УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ РАСХОДОМ ТОПЛИВА В ОСНОВНУЮ КАМЕРУ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ПРИЕМИСТОСТИ

Полезная модель относится к авиационной технике и может быть использована для управления работой газотурбинных двигателей (ГТД) летательных аппаратов (ЛА) на переходных режимах (режимах приемистости).
Известно, что при работе ГТД на приемистости для расчета времени приемистости необходимо учитывать противоречивые факторы. С одной стороны, сокращение времени приемистости приводит к увеличению маневренных свойств ЛА, в том числе, к сокращению времени его разгона, что очень важно для большинства ЛА различного назначения. С другой стороны, при уменьшении времени приемистости уменьшается ресурс работы ГТД, в основном, из-за влияния высоких температур на узлы ГТД. Кроме того, при расчете приемистости необходимо учитывать динамические и массовые характеристики и самого ЛА. например, его массу, изменение массы с учетом расхода топлива, высоту полета, скорость при переходе на приемистость и пр. Проблема управления ГТД ЛА на приемистости достаточно подробно описана в литературе, см., например, Г.В.Добрянский и др. «Динамика авиационных газотурбинных двигателей», Москва, «Машиностроение», 1989 г., стр.144-151. Известные системы (устройства) регулирования ГТД, как правило, не учитывают всех особенностей функционирования ГТД на приемистости.
Так, известно устройство для управления ГТД, содержащее топливный насос, выход которого подключен к выходу регулятора механизации компрессора и соединен с магистралью подачи топлива в ГТД, в которой последовательно установлены дозатор и распределительный клапан, причем дозатор подключен к регулятору режима работы двигателя, а к магистрали подключен электромагнитный клапан останова ГТД, непосредственно на выходе дозатора установлен золотник минимального давления, торцевая полость золотника соединена с магистралью, а пружинная полость - со сливом.
В процессе работы ГТД и устройства управления, регулятор, для поддержания заданного режима работы ГТД с помощью дозатора формирует заданный расход топлива в ГТД. В зависимости от режима работы ГТД (например, частоты вращения ротора компрессора, приведенной по температуре воздуха на входе в ГТД), регулятор управляет положением элементов механизации компрессора.
При штатной работе ГТД давление топлива в магистрали удерживает золотник в положении, не влияющем на расход топлива, идущего в распределительный клапан.
Клапан останова закрыт и также не влияет на расход топлива, идущего в распределительный клапан.
При срабатывании клапана останова (например, для резкого уменьшения расхода топлива в ГТД в случае необходимости ликвидации помпажа компрессора), магистраль соединяется со сливом. Давление топлива в магистрали падает, баланс сил на золотнике нарушается. Под действием пружины золотник перекладывается в положение, в котором он ограничивает расход топлива, уходящего из дозатора на слив. При этом в участке магистрали между насосом и золотником поддерживается давление топлива, обеспечивающее нормальную работу регулятора.
(см. патент РФ №2289708, кл. F02C 9/28, 2006 г.).
В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что при его работе на приемистости наблюдаются значительные забросы температуры газа, что отрицательно влияет на ресурс ГТД.
Известна система управления ГТД, содержащая насос высокого давления для подачи топлива к форсункам двигателя через дозирующий кран, центробежный датчик с маятниковым клапаном, канал управления которого гидравлически связан с полостью постоянного давления и с управляемой полостью сервопоршня дозирующего крана.
Система также содержит автомат приемистости и клапан приемистости, выполненный в виде подпружиненного на корпус клапана 2-х ступенчатого золотника, ступень большего диаметра которого выполнена в виде золотника с проточкой и ступень меньшего диаметра -в виде штока. Пружинная полость и торцевая полость золотника связаны с полостью постоянного давления клапана.
Один торец штока размещен в полости, связанной с полостью постоянного давления, а противоположный торец этого штока размещен в другой полости, связанный с полостью за дозирующим краном.
