СИСТЕМА ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE ENGINE FUEL FEED SYSTEM

Известны системы подачи топлива в газотурбинные двигатели (ГТД) на основе использования объемного топливного насоса с управляемым электроприводом [1].
Для обеспечения герметичности в магистрали основной подачи топлива до момента достижения насосом величины необходимого расхода в основную магистраль на выходе насоса устанавливается подпорно-запорный клапан или распределитель топлива по коллекторам форсунок двигателя.
Дозирование топлива в основную камеру сгорания ГТД осуществляется за счет управления частотой вращения вала насоса, приводимого управляемым электроприводом, а для изменения положения регулирующих органов в газовоздушном тракте двигателя используется позиционный электропривод вместо гидромеханических устройств, использующих топливо от насоса в качестве рабочей жидкости.
Преимуществом такой системы является существенное упрощение или исключение коробки приводов агрегатов двигателя, исключение перепуска избытка топлива и связанного с этим его перегрева при работе на высоте, а также отсутствие подвижных уплотнений приводного вала насоса в случае использования электродвигателя мокрого типа.
Однако в такой системе подачи топлива невозможно обеспечить дополнительный отбор топлива на пусковые форсунки двигателя в процессе его запуска, поскольку такой отбор приведет к изменению подачи топлива в основную магистраль. Кроме того, использование управляемого электропривода для изменения положения регулирующих органов в газовоздушном тракте двигателя часто затруднено или невозможно в связи с высокой температурой в зоне их установки, что требует использования гидромеханических устройств и организации соответствующего отбора топлива от насоса, что также невозможно в указанной системе.
К недостаткам также относится сложность обеспечения точного дозирования минимального расхода топлива в связи с очень низким объемным кпд насоса на низких частотах вращения.
Технической задачей заявляемого изобретения является обеспечение возможности дополнительных отборов топлива на пусковые форсунки и нужды системы управления газовоздушным трактом двигателя и повышение точности дозирования топлива от минимального до максимального значений.
Для решения этой технической задачи в систему подачи топлива в газотурбинный двигатель, включающую электроприводной топливный насос объемного действия с изменением подачи топлива за счет изменения частоты вращения электропривода и соединенную с выходом насоса основную магистраль подачи топлива с подпорно-запорным клапаном или распределителем топлива по коллекторам форсунок, согласно изобретению введена дополнительная магистраль от выхода насоса на его вход с установленным в ней клапаном постоянного расхода топлива в виде, например, комбинации установленного в дополнительной магистрали жиклера и регулирующего подпружиненного золотника, при этом вход и выход жиклера соединены с полостями свободного и подпружиненного торцов золотника соответственно, а кромка проточки на золотнике вместе с отверстием во втулке золотника образует в дополнительной магистрали канал переменного сечения.
Кроме того, в дополнительной магистрали за клапаном постоянного расхода установлен подпорный клапан, перед которым отведена магистраль отборов топлива на пусковые форсунки или исполнительные устройства системы автоматического управления (САУ) двигателя.
На фиг.1 изображена конструктивная схема системы подачи топлива в двигатель с выходом для отборов топлива; на фиг.2 - схема без отборов топлива.
m
На схеме (фиг.1) условно показаны в виде блоков составляющие системы: ГТД со встроенным или установленным на коробке приводов генератором, регулирующие органы газовоздушного тракта, информационно-измерительная система, блок управления САУ (БУСАУ), блок управления электроприводом (БУЭ), электропривод топливного насоса (ЭТН) с датчиком положения ротора электродвигателя (ДПР), топливный насос (НТ) с фильтроэлементом (ФЭ) на входе и взаимосвязи между ними. Подача топлива в основную камеру сгорания ГТД осуществляется с выхода насоса по магистрали 1 с установленным в ней подпорно-запорным клапаном 2 или распределителем топлива (фиг.2) по коллекторам форсунок. Для осуществления отборов топлива в систему введена дополнительная магистраль 3 от выхода насоса (НТ) на его вход с установленными в ней клапаном постоянного расхода 4 и подпорным клапаном 5, между которыми выполнен выход топлива 6 для отборов расхода G на пусковые форсунки и регулирующие органы газовоздушного тракта ГТД. Клапан постоянного расхода 4 представляет собой, например, комбинацию установленного в дополнительной магистрали жиклера 7 и регулирующего подпружиненного золотника 8, при этом вход и выход жиклера соединены с полостями свободного и подпружиненного торцов золотника соответственно, а кромка 9 проточки на золотнике вместе с отверстием 10 во втулке золотника образует в магистрали канал переменного сечения.
