Двухканальная система топливопитания и регулирования газотурбинного двигателя
TWO-CHANNEL GAS TURBINE ENGINE FUEL SUPPLY AND REGULATION SYSTEM

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности, к системам автоматического управления газотурбинными двигателями (ГТД).
Известна двухканальная система топливопитания и регулирования подачи топлива в ГТД, содержащая насос, дозатор топлива, клапан постоянного перепада давлений на дозаторе, основной и резервный каналы управления, золотник-селектор переключения каналов управления с электромагнитным клапаном, электрогидропреобразователь основного канала управления, задатчик режимов резервного канала управления, гидравлически связанный с исполнительным электромеханизмом управления режимами работы двигателя, междроссельную камеру резервного канала управления, входной дроссель которой соединен с задатчиком режимов, клапан управления резервного канала, соединенный пружиной с дозатором и гидравлически - с междроссельной камерой, пневмогидропреобразователь, соединенный с каналом подвода командного давления воздуха, а гидравлической магистралью - с задатчиком режимов и с междроссельной камерой, гидравлическую магистраль, соединяющую пневмогидропреобразователь с задатчиком режимов и междроссельной камерой, в которой параллельно установлены жиклер и клапан ограничения оборотов с датчиком частоты вращения, связанным со свободной турбиной двигателя (См. Патент РФ RU №2504677, F02C 9/26, 2012 г).
Недостатком резервного канала данной системы является то, что при обеспечении современных требований поддержания точности частоты вращения свободной турбины ГТД ухудшается качество переходного процесса регулирования параметра, тем самым снижается газодинамическая устойчивость и надежность работы двигателя.
Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение точности поддержания заданной частоты вращения свободной турбины, обеспечение качества переходного процесса и значительное улучшение энергетических характеристик и надежности работы ГТД во всех условиях эксплуатации.
Для достижения указанного технического результата в двухканальной системе топливопитания и регулирования ГТД, содержащей золотник-селектор переключения с основного канала управления на резервный, дозатор топлива, гидравлически связанный с задатчиком режимов и междроссельной камерой, клапан ограничения оборотов с датчиком частоты вращения, связанным со свободной турбиной двигателя, в резервный канал управления введен снабженный командной полостью сервомотор с дросселирующей иглой, расположенной в междроссельной камере, а золотник клапана ограничения частоты вращения свободной турбины выполнен двухкромочным, причем одна из кромок гидравлически соединена с междроссельной камерой, а вторая - с командной полостью сервомотора.
Отличительные признаки, а именно, введение в резервный канал управления снабженного командной полостью сервомотора с дросселирующей иглой, расположенной в междроссельной камере, и выполнение золотника клапана ограничения частоты вращения свободной турбины двухкромочным, одна из кромок которого гидравлически соединена с междроссельной магистралью, а вторая - с командной полостью сервомотора, обеспечивают значительное увеличение точности поддержания заданной частоты вращения свободной турбины при сохранении заданного качества переходного процесса, что повышает газодинамическую устойчивость и надежность работы газотурбинного двигателя.
Предложенная система представлена на чертеже и описана ниже.
Система содержит топливный насос 1; дозатор топлива, выполненный в виде дозирующей иглы 2 с сервопоршнем 3 и датчиком положения 4;
механические упоры минимального расхода 5 и максимального расхода 6; клапан постоянного перепада давлений 7 на дозирующей игле 2, золотник-селектор 8 переключения каналов управления, управляемый электромагнитным клапаном 9.
Система также содержит магистраль 10 подвода управляющего давления к управляемой полости 11 сервопоршня 3, соединенную либо с магистралью 12 основного канала управления, либо с магистралью 13 резервного канала управления.
Электрогидропреобразователь 14 основного канала управления соединен с электронным блоком управления газотурбинного двигателя (БУ ГТД) (на чертеже не показан).
Канал резервного управления содержит задатчик режимов 15 с пазом 16 и междроссельную камеру 17. Входной дроссель междроссельной камеры 17 образован проходными сечениями паза 16, регулируемого жиклера 18 и дросселирующей кромкой 19 золотника клапана 20 ограничителя частоты вращения свободной турбины, установленных параллельно в гидравлической магистрали, соединяющей пневмогидропреобразователь 21 с задатчиком режимов 15 и междроссельной камерой 17.
На выходе междроссельной камеры 17 резервного канала управления расположен выходной жиклер 22 и дросселирующая игла 23 сервомотора 24, с командной полостью 25, гидравлически соединенной с кромкой 26 золотника клапана 20. Клапан 27 управления резервного канала соединен пружиной обратной связи 28 с дозирующей иглой 2 и гидравлически - с междроссельной камерой 17.
Командное давление воздуха по каналу 29 подводится к пневмогидропреобразователю 21, который через паз 16 гидравлически связан с междроссельной камерой 17 параллельными магистралями 30 и 31. Клапан 20 снабжен датчиком частоты вращения 32, выполненным, например, в виде центробежного тахометра. Усилие датчика 32 уравновешивается настроечной пружиной 33. Датчик 32 соединен приводом 34 со свободной турбиной ГТД.