Система оснащена статической приставкой, выполненной в виде корпуса, в котором с возможностью перемещения установлен подпружиненный с двух сторон поршень. Полость корпуса статической приставки связана с каналом управления маятникового клапана, с автоматом приемистости и с клапаном приемистости.
В процессе работы ГТД и системы управления на установившимся режиме работы ГТД поршень статической приставки находится в среднем положении, и управляемая полость сервопоршня дозирующего крана связана с каналом управления маятникового клапана.
В процессе приемистости, когда давление в канале управления маятникового клапана повышается до значения, примерно равного давлению в полости постоянного давления, поршень статической приставки под влиянием возникшего перепада давления смещается и топливо поступает в управляемую полость сервопоршня, стремясь с большей скоростью повернуть дозирующий кран на увеличение подачи дозируемого топлива в камеру сгорания ГТД. В данном случае автомат приемистости, перепуская часть поступающего в управляемую полость топлива на слив. регулирует скорость поворота дозирующего крана, и тем самым, темп подачи топлива в камеру сгорания ГТД, то есть приемистость.
По достижению определенной величины расхода топлива в камеру сгорания ГТД усилие от давления топлива в полости за дозирующим краном, действующее на верхний торец штока, передается через золотник на пружину клапана приемистости, которая сжимается, в результате чего и шток и золотник совершают перемещение, при котором проточка золотника отсоединяется от канала управления, и наполнение управляемой полости сервопоршня будет осуществляться медленнее, что приведет к уменьшению скорости наполнения управляемой полости сервопоршня дозирующего крана, и, в конечном счете, к уменьшению количества топлива, подаваемого в камеру сгорания двигателя. Закон изменения подачи топлива осуществляется за счет подбора дросселей, устанавливаемых в каналах управления подачей топлива.
(см. патент РФ №2135801, кл. F02C 9/26, 1999 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известной системы управления необходимо отметить, что данная
система автоматического регулирования должна обеспечивать оптимальную подачу
топлива в камеру сгорания двигателя при приемистости практически без заброса
температуры на лопатках турбины. Однако, данная система не учитывает переменные динамические свойства объекта (летательного аппарата), на котором установлен ГТД и,
тем самым, темп набора тяги при приемистости не согласован с темпом разгона
летательного аппарата, что также вызывает излишний расход ресурс ГТД при приемистости, при полетах на малых скоростях и больших высотах, где повышенная инерционность летательного аппарата.
Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка
устройства управления расходом топлива в основную камеру сгорания ГТД на
приемистости, обеспечивающего согласование времени приемистости с потребным
темпом изменения скорости летательного аппарата и повышение срока службы узлов ГТД за счет обеспечения рационального расхода топлива в течение приемистости.
Поставленная задача обеспечивается тем, что в устройстве управления расходом топлива в основную камеру сгорания газотурбинного двигателя на приемистости, содержащем регулятор расхода топлива на стационарных режимах работы двигателя, распределитель топлива по форсункам основной камеры сгорания, оснащенный дозирующим устройством, управляемым исполнительным органом, а также автомат приемистости, новым является то что устройство оснащено задатчиком расхода топлива и элементом сравнения, выход которого связан с входом регулятора расхода топлива на стационарных режимах, а входы с выходом задатчика расхода топлива и с датчиком измеряемого параметра работы двигателя, автомат приемистости содержит задатчик расхода топлива, элемент сравнения, преобразователь, исполнительный орган и двухпозиционный переключатель, выход которого связан с исполнительным органом дозирующего устройства, один контакт задатчика связан с выходом регулятора расхода топлива на стационарных режимах, а другой - с преобразователем автомата приемистости, входы задатчиков связаны с датчиками температуры воздуха на входе в двигатель и положения рычага управления двигателем, причем задатчик автомата приемистости дополнительно имеет возможность соединения с системой управления летательного аппарата, выход задатчика автомата приемистости связан с входом преобразователя и с первым входом элемента сравнения автомата приемистости, со вторым входом которого связан датчик расхода подаваемого на распределитель топлива, а выход - с исполнительным органом автомата приемистости, управляющим работой двухпозиционного переключателя.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема заявленного устройства.
