ПОДАЮЩИЙ ТЕКУЧУЮ СРЕДУ КОНТУР С УСТРОЙСТВАМИ ИЗМЕНЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИИ И БЕЗ ОБЪЕМНОГО НАСОСА ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ
FLUID FLOW CONTOUR WITH DEVICES OF VARIABLE GEOMETRY AND WITHOUT VOLUMETRIC PUMP FOR TURBOMACHINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в общем, относится к области техники, связанной с системами подачи текучей среды, в частности смазки или топлива, в турбомашину. Конкретнее, настоящее изобретение относится к системе подачи текучей среды в камеру сгорания турбомашины, а также в устройства с изменяемой геометрией турбомашины.
Уровень техники
На фиг. 1 показана известная система 10 подачи топлива в турбомашину 1. Система 10 подачи содержит насос 11 низкого давления, предназначенный для повышения давления топлива, подаваемого к гидравлическому сопротивлению 104. Насос 11 низкого давления представляет собой, в частности, центробежный насос. Подаваемая текучая среда ниже по потоку относительно насоса 11 низкого давления направляется к объемному насосу 102 высокого давления.
Объемный насос 102 высокого давления предназначен для направления текучей среды с постоянным расходом в подающий контур 50 с устройствами 54 изменяемой геометрии, а также в подающий контур 60 камеры 2 сгорания.
Подающий контур 50 с устройствами 54 изменяемой геометрии предназначен для транспортировки топлива от впускного узла Е, отделяющего подающий контур 50 с устройствами 54 изменяемой геометрии от контура подачи топлива в камеру 2 сгорания, к выпускному узлу С, расположенному между насосом 11 низкого давления и объемным насосом 102 высокого давления. Через указанный подающий контур 50 к устройствам 54 изменяемой геометрии подводится переменная гидравлическая мощность.
Контур 60, подающий топливо в камеру 2 сгорания, содержит дозатор 64 топлива, предназначенный для регулирования расхода топлива, подаваемого по питающему трубопроводу 68 к инжекционным системам 62 камеры 2 сгорания. Точнее говоря, дозатор 64 топлива дает возможность избытку топлива проходить по рециркуляционному контуру 610 от первого узла А, расположенного ниже по потоку относительно впускного узла Е, к выпускному узлу C.
Однако при прохождении избытка текучей среды по рециркуляционному контуру 610 в системе 10 подачи происходит существенное рассеивание тепла. В общем, в системе 10 подачи, показанной на фиг. 1, наблюдается значительное рассеивание тепловой мощности. Соответственно, производительность системы 10 подачи снижается и, как следствие, снижается общая производительность турбомашины 1.
Раскрытие сущности изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в устранении по меньшей мере части недостатков известного уровня техники.
Исходя из вышесказанного, задача изобретения состоит в создании системы подачи текучей среды к турбомашине, а именно, системы подачи, содержащей верхний по потоку контур и нижний по потоку контур, соединенный с указанным верхним по потоку контуром,
причем верхний по потоку контур содержит насосный блок низкого давления, который содержит первый центробежный насос и предназначен для повышения давления текучей среды, направляемой к нижнему по потоку контуру,
при этом нижний по потоку контур на входном узле подразделяется на подающий контур инжекционной системы для камеры сгорания, содержащий объемный насос высокого давления, и подающий контур, посредством которого текучая среда доставляется к устройствам с изменяемой геометрией.
Согласно изобретению, в насосном блоке низкого давления отсутствует объемный насос, а имеется по меньшей мере один дополнительный центробежный насос, соединенный последовательно с первым центробежным насосом,
впускной узел расположен между насосным блоком низкого давления и объемным насосом высокого давления, и
подающий контур с устройствами изменяемой геометрии соединен с верхним по потоку контуром в выпускном узле, расположенном между двумя насосами насосного блока низкого давления.
Повышение давления текучей среды в верхнем по потоку контуре используется для снабжения текучей средой как подающего контура с устройствами изменяемой геометрии, так и подающего контура инжекционной системы, при этом необходимый расход текучей среды инжекционной системы и необходимое гидравлическое давление в устройствах изменяемой геометрии регулируются по отдельности посредством архитектуры регулирования подачи текучей среды. В частности, для снабжения текучей средой устройств изменяемой геометрии не требуется объемный насос высокого давления. Соответственно, в системе подачи снижается общая рассеянная тепловая мощность.
