УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ ТОПЛИВОМ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ РАСХОДОМ ТОПЛИВА
GAS TURBINE ENGINE FUEL FEED DEVICE WITH ADJUSTABLE FUEL FLOW RATE

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству питания топливом двигателя, в частности газотурбинного авиационного двигателя, с регулируемым расходом топлива.
Уровень техники
Известное устройство питания топливом газотурбинного двигателя обычно содержит объемный насос, приводимый в движение двигателем при помощи редуктора отбора мощности, предназначенного для приведения в движение вспомогательного оборудования и соединенного с валом двигателя. Объемный насос принимает топливо, поступающее из топливного контура самолета. Клапан дозирования с электрогидравлическим управлением устанавливается в канале питания, связывающем выходную часть объемного насоса с камерой сгорания двигателя. Контур возврата топлива с клапаном отведения, обеспечивающим управляемую и изменяемую степень открытия, подключен между выходом и входом упомянутого объемного насоса. Этот клапан отведения управляется гидравлически, чтобы поддерживать потерю напора через клапан дозирования на постоянном или практически постоянном уровне, позволяющем обеспечить подачу желаемого расхода топлива, соответствующего положению клапана дозирования. Предохранительный клапан чрезмерного повышения скорости (заброса оборотов) или чрезмерного повышения тяги двигателя может быть установлен в контуре топливного питания последовательно или параллельно с клапаном дозирования, чтобы управлять уменьшением расхода топлива в ответ на выявление чрезмерной скорости вращения или тяги, что может привести к повреждению клапана дозирования или системы его управления. Клапан прерывания обычно устанавливается последовательно с клапаном дозирования и предохранительным клапаном чрезмерного превышения скорости вращения, чтобы остановить двигатель путем прерывания его питания топливом при помощи непосредственного управления из кабины экипажа (см., например, ЕР 1 355 054 и US 2004/0117102).
В способе реализации, описанном в патентном документе ЕР 1355054, предохранительный клапан чрезмерного превышения скорости вращения или чрезмерного превышения тяги представляет собой клапан с двумя состояниями функционирования: функционирование с полным открытием в нормальном режиме и функционирование с предварительно определенным уменьшенным открытием в ответ на выявление чрезмерного превышения скорости вращения или чрезмерной тяги двигателя. Такое техническое решение обладает недостатком, который состоит в том, что после выявления чрезмерного превышения скорости вращения или чрезмерной тяги имеет место потеря тяги двигателя или принудительный уменьшенный объемный расход топлива, который может оказаться неприемлемым для двигателя в некоторых режимах функционирования.
В патентном документе ЕР 0 377 292 описано устройство питания газовой турбины. Здесь топливо (в данном случае сжимаемый газ) подается через компрессор, который обеспечивает регулирование расхода в нормальном режиме. Два клапана установлены последовательно в канале питания между газовым компрессором и инжекторами турбины. Эти клапаны находятся в положении полного открытия в нормальном режиме функционирования, чтобы исключить потери напора, и управляются определенным образом в переходном режиме (запуск турбины) или в случае резкого снятия нагрузки для того, чтобы регулировать соответствующим образом давление и уменьшенный расход.
В патентном документе US 4 280 323 раскрыто устройство питания газовой турбины с использованием предохранительного клапана чрезмерного повышения скорости вращения и регулирующего клапана, установленных последовательно. Давление топлива, подаваемого насосом, повышается для того, чтобы сохранить желаемое давление на уровне инжекторов турбины, несмотря на повышение вязкости холодного топлива (режим запуска). Это действие в данном случае является просто запрограммированным в соответствии с законом корреляции и без использования контура регулирования.
Краткое изложение сущности изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является создание устройства питания топливом газотурбинного двигателя с усовершенствованным функционированием, содержащего
канал питания двигателя топливом,
насос, связанный с каналом питания и подающий в этот канал топливо под давлением, представляющим собой функцию режима работы двигателя,
устройство измерения расхода топлива в канале питания топливом,
первый управляемый клапан с изменяемым отверстием, установленный в канале питания топливом,
первый контур управления, связанный с устройством измерения расхода топлива и с первым клапаном для управления этим клапаном таким образом, чтобы подать в двигатель желаемый отрегулированный расход топлива в режиме нормального функционирования двигателя,
второй управляемый клапан с изменяемым отверстием, установленный в канале питания топливом последовательно с первым клапаном,
второй контур управления, связанный с вторым клапаном для управления уменьшением расхода топлива в канале питания в ответ на выявление чрезмерного превышения скорости вращения или чрезмерной тяги двигателя при сохранении способности регулирования расхода.
