УСТРОЙСТВО ДОЗИРОВАНИЯ ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
FUEL METERING DEVICE OF TURBINE JET

Изобретение относится к авиаприборостроению и может использоваться в системах автоматического регулирования (САР) дозирования топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя (ГТД).
Известен способ управления исполнительным механизмом дозатора топлива газотурбинного двигателя и система для его осуществления (Патент РФ №2285140, кл. F02C 9/28, 2006), согласно которому сравнивается управляющий сигнал и сигнал положения исполнительного механизма дозатора, этот сигнал сравнивается с двумя пороговыми значениями дозатора, в обоих случаях подаются импульсы для уменьшения сигнала ошибки.
Недостатком способа является то, что из-за нестабильности статических и динамических характеристик вследствие разброса значений параметров из-за естественных процессов, проходящих в исполнительном механизме, выбор порога значений сигнала рассогласования достаточно затруднителен.
Известно устройство автоматического дозирования топлива в силовых установках летательных аппаратов (Патент РФ №2125656, кл. F02C 9/26, 1999), содержащее первый сильфон, первый и второй пневматические делители, первый и второй регулируемые дроссели типа сопло-заслонка, сервопоршень с дроссельной иглой и турбонасос, отличающееся тем, что дополнительно введены второй сильфон, сигнализатор воздушных давлений, электронный регулятор, первый и второй электромеханические преобразователи, клапан перепада давления и клапан постоянного давления, при этом первый и второй сильфоны, первый и второй пневматические делители связаны с сигнализатором воздушных давлений, который соединен с электронным регулятором, связанным с первым и вторым электромеханическими преобразователями, первый из которых связан с первым регулируемым дросселем типа сопло-заслонка и через него - с сервопоршнем дроссельной иглы, а второй электромеханический преобразователь связан со вторым регулируемым дросселем типа сопло-заслонка, соединенным с клапаном перепада, который, в свою очередь, связан с дроссельной иглой, а через нее - с форсунками камеры сгорания, сервопоршень дроссельной иглы и клапан перепада давления связаны через клапан постоянного давления с турбонасосом.
Недостатком данного устройства является неполный учет динамических процессов, происходящих в исполнительном механизме, вследствие чего возможно изменение расхода топлива.
Наиболее близким к предложенному является устройство дозирования топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя (Патент РФ №2059093, кл. F02C 9/26, 1996), содержащее серводвигатель, который соединен с дроссельной иглой переменного сечения, расположенной в полости, соединенной с топливным насосом и одной из полостей клапана постоянного перепада давления, а вторая полость соединена с другой полостью клапана постоянного перепада давления, два электромагнитных клапана, два широтно-импульсных модулятора и блок управления, подключенный к входам широтно-импульсных модуляторов, выходы которых через соответствующие электромагнитные клапаны соединены с соответствующими полостями дроссельной иглы и клапана постоянного перепада давления. Работа устройства заключается в том, что измеряется величина рассогласования между заданной частотой вращения ротора газотурбинного двигателя и получаемой в процессе дозирования и на основе измеренной ошибки выполняется корректировка дозирования топлива в двигатель.
Существенным недостатком данного устройства является нестабильность его статических и динамических характеристик вследствие естественного разброса параметров, обусловленного недостаточной точностью изготовления устройства дозирования топлива, изменением вязкости топлива при изменении температуры, а также вследствие других причин, таких как старение, износ материалов, что в совокупности приводит к недостаточной точности дозирования топлива.
Задача предлагаемого устройства - экономия топлива за счет повышения точности дозирования топлива с одновременным повышением точности системы автоматического управления частотой вращения ГТД.
Поставленная задача решается устройством дозирования топлива в газотурбинный двигатель, содержащим серводвигатель, первый и второй электромагнитные клапаны, первый и второй широтно-импульсные модуляторы и блок управления, подключенный к входам первого и второго широтно-импульсных модуляторов, выходы которых через соответствующие электромагнитные клапаны соединены с полостью сервопоршня дроссельной иглы и с полостью клапана постоянного перепада давления, причем шток сервопоршня соединен с дроссельной иглой переменного сечения, за счет чего камера топливопитания делится на две полости, одна из которых соединена с камерой сгорания двигателя, а другая - с топливным насосом и клапаном постоянного перепада давления, в котором в отличие от прототипа блок управления содержит последовательно соединенные электронный регулятор и логическое устройство, которое соединено с входами первого и второго широтно-импульсных модуляторов.
