СИСТЕМА ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к авиационной технике и может быть использована для управления работой газотурбинных двигателей (ГТД) авиационного и наземного применения.
Известно устройство для управления ГТД, содержащее электронный регулятор, подключенный к датчикам параметров воздуха на входе в ГТД и к датчикам параметров работы ГТД, гидромеханическое устройство, содержащее последовательно соединенные топливный насос, дозатор топлива и распределительный клапан, электрогидропреобразователь, вход которого подключен к выходу электронного регулятора, а выход - к дозатору топлива, тахометрический ограничитель частоты вращения ротора ГТД с клапаном слива, который соединен через дроссельный пакет с выходом топливного насоса, а через обратный клапан - с входом распределительного клапана.
В процессе работы ГТД и устройства его управления и при отсутствии отказов, электронный регулятор по информации от датчиков параметров работы ГТД по известным зависимостям формирует управляющее воздействие на электрогидропреобразователь, который осуществляет управление расходом топлива в ГТД через дозатор топлива и распределительный клапан с целью поддержания заданной частоты вращения ротора ГТД.
При достижении ротором ГТД предельной частоты вращения, задаваемой настройкой тахометрического ограничителя, включается в работу клапан слива, при падении давления топлива на входе в клапан слива ниже давления топлива за дозатором топлива на величину настройки обратного клапана, последний откроется, в результате чего расход топлива через распределительный клапан начнет уменьшаться независимо от положения дозатора топлива.
(см. патент РФ №2334890, кл. F02C 9/28, 2008 г.).
В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что в нем исключена возможность неустойчивой работы клапана слива в зоне его минимального открытия, что повышает надежность его работы, а, следовательно, надежность работы ГТД и безопасность ЛА. Однако данное устройство не обеспечивает эффективного управления ГТД во всем диапазоне режимов его работы от запуска до форсированных режимов.
Известна система топливопитания ГТД, содержащая электронный регулятор, вход которого соединен с датчиками параметров работы ГТД и режима полета, последовательно соединенные электронасосы высокого и низкого давления, управляемые входы которых подключены к выходу электронного регулятора, запорные клапаны первого и второго коллекторов форсунок. К выходу электронасоса высокого давления подключено устройство переключения, первый вход которого подключен к выходу электронного регулятора, второй вход - через дроссель - к выходу электронасоса низкого давления, третий вход - к выходу электронасоса высокого давления, а выход - к входу запорного клапана первого коллектора форсунок.
В процессе функционирования системы электронный регулятор по сигналам датчиков по известным зависимостям, формирует управляющие воздействия на электронасосы. В начале запуска ГТД (раскрутка ротора ГТД стартером до частоты вращения, при которой происходит розжиг камеры сгорания) электронасосы выключены, устройство переключения находится в положении «розжиг», при котором вход запорного клапана первого коллектора форсунок подключен через дроссель к электронасосу низкого давления.
Когда ротор ГТД раскручивается до частоты вращения, при которой происходит розжиг камеры сгорания, по команде электронного регулятора включается электронасос низкого давления и выходит на частоту вращения, при которой он обеспечивает при наличии подобранного дросселя расход топлива, необходимый для розжига камеры сгорания. После розжига камеры сгорания по команде электронного регулятора начинается увеличение частоты вращения электронасоса низкого давления, что обеспечивает увеличение расхода топлива, необходимого для выполнения программы запуска ГТД. После выхода ГТД на режим малого газа по командам электронного регулятора включается электронасос высокого давления и его частота вращения регулируется таким образом, чтобы обеспечить включение в работу второго коллектора форсунок камеры сгорания, после чего по команде электронного регулятора устройство переключения переключается в положение основных режимов, после чего питание обоих коллекторов обеспечивается от электронасоса высокого давления, а частота вращения электронасоса низкого давления снижается до уровня, обеспечивающего бескавитационную работу электронасоса высокого давления.
