СИСТЕМА ЗАПОЛНЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ КАМЕР СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области авиационного двигателестроения и может быть использована в системах топливопитания газотурбинных двигателей (ГТД) для управления подачей топлива в коллекторы основной и/или форсажной камер сгорания ГТД.
Исследование уровня техники показало, что в действующих системах управления подачей топлива в основные и форсажные камеры сгорания ГТД далеко не всегда учитывается влияние процесса заполнения топливных коллекторов на регулирование тяги двигателя в ходе приемистости. Это приводит к ступенчатому изменению эффективного расхода топлива и, соответственно, к ступенчатому изменению тяги двигателя в процессе приемистости. Ступенчатое изменение эффективного расхода топлива может привести к недобору тяги двигателя в нужный момент. Это снижает надежность работы двигателей и безопасность их эксплуатации, а также увеличивает время приемистости на время заполнения топливного коллектора (1-3 сек.), что является весьма существенным для управления работой ГТД.
Известна система управления подачей топлива в коллекторы форсажной камеры сгорания ГТД, содержащая последовательно соединенные блок датчиков параметров двигателя и воздуха на входе в двигатель, электронный регулятор режимов работы двигателя, блок электрогидропреобразователей. К выходу блока электрогидропреобразователей подключены дозаторы форсажного топлива, по одному на каждый топливный коллектор форсажной камеры, каждый дозатор через свой запорный клапан подключен к своему топливному коллектору форсажной камеры. Управление запорными клапанами осуществляется от электронного регулятора.
В процессе работы системы по измеренным с помощью блока датчиков температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором двигателя, давлению газа за турбиной двигателя, положению рычага управления двигателем и расходу топлива в основной камере сгорания, электронный регулятор основной камеры сгорания формирует заданное значение расхода топлива, подаваемого в коллекторы и из них - в форсажную камеру.
В зависимости от величины заданного расхода форсажного топлива электронный регулятор формирует управляющие воздействия, поступающие в элетрогидропреобразователь, где они преобразуются в гидравлические управляющие воздействия на дозаторы. Количество дозаторов зависит от количества коллекторов форсажной камеры и определяется по одному дозатору на коллектор.
Запуск форсажной камеры и вывод двигателя на режим минимального форсажа обеспечивается с помощью первого дозатора и первого (пускового) коллектора. При переводе рычага управления двигателем на площадку «минимальный форсаж» электронный регулятор обеспечивает:
- расчет заданного расхода форсажного топлива для режима «минимальный форсаж»;
- перевод первого дозатора в положение, соответствующее заданному расходу форсажного топлива;
- открытие первого запорного клапана;
- включение агрегата «огневой дорожки».
После запуска форсажной камеры и выхода двигателя на режим «минимальный форсаж» электронный регулятор формирует сигнал пилоту «Форсаж включен».
При переводе пилотом рычага управления двигателем в положение «максимальный форсаж» электронный регулятор обеспечивает:
- расчет заданного расхода форсажного топлива для режима «максимальный форсаж»;
- распределение заданного расхода форсажного топлива между дозаторами в зависимости от пропускной способности соответствующего дозатору топливного коллектора форсажной камеры;
- поочередное включение в работу оставшихся дозаторов.
При этом при включении в работу второго дозатора электронный регулятор обеспечивает:
- перевод второго дозатора в положение, соответствующее заданному для него расходу форсажного топлива;
- расчет времени заполнения второго коллектора топливом (объемы коллекторов хранятся в запоминающем устройстве электронного регулятора);
- открытие второго запорного клапана;
- перевод первого дозатора на время заполнения второго коллектора в положение, соответствующее заданному для него расходу форсажного топлива, увеличенному на величину, соответствующую объему второго коллектора.
Перевод производится равномерно таким образом, чтобы к окончанию времени заполнения расход вырос на величину объема коллектора.
В момент окончания заполнения второго коллектора по команде электронного регулятора первый дозатор за минимально возможное время возвращается в положение, соответствующее заданному для него расходу форсажного топлива.
Включение в работу остальных дозаторов производится аналогично, (см. патент РФ №2438031, кл. F02C 9/28, 2011 г.).
