Система подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя
GAS TURBINE ENGINE FUEL FEED SYSTEM

Изобретение относится к системам подачи топлива и регулирования работы камер сгорания газотурбинных двигателей (ГТД).
Система обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания в количестве, необходимом для работы двигателя на режимах малого газа, крейсерском и максимальном. При этом система реализует широкий диапазон изменения расхода топлива в камеру сгорания.
Известные системы подачи топлива в камеры сгорания содержат насосы, гидромеханические дозаторы топлива и регуляторы управления режимами работы двигателей.
Основная проблема эксплуатации систем топливоподачи авиационных ГТД состоит в том, чтобы не было отказов работы их агрегатов, приводящих к прекращению подачи топлива в двигатель, а также в обеспечении надежности системы и требуемой точности дозирования топлива. Для системы с электроприводными насосами эти проблемы особенно актуальны, так как в ней появляются электроприводы и многочисленные электрические и гидравлические каналы связи, в том числе с клапанами и электрическим управлением, которые могут снизить надежность системы.
Известна система подачи топлива и регулирования работы камеры сгорания ГТД, содержащая шестеренный насос с управляемым электроприводом, электронный регулятор, включающий в себя блок управления частотой вращения электродвигателя привода насоса, и датчик расхода топлива. Дозирование топлива осуществляется изменением частоты вращения электродвигателя привода насоса (см., например, Научно-технический отчет «Экспериментальные исследования демонстрационного образца САУ и топливопитания с управляемым электроприводом топливного насоса на двигателе ТА-12», номер госрегистрации Х75284, М., ЦИАМ им. Баранова П.И., 1991 г., стр. 8, 20, рис. 1.1).
Недостатком этой системы является прекращение подачи топлива в камеру сгорания при отказе единственного насоса или его электропривода, поэтому не обеспечивается отказоустойчивость системы.
Известна система подачи топлива и регулирования ГТД, в которой насос подачи топлива приводится в действие от коробки приводов агрегатов (см. М.В. Раздольнов, Д.Н. Сурнов. «Агрегаты воздушно-реактивных двигателей». М. Машиностроение, 1973, стр. 13, рис. 2).
Недостатком подобных систем является то, что для обеспечения привода насоса на двигателе должна быть коробка приводов, усложняющая конструкцию двигателя, увеличивающая его массу и габариты. Кроме того, для обеспечения безотказности работы системы требуется система ее резервирования.
Известна система подачи топлива и регулирования ГТД (патент РФ №2194181), содержащая электроприводной насосный блок, управляемый по частоте вращения и блок управления. Насосный блок состоит из топливоподающего насоса и последовательно включенного гидромеханического дозирующего устройства с элементом поддержания постоянного перепада давлений. Для обеспечения безотказности этой системы требуется сложная система резервирования, что уменьшает надежность системы подачи топлива, увеличивает ее массу и габариты.
Известна система регулирования подачи топлива в две и более группы форсунок ГТД (патент ЕР №1193379). Система содержит два параллельно расположенных топливных насоса высокого давления, каждый из которых вращается электродвигателем с переменной частотой вращения от устройства регулирования частоты вращения. Вход обоих насосов связан с общим патрубком подачи топлива низкого давления, а выходы каждого насоса соединены непосредственно с форсунками или объединены в общий выходной патрубок, из которого топливо поступает к форсункам. Объединение выходов двух насосов обеспечивает отказоустойчивость системы подачи топлива при отказе одного из насосов. Недостаток этой системы заключается в том, что она имеет практически вдвое большую массу и габариты, чем системы с насосами, последовательно установленными в магистрали подачи топлива в камеру сгорания. Это неприемлимо для двигателей летательных аппаратов.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является система подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя (патент РФ №2507407). Система содержит топливоподающие насосы с электроприводами, последовательно установленные в магистрали топливоподачи, связывающей топливный бак с камерой сгорания. При этом, по меньшей мере, один из насосов является основным топливоподающим насосом, а другой выполняет функцию вспомогательного. Вход и выход каждого насоса соединены обводным топливным каналом с клапаном, управляющим перетоком топлива по этому каналу. Электропривод основного насоса обеспечивает возможность поддержания заданного расхода топлива в камеру сгорания регулированием частоты вращения ротора электродвигателя или силы тока в его силовых обмотках. Регулятор подачи топлива в камеру сгорания выполнен цифровым и связан выходами с клапанами и собственными входами работы электроприводов по частоте вращения ротора и силе тока, и выполнен с задействованием входа электропривода основного насоса по частоте вращения ротора, а при его отказе - задействованием входа по току в силовых обмотках электродвигателя. Вспомогательный насос низкого давления выполнен центробежным, а основной насос высокого давления - шестеренным.