(см. патент РФ №2317431, F02C 9/26, 2008 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известной системы необходимо отметить, что она, как и заявленная, оснащена двумя насосами (высокого и низкого давления), один из которых обеспечивает подачу топлива на режиме запуска ГТД и розжига камеры сгорания, а другой - для работы на основных режимах, что обеспечивает работу каждого насоса на оптимальных режимах на всех диапазонах регулирования ГТД, что уменьшает нагрев топлива и увеличивает срок службы насосов, а следовательно, и системы в целом. Однако последовательное включение насосов, использованное в известной системе топливопитания, приводит к тому, что при отказе любого из них прекращается подача топлива и ГТД отключается.
Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка системы подачи топлива в ГТД, обеспечивающей ее высокую надежность за счет дублирования работы топливных насосов и постоянного контроля их работы, а также снижение подогрева топлива на дроссельных режимах. За счет подачи топлива на дроссельных режимах от плунжерного насоса и высокое быстродействие электрогидроусилителей (ЭГУ) за счет подачи к ним высокого давления топлива.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в системе подачи топлива в газотурбинный двигатель, содержащей регулятор, связанный с датчиками параметров работы двигателя, насос высокого давления и основной топливный насос для подачи топлива, а также переключатель подключения насосов, новым является то, что система оснащена вторым переключателем, переключатели оснащены устройствами их управления, связанными с регулятором, выход каждого насоса через соответствующий переключатель имеет возможность соединения с магистралью расходного топлива дозаторов топлива и с магистралью управляющего топлива электрогидроусилителей, связанными с регулятором и предназначенными для управления положением дозаторов топлива и гидроцилиндрами механизации двигателя, при этом, на выходе насосов установлены датчики давления топлива, связанные с регулятором.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы подачи топлива в ГТД (фиг.1).
Система подачи топлива в ГТД 1 содержит регулятор 2, первый вход которого связан с выходом блока датчиков 3, контролирующих параметры работы ГТД 1 (например, датчики положения рычага управления двигателем (РУД), температуры воздуха на входе в двигатель, частоты вращения ротора турбокомпрессора и давления за компрессором и пр.).
Система также содержит два топливных насоса: насос высокого давления - например, плунжерный (НП) 4 и насос основного топлива, например, центробежный (ЦН) 5, входы которых имеют возможность соединения с топливным баком (на рисунке не показан).
На выходе насоса 4 установлен датчик давления топлива (ДД) 6, связанный со вторым входом регулятора 2, а на выходе насоса 5 установлен ДД 7, связанный с третьим входом регулятора 2. ДД 6 и 7 предназначены для измерения давления в топливной магистрали за НП и ЦН, соответственно. Выходы насосов 4 и 5 связаны с переключателями 8 и 9, управляемыми соответственно, устройствами управления, например, электрогидравлическими клапанами (ЭГК) 10 и 11, которые связаны соответственно, с первым и вторым выходами регулятора 2.
К выходу переключателя 8 подключена магистраль управляющего топлива, питающая ЭГУ 12, управляющий гидроцилиндрами (ГЦ) 13 механизации двигателя, например, положением направляющих аппаратов (НА), а так же ЭГУ 14, управляющий положением дозаторов топлива (ДТ) 15 КС (на рисунке не показана) ГТД 1. ЭГУ 12 и 14 связаны своими входами с третьим и четвертым выходами регулятора 2, соответственно. Положение исполнительных элементов ДТ 15 и ГЦ 13 отслеживается датчиками положения (ДП) 16 и 17, связанными с четвертым и пятым входами регулятора 2.
К выходу переключателя 9 подключена с магистраль расходного топлива ДТ 15 КС ГТД1.
Количество дозаторов топлива может быть различным и зависит от модификации ГТД. В заявленной системе используются стандартные дозаторы.
В качестве регулятора 2 может быть использован стандартный электронный цифровой регулятор.
Насосы, датчики, ЭГК, ЭГУ, переключатели также являются стандартными.
Система подачи топлива в ГТД работает следующим образом.