Таким образом, первый клапан обеспечивает регулирование расхода топлива в режиме нормального функционирования двигателя, а второй клапан, или предохранительный клапан чрезмерного превышения скорости вращения двигателя, может заменять первый клапан и позволяет продолжать обеспечивать регулирование расхода топлива после выявления чрезмерного превышения скорости вращения двигателя.
Устройство измерения расхода топлива может представлять собой массовый расходомер, при этом система управления содержит локальный контур обратной связи, принимающий заданную величину массового расхода топлива от системы автоматического регулирования двигателя.
В качестве варианта реализации устройство измерения расхода топлива может представлять собой объемный расходомер.
Также в качестве варианта реализации устройство измерения расхода топлива представляет собой устройство, которое позволяет обеспечить измерение расхода топлива на основе информации о падении давления и о величине проходного сечения через это устройство.
Предпочтительно в устройстве регулирования первый клапан представляет собой клапан с непосредственным управлением, управляемый электрически. При этом первый контур управления может иметь в своем составе по меньшей мере один силовой электромеханический привод, предназначенный для управления степенью открытия первого клапана, и контур обратной связи, принимающий сигнал, выдаваемый устройством измерения расхода топлива и являющийся репрезентативным для реального расхода топлива, принимающий сигнал заданного расхода, являющийся репрезентативным для желаемого расхода топлива, и выдающий сигнал управления силовым приводом в функции расхождения, выявленного между реальным и желаемым расходом топлива. Этот контур обратной связи может быть локально размещен в непосредственной близости от первого клапана и вне системы электронного регулирования двигателя, выдающей сигнал заданного расхода топлива. Механический силовой привод может быть предварительно позиционирован при запуске двигателя и клапан может содержать просвет, взаимодействующий с характеристикой давления, выдаваемой насосом при запуске двигателя, чтобы обеспечить отслеживание расхода топлива при запуске.
Второй клапан также может представлять собой клапан с непосредственным управлением, управляемый электрически при помощи по меньшей мере одного электромеханического силового привода.
Кроме того, может быть предусмотрено использование третьего клапана прерывания, установленного в канале питания топливом последовательно с первым и вторым клапанами.
Краткое описание чертежей
Предлагаемое изобретение будет лучше понято из приведенного ниже описания не являющихся ограничительными примеров его реализации со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схему устройства питания топливом, снабженного контуром регулирования, согласно изобретению;
фиг.2 и 3 - части схем, иллюстрирующих варианты реализации контура регулирования, показанного на фиг.1.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения
Контур 10 (фиг.1) питания топливом принимает топливо, поступающее из топливного контура 11 самолета, и обеспечивает подачу некоторого количества топлива в систему 12 впрыскивания топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя 14, установленного на самолете.
Контур 10 содержит центробежный топливный насос 100, представляющий собой главный насос этого контура. Насос 100 имеет входную часть 100а, связанную с топливным контуром 11, и выходную часть высокого давления 100b, обеспечивающую подачу топлива под давлением, которое представляет собой функцию скорости вращения этого насоса. Приведение в движение насоса осуществляется при помощи механической связи с модулем 16 приведения в движение вспомогательных агрегатов двигателя 14, соединенным с турбиной этого двигателя.
Вспомогательная насосная установка 110 содержит объемный насос 112, содержащий входную часть 112а, связанную с выходной частью центробежного насоса 100, электрический двигатель 114 приведения в движение насоса 112, управляемый при помощи электрического контура 115 управления, и предохранительный клапан 116 избыточного давления.
Насос 112 представляет собой, например, насос шестеренчатого типа. Фильтр 118 может быть установлен между выходной частью 100b насоса 100 и входной частью 112а насоса 112, чтобы обеспечить защиту насоса от проникновения твердых частиц, которые могут поступать вместе с потоком топлива, подаваемого из контура 11. При этом функционирование центробежного насоса 100 не нарушается такими частицами.
Электрический контур 115 управления связан с модулем 15 автоматического регулирования двигателя 14 (FADEC), для управления функционированием насоса 112. Этот контур управления 115 также может быть интегрирован в модуль 15 регулирования.
