СИСТЕМА ТОПЛИВОПИТАНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE FUEL FEED AND ADJUSTMENT SYSTEM

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в системах (САУ) автоматического управления газотурбинными двигателями (ГТД)
Известно устройство для управления ГТД, содержащее последовательно соединенные топливный насос, дозирующую иглу с датчиком перепада давлений и перепускным клапаном, полость задания перепада давлений которого соединена с выходами тахометрических регуляторов переходных и статических режимов.
Недостатком известного устройства является его низкая эффективность на переходных режимах работы двигателя.
Наиболее близкой к данному изобретению по технической сущности является система топливопитания и регулирования ГТД, содержащая электронный регулятор (ЭР), подключенный к блоку датчиков (БД), последовательно соединенные плунжерный топливный насос переменной производительности (ПН) с сервоприводом, дозирующую иглу (ДИ) с клапаном (КПП) постоянного перепада, управляемая полость которой соединена через электрогидропреобразователь (ЭГП) с ЭР, клапан-останова (КО), распределительный клапан (РК) (Бодлер В.А., Рязанов Ю.А., Шаймарданов Ф.А. «Системы автоматического управления двигателями летательных аппаратов». М., «Машиностроение», 1973 г.)
Недостатком этого устройства является то, что управление расходом топлива в двигатель осуществляется с помощью комплекса ДИ-КПП. Это приводит к следующему.
1. При управлении расходом топлива не учитываются фактические значения плотности топлива и его теплотворной способности. Это снижает статическую точность регулирования параметров двигателя и, как следствие, точность поддержания тяги (мощности) силовой установки (СУ) и точность ограничения предельных параметров газогенератора (температуры газов), что снижает надежность работы двигателя, СУ и безопасность ЛА.
2. Комплекс ДИ-КПП обладает достаточной инерционностью, что снижает динамическую точность управления расходом топлива. Это может привести к ускоренной выработке ресурса газогенератора двигателя, что в конечном итоге снижает его надежность.
3. Комплекс ДИ-КПП является набором деталей точности изготовления. При эксплуатации этот комплекс очень чувствителен к загрязнениям рабочего тела. В качестве рабочего тела в гидромеханических агрегатах САУ ГТД используется топливо. Из-за этого практически невозможно применение рассматриваемого устройства на транспортных ГТД входящих в состав СУ большегрузных автомобилей, танков, тепловозов, где в качестве топлива используется солярка.
Целью изобретения является повышение качества работы системы топливопитания и регулирования и, как следствие, повышение надежности работы ГТД и расширение области его применения.
Поставленная цель достигается тем, что в систему топливопитания и регулирования ГТД, содержащую ЭР, подключенный к БД, последовательно соединенные ПН с сервоприводом, КО, РК, а также ЭГП, дополнительно вводится блок адаптации к характеристикам топлива, подключенный к БД и ЭР и выполненный в виде конструктивно-функционального модуля (КФМ) ЭР, а ЭР через ЭГП подключают к сервоприводу ПН.
На чертеже представлена структурная схема заявляемого устройства.
Устройство содержит ЭР 1, подключенный к БД 2, последовательно соединенные ПН 3 с сервоприводом 4, КО 5, РК 6, а также ЭГП 7, блок 8 адаптации к характеристикам топлива, подключенный к БД 2 и ЭР 1, сервопривод 4 ПН 3 подключен к БД 2 напрямую и к ЭР 1 через ЭГП 7.
Устройство работает следующим образом.
ЭР 1 в зависимости от параметров воздуха на входе в двигатель и параметров ГТД (из БД 2) формирует заданный расход топлива в двигатель по известным программам и законам управления (см., например, книгу Черкасов Б.А. «Автоматика и регулирование ВРД». М., «Машиностроение», 1988 г.).
В блоке 8 формируется фактический расход топлива в двигатель. Происходит это следующим образом.
По измеренным с помощью БД 2 частоте вращения привода ПН 3 (приводится насос от ротора турбокомпрессора двигателя через коробку приводов двигателя) и углу наклона шайбы ПН 3 (не показана) вычисляют объемный расход ПН 3:
где
Gт v - объемный расход насоса,
α нш - угол установки наклонной шайбы насоса,
nтк - частота вращения ротора турбокомпрессора двигателя.