Работу системы рассмотрим на примере подачи топлива в авиационный ГТД.
На режиме запуска ГТД 1 ЭГК 10 обесточен, в таком положении переключатель 8 подключает к магистрали управляющего топлива, питающей ЭГУ 12 ГЦ механизации и ЭГУ 14 ДТ, топливную магистраль НП 4; регулятор 2 подает питание на ЭГК 11, при этом ЭГК 11 переводит переключатель 9 в положение, при котором магистраль расходного топлива ДТ 15 соединяется с магистралью НП 4.
Электронный регулятор 2, по показаниям блока датчиков 3, по известным зависимостям рассчитывает необходимый расход топлива в двигатель и с помощью ЭГУ 14 устанавливает ДТ 15 в положение, обеспечивающее этот расход, а так же подает сигналы управления ЭГУ 12 ГЦ механизации, которые устанавливают НА в заданное положение. Таким образом, на режиме запуска ГТД все топливопитание осуществляется от НП 4.
Когда потребный расход топлива превышает заданное пороговое значение, регулятор 2 снимает питание с ЭГК 11, и переключатель 9 подключает ЦН 5 к магистрали расходного топлива ДТ 15. На этих режимах расход топлива в камеру сгорания подается от ЦН 5. При снижении режима работы ГТД 1 происходит обратное переключение топливопитания.
Если при работе ЦН 5 давление топлива за ним, измеряемое ДД 7, ниже заданного порога (например, при отказе ЦН 5), электронный регулятор 2 подает питание на ЭГК 11, устанавливая переключатель 9 в положение, при котором в КС ГТД 1 подается топливо от НП 4. Таким образом, при отказе ЦН 5 вне зависимости от режима работы ГТД топливо в КС ГТД будет поступать от исправного насоса НП 4. Так как производительность НП ограничена, электронный регулятор ограничивает суммарный расход топлива через дозаторы. В результате максимальная тяга ГТД снижается, но сохраняется на уровне, достаточном для продолжения полета и посадки ЛА.
При падении давления за НП 4, измеряемом ДД 6, ниже заданного порога (например, при отказе НП 4), электронный регулятор подает питание на ЭГК 10, устанавливая переключатель 8, так, чтобы питание ЭГУ 12 и 14 осуществлялось от ЦН 5. Таким образом, при отказе НП 4 топливопитание ЭГУ ДТ и механизации будет осуществляться от исправного насоса ЦН 5, что позволит продолжить управление ГТД. Так как давление топлива за ЦН 5 ниже давления топлива за НП, быстродействие ЭГУ ДТ и механизации будет снижено, но останется на достаточном уровне для продолжения полета и безопасной посадки ЛА.
Система обеспечивает при запуске ГТД, на режиме малого газа и на дроссельных режимах с низким потребным расходом топлива подачу топлива в КС от НП 4, а на режимах работы ГТД с высоким потребным расходом топлива в КС или форсажных режимах - от ЦН 5. Это обеспечивает равномерную загрузку насосов и, соответственно, равномерную выработку их ресурсов. Также, за счет подачи топлива от НП ограниченной производительности при запуске ГТД и на дроссельных режимах исключается работа ЦН режимах, где насос имеет низкий к.п.д. Таким образом, обеспечиваются низкие подогревы топлива и отборы мощности от вала двигателя. Подача топлива от ЦН на высоких режимах позволяет обеспечить потребный расход топлива, причем к.п.д. насоса на этих режимах достаточно высокий.
Кроме того, постоянное измерение давления топлива на выходе каждого насоса обеспечивает контроль их работы и, в случае необходимости, оперативное переключение подачи топлива с одного насоса на другой, что увеличивает надежность системы.
Применение настоящей полезной модели позволяет повысить надежность системы топливопитания двигателя за счет обеспечения резервирования топливных насосов на всех режимах работы ГТД, а также снизить подогрев топлива и сэкономить ресурсы работы обоих насосов за счет обеспечения их работы на оптимальных режимах.