СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области управления газотурбинными двигателями (ГТД), преимущественно, двухконтурными, с форсажной камерой, и может быть использована для регулирования подачи топлива двигателей самолетов.
Известна система подачи топлива в форсажную камеру ГТД, в которой изменение подачи форсажного топлива производится программным регулятором, дозирующим расход топлива по комплексу параметров по зависимости:
Gтф/Рк=f(α, πт), где -
Gтф - расход форсажного топлива,
Рк - давление воздуха за компрессором,
πт степень расширения газа на турбине,
α - угол положения рычага управления двигателем (РУД).
(См. патент Франции №2074757, F02K 3/00, 1970 г.)
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что программное регулирование отклонения характеристик ГТД, вызывающих изменение Рк, например, вследствие ухудшения КПД узлов в процессе выработки ресурса, снижения оборотов компрессора из-за влияния вязкости газа на больших высотах полета и пр., приводят к уменьшению расхода форсажного топлива, а следовательно, и тяги ГТД. Данные параметры не могут быть учтены известной системой, что определяет невысокую ее эффективность.
Известна система подачи топлива в ГТД, содержащая измеритель расхода основного топлива, соединенный с регулятором, дозатор форсажного топлива, соединенный с измерителем расхода форсажного топлива, соединенным с задающим блоком через сравнивающее устройство, и измеритель расхода воздуха. В сравнивающем устройстве вырабатывается сигнал рассогласования между фактическим и заданным значением отношения Gтф/Рк. По этому сигналу дозатор изменяет расход топлива так, чтобы компенсировать рассогласование. Выдерживая заданное отношение, система подачи обеспечивает поддержание необходимой величины коэффициента избытка воздуха для ГТД, так как Рк≈Gв, где - Gв - расход воздуха.
Тем самым обеспечивается необходимая тяга при оптимальной экономичности. (См. патент ФРГ №1626088, кл. F02C 9/28, 1966 г.)
Однако для двухконтурных ГТД со смешением потоков и общей форсажной камерой, особенно при больших степенях двухконтурности, величина Рк не отражает значения расхода воздуха через двигатель, в результате чего экономичность ГТД будет ухудшаться.
Так, при поддержании оборотов вентилятора двухконтурного ГТД постоянным (т.е. Gв=const) и при ограничении температуры газа перед турбиной, обороты компрессора и Рк будут уменьшаться, что приводит при постоянном поддержании отношения Gтф/Рк к увеличению коэффициента избытка воздуха, уменьшению полноты сгорания, а следовательно, к ухудшению экономичности ГТД.
Задачей настоящей полезной модели является разработка системы регулирования подачи топлива в ГТД, обеспечивающей эффективное регулирование за счет более точного регулирования расхода воздуха в двигатель.
Поставленная задача обеспечивается тем, что в системе регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель, содержащей регулятор подачи топлива в основную камеру сгорания, связанный с измерителем расхода топлива, подаваемого в основную камеру сгорания, дозатор топлива, подаваемого в форсажную камеру сгорания, соединенный выходом сравнивающего устройства, первый вход которого связан с задающим блоком, измеритель расхода топлива, подаваемого в форсажную камеру сгорания, а также модуль измерения расхода воздуха, новым является то, что система дополнительно содержит сумматор и делитель, входы сумматора соединены с измерителями подачи топлива в основную и форсажную камеры, выход сумматора связан с первым входом делителя, модуль измерения расхода воздуха выполнен в виде блока вычисления приведенной частоты вращения ротора вентилятора, блока вычисления степени сжатия воздуха на вентиляторе, блока вычисления расходных характеристик вентилятора, блока вычисления физического расхода воздуха, причем выходы блоков вычисления приведенной частоты вращения ротора вентилятора и вычисления сжатия воздуха связаны с входами блока вычисления расходных характеристик вентилятора, один из входов которого имеет возможность связи с датчиком определения положения оси воздушных потоков, входы блока вычисления приведенной частоты вращения ротора вентилятора имеют возможность соединения с датчиками частоты вращения ротора вентилятора и температуры заторможенного воздуха на входе в вентилятор, а входы блока вычисления степени сжатия - с датчиками давления забортного воздуха на входе в вентилятор и с датчиком давления воздуха на выходе из вентилятора, выход блока вычисления расходных характеристик вентилятора связан с входом блока вычисления физического расхода воздуха, входы которого также имеют возможность связи с датчиком температуры заторможенного воздуха на входе в вентилятор и с датчиком давления воздуха на выходе из вентилятора, а выход блока вычисления физического расхода воздуха связан со вторым входом делителя, выход которого связан со вторым входом сравнивающего устройства.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы регулирования подачи топлива в ГТД.
Система регулирования подачи топлива в ГТД 1 содержит регулятор 2 подачи топлива в основную камеру сгорания и дозатор 3 дозирования топлива в форсажную камеру сгорания. Вход дозатора 3 связан с выходом сравнивающего устройства 4, первый вход которого связан с задающим блоком 5. На выходе дозатора 3 установлен измеритель 6 расхода топлива в форсажную камеру.
