерен центробежная сила, действующая на жидкость, не препятствует заполнению впадин, а, наоборот, повышает давление во впадинах зубьев. Этот насос обладает хорошими всасывающими свойствами, благодаря чему даже большой пузырь паровоздушной фракции, попавший на вход, не вызовет срыв потока, паровая фаза сконденсируется в межзубовом пространстве, часть воздуха раствориться в топливе, а часть уменьшится в объеме под действием давления рабочей жидкости.
Однако использование такого насоса в известной системе тоже имеет свои недостатки, а именно ограниченный ресурс системы из-за того, что подшипникам скольжения насоса придется работать на неотфильтрованном топливе, поступающем на его вход из бака, т.к. фильтр тонкой очистки расположен за насосом низкого давления.
Техническим результатом, на решение которого направлено данное изобретение, является обеспечение безотказной работы системы топливопитания и двигателя в целом при превышении давления на входе в насос низкого давления над давлением насыщенных паров топлива 7÷10 кПа и отношениях фракций топливо-воздух ~1:1.
Для достижения указанного технического результата в системе топливоподачи газотурбинного двигателя, содержащей насос низкого давления, выход которого через топливный фильтр и топливомасляный радиатор соединен со входом насоса высокого давления, насос низкого давления выполнен в виде центробежно-шестеренного насоса, полость цапф шестерен которого гидравлически связана с выходом насоса высокого давления. В канале подвода топлива к полости цапф шестерен от насоса высокого давления может быть установлен клапан постоянного давления.
Клапан постоянного давления может быть выполнен в виде подпружиненного золотника, отсечная кромка и торец в пружинной полости которого соединены со входом насоса низкого давления, а противоположный торец золотника, образующий совместно с седлом дифференциальное запорное устройство, через дроссель соединен с выходом насоса высокого давления.
Отличительные признаки, а именно выполнение насоса низкого давления в виде центробежно-шестеренного насоса на подшипниках скольжения и подведение топлива в полости цапф шестерен насоса низкого давления с выхода насоса высокого давления, позволяют обеспечить безотказную и высокоресурсную работу насоса низкого давления на неотфильтрованном топливе при превышении давления топлива на входе в насос над давлением насыщенных паров топлива 7÷10 кПа и наличии паровоздушных пузырей. Это обеспечивает безотказную работу системы и двигателя в целом, т.к. улучшается всасывающая способность насоса низкого давления за счет подвода топлива к шестерням насоса со стороны впадины зубьев. Кроме того, к цапфам насоса низкого давления подводится топливо высокого давления, и неотфильтрованное топливо низкого давления туда не попадает.
2
Установка клапана постоянного давления в канале подвода топлива в полости цапф шестерен насоса низкого давления с выхода насоса высокого давления обеспечивает превышение давления топлива, подводимого к цапфам над давлением выхода топлива из насоса низкого давления в пределах 2÷5 кг/см, создавая тем самым уменьшение переразмеривания качающего узла насоса высокого давления.
За счет выполнения клапана постоянного давления в виде подпружиненного золотника, отсечная кромка и торец в пружинной полости которого соединены со входом насоса низкого давления, а противоположный торец золотника, образующий совместно с седлом дифференциальное запорное устройство, через дроссель соединенное с выходом насоса высокого давления, обеспечивается отбор топлива на цапфы шестерен насоса низкого давления только после розжига камеры сгорания.
Предложенное устройство представлено на фиг.1 и 2, где на фиг.1 показана предлагаемая система топливопитания, а на фиг.2 - продольный разрез блока насосов, включающий насос низкого давления и насос высокого давления. Описание устройства приведено ниже.
Система топливоподачи содержит центробежно-шестеренный насос низкого давления 1, вход 2 которого соединен с топливным баком 3, а выходная магистраль 4 через фильтр тонкой очистки 5 и топливомасляный радиатор 6 связана со входом 7 насоса высокого давления 8.