Если в насосном блоке низкого давления установить несколько центробежных насосов, можно дополнительно повысить давление текучей среды и таким образом ограничить помехи, а также уменьшить рассеивание тепловой энергии. В таком случае повышение мощности, обеспечиваемое насосным блоком низкого давления, будет, в частности, менее существенным, чем снижение мощности, связанное с отсутствием объемного насоса.
В системе подачи текучая среда представляет собой, в частности, смазочное вещество, как правило масло, либо является топливом.
Изобретение, если требуется, может содержать или не содержать один или несколько из приведенных ниже признаков в любом сочетании.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, выпускной узел расположен между первым центробежным насосом и вторым центробежным насосом насосного блока низкого давления.
Предпочтительно, насосный блок низкого давления сформирован из нескольких центробежных насосов, соединенных последовательно. Насосный блок низкого давления, предпочтительно, содержит три, четыре или пять центробежных насосов.
Один из признаков одного из вариантов осуществления изобретения состоит в том, что насос высокого давления представляет собой объемный шестеренчатый насос, который может приводиться в действие механически посредством редуктора турбомашины.
Редуктор, предпочтительно, передает крутящий момент от вала ротора высокого давления турбомашины, приводя, таким образом, объемный насос высокого давления в действие механически. Объемный насос высокого давления установлен, в частности, в коробке силовых приводов, известной как «коробка приводов агрегатов» или "КПА". В этом случае объемный насос высокого давления не требует особой разработки и сертификации и изготовлен по надежной и проверенной технологии.
Если насос высокого давления представляет собой объемный шестеренчатый насос, подающий контур инжекционной системы, предпочтительно, содержит дозатор текучей среды, подаваемой в инжекционную систему, причем дозатор текучей среды предназначен для регулирования расхода текучей среды, направляемой к инжекционной системе и/или к рециркуляционному контуру, предназначенному для направления текучей среды выше по потоку относительно насоса высокого давления.
Рециркуляционный контур для текучей среды, в частности, приспособлен для передачи текучей среды, поступающей из дозатора, в отводящий узел, расположенный между насосным блоком низкого давления и насосом высокого давления. Отводящий узел соединяет, например, подающий контур инжекционной системы с верхним по потоку контуром.
Чтобы в рециркуляционном контуре для текучей среды ограничивалось рассеивание тепловой мощности, отводящий узел максимально приближен к входному отверстию объемного насоса высокого давления. Тем не менее, отводящий узел, как правило, находится выше по потоку относительно гидравлического сопротивления, в частности, фильтра и/или расходомера.
В системе подачи, предпочтительно, между насосным блоком низкого давления и насосом высокого давления предусмотрено гидравлическое сопротивление, причем гидравлическое сопротивление представляет собой по меньшей мере один из следующих элементов: теплообменник, фильтр, запорный клапан или расходомер.
Другой признак одного из вариантов осуществления настоящего изобретения состоит в том, что объемный насос высокого давления представляет собой электрический насос, управляемый электронной системой, регулирующей работу турбомашины.
Кроме того, использование электрического объемного насоса позволяет ограничить массу, помехи и рассеивание мощности в системе подачи. Точнее говоря, поскольку мощность электрического объемного насоса является относительно низкой, для его управления не требуется массивная силовая электроника. Кроме того, из системы подачи могут быть изъяты рециркуляционный контур и дозатор. И, наконец, имеется возможность регулировать расход текучей среды, подаваемой объемным электрическим насосом, чтобы ограничить тепловые потери, связанные с циркуляцией избыточного количества текучей среды в системе подачи.
Предпочтительнее, электрический объемный насос управляется электронным блоком управления с полной ответственностью посредством электронного модуля управления. В этом случае расход текучей среды, направляемый к камере сгорания, регулируется электронным блоком управления с полной ответственностью, электронным модулем управления и электрическим объемным насосом.
Согласно указанной конфигурации, подающий контур инжекционной системы, предпочтительнее, не содержит дозатора текучей среды, а приспособлен регулировать расход текучей среды, направляемый к инжекционной системе.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, подающий контур с устройствами изменяемой геометрии не содержит объемного насоса.
Предпочтительно, верхний по потоку контур не содержит объемного насоса.
Еще один признак одного из вариантов осуществления настоящего изобретения состоит в том, что подающий контур с устройствами изменяемой геометрии содержит по меньшей мере один гидравлический привод для устройств изменяемой геометрии.