Исполнительный электромеханизм 35, управляющий режимами работы двигателя, гидравлически связан с задатчиком режимов 15. Исполнительный электромеханизм 35 может быть выполнен как в виде электромеханизма, работающего в релейном режиме (электромагнитного клапана), так и в виде пропорционального электрогидропреобразователя.
Подача топлива в систему осуществляется через входную магистраль 36. Топливо от насоса 1 к клапану постоянного перепада давлений 7 и к дозирующей игле 2 подводится через магистраль нагнетания 37.
Пневмогидропреобразователь 21 состоит из вакуумированного сильфона 38, соединенного рычагом 39 с клапаном 40.
Система работает следующим образом.
Из входной магистрали 36 топливо поступает в топливный насос 1. Насос 1 повышает давление топлива. Из магистрали нагнетания 37 топливо поступает к элементам регулирования и дозирования.
Расход топлива в двигатель определяется площадью открытого проходного сечения дозирующей иглы 2 и перепадом давлений топлива на нем. Клапан постоянного перепада 7 поддерживает постоянный перепад давлений на дозирующей игле 2.
При уменьшении величины перепада на дозирующей игле 2 клапан 7, перемещаясь, уменьшает перепуск топлива из магистрали нагнетания 37 во входную магистраль 36.
При увеличении величины перепада на дозирующей игле 2 клапан 7, перемещаясь, увеличивает перепуск топлива из магистрали нагнетания 37 во входную магистраль 36.
При работе основного канала управления подается команда на электромагнитный клапан 9. Электромагнитный клапан 9 закрывается, увеличивая давление, подводимое к золотнику-селектору 8. Золотник-селектор 8 перемещается, при этом магистраль 10 подвода управляющего давления к управляемой полости 11 сервопоршня 3 переключается с магистрали 13 резервного канала управления на магистраль 12 основного канала управления.
Управление расходом топлива в двигатель на основном канале управления осуществляется по командам БУ ГТД. Электрические сигналы от БУ ГТД преобразуются в электрогидропреобразователе 14 в гидравлические команды, управляющие положением дозирующей иглы 2.
При поступлении на электрогидропреобразователь 14 от БУ ГТД команды на увеличение режима электрогидропреобразователь 14 увеличивает давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3. Сервопоршень 3 с дозирующей иглой 2 перемещается в сторону увеличения проходного сечения дозирующей иглы 2. При этом клапан 7 поддерживает постоянный перепад на дозирующей игле 2. Расход топлива в двигатель увеличивается. Датчик положения 4 выдает в БУ ГТД электрический параметр, величина которого пропорциональна положению дозирующей иглы 2. БУ ГТД в зависимости от величины параметра, характеризующего положение дозирующей иглы, выполняет корректировку управляющей команды, в результате чего дозирование топлива выполняется по заданному закону приемистости.
При поступлении на электрогидропреобразователь 14 от БУ ГТД команды на уменьшение режима электрогидропреобразователь 14 уменьшает давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3. Дозирующая игла 2 перемещается в сторону уменьшения проходного сечения дозирующей иглы 2. При этом клапан 7 поддерживает постоянный перепад на дозирующей игле 2. Расход топлива в двигатель уменьшается. Датчик положения 4 выдает в БУ ГТД электрический параметр, величина которого пропорциональна положению дозирующей иглы 2. БУ ГТД в зависимости от величины параметра, характеризующего положение дозирующей иглы 2, выполняет корректировку управляющей команды, в результате чего дозирование топлива выполняется по заданному закону сброса.
Перемещение дозатора при работе основного канала управления огранивают механические упоры минимального расхода 5 и максимального расхода 6.
На установившихся режимах при отклонении величины регулируемых параметров двигателя от заданных значений БУ ГТД производит корректировку управляющего тока на электрогидропреобразователе 14. Работа элементов системы при корректировке расхода топлива аналогична работе при приемистости и сбросе.
При работе на резервном канале управления снимается команда с электромагнитного клапана 9. Электромагнитный клапан 9 открывается, уменьшая давление, подводимое к золотнику-селектору 8. Золотник-селектор 8 перемещается, при этом магистраль 10 подвода управляющего давления к управляемой полости 11 сервопоршня 3 переключается с магистрали 12 основного канала управления на магистраль 13 резервного канала управления.
При работе на резервном канале управления система обеспечивает управление расходом топлива в зависимости от величины воздушной команды с коррекцией расхода топлива по положению задатчика режимов 15.
Расход топлива в двигатель определяется площадью открытого проходного сечения дозирующей иглы 2, зависящей от ее положения и перепада давлений топлива, поддерживаемого клапаном постоянного перепада 7.