Устройство управления расходом топлива в основную камеру сгорания ГТД 1 на приемистости содержит распределитель 2 топлива по форсункам основной камеры сгорания ГТД, связанный с выходом дозирующего устройства 3. Дозирующее устройство 3 управляется исполнительным органом 4.
вх
руд
Устройство оснащено регулятором 5 расхода топлива, вход которого связан с выходом элемента сравнения 6. Устройство также содержит задатчик 7 режима работы двигателя, выход которого связан с первым входом элемента сравнения 6, со вторым входом которого связан датчик значения регулируемого параметра, по значению которого осуществляется коррекция расхода топлива. Первый вход задатчика 7 связан с датчиком температуры воздуха (Т) на входе в двигатель, а второй - с датчиком положения рычага управления двигателем - РУД (α).
вх
руд
В состав устройства входит автомат приемистости 8, содержащий задатчик 9 дозирования топлива на приемистости, первый и второй входы которого связаны соответственно с датчиком (Т) и с датчиком (α).
Выход задатчика 9 связан с первым входом элемента сравнения 10 автомата приемистости и с входом преобразователя 11 автомата приемистости, который фактически является регулятором расхода топлива на приемистости. Второй вход элемента сравнения 10 связан с датчиком расхода топлива, подаваемого на распределитель 2. Выход элемента сравнения 10 связан с входом исполнительного органа 12, управляющего положением контакта двухпозиционного переключателя 13 автомата приемистости. Переключатель содержит два контакта, к одному из которых подведен выход регулятора 5 расхода, а к другому выход преобразователя 11 автомата приемистости. Выходной контакт переключателя 13 связан с входом исполнительного органа 4.
Третий вход задатчика 9 связан с системой управления 14 летательного аппарата.
В качестве управляемого параметра могут быть использованы: постоянная времени летательного аппарата, текущее значение массы летательного аппарата с учетом фактического остатка топлива и полезной нагрузки, высота и скорость полета, положение летательного аппарата в пространстве (углы атаки, крена, тангажа и рысканья). Наиболее предпочтительным является постоянная времени летательного аппарата, которая по известным в аэродинамике зависимостям от других перечисленных выше параметров вычисляется в системе управления летательным аппаратом и передается в задатчик 9.
Устройство комплектуется стандартными блоками.
Так, в качестве задатчиков 7 и 9 может быть использован программный блок, реализующий заранее заданные зависимости, определяемые при проектировании двигателя.
В качестве регулятора 5 расхода топлива может быть использован стандартный электрогидравлический регулятор.
В качестве автомата приемистости может быть использована широкая гамма известных автоматов, например, автомат, приведенный на фиг.2.40, А.А.Шевяков «Автоматика авиационных и ракетных силовых установок», Москва, «Машиностроение», 1965 г, стр.153-155.
Двухпозиционный переключатель 13 автомата приемистости может быть выполнен различным образом, например, быть оснащенным установленным на оси переключающим элементом, постоянно подпружиненным к одному из контактов (например, первому). На переключающем элементе закреплен магнит, а под ним на корпусе переключателя установлен элемент управления положением переключающего элемента (например, электромагнитная катушка), подключенный к выходу исполнительного органа 12 автомата приемистости 8.
Дозирующее устройство 3 и орган 4 его управления являются стандартными. Регулируемый клапан может быть выполнен в виде стандартного клапана с регулируемым проходным сечением и сливным выходом.
Устройство управления расходом топлива в основную камеру сгорания ГТД на приемистости работает следующим образом.
Работу устройства рассмотрим на примере использования в качестве регулируемого параметра частоту вращения (n) ротора, что не означает, что для регулирования не может быть использован другой параметр. Параметр, выбранный в качестве регулируемого, может зависеть от типа ГТД, типа ЛА, условий эксплуатации ГТД и пр.