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что при таком заполнении топливных коллекторов обеспечивается плавное изменение эффективного расхода топлива и соответственно плавное изменение тяги двигателя в процессе приемистости. Однако процесс заполнения коллекторов осуществляется за довольно длительное время, что значительно увеличивает время приемистости, кроме того в системе не предусмотрено предварительное заполнение пускового коллектора, что также увеличивает время приемистости.
Известна система управления расходом топлива на запуске ГТД, содержащая последовательно соединенные блок датчиков параметров двигателя и воздуха на входе в двигатель, электронный регулятор режимов работы двигателя, блок электрогидропреобразователей, дозатор топлива с датчиком положения дозирующего элемента. Выход дозатора топлива связан с первым и вторым топливными коллекторами камеры сгорания, причем с первым топливным коллектором он связан непосредственно, а со вторым - через переключатель, управляемый от электронного регулятора. Первый выход переключателя связан со вторым коллектором камеры сгорания непосредственно, а второй его выход связан со вторым коллектором камеры сгорания через гидросопротивление.
В процессе работы системы по измеренным с помощью блока датчиков параметрам электронный регулятор формирует по заранее определенной зависимости потребный расход топлива в камеру сгорания двигателя.
В зависимости от потребного расхода топлива электронный регулятор с помощью расходной характеристики первого дозатора, которая заносится в энергонезависимую память электронного регулятора в процессе сдаточных испытаний двигателя, определяет заданное положение дозатора, сравнивает с измеренным с помощью датчика и фактическим положением дозатора и осуществляет управление расходом топлива, изменяя с помощью электрогидропреобразователя положение дозатора. Дозированное топливо подается к первому коллектору камеры сгорания.
Дополнительно в процессе запуска ГТД в электронном регуляторе сравнивают измеренную с помощью блока датчиков частоту вращения ротора двигателя с наперед заданной уставкой частоты вращения «малого газа», которая заносится в энергонезависимую память электронного регулятора в процессе сдаточных испытаний двигателя.
При достижении частотой вращения двигателя уставки «малого газа» электронный регулятор блокирует дальнейшее увеличение заданной частоты вращения ротора двигателя на наперед заданное время, необходимое для прогрева двигателя.
По команде электронного регулятора с помощью переключателя подключают к тракту подачи дозированного топлива за дозатором второй коллектор через гидросопротивление. Величина сопротивления выбирается равной по проливке 15-20% суммарного гидравлического сопротивления форсунок первого коллектора.
По истечении времени прогрева двигателя по команде электронного регулятора посредством переключателя подключают второй коллектор к тракту подачи дозированного топлива за дозатором напрямую. При этом в электронном регуляторе снимают блокировку заданной частоты вращения ротора двигателя, обеспечивая возможность перевода ГТД на рабочие режимы (номинал, взлет и т.д.) (см. патент РФ №2435973, кл. F02C 9/26, 2011 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известной системы необходимо отметить, что ее недостатком является то, что в процессе подачи дополнительного топлива через гидросопротивление и прогреве двигателя режим двигателя не изменяется, причем при подаче топлива возможно его пыление в камеру сгорания, кроме того не предусмотрено предварительного заполнения пускового коллектора, что увеличивает время приемистости.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение быстродействия системы управления за счет сокращения времени на заполнение топливом включаемого в работу топливного коллектора, а также обеспечение плавного изменения тяги двигателя на приемистости.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в системе заполнения топливных коллекторов камер сгорания газотурбинного двигателя, включающей насосный блок, имеющий возможность своим входом соединения с топливным баком, а выходом - посредством основной топливной магистрали через распределитель - с дозаторами топлива в коллекторы камеры сгорания, новым является то, что как минимум, один топливный коллектор имеет второй вход, соединенный первой дополнительной топливной магистралью с выходом насосного блока, и выход, соединенный второй дополнительный топливной магистралью с входом насосного блока, причем в дополнительных топливных магистралях установлены отсечные клапаны, при этом в первой дополнительной топливной магистрали может быть установлен регулятор давления топлива, связанный с датчиком давления газов в камере сгорания.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы. На схеме показана одна камера сгорания и два коллектора. Естественно, что количество камер сгорания, равно, как и их коллекторов, может быть иным. Это не меняет сущность заявленного решения.