Примеры зависимости (1) приведены в книге Т.М.Башта. «Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем». М., «Машиностроение», 1974 г.
По приведенной частоте вращения ротора турбокомпрессора (приведение выполняется по измеренным данным, полученным блоком 8 из БД 2) рассчитывается приведенный расход топлива в двигатель:
где
Gт пр. - приведенный расход топлива в двигатель,
nтк пр. - приведенная частота вращения ротора турбокомпрессора двигателя:
где
nтк пр. - приведенная частота вращения ротора турбокомпрессора двигателя,
nтк - измеренная частота вращения ротора турбокомпрессора двигателя,
Твх. - полная температура воздуха на входе в двигатель.
Зависимость (2) является дроссельной характеристикой двигателя, которую снимают в процессе сдаточных испытаний двигателя на стенде. Ее фиксируют и заносят в ПЗУ блока 8, который является КФМ ЭР 1 и содержит устройства ввода-вывода (УВВ) и вычислитель, содержащий процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).
По приведенному расходу топлива в двигатель с помощью измеренных данных, полученных блоком 8 из БД 2, рассчитывается статический расход топлива в двигатель:
где
Gт ст.- статический расход топлива в двигатель,
Gт пр. - приведенный расход топлива в двигатель,
Твх. - полная температура воздуха на входе в двигатель,
Рвх. - полное давление воздуха на входе в двигатель.
По расчетной величине ускорения ротора турбокомпрессора рассчитывается динамическая добавка к статическому расходу топлива в двигатель
где
ΔGт дин. - динамическая добавка к статическому расходу топлива в двигатель,
К - коэффициент, связывающий расход топлива и ускорение ротора турбокомпрессора двигателя (для двигателя ПС-90А2, например, он изменяется от 0,00786 до 0,024),
Птк - измеренная частота вращения ротора турбокомпрессора двигателя.
По статическому расходу топлива и динамической добавке определяется мгновенный весовой расход топлива в двигатель
где
Gт мгн. - мгновенный весовой расход топлива в двигатель,
Gт ст. - статический расход топлива в двигатель,
ΔGт дин. - динамическая добавка к статическому расходу топлива в двигатель.
По мгновенному весовому расходу топлива (формула 6) и объемному расходу топлива (формула 1) рассчитывают «мгновенную» плотность топлива
где
Y мгн. - «мгновенная» плотность топлива,
Gт мгн. - мгновенный весовой расход топлива в двигатель,
Gт v - объемный расход насоса.
Далее «мгновенная» плотность топлива фильтруется (например, с помощью апериодического фильтра первого порядка (см. книгу Каппелини В., Константинидис А.Дж., Эмилиани П. "Цифровые фильтры и их применение", перевод с английского В.Н.Елисеева, под редакцией Н.Н.Слепова. М., «Энергоатомиздат», 1983 г.) и получается текущая плотность топлива Y тек.
По объемному расходу топлива (формула 1) и текущей плотности топлива рассчитывают текущий (фактический) расход топлива
где
Gт тек. - текущий расход топлива в двигатель,
Gт v - объемный расход насоса,
Y тек. - текущая плотность топлива.
Полученный текущий фактический расход топлива из блока 8 передается в ЭР 1. Блок 8 выполнен в виде КФМ ЭР 1, метод и линия передачи могут быть различны, например в агрегате РЭД-90А2, входящем в САУ двигателя ПС-90А2, для передачи данных внутри блока используется стандарт ГОСТ 18977-79 и РТМ 1495-75 с изм. 3 со скоростью 48 Кбит/с ± 25%.
ЭР 1 по величине рассогласования между заданным и фактическим расходом топлива в двигатель формирует управляющее воздействие, которое через ЭГП 7 и сервопривод 4 регулирует производительность ПН 3 и, как следствие, фактический расход топлива в КС.
Таким образом, обеспечивается повышение качества работы системы топливопитания и регулирования за счет учета фактических характеристик топлива и снижения инерционности элементов САУ и, как следствие, повышение надежности работы ГТД и расширение области его применения.