СИСТЕМА ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ФОРСАЖНОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ
FUEL FEED SYSTEM FOR GAS TURBINE ENGINE WITH AUGMENTER

Изобретение относится к системам подачи топлива в газотурбинный двигатель с форсажной камерой сгорания.
Известны системы подачи топлива, содержащие насосы подачи топлива в основную и форсажную камеры сгорания, гидромеханические дозаторы топлива и регулятор управления режимами работы двигателя.
Известна система подачи топлива в ГТД с двумя и более группами форсунок камер сгорания (патент ЕР №1193379 А2, 2001). Система содержит два параллельно расположенных насоса высокого давления, каждый из которых вращается электродвигателем. Вход обоих насосов связан с общим топливным патрубком с низким давлением, а выходы каждого насоса подсоединяются напрямую к форсункам или объединены в общий выходной патрубок, из которого топливо поступает к форсункам. Объединение выходов двух насосов обеспечивает резервирование системы и подачу топлива при одном отказавшем насосе. Система включает также средство управления, позволяющее управлять частотой вращения электродвигателей, чтобы регулировать расход топлива к определенной группе форсунок камеры сгорания. Любой из насосов является центробежным.
Использование в этой системе электропривода для вращения насоса подачи топлива в форсажную камеру сгорания приведет к увеличению массы системы из-за значительной массы электропривода (сотни килограмм), что не приемлемо для летательных аппаратов.
Известна топливная система для высокотемпературного газотурбинного двигателя, содержащая топливные насосы, клапана, переключающие движение потока топлива, и регулирующую систему. Топливная система содержат насос высокого и насос низкого давления, клапан подачи топлива, который реагирует на сигнал давления от дозаторов так, что подача топлива из насоса возможна, когда открыты оба дозатора. Насос низкого давления может быть центробежным. Насос содержит регуляторы давления топлива и регуляторы постоянного перепада давлений (патент США №7878003, опубл. 2011 г.)
Известна система подачи топлива в форсажную камеру турбореактивного двигателя (патент США №7413141, опубл. 2008). Указанная система содержит источник топлива под давлением, множество клапанов, предназначенных для регулирования потока топлива от указанного источника к форсункам.
Известна система подачи топлива в форсажную камеру турбореактивного двигателя, содержащая каскад высокого давления с топливным насосом, регулятором подачи топлива и коллектором форсунок (SU №204062, опубл. 2005). Для повышения на форсажных режимах тяги двигателя и уменьшения подогрева топлива она снабжена каскадом низкого давления, состоящим из насоса, крана и коллектора форсунок, последовательно соединенных трубопроводом.
Перечисленные известные системы недостаточно эффективны для уменьшения подогрева топлива в насосах, снижения массы топливной системы и потребления мощности.
В основу изобретения положена задача снижения подогрева топлива насосами и уменьшения массы летательного аппарата за счет снижения массы агрегатов топливоподающей системы без потери ее надежности.
Технический результат - снижение потребляемой насосами мощности, уменьшение подогрева топлива в насосах, оптимизация массы топливной системы.
Поставленная задача решается тем, что система подачи топлива в газотурбинный двигатель с форсажной камерой сгорания содержит параллельно установленные в магистрали топливоподающие насос высокого давления с электроприводом и двухступенчатый центробежный насос высокого давления с механическим приводом и отбором топлива за каждой ступенью, двухпозиционное устройство подключения насосов к основной и форсажной камерам сгорания через дозаторы, при этом электропривод насоса высокого давления, двухпозиционное устройство подключения и дозаторы связаны с системой управления, которая выполнена с возможностью управления подачей по суммарному расходу топлива в двигатель и перевода устройства подключения, при величине суммарного расхода менее заданного, в позицию подсоединения выхода насоса высокого давления с электроприводом к дозаторам основной и форсажной камер сгорания, или, при величине суммарного расхода более заданного, в позицию открытия входа в двухступенчатый центробежный насос высокого давления и подсоединения выхода за первой его ступенью к дозатору подачи топлива в форсажную камеру, а выхода за второй ступенью - к дозатору основной камеры сгорания.