Предохранительный клапан 116 избыточного давления имеет первый вход 116а, связанный с выходной частью 112b насоса 112, второй вход 116b, связанный с топливным контуром самолета и подающий эталонное давление в клапан 116, и выход 116с, связанный с входной частью 112а насоса 112. Предохранительный клапан избыточного давления регулируется таким образом, чтобы открываться и соединять первый вход 116а с выходом 116с в том случае, когда разность давлений на входах 116а и 116b превышает заданное пороговое значение. Для реализации этого клапана 116 можно использовать золотник 117, подвергающийся, с одной стороны, воздействию давления на выходе из насоса 112 через приемник давления 116d, а с другой стороны, воздействию давления на втором входе 116b, увеличенного усилием, воздействующим со стороны пружины.
Выходная часть 100b центробежного насоса 100 связана через обратный клапан 102 с входом контура 120 регулирования расхода топлива, подаваемого в систему 12 впрыскивания топлива, тогда как выходная часть 112b насоса 112 связана с входом контура 120 регулирования.
Работа системы осуществляется следующим образом.
Предохранительный клапан 116 избыточного давления регулируется таким образом, чтобы он открывался под давлением, соответствующим минимальному заданному давлению Рm, позволяющему покрыть минимальную потребность в топливе двигателя 14 в процессе его запуска.
Объемный насос 112 запускается и приводится в движение со скоростью, позволяющей подавать количество топлива, превышающее начальную потребность двигателя 14, зафиксированную контуром 120 регулирования, чтобы давление на выходе 112b насоса 112 практически мгновенно достигало минимального давления Рm, вызывающего открытие предохранительного клапана 116. При этом давление на выходе 100b центробежного насоса начинает возрастать по мере запуска двигателя 14, но не покрывает первоначально потребности в давлении топлива. Давление на выходе 112b насоса 112 регулируется при этом на величину давления Рm и топливо подается насосом 112, но не поступает в систему впрыскивания 12, двигаясь в замкнутом контуре между выходом и входом насоса 112 через клапан 116. При этом обратный клапан 102 препятствует возврату топлива, подаваемого насосом 112, в центробежный насос 100.
Таким образом, вспомогательная насосная установка 110 обеспечивает функцию поддержки при запуске двигателя, причем клапан 116 позволяет преобразовать объемный насос 112 в насос, подающий давление топлива таким же образом, как и центробежный насос. Однако, в противоположность тому, что может произойти в этой ситуации с центробежным насосом, на функционирование объемного насоса 112 не оказывает влияния наличие воздуха или пара в топливе, первоначально извлекаемом из топливного контура 11.
Давление на выходе из насоса 100 возрастает в том случае, когда режим работы двигателя увеличивается и когда это давление превышает величину Рm и обратный клапан 102 открывается. При этом давление, выдаваемое в контур 120 регулирования расхода, представляет собой давление, выдаваемое центробежным насосом 100.
Система, образованная насосом 100, вспомогательной насосной установкой 110 и клапаном 102, ведет себя как насосная система, позволяющая обеспечить переход путем определения превосходства между насосами 112 и 100, причем давление подаваемого топлива является наиболее высоким из давлений на выходе из насосов 112 и 100.
В том случае, когда насос 100 передает эстафету насосу 112, функционирование этого насоса может быть остановлено. Эта остановка может быть выполнена в ответ на превышение некоторого порогового значения давления Р1 на выходе из насоса 100 или в ответ на превышение некоторого порогового значения режима V1 работы двигателя 14. Эта остановка может управляться при помощи модуля 15 автоматического регулирования, воздействующего на электрический контур 115 управления в ответ на информацию, выдаваемую датчиком давления топлива или датчиком скорости вращения турбины двигателя 14. При этом пороговые значения Р1 и V1 могут быть выбраны таким образом, чтобы соответствовать некоторой величине, немного превышающей давление Рm.
Здесь следует отметить, что вспомогательная насосная установка 110 может быть использована не только при запуске двигателя, но также в процессе осуществления других фаз функционирования двигателя на малом газу или на низком режиме в том случае, когда центробежный насос 100 становится неспособным выдавать топливо под минимальным давлением Рm. При этом достаточно запустить двигатель 114 при помощи контура 115 управления, если выявлено понижение давления топлива до уровня ниже заданного порогового значения или если выявлено понижение режима работы двигателя до уровня ниже заданного порогового значения этого режима.
Вспомогательная насосная установка 110 при этом ведет себя не только как насосная установка содействия запуску двигателя, но также и как насосная установка обеспечения низких режимов работы двигателя для того, чтобы при любых обстоятельствах обеспечить минимальное и достаточное давление топлива.