Предпочтительно, подающий контур с устройствами изменяемой геометрии содержит систему дополнительного нагнетания, содержащую один или несколько центробежных насосов. Предпочтительно, система дополнительного нагнетания сформирована одним или несколькими центробежными насосами.
В качестве альтернативы, подающий контур с устройствами изменяемой геометрии не содержит насоса. В этом случае давление текучей среды, подаваемой в каждое из устройств, создается с помощью насосного блока низкого давления.
Изобретение, кроме того, относится к турбомашине, содержащей описанную выше систему подачи текучей среды.
Изобретение также относится к турбомашине, содержащей дифференциальный редуктор, предназначенный для приведения во вращение по меньшей мере одного винта и питаемый смазочным материалом посредством описанной выше системы подачи. Указанная турбомашина представляет собой, например, турбомашину с системой винтов противоположного вращения без обтекателя, известных под названием «открытые роторы».
Краткое описание чертежей
Суть настоящего изобретения будет хорошо понятна из описания вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые приводятся исключительно с информационной целью и никоим образом не являются ограничительными.
На фиг. 1 показано частичное схематичное изображение системы подачи топлива в стандартную авиационную турбомашину согласно известному уровню техники;
на фиг. 2 – частичное схематичное изображение системы подачи текучей среды в турбомашину согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 3 – частичное схематичное изображение системы подачи текучей среды в турбомашину согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 4 – частичное схематичное изображение системы подачи текучей среды в турбомашину согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Чтобы облегчить зрительное восприятие чертежей, идентичные, подобные или эквивалентные детали на разных чертежах обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
На фиг. 2 показана система 10 подачи текучей среды в авиационную турбомашину 1. В представленном варианте осуществления изобретения текучая среда является топливом. Однако, если турбомашина 1 содержит дифференциальный редуктор (не показан), предназначенный для приведения во вращение по меньшей мере одного винта, текучая среда может представлять собой смазочный материал, как правило масло.
Турбомашина 1 содержит систему 10 подачи текучей среды, одно или несколько устройств 54 изменяемой геометрии и камеру 2 сгорания. Указанные устройства 54 изменяемой геометрии являются оборудованием турбомашины 1 и приводятся в действие посредством гидравлической энергии. Любое из устройств 54 изменяемой геометрии может иметь различную природу и может представлять собой, например, гидроцилиндр, сервоклапан, перепускной клапан регулируемого компрессора, выпускной клапан, перепускной клапан динамического компрессора и/или клапан, регулирующий расход воздуха в системе регулировки зазора между верхними частями роторных лопаток турбины низкого давления или турбины высокого давления.
Камера 2 сгорания снабжается топливом посредством множества топливных форсунок, взаимодействующих с соответствующими инжекционными системами 62.
Система 10 подачи содержит верхний по потоку контур 100 и нижний по потоку контур 50, 60. Нижний по потоку контур 50, 60 соединен с верхним по потоку контуром 100 и расположен ниже по потоку относительно верхнего по потоку контура 100. Термины «верхний по потоку» и «нижний по потоку» определены относительно общего направления прохождения потока в системе 10 подачи текучей среды в направлении камеры 2 сгорания.
Верхний по потоку контур 100 содержит насосный блок 101 низкого давления, который повышает давление топлива, направляемого к нижнему по потоку контуру 50, 60. Насосный блок 101 низкого давления способен повысить давление топлива настолько, чтобы ограничивался/исключался риск возникновения кавитации в насосе 102 высокого давления, который подает топливо с постоянным расходом соответственно скорости вращения двигателя.
Как показано на фиг. 1, верхний по потоку контур 100 может содержать гидравлическое сопротивление 104, расположенное между насосным блоком 101 низкого давления и нижним по потоку контуром 50, 60 или между двумя ступенями насосного блока 101 низкого давления. В настоящем документе термин «гидравлическое сопротивление» используется по аналогии с областью электричества и относится к величине, определяемой отношением разности давления текучей среды между входом и выходом элемента системы подачи к расходу текучей среды, проходящей через указанный элемент. При использовании метонимии и по аналогии с областью электричества, термин «гидравлическое сопротивление» также относится к элементу системы подачи, характеризующемуся указанной величиной. Гидравлическое сопротивление 104 верхнего по потоку контура 100 представляет собой, например, теплообменник, топливный фильтр, запорный клапан и/или расходомер.