Насос высокого давления с электроприводом снабжен электродвигателем с возможностью регулирования топливоподачи по силе тока в силовых обмотках электродвигателя для поддержания заданного перепада давления на насосе.
Система подачи топлива в газотурбинный двигатель с форсажной камерой может содержать подкачивающий насос низкого давления, установленный в магистрали топливоподачи, и с приводом от коробки приводов агрегатов ГТД.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и рисунком 1, на котором приведена принципиальная схема системы подачи топлива в газотурбинный двигатель (ГТД) с форсажной камерой сгорания согласно изобретению.
Система подачи топлива содержит насос 4 высокого давления с электроприводом 2 и двухступенчатый центробежный насос 8 высокого давления с механическим приводом от коробки приводов 11 агрегатов двигателя, которая приводится во вращение от ротора компрессора высокого давления ГТД. В качестве насоса 4 может быть использован насос объемного типа (шестеренный, плунжерный и др.) или лопастной (центробежный). Насос 8 содержит устройство открытия / закрытия входа в насос (на рисунке не показано), которое срабатывает при поступлении электрической или гидравлической команды. Такие устройства используются в эксплуатирующихся центробежных насосах. Система может содержать также подкачивающий насос 1 низкого давления, установленный в магистрали топливоподачи, вход которого связан с топливным баком (не показан), а выход - с входами насосов 4 и 8. Насос 1 приводится во вращение механически от коробки приводов 11, которая приводится во вращение от ротора компрессора высокого давления газотурбинного двигателя.
Система содержит двухпозиционное устройство 5 подключения насосов 4 и 8 к основной 7 и форсажной 10 камерам сгорания. Оно подключает выходы насосов 4 и 8 к дозаторам 6 и 9 посредством системы управления 3, которая электрически связана с электроприводом 2 насоса 4, двухпозиционным устройством 5 и дозаторами 6 и 9, представляющими собой блок из нескольких дозаторов топлива. Требуемую величину расхода топлива в основную камеру сгорания 7 обеспечивают гидромеханические дозаторы 6, в форсажную 10 - дозаторы 9. Устройство 5 содержит обратные подпорные клапаны, препятствующие поступлению топлива к форсункам при отключенных насосах.
Система управления 3 выполнена с возможностью управления насосами 4 и 8 по суммарному расходу топлива в двигатель. Насосы работают в разных диапазонах по величине расхода. Система управления 3 на режимах с величиной суммарного расхода менее заданного значения подключает устройство 5 в позицию, которая включает электропривод 2 и подключает выход насоса 4 к дозаторам 6 и 9 основной и форсажной камер сгорания (показано пунктирной линией), а на других режимах с расходом топлива больше заданного значения - в другую позицию, которая включает открытие входа в двухступенчатый насос 8, подключает выход за первой его ступенью к дозаторам 9 подачи топлива в форсажную камеру 10, а выход за второй ступенью - к дозаторам 6 основной камеры сгорания 7.
Современные регулируемые электроприводы, например вентильный, содержат электродвигатель и блок управления, позволяющие работать в двух режимах - режиме поддержания заданной частоты вращения электродвигателя и режиме поддержания крутящего момента на валу электродвигателя путем поддержания заданного тока в его силовых обмотках.
Известно, что при поддержании тока в силовых обмотках электродвигателя обеспечивается постоянство перепада давления на насосе, т.к. он пропорционален крутящему моменту на валу насоса (электродвигателя) и, следовательно, току. Эта возможность работы электроприводного насоса используются в данной системе подачи топлива.
Система подачи топлива согласно изобретению отличается от других систем тем, что электропривод 2 насоса 4 работает в режиме поддержания перепада давлений на насосе, а не в режиме поддержания расхода топлива. Величина перепада задается таким образом, чтобы давление за насосом 4 было достаточным для функционирования дозаторов топлива 6 и 9. При изменении системой управления 3 заданного расхода топлива для изменения режима работы ГТД величина заданного перепада может изменяться.
Это позволяет оптимизировать режим работы электропривода по мощности и снизить подогрев топлива в насосе 4.