т
ду
На постоянных режимах работы ГТД 1 на распределитель 2 топлива насосом из бака (не показаны) подается топливо, расход которого (G) определяется положением дозирующего элемента (например, иглы дозатора) дозирующего устройства. Текущее положение дозирующего элемента задается исполнительным органом 4, которое реализует управляющее воздействие (L).
вх
руд
ф
р
Для регулирования подачи топлива в задатчике 7 на основании поступающих значений (Т) и (α) по заранее заданной зависимости рассчитывается заданное значение регулируемого параметра (у), которое поступает на элемент сравнения 6, где сравнивается с фактическим значением параметра (у). Полученный в результате сравнения управляющий сигнал (Δу) поступает на вход регулятора 5, откуда полученный управляющий сигнал (Х). подается на первый контакт двухпозиционного переключателя 13.
вх
руд
0
тап
ап
Параллельно на задатчик 9 автомата приемистости поступают сигналы значений (Т) и (α), а также значение (z) от системы управления летательным аппаратом 14. В задатчике 9 эти значения обрабатываются по наперед заданной зависимости (и выходной сигнал, характеризующий расход топлива (G) поступает на элемент сравнения 10 автомата приемистости и преобразователь 11 автомата приемистости. Преобразованный управляющий сигнал (Х) из преобразователя 11 поступает на второй контакт двухпозиционного переключателя 13 откуда после замыкания контакта поступает на вход исполнительного органа 4.
т
тап
Параллельно в элементе сравнения 10 автомата приемистости осуществляется сравнение значений расхода топлива, поступающего на распределитель 2 (G) выработанного задатчиком 9 (G).
тап
т
До тех пор, пока при работе элемента сравнения 9 выполняется отношение (G<G) исполнительный орган 12 выключен и управление расходом осуществляется от регулятора 5, управляющий сигнал с выхода которого подается через первый контакт переключателя 13 и контактирующий с ним переключающий элемент на исполнительный орган 4. Данное положение характерно для стационарного режима работы ГТД.
руд
На переходном режиме (на приемистости) работы ГТД который задается перемещением РУД, изменяется значение параметра (α) и резко увеличивается значение сигнала, вырабатываемого задатчиком 7, а, следовательно, элементом сравнения 6 и регулятором 5, что приводит к избытку топлива, подаваемого на распределитель 2, следовательно, резко увеличивается температура в камере сгорания и на выходе из нее (что приводит к перегреву элементов ГТД), однако, не дает желаемого эффекта в управлении, так как ЛА обладает инерцией, определенной скоростью, которые не позволяют мгновенно выводить ЛА на режим, заданный РУД. Поэтому резкое увеличение расхода топлива на форсунки при приемистости ГТД практически не приводит к уменьшению времени разгона летательного аппарата, но оказывает негативное влияние на ресурс работы ГТД.
Практически одновременно с приемистостью на элементе сравнения 10 автомата приемистости нарушается приведенное выше неравенство, что приводит к срабатыванию исполнительного органа 12, который запитывает элемент управления переключением переключающего элемента, который размыкается с первым контактом и замыкается со вторым. В результате регулятор 5 отключается от управления расходом топлива, который регулируется преобразователем 11 автомата приемистости, программа работы которого рассчитана на задание расхода топлива на режиме приемистости, обеспечивающим необходимый темп изменения скорости летательного аппарата и рациональное расходование ресурса двигателя, за счет коррекции заданной зависимости задатчика 9 по сигналу из системы управления 14 летательного аппарата, характеризующего динамические свойства ЛА.
В заявленном решении обеспечивается дозирование топлива в форсунки на приемистости, что позволяет, практически не увеличивая время приемистости, исключить перенасыщение форсунок топливом и исключить перегрев элементов ГТД за счет осуществления подачи топлива на форсунки по оптимальному закону, задаваемому преобразователем 11 автомата приемистости 8.
Таким образом, заявленное устройство позволяет обеспечить закон дозирования топлива на форсунки ГТД на приемистости, согласованный с динамическими свойствами ЛА.