В описываемом варианте реализации насос 112 связан с топливным контуром 11 через центробежный насос, который является "прозрачным" для насоса 112 при запуске двигателя. Такое подключение позволяет насосу 112 благоприятным образом использовать повышение давления, вызываемое насосом 100 после того, как он начинает приводиться в движение.
Разумеется, будет также возможно связать вход 112а насоса 112 с топливным контуром 11 через фильтр без прохождения этого топлива через центробежный насос 100.
Контур 120 регулирования расхода топлива принимает топливо, подаваемое насосом 100 под давлением, которое не подвергается регулированию в функции режима работы двигателя. Этот контур содержит массовый расходомер 122 и топливный клапан 124 с непосредственным управлением, установленный в канале 126, связывающем насос 100 и вспомогательную насосную установку 110 с устройством 12 впрыскивания топлива. Расходомер 122 предпочтительным образом установлен по потоку перед клапаном 124. Контур 128 теплообмена между маслом, предназначенным для смазки органов двигателя, и топливом и фильтр для твердых частиц 130 могут быть вставлены в канал 110 по потоку перед расходомером 122, причем контуры теплообмена и фильтры сами по себе хорошо известны.
Клапан 124 представляет собой, например, клапан с непосредственным управлением, управляемый электрически. Степень открытия этого клапана регулируется посредством электромеханического силового привода 125, такого как подъемник или электрический двигатель. Силовой привод 125 получает электрическое питание от электрического контура двигателя 14, например от системы питания, интегрированной в модуль 15 электронного регулирования двигателя, или от шины электрического питания двигателя 14. В качестве резервирования могут быть предусмотрены два идентичных силовых привода 125, 125′, функционирующих параллельно.
Локальный контур 132 обратной связи, питаемый от электрического контура двигателя, принимает электрический сигнал, выдаваемый массовым расходомером 122 и являющийся репрезентативным для реального массового расхода топлива в канале 126, и электрический сигнал, выдаваемый модулем 15 электронного регулирования двигателя и являющийся репрезентативным для заданной величины массового расхода топлива, которое необходимо подать в двигатель 14. Контур 132 обратной связи выдает в силовой привод 125 электрический сигнал управления в функции разности между реальным и заданным массовым расходом топлива, чтобы позиционировать клапан 124 и отрегулировать этот расход на заданную желаемую величину в режиме нормального функционирования двигателя. Тот же сигнал управления параллельно выдается и в силовой привод 125', если силовой привод используется в данном случае.
Разумеется, такое регулирование может быть обеспечено при помощи электронного модуля, встроенного в систему 15 автоматического регулирования двигателя 14. Использование локального контура 132, внешнего по отношению к блоку этого модуля, позволяет, однако, устранить наличие связи модуля с расходомером 122.
Клапан 124 может представлять собой клапан, функционирование которого содержит режим предварительного позиционирования силового привода. Силовой привод содержит средство измерения положения (непосредственного абсолютного положения или положения приращения), и клапан имеет просвет (отверстие) определенного профиля. Возможность регулирования расхода при запуске двигателя в режиме предварительного позиционирования предлагается в сочетании с характеристикой расхода, выдаваемого вспомогательной насосной установкой 110 с предохранительным клапаном 116 избыточного давления. При этом регулирование расхода может быть реализовано резервированным образом вместе с расходомером для того, чтобы повысить надежность регулирования при очень малых расходах, если технология функционирования расходомера становится недостаточной.
Предохранительный клапан 134 защиты от чрезмерного повышения частоты вращения или от чрезмерной тяги двигателя 14 установлен в канале 126 по потоку позади клапана 124. Предпочтительно здесь можно использовать клапан непосредственного управления с электромеханическим силовым приводом 135, аналогичный клапану 124 и его силовому приводу 125. Силовой привод 135 управляется при помощи автоматической системы 15 регулирования двигателя 14 посредством модуля, отличного от модуля, обеспечивающего регулирование при помощи клапана 124, по соображениям безопасности. Действительно, превышение допустимой скорости вращения или допустимой тяги двигателя может быть следствием неисправности клапана 124 или его системы управления, вследствие чего этот клапан остается в полностью открытом положении. В качестве резервирования могут быть предусмотрены два идентичных силовых привода 135, 135′, функционирующих параллельно.
В нормальном режиме работы двигателя в соответствии с заданием клапан 134 находится в положении максимального открытия и регулирование расхода обеспечивается при помощи клапана 124.