Эта система обеспечивает повышение отказоустойчивости системы подачи топлива с электроприводными насосами, в том числе при отказах любого из насосов.
Однако в этой системе при отказе электроприводного насоса высокого давления и открытии обводного канала вокруг него, давление на входе в насос становится больше давления на его выходе. Насос переходит в режим неуправляемой прокачки топлива в камеру сгорания параллельно обводному каналу, что снижает точность дозирования топлива на переходных режимах работы. Это может привести к забросам температуры газа в камере сгорания и другим нежелательным последствиям (например, погасанию камеры сгорания). Кроме того, наличие в системе обводных каналов с клапанами, управляемыми от цифрового регулятора, снижает надежность системы подачи топлива из-за наличия дополнительных электрических каналов связи, необходимости использования датчиков обратной связи по положению клапанов и т.д.
В основу данного изобретения положена задача обеспечения отказоустойчивости системы подачи топлива с электроприводными насосами во всех условиях эксплуатации ГТД, и повышения надежности системы путем сокращения количества электрических и гидравлических агрегатов и каналов связи (упрощение конструкции).
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в сохранении работоспособности двухступенчатой системы подачи топлива с поддержанием допустимой точности дозирования топлива при отказе любого из насосов низкого и высокого давления или их электроприводов.
Поставленная задача решается тем, что система подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя содержит два электроприводных насоса низкого и высокого давления, установленные последовательно в магистрали топливоподачи из бака в камеру сгорания и цифровой регулятор управления подачей топлива. Причем вход насоса низкого давления подключен к баку, а выход насоса высокого давления - к камере сгорания. При этом вход и выход насоса высокого давления соединены обводным топливным каналом, снабженным органом управления. Цифровой регулятор соединен каналами связи с электроприводами насосов. Насос низкого давления топлива выполнен центробежным, а насос высокого давления - шестеренным.
Новым в изобретении является то, что система снабжена обратным клапаном, установленным на выходе насоса высокого давления в магистраль топливоподачи перед подключением выхода обводного канала и датчиком температуры топлива. Датчик температуры топлива установлен в магистрали топливоподачи после насоса низкого давления перед подключением входа обводного канала. Орган управления обводного топливного канала насоса высокого давления выполнен в виде обратного клапана. Причем цифровой регулятор дополнительно соединен каналом связи с датчиком температуры топлива.
При такой системе подачи топлива в камеру сгорания:
- наличие обратного клапана на выходе насоса высокого давления в магистраль топливоподачи перед подключением выхода обводного канала обеспечивает отсутствие протока топлива через насос при отключении его электропривода, что исключает влияние протока на точность дозирования топлива и повышает надежность работы системы подачи топлива в камеру сгорания, так как исключаются электрические каналы связи, необходимые при использовании электроприводных клапанов;
- наличие датчика температуры топлива позволяет учесть текущее значение плотности топлива, что обеспечивает точность дозирования массового расхода топлива в камеру сгорания, используемого в алгоритмах цифрового регулятора газотурбинного двигателя, и повышает надежность работы системы подачи топлива;
- выполнение органа управления обводного топливного канала насоса высокого давления в виде обратного клапана обеспечивает повышение надежности и отказоустойчивости системы за счет сокращения количества электрических каналов связи.
