НАСОС-ДОЗАТОР
DOSING PUMP

Изобретение относится к системам подачи и дозирования рабочего тела с электроприводными насосами, в частности к системам топливоподачи и управления газотурбинных двигателей различного назначения.
Известны системы дозирования рабочего тела, выполненные на базе электроприводных насосов.
Так в системе топливоподачи и регулирования ГТД по патенту RU 2194181 C1, 10.12.2002, ОАО «ОМКБ», содержится регулируемый по частоте вращения электроприводной насос и дополнительное дозирующее гидромеханическое устройство с элементом поддержания постоянного перепада давлений на нем.
Другим примером подобной топливной системы является система по патенту RU 2322599 C2, 20.04.2008, ОАО «СТАР». В этой системе электронасос высокого давления выполнен в виде центробежного насоса с электроприводом, а дозирующий механизм - в виде электромеханизма дросселирующего типа.
В некоторых системах дозирования с электроприводным насосом и электронным регулятором используется датчик для определения текущего значения расхода рабочего тела (например, патент WO 2009/052794 A3, 30.04.2009, MTU Aero Engines GmbH).
Недостатком перечисленных систем дозирования рабочего тела является наличие датчика расхода или дополнительного гидромеханического дозирующего устройства, что усложняет систему и снижает ее надежность.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является электроприводной насос для газотурбинного двигателя (патент RU №2540204, заявка №2013123619/06(034805) от 23.05.2013), содержащий насос подачи рабочего тела и электропривод. Электропривод включает в себя электродвигатель и блок управления частотой его вращения, связанный с электродвигателем, датчиками и системой управления высшего уровня. Насос содержит модуль, служащий для неизмеряемого расчетного определения расхода рабочего тела, выполненный в виде цифрового устройства, имеющего входы для получения сигналов из блока управления о частоте вращения электродвигателя и тока в его силовых обмотках, память со значениями предварительно полученной экспериментальной зависимости расхода рабочего тела от косвенных параметров в виде частоты вращения электродвигателя и тока в его силовых обмотках, и алгоритм вычисления расчетного значения объемного расхода по экспериментальным данным и измеряемым значением сигналов с датчиков частоты вращения электродвигателя и тока в его силовых обмотках. Кроме того, на выходе насоса установлен датчик температуры рабочего тела, подключенный к модулю, а модуль выполнен с возможностью расчета величины массового расхода как произведение плотности рабочего тела при данной температуре на объемный расход
Использование электроприводного насоса позволяет безинерционно определять текущее значение расхода рабочего тела без использования дополнительного датчика расхода рабочего тела, так как постоянные времени измерения частоты вращения электродвигателя и тока пренебрежимо малы. Однако электроприводной насос не позволяет обеспечить постоянство расхода рабочего тела при изменении условий эксплуатации.
В данном изобретении решается задача подачи насосом рабочего тела и его дозирования (автоматического регулирования величины расхода) без использования гидромеханических устройств и датчика расхода, что упрощает техническое решение, снижает его массу и повышает его надежность.
Поставленная задача решается тем, что насос-дозатор содержит насос подачи рабочего тела с электроприводом, модуль определения текущего расхода рабочего тела и систему управления высшего уровня. Электропривод включает в себя электродвигатель, блок управления частотой его вращения и датчики частоты вращения электродвигателя и тока в его силовых обмотках. К модулю подключен датчик температуры рабочего тела, установленный на выходе насоса.
Новым в изобретении является то, что насос-дозатор дополнительно содержит модуль определения требуемой частоты вращения насоса с двумя входами и одним выходом. При этом один вход модуля соединен с системой управления высшего уровня, которая формирует требуемое значение массового расхода рабочего тела, другой вход - с модулем определения текущего расхода рабочего тела, а выход - с входом блока управления частотой вращения электродвигателя.
При такой конструкции насоса-дозатора рабочего тела:
- наличие в насосе-дозаторе дополнительного модуля определения требуемой частоты вращения насоса с двумя входами и одним выходом, один вход которого соединен с системой управления высшего уровня, другой вход - с модулем определения текущего расхода рабочего тела, а выход - с входом блока управления частотой вращения электродвигателя, обеспечивает возможность автоматического регулирования расхода рабочего тела.