Модуль электронного регулирования двигателя принимает информацию, являющуюся репрезентативной для режима работы двигателя, например информацию, являющуюся репрезентативной для скорости вращения турбины высокого давления. В том случае, когда выявляется состояние чрезмерного повышения частоты вращения (или чрезмерной тяги) двигателя, то есть когда скорость вращения двигателя превышает заданную скорость вращения на некоторую заранее определенную величину, и эта скорость не может быть скорректирована путем воздействия на клапан 124, включается в действие клапан 134 для того, чтобы уменьшить расход топлива в канале 126.
Система 15 автоматического регулирования двигателя может быть запрограммирована таким образом, чтобы переводить клапан 134 в положение предварительно частичного закрытия, позволяющего выдавать уменьшенный расход топлива. При этом использование в качестве клапана 134 клапана с непосредственным управлением является предпочтительным в том смысле, что оно позволяет сохранить управление двигателя путем изменения расхода топлива по меньшей мере в некотором уменьшенном диапазоне. Это изменение может быть осуществлено при помощи системы 15 автоматического регулирования в функции желаемого режима работы двигателя. Таким образом, вслед за выявлением чрезмерного превышения скорости вращения двигателя клапан 134 приходит на смену клапану 124, чтобы продолжать обеспечивать возможность изменения расхода топлива, по меньшей мере, в определенном диапазоне.
По сравнению с системами, известными из существующего уровня техники, в которых функционирование клапана чрезмерного превышения скорости вращения двигателя имеет два состояния: (i) состояние полного открытия либо (ii) состояние полного закрытия или предварительно заданного уменьшенного открытия, возможность регулирования расхода топлива после выявления чрезмерного превышения скорости вращения или чрезмерного превышения тяги двигателя позволяет сохранить некоторую тягу двигателя и исключить ситуацию, в которой задаваемый уменьшенный расход топлива может в некоторых условиях оказаться не приемлемым для двигателя.
Клапан 136 перекрытия, работающий по принципу "все или ничего", устанавливается в канале 126, например, по потоку позади клапана 134. Этот клапан 136 может управляться при помощи электромеханического силового привода 137. Известным образом этот клапан перекрытия 136 может приводиться в действие при помощи управляющей команды, поступающей из системы 15 автоматического регулирования двигателя, или, приоритетным образом, поступающей из кабины экипажа самолета, чтобы остановить двигатель 14 путем прекращения питания топливом.
Также известным образом суммирующий массовый расходомер 138 может быть установлен в канале 126 по потоку позади клапана 136, чтобы выдавать информацию относительно суммарного массового потребления топлива двигателем.
Потребность двигателя в топливе выражается в массе этого топлива. Использование массового расходомера 122 позволяет, таким образом, обеспечить, в пределах диапазона его погрешности, точное регулирование питания топливом на основе заданной величины массового расхода.
Однако имеется возможность, как это схематически проиллюстрировано на фиг.2, заменить массовый расходомер на объемный расходомер 222. При этом информация о реальном объемном расходе топлива, измеренном при помощи расходомера 222, передается в систему 15 автоматического регулирования двигателя 14. Эта система 15 запрограммирована таким образом, чтобы преобразовать потребность двигателя в топливе в заданный объемный расход на основе величины оцененной объемной массы топлива. При этом клапан 124 с непосредственным управлением управляется при помощи системы 15 таким образом, чтобы согласовать объемный расход топлива в канале 126 с желаемой заданной величиной.
В соответствии с еще одним возможным способом реализации, схематически представленным на фиг.3, можно использовать устройство 322, которое позволяет обеспечить измерение расхода на основе информации о падении давления ΔР при переходе через устройство 322, о величине проходного сечения для топлива через устройство 322 и об объемной массе топлива. При этом расход топлива определяется путем измерения при помощи специального датчика (не показан) положения клапана, в котором падение напора задается при помощи пружины.
Следует отметить, что устройство 322 само по себе известно. Это устройство 322 также имеет конструкцию, аналогичную конструкции клапанов гидравлического дозирования, используемых в известных системах питания топливом авиационных двигателей.
В приведенном выше изложении рассматривалось использование клапанов 124, 134, 136 с электрическим управлением. Однако в качестве варианта можно использовать клапаны с гидравлическим управлением.
В то же время описанное здесь устройство питания топливом может быть использовано для двигателей летательных аппаратов, отличных от газотурбинных двигателей самолетов, например для двигателей вертолетов.