Таким образом, решена поставленная в изобретении задача обеспечения отказоустойчивости системы подачи топлива в камеру сгорания с электроприводными насосами без ухудшения точности дозирования топлива во всех условиях эксплуатации ГТД, и повышения надежности системы путем сокращения количества электрических и гидравлических агрегатов и каналов связи, что упрощает конструкцию системы.
Согласно изобретению система подачи топлива в двигатель поясняется описанием ее устройства и функционирования со ссылкой на чертеж.
Система подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, содержит магистраль топливоподачи из бака в камеру сгорания с установленными в ней последовательно двумя электроприводными насосами 1, 2 низкого и высокого давления и цифровой регулятор 3 управления подачей топлива. Причем вход насоса 1 низкого давления подключен к баку, а выход насоса 2 высокого давления - к камере сгорания. При этом вход и выход насоса 2 высокого давления соединены обводным топливным каналом 4 с органом управления 5, выполненным в виде обратного клапана, а цифровой регулятор 3 соединен каналами связи 6, 7 с электроприводами 8, 9 соответственно насосов 1, 2.
Электроприводы 8, 9 выполнены вентильного типа. Они содержат электродвигатель и блок управления электродвигателем, который позволяет работать в двух режимах - режиме поддержания заданного значения частоты вращения электродвигателя или режиме поддержания заданного значения силы тока в его силовых обмотках, т.е. крутящего момента на валу электродвигателя.
Регулятор 3 снабжен алгоритмом расчета по требуемой величине подачи топлива в камеру сгорания, уставок на входы соответствующих электроприводов, задающих потребные значения частоты вращения ротора электродвигателя или силу тока в его силовых обмотках. Требуемая величина массового расхода топлива определяется в регуляторе 3 на основе имеющихся в памяти регулятора характеристик насосов в виде зависимости объемного расхода топлива от частоты вращения и силы тока в обмотках электродвигателя и зависимости плотности топлива от температуры, измеряемой датчиком.
Система снабжена обратным клапаном 10 на выходе насоса 2 высокого давления и датчиком 11 температуры топлива. При этом датчик 11 температуры топлива установлен в магистрали топливоподачи после насоса 1 низкого давления. Причем цифровой регулятор 3 дополнительно соединен каналом связи 12 с датчиком 11 температуры топлива. Насос 1 низкого давления топлива выполнен центробежного типа, а насос 2 высокого давления - шестеренного типа.
В ГТД с подачей топлива последовательно двумя электроприводными насосами (центробежным и шестеренным) предполагается реализовать следующие требования к системе подачи топлива;
- при одном отказе система подачи топлива обеспечивает работу двигателя без изменения режима;
- при двух отказах в системе подачи топлива допустимо изменение режима работы электроприводов, при сохранении их работоспособности на другом безопасном режиме.
Реализация этих требований достигается структурным построением системы подачи топлива, надежностью электроприводов и выбором типа насосов и их характеристик.
В электроприводных насосах можно выделить три группы отказов:
- отказы механической части привода насосов (обрыв рессоры, соединяющей электродвигатель с валом насоса, заклинивание вала);
- механические повреждения в самих насосах (разрушение подшипников опор вала, повреждения в проточном тракте насосов и т.п.);
- отказ электропривода (электродвигателя или его блока управления).
При возникновении отказа в системе подачи топлива неработающий насос становится дополнительным дросселем в магистрали подачи. При этом ротор насоса может быть неподвижным (заклинивание вала) или же продолжать вращаться в режиме авторотации.