Развитие и уточнение совокупности существенных признаков изобретения для частных случаев его выполнения дано далее:
- наличие в линии подключения датчика температуры рабочего тела к модулю определения текущего расхода рабочего тела дополнительного модуля компенсации инерционности датчика температуры рабочего тела, вход которого соединен с выходом датчика температуры, а выход - с входом модуля определения текущего расхода рабочего тела, обеспечивает получение требуемого качества переходных процессов по параметрам насоса и повышение запасов устойчивости дозирования рабочего тела;
- наличие дополнительного модуля коррекции величины тока в силовых обмотках электродвигателя, первый и второй входы которого соответственно соединены с датчиком тока в силовых обмотках электродвигателя и датчиком их температуры, а выход - с модулем определения текущего расхода рабочего тела, обеспечивает повышение точности определения текущего значения расхода рабочего тела при изменении условий эксплуатации, приводящих к нагреву (остыванию) электродвигателя и изменению активного сопротивления его силовых обмоток.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи - насос-дозатор выполняет функцию подачи рабочего тела и автоматического регулирования величины расхода рабочего тела без использования гидромеханических устройств и датчика расхода, что упрощает техническое решение, снижает его массу и повышает его надежность, обеспечивает требуемое качество переходных процессов в системе подачи рабочего тела и повышает точность измерения текущего значения расхода.
Настоящее изобретение поясняется подробным описанием конструкции и работы насоса-дозатора со ссылкой на фиг. 1-3, где:
на фиг. 1 изображена общая схема насоса-дозатора;
на фиг. 2 - схема насоса-дозатора с модулем компенсации инерционности датчика температуры рабочего тела;
на фиг. 3 - схема насоса-дозатора с модулем коррекции величины тока в силовых обмотках электродвигателя.
Насос-дозатор содержит (см. фиг. 1) насос 1 и электропривод насоса, состоящий из электродвигателя 2 и блока 3 управления частотой его вращения, контроллер 4 и систему 5 управления высшего уровня. Контроллер 4 включает:
- модуль 6 определения требуемой частоты вращения насоса 1, который выполнен в виде пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД-регулятора) или регулятора иного типа,
н
эд
эд
н
эд
эд
р.т.
- модуль 7 определения текущего расхода рабочего тела путем использования экспериментальной характеристики насоса в виде зависимости объемного расхода на выходе из насоса Q от частоты вращения электродвигателя n и тока в его силовых обмотках I, например в виде двухмерной таблицы Q=f(n,I), и аналитической (табличной) зависимости плотности рабочего тела ρ от его температуры и давления.
На первый вход модуля 6 из системы 5 высшего уровня поступает сигнал о требуемой величине массового расхода, а на второй вход - рассчитанное текущее его значение с выхода модуля 7. С выхода модуля 6 на вход блока 3 управления поступает сигнал о требуемой частоте вращения насоса. За насосом 1 в линии его нагнетания установлен датчик 8 температуры рабочего тела. Значение расхода рабочего тела из модуля 7 может поступать также в систему 5 управления высшего уровня (связь не показана). Блок 3 управления по электрическим линиям 9 связан с электродвигателем 2, ротор которого соединен рессорой 10 с валом насоса 1. Рабочее тело из насоса 1 поступает к потребителю (показано стрелкой).
эд
эд
эд
н
эд
эд
В электродвигателе 2 (например, вентильный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами на роторе) имеются встроенные датчики частоты вращения ротора электродвигателя n, тока в его силовых обмотках I и температуры силовых обмоток Т, сигналы с которых поступают в блок управления 3 и используются для определения объемного расхода Q рабочего тела через насос 1. Далее сигнал I поступает на вход 11 модуля 7, а частоты вращения ротора n - на вход 12 модуля 7. Сигнал с выхода датчика 8 температуры рабочего тела поступает на вход 13 модуля 7.
p.т
p.т
н
эд
эд
Через вход 14 в модуль 7 вводятся экспериментальные характеристики насоса и зависимость плотности рабочего тела от температуры (T) и давления (P). Общий вид характеристики шестеренного насоса в виде зависимости объемного расхода Q на выходе из насоса от частоты вращения электродвигателя n с расслоением по величине тока I в его силовых обмотках показан на фиг. 1 справа от схемы насоса-дозатора.