Второй ее особенностью является использование двухступенчатого центробежного насоса 8 с механическим приводом, выход первой ступени которого подсоединяется к входу дозаторов 9 и к входу второй ступени насоса, выход которой подсоединяется к входу дозаторов 6. Такое подключение выходов позволяет снизить величину потребляемой мощности и уменьшить подогрев топлива.
Система подачи топлива согласно изобретению функционирует следующим образом.
При работающем двигателе топливо из бака поступает к насосу 1 и далее на вход насосов 4 и 8. При величине суммарного расхода топлива в двигатель менее заданного значения, например запуске двигателя, система управления 3 выдает сигнал, который переводит устройство 5 в позицию, которая включает электропривод 2 в режим поддержания заданного значения тока в его силовых обмотках и подключает выход насоса 4 высокого давления к дозаторам 6 и 9 основной и форсажной камер сгорания (показано пунктирной линией). При этом вход в насос 8 закрыт по электрической или гидравлической команде из системы управления 3. Насос 4 подает топливо в камеры сгорания при постоянном заданном перепаде давлений на нем.
При переходе работающего двигателя в форсажный режим с расходом топлива больше заданного значения система управления 3 выдает сигнал, который переводит устройство 5 в другую позицию, которая включает открытие входа в двухступенчатый насос 8 высокого давления, подключает выход за первой ступенью насоса 8 к дозаторам 9 подачи топлива в форсажную камеру, а выход за второй ступенью - к дозаторам 6 основной камеры сгорания и отключает электропривод 2 насоса 4. Насос 8 подает топливо в камеры сгорания при давлении на входе в дозаторы, достаточном для функционирования дозаторов топлива 6 и 9.
Согласно изобретению создана комбинированная система подачи топлива с двухступенчатым центробежным насосом с приводом от коробки приводов агрегатов и электроприводным насосом, в которой реализуется комплексное улучшение характеристик топливной системы - снижение подогрева топлива, массы и потребляемой мощности.
Так расчетные оценки показывают, что при работе электроприводного насоса подогрев топлива в нем находится на уровне 3…5°С, а двухступенчатого центробежного - 14…20°С на наиболее неблагоприятных режимах работы двигателя.
При допущении, что общий кпд одноступенчатого насоса и кпд ступеней двухступенчатого одинаковы, а также, что перепад давления на обеих ступенях равный, имеем следующее выражение для расчета мощности двухступенчатого насоса по отношению к одноступенчатому:
2
1
λ=0.5(1+Q/Q),
1
2
где λ - отношение мощностей двухступенчатого и одноступенчатого насосов, Q, Q - расход топлива через первую и вторую ступени.
1
2
2
1
Так как первая ступень центробежного насоса обеспечивает топливом основную и форсажную камеры сгорания, а вторая - только основную, то расход Q всегда больше чем Q и у двухступенчатого насоса величина отбираемой от двигателя мощности меньше. При Q/Q=0.2 имеем λ=0.6, т.е. отбираемая от двигателя мощность на 40% ниже.
Так как электроприводной насос работает только на режимах с малым расходом, и, следовательно, низким значением потребляемой мощности, то масса его электропривода не велика и практически не увеличивает массу всей системы.
Электроприводной насос обеспечивает подачу топлива в основную и форсажную камеры сгорания при малых расходах (запуск, малый газ, дроссельные нефорсированные и высотные форсированные режимы), а двухступенчатый центробежный насос с механическим приводом - на всех остальных форсированных и нефорсированных режимах.
Резервирование работы электроприводного насоса может производиться путем отбора топлива из плунжерного насоса системы управления тяги двигателя и подачи его (на рисунке не показано).
Таким образом, система подачи топлива с электрическим приводом одного насоса и механическим приводом другого двухступенчатого центробежного обеспечивает снижение потребляемой мощности и уменьшает подогрев топлива в насосах.
Изобретение может быть использовано в системах топливопитания авиационного газотурбинного двигателя, а также в стационарных газотурбинных двигателях и установках в энергетике и в других энергетических объектах, где требуется обеспечить высокую надежность подачи топлива в две камеры сгорания.