Экспериментальные исследования характеристик центробежных насосов показали, что коэффициент сопротивления проточного тракта заторможенного центробежного насоса близок к величине коэффициента при квадрате расхода в уравнении, аппроксимирующем его напорную характеристику полиномом второй степени. Учитывая, что потери давления в центробежном насосе остаются и при его работе в режиме авторотации, в случае отказа в его трансмиссии необходимо переходить на режим с пониженным расходом (уменьшение расхода в два раза снизит потери давления в четыре раза), одновременно отключая электропривод насоса. При этом наличие обводного канала вокруг центробежного насоса не требуется.
Для электроприводного шестеренного насоса, проточная часть которого является гидравлическим дросселем при отказе в его трансмиссии, отключение электропривода не обеспечивает проток топлива в камеру сгорания через насос и необходимо подключать перепуск топлива вокруг насоса. В заявляемой системе при отключении электропривода 9 это осуществляется автоматически за счет того, что по команде от регулятора 3 насос 1 раскручивается для обеспечения требуемого давления для прокачки топлива в камеру сгорания, при этом повышается давление за насосом 1, обратный клапан 5 открывается, а обратный клапан 10 закрывается.
Как известно, для шестеренного насоса при поддержании заданной частоты вращения его электродвигателя обеспечивается постоянство объемного расхода топлива через насос, а при поддержании силы тока в обмотке - постоянство перепада давления на насосе за счет изменения частоты его вращения.
Система подачи топлива функционирует следующим образом.
На режиме запуска ГТД функционирует только насос 1 низкого давления с приводом от электропривода 8 в режиме поддержания частоты вращения насоса (расхода топлива). Электропривод 9 привода насоса 2 высокого давления отключен. Здесь топливо по обводной магистрали 4 через обратный клапан 5 направляют в камеру сгорания. Так как большая часть топлива протекает по магистрали 4, а не по зазорам шестеренного насоса 2, то обратный клапан 10 давлением топлива закрыт.
На заданном режиме работы ГТД регулятор 3 выполняет включение электропривода 9 насоса 2 высокого давления для подачи большего количества топлива в камеру сгорания. При этом регулятор 3 определяет необходимый для двигателя расход топлива. По величине расхода топлива регулятор 3 формирует сигнал о необходимой частоте вращения электропривода 9 насоса 2 высокого давления. Одновременно регулятор 3 формирует сигнал о требуемой величине тока в обмотках электропривода 8 насоса 1 низкого давления для обеспечения давления топлива, достаточного для безкавитационной работы насоса 2. Так как насос 2 функционирует, то открывается обратный клапан 10 и одновременно закрывается клапан 5, перекрывая расход топлива через магистраль 4.
При отказе насоса 1 низкого давления подачу топлива обеспечивает насос 2 высокого давления. Для исключения кавитации насоса 2 регулятор 3 может при необходимости переводить электропривод 9 насоса 2 на пониженный режим работы.
При отказе насоса 2 высокого давления регулятор 3 формирует сигнал на отключение электропривода 9 и перевод электропривода 8 насоса 1 низкого давления в режим поддержания повышенной частоты его вращения, необходимой для подачи в камеру сгорания требуемого расхода топлива повышенного давления. При этом давление топлива после насоса 1 увеличивается, открывается клапан 5, освобождая проход топливу через магистраль 4, и одновременно закрывается обратный клапан 10. В результате, несмотря на отказ насоса 2 высокого давления подача топлива в камеру сгорания продолжается, так как насос 1 продолжает функционировать и топливо по обводной магистрали 4 поступает в камеру сгорания с допустимой погрешностью по расходу, а неуправляемый проток топлива по насосу 2 отсутствует.
Таким образом, заявляемая система подачи топлива с электроприводными насосами 1, 2 соответственно низкого и высокого давления обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания в нормальных условиях работы, а также продолжение подачи топлива при отказе одного из насосов 1, 2 или при отказе одного из каналов связи 6, 7 управления электроприводами 8, 9.
Изобретение может быть использовано в системах подачи топлива и регулирования, авиационных ГТД, а также в стационарных газотурбинных установках и других силовых установках, где требуется обеспечить широкий диапазон изменения подачи топлива в камеру сгорания.