Система также содержит блок 7 вычисления приведенной частоты вращения ротора вентилятора, первый вход которого связан с датчиком частоты (n) вращения вентилятора компрессора, а второй - с датчиком температуры (Твх) воздуха на входе в вентилятор. Система также содержит блок 8 вычисления степени сжатия воздуха на вентиляторе. Входы данного блока связаны с датчиком определения давления (Рвх) забортного воздуха на входе в вентилятор и с датчиком определения давления (Рх) воздуха на выходе из вентилятора. Выходы блоков 7 и 8 связаны с первым и вторым входами блока 9 вычисления расходных характеристик вентилятора, третий вход которого связан с датчиком (α) положения направляющих аппаратов вентилятора или лент (окон) перепуска воздуха из компрессора. Выход блока 9 связан с первым входом блока 10 вычисления физического расхода воздуха, второй вход которого связан с датчиком определения давления воздуха на выходе из вентилятора, а третий - с датчиком температуры воздуха на входе в вентилятор. Блоки 7, 8, 9, 10 представляют модуль определения расхода воздуха.
На выходе регулятора 2 подачи топлива в основную камеру сгорания установлен измеритель 11 расхода топлива. Выходы измерителей 6 и 11 связаны с первым и вторым входами сумматора 12.
Выход сумматора 12 связан с первым входом делителя 13, второй вход которого связан с выходом блока 10 физического расхода воздуха.
Выход делителя 13 связан со вторым входом сравнивающего устройства 4.
Все блоки системы являются штатными, их соединение в систему осуществляется по известным специалистам принципам. Датчики, контролирующие работу ГТД, не показаны.
Система работает следующим образом.
В процессе работы ГТД управление регулятором 2 и дозатором 3 осуществляется от бортовой системы управления самолета. Система управления задает расход топлива в основную камеру сгорания и через задающее устройство 5 задает расход топлива в форсажную камеру. Измерители 6 и 11 измеряют расход топлива, поступающий в форсажную (от дозатора 3 Gтф) и в основную (от регулятора 2 Gт) камеры сгорания ГТД 1. Данные сигналы управления суммируются в сумматоре 11 и сигнал общего расхода топлива поступает на первый вход делителя 13, на второй вход которого поступают сигналы с блока 10 вычисления физического расхода воздуха. Физический расход воздуха определяется с учетом практически всех его основных параметров, что как раз и характеризует повышенную точность и экономичность системы.
На вычислительный блок 7 с датчиков подаются значения n и Твх (температура заторможенного воздуха на входе в вентилятор).
о
Вычисление приведенной частоты вращения ротора вентилятора (nпр) в блоке 7 производится по формуле: , где - Твх - температура, характеризующая стандартные атмосферные условия (равна 288,15 град.К).
При работе ГТД на блок 8 с датчиков подаются сигналы значения Рх - давление воздуха на выходе из вентилятора и Рвх - сигналы давления забортного потока воздуха на входе в вентилятор ГТД.
В блоке 8 осуществляется деление параметров воздуха по отношению Рх/Рвх. Фактически блок 8 выполняет функции делителя.
Полученное на выходе блока 8 значение π (коэффициент) характеризует степень сжатия воздуха на вентиляторе. Сигналы значения данного коэффициента подаются на один из входов блока 9 вычисления расходных характеристик вентилятора, на который также подается значение положения оси потоков вентилятора или лент (окон) перепуска воздуха из компрессора (α), а также с блока 7 приведенное значение частоты вращения ротора вентилятора (nпр).
о
о
2
В результате обработки этих значений (сигналов) в блоке 9 на блок 10 поступает приведенное к внешним условиям работы ГТД значение расхода воздуха (Gпp), a также сигналы Рвх и Твх. В результате обработки данных параметров формируется сигнал физического расхода воздуха (Gв), который с выхода блока 10 поступает на второй вход делителя 13, на первый вход которого поступают сигналы с сумматора 12. Сигнал Gв вычисляется по отношению: , в котором Рвх=Рвх/Рвх, где Рвх - давление, характеризующее стандартные атмосферные условия (равно 1,02 кг/см). Более подробно расчет воздушного потока раскрыт в книге Ю.Н.Нечаева «Теория авиационных газотурбинных двигателей», Москва, «Машиностроение», 1977 г., стр.167-168.
На выходе делителя 13 вырабатывается сигнал, пропорциональный коэффициенту избытка воздуха в форсажной камере сгорания ГТД, который сравнивается в блоке 4 с величиной заданного значения коэффициента избытка воздуха.
При наличии рассогласования между ними в блоке 4 вырабатывается сигнал, который, управляя дозатором 2, изменяет расход топлива в форсажную камеру до тех пор, пока не восстановится равенство между ними.
Таким образом, система обеспечивает поддержание постоянного (заданного) значения коэффициента избытка воздуха в форсажной камере сгорания ГТД.