Нижний по потоку контур 50, 60 содержит подающий контур 60 инжекционных систем 62 камеры 2 сгорания, и подающий контур 50 с устройствами изменяемой геометрии. Подающий контур 50 с устройствами изменяемой геометрии и подающий контур 60 инжекционных систем 62 разъединяются во впускном узле Е, расположенном ниже по потоку относительно насосного блока 101 низкого давления.
Подающий контур 50 с устройствами изменяемой геометрии предназначен для транспортировки текучей среды через устройства 54 изменяемой геометрии от впускного узла Е к выпускному узлу S, соединяющему друг с другом подающий контур 50 с устройствами изменяемой геометрии и верхний по потоку контур 100.
Основное отличие систем 10 подачи, показанных на фиг. 2 – 4, от системы, показанной на фиг. 1, состоит в том, что верхний по потоку контур 100 не содержит объемного насоса высокого давления, насосный блок 101 низкого давления может быть сформирован несколькими центробежными насосами 110а, 111а, 111b, а нижний по потоку контур 50, 60 содержит объемный насос 102 высокого давления.
Насосный блок 101 низкого давления, который показан на фиг. 2 – 4, в отличие от центробежного насоса 11 низкого давления, показанного на фиг. 1, способен дополнительно повысить давление текучей среды, направляемой к насосу 102 высокого давления. Объемный насос 102 высокого давления, показанный на фиг. 2, еще несколько повышает давление текучей среды. Это приводит к общему снижению тепловых потерь в системе 10 подачи.
Если объемный насос 102 высокого давления удалить из верхнего по потоку контура 100 и установить в подающем контуре 60 инжекционных систем 62, можно уменьшить расход топлива, подаваемого с помощью объемного насоса 102. В результате чего, в системе 10 подачи дополнительно снижаются общие тепловые потери. Подающий контур 50 с устройствами изменяемой геометрии не содержит объемного насоса.
Насосный блок 101 низкого давления, показанный на фиг. 2 – 4, содержит несколько центробежных насосов 101а, 111а, 111b. Следует отметить, что невозможно добиться требуемых преимуществ только лишь путем замены насоса 11 низкого давления, показанного на фиг. 1, насосом 11 низкого давления большей емкости. Фактически, разница давления на выходах центробежного насоса пропорциональна квадрату радиуса насоса. Прежде всего, энергетическая эффективность центробежного насоса пропорциональна кубу радиуса указанного насоса. Таким образом, замена насоса 11 низкого давления, показанного на фиг. 1, центробежным насосом низкого давления, приспособленным дополнительно повышать давление подаваемой текучей среды, не обеспечит существенных преимуществ с точки зрения общего теплового баланса в системе 10 подачи.
Выпускной узел S системы 10 подачи, показанной на фиг. 2 – 4, расположен между двумя насосами 101а, 111а насосного блока 101 низкого давления так, чтобы сохранялся достаточный перепад давления между нижней по потоку системой 51 дополнительного нагнетания и выпускным узлом S, а также ограничивалось рассеивание тепловой энергии в системе 10 подачи. Системы 10 подачи, показанные на фиг. 2 и 3, в частности, конфигурированы таким образом, что перепад давления между нижней по потоку системой 51 дополнительного нагнетания и выпускным узлом S указанных систем подачи, по существу, идентичен перепаду давления во время работы системы 10 подачи, показанной на фиг. 1.
Точнее говоря, согласно варианту осуществления изобретения, представленному на фиг. 2 – 4, насосный блок 101 низкого давления содержит три центробежных насоса 101а, 111а, 111b, установленных последовательно. Выпускной узел S расположен между верхним по потоку насосным блоком 101a, содержащим центробежный насос, и нижним по потоку насосным блоком 110, содержащим два центробежных насоса 111а, 111b.
Как правило, в турбомашине 1 верхний по потоку насосный блок 101a может содержать несколько центробежных насосов, а количество центробежных насосов нижнего по потоку насосного блока 110 может быть изменено в зависимости от требуемой гидравлической мощности и расхода текучей среды. Следует отметить, что насосы насосного блока 101 низкого давления не обязательно должны быть идентичными.
Если сравнивать с системой 10 подачи, показанной на фиг. 1, повышение давления, обеспечиваемое насосным блоком 101 низкого давления, показанным на фиг. 2 – 4, тем более предпочтительно, поскольку потребности в гидравлическом давлении подающего контура 50 с устройствами изменяемой геометрии указанных систем 10 подачи, по существу, идентичны потребностям устройств изменяемой геометрии в системе подачи, показанной на фиг. 1.