Сущность изобретения пояснена чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема устройства дозирования топлива; на фиг.2 - структурная схема системы автоматического управления частотой вращения ГТД; на фиг.3 - кривая зависимости рассогласования между заданным расходом топлива ГТД и фактическим от времени.
Устройство дозирования топлива (фиг.1) включает в себя расположенные в полости А серводвигатель 1 с поршнем 2 и штоком 3, соединенным с дроссельной иглой 4 с переменным сечением 5, первый и второй электромагнитные клапаны 6 и 7, соединенные соответственно с первым и вторым широтно-импульсными модуляторам 8 и 9. Положением второго электромагнитного клапана 7 поддерживается заданный перепад давлений для клапана постоянного перепада 10 с поршнем 11, который взаимодействует с камерой топливопитания, которая в свою очередь делится на полости B и C, при этом полость В соединена с камерой сгорания двигателя, а полость C - с топливным насосом и клапаном постоянного перепада давления. Сигналы к широтно-импульсным модуляторам поступают от блока управления 12, входящего в систему автоматического управления частотой вращения ГТД. Имеются регулировочные жиклеры 13-16.
Система автоматического управления частотой вращения ГТД (фиг.2) содержит блок управления 12, элемент сравнения 17, устройство дозирования топлива 18, газотурбинный двигатель 19, причем блок управления 12 включает электронный регулятор 20 и логическое устройство 21.
Устройство работает следующим образом.
n
0
<mrow><msub><mi>ξ</mi><mrow><msub><mi>G</mi><mi>T</mi></msub></mrow></msub></mrow>
Регулирование расхода топлива, дозируемого в двигатель, производится по сигналам блока управления 12 в зависимости от величины рассогласования между заданной частотой вращения ротора газотурбинного двигателя и фактической ξ=n-n (фиг.2), эта ошибка поступает в электронный регулятор 20, где по известным формулам преобразуется в ошибку по расходу топлива
- рассогласование между заданным расходом топлива и полученным [Проблемы проектирования и развития систем автоматического управления и контроля ГТД / С.Т. Кусимов, Б.Г. Ильясов, В.И. Васильев и др. - М.: Машиностроение, 1999. - 609 с.]. Значение этой ошибки попадает на вход блока логического устройства 21, которое обеспечивает управление расходом топлива, путем переключения подачи управляющего сигнала между первым и вторым широтно-импульсными модуляторами в зависимости от величины рассогласования по расходу топлива. При этом широтно-импульсные модуляторы 8 и 9 в противофазе открывают (или закрывают) электромагнитные клапаны 6 и 7.
<mrow><msub><mi>ξ</mi><mrow><msub><mi>G</mi><mi>T</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ξ</mi><mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>T</mi><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
0
1
В логическом устройстве управление расходом топлива осуществляется следующим образом. При рассогласовании
, лежащей в зоне I в пределах от
до ξ (фиг.3), управление выполняется по сигналу u (фиг.2), то есть блок управления 12 через первый широтно-импульсный модулятор 8 и первый электромагнитный клапан 6 прикрывает соответствующий слив топлива из полости A, при этом давление в полости A серводвигателя 1 возрастает, и поршень 2 со штоком 3 и дроссельной иглой 4 перемещается вправо, уменьшая сечение 5 дроссельной иглы 4. Такое управление считается «грубым».
<mrow><msub><mi>ξ</mi><mrow><msub><mi>G</mi><mi>T</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ξ</mi><mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>T</mi><mi>min</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ξ</mi><mrow><msub><mi>G</mi><mi>T</mi></msub></mrow></msub></mrow>
0
2
Для управления расходом топлива при рассогласовании
, лежащем в зоне II в пределах от ξ до
(фиг.3), управление выполняется по сигналу u (фиг.2), то есть блок управления 12 через второй широтно-импульсный модулятор 9 и второй электромагнитный клапан 7 прикрывает соответствующий слив топлива из полости С, при этом давление в полости В серводвигателя 1 уменьшается, и поршень 2 со штоком 3 и дроссельной иглой 4 перемещается вправо, уменьшая сечение 5 дроссельной иглы 4. Так производится точная «доводка» серводвигателя 1 с целью уменьшения рассогласования
.
В результате, благодаря предложенному устройству дозирования топлива, осуществляется корректировка величины рассогласования между заданным расходом топлива и фактическим, а также между заданной частотой вращения ротора и фактической, и тем самым обеспечивается повышение статических и динамических характеристик устройства дозирования топлива, повышение точности дозирования топлива в газотурбинный двигатель, что приводит к экономии топлива.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет сократить расход топлива в газотурбинном двигателе и одновременно повысить точность системы автоматического управления частотой вращения ГТД.