Насос 8 выполнен в виде шестеренного насоса, выход 9 которого связан с потребителем. Пружинная полость редукционного клапана 10 насоса 1 связана со входом 2, а противоположный торец - с выходом 4. Клапан предельного давления 11 шестеренного насоса высокого давления 8 выполнен в виде подпружиненного шарикового клапана, пружинная полость которого связана со входом 7 насоса 8, а седло клапана - с выходом 9. Выход 9 связан с полостью цапф шестерен насоса 1 каналом, в котором установлен клапан постоянного давления 12, выполненный в виде подпружиненного золотника, отсечная кромка 13 которого, а также один из торцев с расположенной на нем пружиной 14 связаны с магистралью 2 входа топлива в центробежно-шестеренный насос низкого давления 1, а противоположный торец золотника через седло запорного устройства 15 и дроссель 16 связан с выходом топлива 9 из насоса высокого давления 8. Запорное устройство 15 выполнено дифференциальным, т.е. с разницей площадей диаметров седла запорного устройства 15 и золотника клапана постоянного давления 12. Выход 17 топлива из клапана постоянного давления связан с каналами 18, 19 подвода охлаждающего топлива в полости цапф шестерен центробежно-шестеренного насоса (см. фиг.2). Ведущая 20 и ведомая 21 шестерни центробежно-шестеренного насоса с закрепленными на них радиальными центробежными крыльчатками 22, 23 соответственно, имеющими индивидуальные каналы подвода топлива, установлены в корпусе 24 совместно с неподвижным подпятником 25 и подвижным подпятником 26, поджатым уплотнительным кольцом 27 к торцам зубьев шестерен 20, 21. Подпятники 25, 26 выполнены в виде двух общих для шестерен подшипников скольжения.
Шестерни 20, 21 снабжены кольцевыми расточками у ножек зубьев, сопрягаемыми с разделителями 28, 29 полостей всасывания и нагнетания.
При работе системы рабочая жидкость из бака 3 по магистрали входа 2 поступает к центробежным крыльчаткам 22, 23 насоса 1 и далее по каналам в межзубовое пространство ведущей 20 и ведомой 21 шестерен насоса 1, а затем по выходной магистрали 4 отводится к фильтру тонкой очистки 5. Величина давления топлива на выходе насоса 1 регулируется затяжкой пружины редукционного клапана 10. Отфильтрованное топливо поступает к радиатору 6 и далее на вход 7 насоса высокого давления 8. Из насоса 8 топливо поступает потребителю через выход 9.
Если величина давления топлива на выходе 9 насоса 8 превышает заданное значение, то вступает в работу клапан предельного давления 11, сливая излишки топлива на вход 7 насоса 8.
Часть топлива с выхода 9 насоса 8 через дроссель 16 и седло запорного устройства 15 отводится к клапану постоянного давления 12. При запуске двигателя в начале подачи топлива, когда частота вращения двигателя не достигла значения
8÷12% от номинальной частоты вращения, золотник клапана 12 пружиной 14 прижат к седлу 15, и топливо через клапан 12 в канал 17 не поступает. Все топливо за насосом 8 поступает в камеру сгорания двигателя, обеспечивая тем самым первый бросок давления топлива для розжига камеры сгорания. После розжига камеры сгорания частота вращения двигателя увеличивается, давление топлива за насосом 8 повышается, и сила от давления топлива, действующая на золотник клапана 12, преодолевает усилие затяжки пружины 14, золотник отходит от седла запорного устройства 15, и клапан 12 вступает в работу.
Диаметр седла запорного устройства 15 выполнен меньше диаметра золотника клапана 12, поэтому давление топлива за седлом запорного устройства 15 понижается. Кроме того, золотник клапана 12 приподнимается, и своей отсечкой кромкой 13 формирует заданную величину постоянного давления за счет перепуска на вход 2 насоса 1 части топлива, поступающего через дроссель 16.
2
Величина постоянного давления топлива определяется затяжкой пружины 14 и обычно на 2÷5 кг/см превышает давление за насосом 1. Топливо с заданным постоянным давлением через выход 17 и каналы 18 и 19 подводится в полости цапф шестерен 20, 21 насоса 1 и через зазоры стекает на вход 2 насоса 1.
Так как величина постоянного давления топлива превышает давление топлива за насосом 1, то посторонние частицы неотфильтрованного топлива ни с выхода, ни со входа насоса 1 не попадают в диаметральные зазоры цапф шестерен 20, 21, и в торцевые зазоры между шестернями и подпятником 26 на участке от диаметра впадин зуба до диаметра цапфы. Следовательно, все элементы шестеренного насоса 1, чувствительные к загрязненному топливу, надежно защищены от засорения.
При резком наборе высоты топливо в системе становится двухфазным. При попадании двухфазного топлива на вход 2 насоса 1 паровая фаза конденсируется в межзубовом пространстве насоса 1, т.к. пар в зоне давления конденсируется мгновенно, а поглощение воздуха в зоне повышенного давления происходит медленнее, чем конденсация пузырьков пара. При этом нерастворившаяся часть воздуха в межзубовом пространстве насоса 1 под действием давления топлива уменьшается в объеме.
Таким образом, обеспечивается безотказная работа системы и двигателя в условиях низкого давления на входе и при отношениях фракций топливо-воздух ~1:1, а также длительный ресурс работы насоса низкого давления на неотфильтрованном топливе.