н
н
эд
эд
н
р.т
р.т
p.т
р.т
В процессе работы насоса-дозатора из системы 5 высшего уровня на один вход модуля 6 поступает заданное значение массового расхода рабочей среды Gзад, а на другой вход - текущее его значение Gизм из модуля 7. При определении Gизм модуле 7 сначала определяется значение объемного расхода на выходе из насоса Q, например, методом двойной интерполяции зависимостей Q=f(n,I). Величина массового расхода определяется как произведение объемного расхода Q на плотность рабочей среды ρ, которая рассчитывается по имеющейся в модуле 7 зависимости плотности от температуры и давления, например, в виде ρ=k0-k1·T+k2·Р, где k0, k1 и k2 коэффициенты аппроксимации.
зад
В модуле 6 рассчитывается величина рассогласования между заданным и текущим значениями массовых расходов. После коррекции величины рассогласования по величине производной и использования других операций для обеспечения нужного качества переходных процессов (изменение коэффициентов ПИД-регулятора, введение зоны нечувствительности и др.), она суммируется с текущим значением частоты вращения электродвигателя. В результате проведенных операций получается новое значение требуемой частоты вращения n, которое с выхода модуля 6 поступает на вход блока 3 управления частотой вращения электродвигателя, который обеспечивает ее реализацию. Изменение частоты вращения насоса 1 приводит к изменению величины расхода через него. Процесс продолжается до тех пор, пока величины заданного и текущего расходов не совпадут с заданной погрешностью (обычно 1…2%).
Датчики температуры рабочего тела, как правило, инерционны и это приводит к появлению запаздывания при определении текущего значения расхода через насос. Как известно, наличие запаздывания в цепи обратной связи (в измеренной величине расхода) может привести к колебательным переходным процессам по расходу и давлению в системе подачи рабочего тела и снижению запаса устойчивости системы регулирования.
р.т
изм
изм
изм
изм
р.т
изм
изм
Для компенсации инерционности датчика температуры в контроллер 4 добавляется модуль 15, вход которого соединен с выходом датчика 8 температуры, а выход - с входом модуля 7 определения текущего расхода рабочего тела (см. фиг. 2). Инерционность датчика компенсируется, например, путем использования алгоритма в виде известного уравнения Т=Т+τdT/dt, где Т, Т - измеренное и скорректированное значения температуры рабочего тела, τ - постоянная времени датчика температуры, dT/dt - производная измеренного значения температуры.
н
эд
эд
В процессе работы насоса-дозатора возможен нагрев (остывание) конструкции электропривода, например, из-за изменения температуры окружающей среды, превышения величины тока и т.п., что приводит к изменению активного сопротивления силовых обмоток электродвигателя. Такие условия работы приводят к появлению погрешности в определении объемного расхода по зависимости Q=f(n,I) из-за отличия измеренной температуры силовых обмоток от ее значения при снятии характеристик насоса и, следовательно, отличия сопротивления силовых обмоток.
Для повышения точности определения объемного расхода в контроллер 4 (см. фиг. 3) добавляется модуль 16 коррекции величины тока в силовых обмотках электродвигателя, первый и второй входы которого через блок управления соединены соответственно с датчиком тока в силовых обмотках электродвигателя и датчиком температуры в них, а выход - с модулем определения текущего расхода рабочего тела.
эд
изм
c
экc.н
эд
эд
изм
c
экс.н
эд
Коррекция измеренного значения тока в силовых обмотках при их нагреве/остывании может проводиться, например, путем использования зависимости I=I+U/(R-R), где I, I - скорректированное и измеренное значения тока, U - величина напряжения сети, R, R - величина активного сопротивления силовых обмоток электродвигателя при определении характеристик насоса и в эксплуатации.
Таким образом, заявленный насос-дозатор, помимо выполнения функции подачи рабочего тела, позволяет автоматически регулировать величину расхода рабочего тела без использования гидромеханических устройств и датчика расхода. Коррекция величины тока по температуре в силовых обмотках электродвигателя позволяет повысить точность определения массового расхода, а компенсация инерционности канала измерения, температуры рабочего тела обеспечивает требуемое качество переходных процессов по расходу и увеличивает запасы устойчивости системы.
Изобретение может быть использовано в системах управления и топливопитания авиационных газотурбинных двигателей, двигателей стационарных энергоустановок и в других объектах, где требуется обеспечить подачу топлива и его дозирование. Насос-дозатор может также использоваться для подачи других видов рабочего тела - охлаждающих жидкостей, воздуха и др.