Положение дозирующей иглы определяется командным давлением в междроссельной камере 17, гидравлически связанной с клапаном 27 управления резервного канала, которое уравновешивается усилием от пружины обратной связи 28 на дозирующей игле 2. Усилие от пружины обратной связи 28 увеличивается пропорционально ходу дозирующей иглы 2 от упора минимального расхода 5.
При увеличении командного давления в междроссельной камере 17 равновесие нарушается, сила от командного давления в междроссельной камере 17 преодолевает силу пружины 28 и перемещает клапан 27. Клапан 27 уменьшает перепуск топлива, подводимого к нему по магистралям 10 и 13, из управляемой полости 11 сервопоршня 3 во входную магистраль 36. Давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3 увеличивается. Дозирующая игла 2, сжимая пружину 28, перемещается в сторону упора максимального расхода 6, до тех пор, пока не займет новое равновесное положение, при котором возросшее усилие пружины 28, действующее на клапан 27, станет равным усилию от командного давления в междроссельной камере 17.
При уменьшении командного давления в междроссельной камере 17 равновесие нарушается, сила от пружины 28 преодолевает силу от командного давления в междроссельной камере 17 и перемещает клапан 27. Клапан 27 увеличивает перепуск топлива, подводимого к нему по магистралям 10 и 13, из управляемой полости 11 сервопоршня 3 во входную магистраль 36. Давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3 уменьшается. Дозирующая игла 2 перемещается в сторону упора минимального расхода 5, до тех пор, пока не займет новое равновесное положение, при котором снизившееся усилие пружины 28, действующее на клапан 27, станет равным усилию от командного давления в междроссельной камере 17.
Командное давление в междроссельной камере 17 вырабатывается, в зависимости от величины воздушной команды, подводимой по магистрали 29 к пневмогидропреобразователю 21, и корректируется задатчиком режимов 15.
Г
Пневмогидропреобразователь 21 вырабатывает гидравлическую команду Р, пропорциональную величине воздушной команды, уравновешивая на рычаге 39 момент силы от давления воздуха, сжимающего вакуумированный сильфон 38, и момент силы от давления топлива, действующего на клапан 40.
При увеличении величины воздушной команды пропорционально увеличивается величина гидравлической команды.
В качестве воздушной команды может использоваться:
- полное давление на входе в двигатель;
- давление на выходе из какой-либо ступени компрессора;
- отношение давлений и др.
Г
Гидравлическая команда Р корректируется (редуцируется) в междроссельной камере 17, а проходное сечение паза 16 изменяется в зависимости от положения задатчика режимов 15, которым управляет исполнительный электромеханизм 35.
При поступлении электрической команды на уменьшение режима исполнительный электромеханизм 35 разъединяет управляемую полость задатчика режимов 15 и входную магистраль 36. Давление, подводимое к задатчику режимов 15, увеличивается. Задатчик режимов 15 перемещается, уменьшая проходное сечение паза 16. Командное давление в междроссельной камере 17 уменьшается, клапан 27, воздействуя на давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3, перемещает дозирующую иглу 2 в новое равновесное положение, уменьшая проходное сечение дозирующей иглы 2. Расход топлива в двигатель уменьшается.
При поступлении электрической команды на увеличение режима исполнительный электромеханизм 35 соединяет задатчик режимов 15 с входной магистралью 36. Задатчик режимов 15 перемещается, увеличивая проходное сечение паза 16. Давление в междроссельной камере 17 увеличивается, клапан 27, воздействуя на давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3, перемещает дозирующую иглу 2 в новое равновесное положение, увеличивая проходное сечение дозирующей иглы 2. Расход топлива в двигатель увеличивается.
Датчик частоты вращения 32 приводится во вращение приводом 34, с частотой пропорциональной частоте вращения свободной турбины.
Если частота вращения свободной турбины увеличивается выше заданной величины, усилие от датчика частоты вращения 32 становится больше усилия настроечной пружины 33 и перемещает клапан 20. Двух-кромочный клапан 20 первой кромкой 19 перекрывает магистраль 31. При этом эквивалентное проходное сечение на входе в междроссельную камеру 17 уменьшается и уменьшается командное давление в междроссельной камере. Одновременно вторая кромка 26 клапана 20 соединяет управляющую полость 25 сервомотора 24 со сливом и сервомотор 24, перемещаясь, дросселирующей иглой 23 также уменьшает командное давление в междроссельной камере 17. Клапан 27, воздействуя на давление в управляемой полости 11 сервопоршня 3, перемещает дозирующую иглу 2 в новое равновесное положение, уменьшая проходное сечение дозирующей иглы 2. Расход топлива в двигатель уменьшается, тем самым, ограничивая частоту вращения свободной турбины при работе резервного канала управления.
Таким образом, введение двухкромочного золотника и снабженного командной полостью сервомотора с дросселирующей иглой, расположенной в междроссельной камере, позволило исключить отклонение фактической частоты вращения свободной турбины от заданного значения и устранять статическую ошибку регулируемого параметра.
Тем самым значительно повышается точность поддержания частоты вращения свободной турбины при сохранении качества переходного процесса.