На графических материалах позицией 1 обозначена камера сгорания ГТД, позициями 2 и 3 топливные коллекторы, через форсунки 4 которых осуществляется подача топлива в камеру сгорания 1. Система заполнения топливных коллекторов также включает насосный блок 5, связанный входом основной топливной магистралью с топливным баком 6. Выход насосного блока посредством основной топливной магистрали через распределитель 7 топлива связан с дозаторами 8 и 9, осуществляющими дозирование топлива в коллекторы 2 и 3. Один из коллекторов, (на схеме коллектор 3) имеет дополнительный вход, связанный первой дополнительной топливной магистралью с выходом насосного блока 5 и дополнительный выход, связанный второй дополнительной топливной магистралью с входом насосного блока 5. В дополнительных магистралях установлены отсечные клапаны 10 и 11. Выход отсечного клапана 10 наиболее целесообразно подключать в непосредственной близости к выходу дозатора 9, а отсечной клапан 11 к выходу из коллектора. Позицией 12 обозначен блок управления работой ГТД, который включает автоматическую систему управления работой и панель управления работой ГТД, находящаяся в кабине пилота. Блок управления 12 связан с насосным блоком 5, с распределителем 7, с отсечными клапанами 10 и 11. В первой дополнительной топливной магистрали, соединяющей дополнительный вход коллектора 3 с выходом насосного блока 5, может быть установлен регулятор 13 давления топлива, связанный с блоком управления 12 и с датчиком 14 давления газов в камере сгорания 1.
Все элементы и агрегаты системы являются стандартными и используются по прямому назначению.
В качестве распределителя 7 и регулятора 13 могут быть использованы стандартные электронные или электромеханические регуляторы. В качестве дозаторов топлива используют дозаторы с регулируемым проходным сечением. В качестве отсечных клапанов используются стандартные клапаны с управляемым запорным элементом.
Система функционирует следующим образом.
В процессе работы ГТД, на одном из режимов, например «малый газ», топливо насосным блоком 5 из бака 6 подается через распределитель 7 на дозатор 8, и, через него, в первый коллектор 2 и через форсунки 4 данного коллектора поступает в камеру сгорания для работы ГТД на данном режиме. Коллектор 3 при этом не задействован в работе, то есть, распределитель 7 отключил подачу топлива на дозатор 9. По команде блока 12 отсечные клапаны 10 и 11 открыты и топливо с выхода насосного блока 5 по первой дополнительной топливной магистрали через регулятор 13 поступает на второй вход коллектора 3 и заполняет его топливом. При заполнении данного коллектора топливо из него через выход коллектора по второй дополнительной топливной магистрали поступает на вход насосного блока 5. Таким образом, при работающем первом коллекторе и неработающем втором коллекторе, последний заполнен топливом, которое постоянно циркулирует по контуру, что также не позволяет допустить перегрев топлива. Регулятор 13 (при его наличии) при этом, по показаниям датчика 14 устанавливает давление циркулирующего через коллектор 3 топлива таким образом, чтобы оно всегда было равно или незначительно меньше давления газов в камере сгорания 1. Это исключает подачу (пыление) топлива из форсунок неработающего второго коллектора 3 топлива в камеру сгорания 1.
При переходе работы двигателя на более интенсивный режим, по команде с блока 12 (в соответствии с командой пилота или системы управления) распределитель 7 включает в работу дозатор 9, открывая подачу топлива во второй коллектор 3. Практически одновременно дается команда на закрытие отсечных клапанов 10 и 11, которые перекрывают первую и вторую дополнительные топливные магистрали, в которых они установлены, и отсекают второй вход и выход коллектора 3 от входа и выхода насосного блока 5, прекращая циркуляцию топлива через коллектор 3, который при этом остается заполненным топливом.
От дозатора 9 топливо поступает в уже практически заполненный коллектор и практически сразу поступает на форсунки 4 для его подачи в камеру сгорания.
Таким образом, при включении более интенсивного режима работы ГТД, который требует дополнительной подачи топлива, не тратится время на заполнение вводимого в работу топливного коллектора 3, что значительно сокращает время приемистости.
Система может работать для заполнения практически всех топливных коллекторов как основной, так и форсажной камер сгорания.
Весьма важно и то, что подключение и заполнение коллекторов не влияет на динамические свойства двигателя, обеспечивая сокращение времени приемистости и плавность изменения тяги двигателя.