Клапан постоянного расхода рассчитывается и настраивается на максимальный потребный отбор топлива от насоса или на минимально необходимый перепуск топлива для обеспечения устойчивого и точного дозирования минимального расхода топлива при отсутствии отборов за счет увеличения минимальной частоты вращения вала насоса.
m
В магистрали отбора расхода G на пусковые форсунки установлены жиклер 11 и подпорно-запорный клапан 12. Подача топлива в магистраль пусковых форсунок осуществляется при поступлении сигнала от БУСАУ на электромагнитный клапан (ЭМК) пусковых форсунок. При необходимости точного дозирования расхода топлива на пусковые форсунки вместо жиклера 11 устанавливается дополнительный клапан постоянного расхода.
m
Давление настройки подпорного клапана 5 в дополнительной магистрали выбирается исходя из заданных технических характеристик и максимального потребного давления для работы регулирующих органов управления САУ двигателя, а давление настройки подпорно-запорного клапана 2 или распределителя топлива по коллекторам форсунок в магистрали расхода G основного контура или основной магистрали должно быть выше этого значения.
Система работает следующим образом. Суммарный расход топлива на выходе объемного насоса определяется частотой вращения вала, приводимого от электропривода. Клапан постоянного расхода 4 обеспечивает постоянный расход топлива в дополнительную магистраль отборов топлива. Расход топлива в дополнительную магистраль 3 определяется гидравлическим сопротивлением жиклера 7 и перепадом давления на нем, который поддерживается примерно постоянным подпружиненным золотником 8 клапана постоянного расхода 4. При расходе топлива в дополнительную магистраль, равном заданной величине, золотник находится в равновесии под действием перепада давлений на входе и выходе жиклера и противодействующей ему пружины.
При снижении расхода топлива в дополнительную магистраль перепад давления на жиклере 7 уменьшается, и усилие затяжки пружины золотника 8 преодолевает усилие от перепада давлений. Золотник смещается, при этом кромка 9 проточки на золотнике открывает отверстие 10 во втулке золотника, увеличивая проходное сечение канала и снижая гидравлическое сопротивление дополнительной магистрали.
Расход топлива перераспределяется в сторону увеличения расхода в дополнительную магистраль, перепад давления на жиклере 7 восстанавливается, и золотник приходит в новое состояние равновесия.
Работа системы при увеличении расхода топлива в дополнительную магистраль протекает аналогичным образом. Тем самым поддерживается примерно постоянная подача топлива в дополнительную магистраль.
m
Результирующий расход G основного контура определяется разницей расходов на выходе насоса и расходом в дополнительную магистраль 3, что дает возможность регулировать подачу в основную магистраль изменением частоты вращения электропривода.
При включении подачи пускового топлива или устройств управления часть топлива, прошедшая через клапан постоянного расхода, идет этим потребителям, остальное топливо через подпорный клапан 5 поступает на вход насоса. При этом перед подпорным клапаном поддерживается давление, соответствующее затяжке его пружины.
При отсутствии необходимости в отборах топлива (фиг.2) подпорный клапан 5 не требуется, при этом заданный постоянный расход топлива перепускается напрямую через клапан постоянного расхода 4 на вход насоса.
Прекращение подачи топлива в основную магистраль может обеспечиваться выключением питания или снижением частоты вращения вала насоса от электропривода до значения, при котором суммарный расход топлива на выходе насоса станет равным или меньшим расхода топлива в дополнительную магистраль. В связи с более высокой настройкой давления открытия подпорно-запорного клапана 2 или распределителя топлива по коллекторам форсунок в основной магистрали по сравнению с подпорным клапаном 5 в дополнительной магистрали (или при его отсутствии), подача топлива в основную магистраль прекращается.
При этом обеспечиваются все необходимые потребности в отборах топлива.
При выключении питания или остановке электропривода подача топлива прекращается как в основную, так и в дополнительную магистраль.
Реализация предлагаемой схемы подачи топлива в ГТД с использованием клапана постоянного расхода позволяет, кроме обеспечения дополнительного отбора топлива на пусковые форсунки и нужды системы управления газовоздушным трактом, обеспечить повышение точности дозирования топлива за счет осуществления регулирования в области более высокого объемного кпд насоса при более высокой частоте вращения электропривода.
Источники информации
1. Белкин Ю.С. Системы управления на основе управляемого электропривода // Совершенствование систем управления ГТД и разработка новых аппаратурных решений: Отчет ЦИАМ. - М., 1999. - С.420-422.