В вариантах осуществления изобретения, представленных на фиг. 2 и 3, насос 102 высокого давления представляет собой объемный шестеренчатый насос, который может приводиться в действие механически посредством редуктора турбомашины 1. Отводящий узел B расположен между насосным блоком 101 низкого давления и объемным насосом 102 высокого давления.
Объемный насос 102 высокого давления обеспечивает постоянный расход топлива в зависимости от скорости вращения двигателя. В турбомашине 1расход топлива на выходе объемного насоса 102 высокого давления, как известно, выше расхода топлива, необходимого для питания инжекционной системы 62, независимо от фазы режима полета летательного аппарата. В частности, постоянный расход топлива, обеспечиваемый объемным насосом 102 высокого давления, определяется в соответствии с расходом, необходимым для самых предельных рабочих скоростей турбомашины 1, то есть с расходом, например, для низких скоростей. Таким образом, тепловые потери в системе подачи возникают при определенном расходе текучей среды, проходящей по рециркуляционному контуру 610. Указанный рециркуляционный контур 610 продолжается между первым узлом А, расположенным ниже по потоку относительно впускного узла Е, и отводящим узлом B, расположенным ниже по потоку относительно насосного блока 101 низкого давления.
Подающий контур 60 инжекционных систем содержит блок 64 регулирования расхода текучей среды, направляемой к инжекционной системе 62, который содержит перепускной клапан и дозатор топлива. Предусмотренные в блоке 64 перепускной клапан и дозатор топлива приспособлены посредством рециркуляционного контура 610 направлять избыток топлива из подающего контура 60 инжекционных систем 62 во входной контур 100.
Подающий контур 50 с устройствами изменяемой геометрии, показанный на фиг. 2, отличается от подающего контура, показанного на фиг. 3, наличием системы 51 дополнительного нагнетания. Посредством системы 51 дополнительного нагнетания предотвращается падение давления в связи с отсутствием объемного насоса 102 в верхнем по потоку контуре 100, которое не способны полностью компенсировать центробежные насосы 101а, 111а и 111b насосного блока 101 низкого давления.
Система 51 дополнительного нагнетания приспособлена реагировать на повышение в устройствах 54 изменяемой геометрии требуемого расхода текучей среды, например, в связи с перемещением гидравлического цилиндра привода.
Система 51 дополнительного нагнетания содержит один или несколько центробежных насосов или насосов другого типа, которые отличаются от объемного насоса. В варианте осуществления изобретения, представленном на фиг. 2, система 51 дополнительного нагнетания состоит из одного центробежного насоса.
Подающий контур 60 инжекционных систем, показанный на фиг. 4, содержит гидравлическое сопротивление 69, например топливный фильтр, и трубопровод 68 для снабжения инжекционных систем, который расположен между гидравлическим сопротивлением 69 и инжекционными системами 62.
Объемный насос 102 представляет собой электрический насос и позволяет исключить дозатор 64 топлива, регулирующий расход текучей среды, направляемой к камере 2 сгорания. Кроме того, исключен рециркуляционный контур 610 для топлива. Таким образом, уменьшается масса системы 10 подачи, а также предотвращаются тепловые потери при циркуляции топлива в рециркуляционном контуре 610.
Поскольку мощность объемного насоса 102 высокого давления является небольшой, для его управления не требуется массивная силовая электроника. В результате применения в системе 10 подачи объемного насоса 102 высокого давления, приводимого во вращение редуктором турбомашины, обеспечиваются преимущества с точки зрения массы, помех и рассеяния тепловой энергии, сравнительно с традиционным объемным шестеренчатым насосом.
Электрический объемный насос 102 управляется электронным блоком 120 управления турбомашины с полной ответственностью, известным под названием "FADEC" («Цифровая Система Управления Двигателем с Полной Ответственностью»), с помощью электронного модуля 122 управления. Электронный блок 120 управления, как правило, содержит модуль управления двигателем с двумя симметричными и резервными каналами и имеет полную ответственность. Указанный модуль управления двигателем предназначен, с учетом множества параметров, для регулирования расхода текучей среды, обеспечиваемого объемным насосом 102 высокого давления, причем к указанным параметрам относятся, например, команда пилота воздушного судна, скорость вращения элемента высокого давления турбомашины 1 и величина расхода текучей среды, подаваемой в направлении инжекционных систем 62, измеренная расходомером 67.
Несомненно, специалисты в данной области техники могут выполнить всевозможные модификации описанного здесь изобретения, не выходя за рамки его объема.