СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРЯМОТОЧНОГО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
AIRCRAFT RAMJET ENGINE ACS

Изобретение относится к области автоматического регулирования воздушно-реактивных двигателей, в частности к системам автоматического регулирования прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) с вытеснительной системой подачи топлива. Наиболее близким техническим решением (прототипом) является система автоматического регулирования воздушно-реактивного двигателя [см. патент RU 2209990, МПК 7 F02C 9/26, 2003 г.], содержащая дозатор расхода топлива, подключенный к магистралям отдозированного и неотдозированного топлива, регулятор постоянного перепада давлений (РППД) на дозаторе, состоящий из чувствительного золотника и исполнительного элемента, распределитель топлива по коллекторам форсунок, состоящий из чувствительного элемента и клапана подключения второго коллектора (II), кроме того система снабжена магистралью выхода топлива к первому коллектору (I) форсунок топлива.
Недостатком прототипа является:
- Сложность контроля динамических процессов при испытаниях на лабораторном стенде.
- Возможность отказа в работе системы регулирования в процессе эксплуатации при резком увеличении расхода топлива при закрытом клапане подключения коллектора II.
Характерной особенностью запуска ПВРД является его кратковременность. Время от начала подачи топлива до розжига камеры сгорания двигателя обычно не превышает 0,5 с. Эта кратковременность обусловлена тем, что начальный разгон летательного аппарата до скорости, при которой ПВРД окажется способным развивать потребную для полета тягу, осуществляется с помощью вспомогательной силовой установки, выполненной обычно в виде порохового ускорителя, а минимальная скорость полета, допускающая применение ПВРД, составляет не менее 650 км/ч. Следовательно, при увеличении времени запуска может наступить такой момент, при котором скорость летательного аппарата может оказаться ниже минимальной скорости полета, при которой ПВРД способен создавать потребную тягу [см. "Реактивные двигатели" Под редакцией О.Е.Ланкастера, Военное изд., Министерство обороны СССР, Москва, 1962 г., стр.243].
В известном устройстве в транспортном положении все дозирующие элементы постоянно открыты. При запуске двигателя в течение ~0,5 с коллекторы форсунок должны заполниться топливом, а дозирующие элементы переместиться из положения максимального открытия в рабочее положение, соответствующее заданному режиму полета.
При штатной работе системы регулирования открытие клапана подключения II коллектора происходит при заданном расходе топлива. Время открытия клапана подключения II коллектора обеспечивается, исходя из учета времени заполнения топливом заданного объема подключаемого коллектора, и составляет обычно 3…5 с, т.к. при подключении очередного коллектора происходит перераспределение топлива между коллекторами форсунок, и быстрое открытие клапана подключения II коллектора может привести к резкому падению давления топлива в работающем коллекторе. При этом чем больше объем подключаемого коллектора, тем медленнее должен открываться клапан подключения, в противном случае падение давления топлива в работающем коллекторе может привести к погасанию камеры сгорания.
Таким образом, учитывая специфику режима запуска ПВРД, дозатор системы регулирования должен быть быстродействующим, а клапан подключения II коллектора форсунок должен ускоренно перемещаться на закрытие, а на открытие - медленно.
Так как в системах регулирования с вытеснительной системой подачи топлива необходимое давление подачи топлива складывается из давления в камере сгорания и гидравлических потерь в системе топливопитания, т.е. на пути от бака до камеры сгорания, любое увеличение гидравлических потерь сверх допустимой нормы (например, увеличение перепада давлений на форсунках) приводит к снижению постоянного перепада давлений топлива на дозаторе системы регулирования и снижению заданного расхода топлива.
В связи с изложенным при штатной работе системы регулирования при закрытом клапане подключения коллектора II резкое изменение расхода топлива допустимо только в узком диапазоне.
Это объясняется тем, что при резком увеличении расхода топлива с большим приращением дозатор достигает своего заданного положения в то время, когда клапан подключения II коллектора не успел открыться, при этом происходит заброс давления топлива в коллекторе I форсунок. Перепад давлений на форсунках коллектора I возрастает свыше предельно-допустимых норм, вследствие чего снижается перепад давлений топлива на дозаторе системы регулирования, и расход топлива в двигатель уменьшается ниже заданного.
При низком перепаде давлений топлива на дозаторе системы регулирования давление отдозированного топлива возрастает, также возрастает давление в связанной с отдозированным топливом пружинной полости чувствительного элемента клапана подключения II коллектора. При этом командное давление в управляющей полости чувствительного элемента клапана подключения коллектора II не может преодолеть усилие затяжки пружины, и команда на открытие клапана подключения коллектора II от чувствительного элемента не поступает.
Аналогичный процесс наблюдается при контроле быстродействия дозатора от минимального до максимального расходов топлива на лабораторном стенде, из-за чего контроль разбивается на 2 этапа: фиксацию времени перемещения дозатора от минимального расхода до расхода, соответствующего открытию клапана подключения коллектора II, и фиксацию времени от расхода, соответствующего открытию клапана подключения коллектора II до максимального расхода, что приводит к усложнению процессов контроля.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является упрощение контроля динамических параметров при изменении расхода топлива в процессе приемистости и сброса режима, а также исключение отказа в работе системы регулирования при резком увеличении расхода топлива при закрытом клапане подключения коллектора II.
2
Для достижения указанного технического результата в системе автоматического регулирования прямоточного воздушно-реактивного двигателя с вытеснительной системой подачи топлива, содержащей дозатор расхода топлива, подключенный к магистралям отдозированного и неотдозированного топлива, регулятор постоянного перепада давлений на дозаторе, состоящий из чувствительного и исполнительного элементов, распределитель топлива по коллекторам форсунок, состоящий из чувствительного элемента и клапана подключения коллектора II, а также выход топлива к постоянно включенному коллектору I форсунок двигателя, в магистрали выхода топлива к коллектору I установлен подпружиненный перепускной клапан, выход которого связан с магистралью перед форсунками коллектора II, причем давление открытия перепускного клапана может превышать давление открытия клапана подключения коллектора II на 0,5…1,5 кгс/см.
Отличительные признаки, а именно установка в магистрали выхода топлива к коллектору I подпружиненного перепускного клапана, выход которого связан с магистралью выхода топлива к коллектору II форсунок, позволяет упростить контроль динамических параметров при изменении расхода топлива в процессе приемистости и сброса режима, а также исключить отказ в работе системы регулирования при резком увеличении расхода топлива при закрытом клапане подключения коллектора II.
Предложенная система в качестве примера представлена на чертеже и описана ниже.
Система содержит:
- дозатор расхода топлива 1, подключенный к магистралям отдозированного 2 и неотдозированного 3 топлива, выполненный в виде гидравлического сервомотора, управляющая полость 4 которого образована входным дросселем 5, расположенным в магистрали 3 неотдозированного топлива, и управляющим элементом (не показан);
- регулятор постоянного перепада давлений на дозаторе 1, состоящий из чувствительного элемента 6, выполненного в виде золотника, поджатого пружиной 7, и подпружиненного исполнительного элемента 8. Одна сторона золотника 6, со стороны пружины 7, соединена с давлением отдозированного топлива, а противоположная - с давлением неотдозированного топлива. Элемент 8 имеет управляющую полость 9, в которой установлена пружина 10, образованную входным дросселем 11, расположенным в магистрали неотдозированного топлива, и отсечной кромкой 12 золотника 6, и управляющую полость 13, образованную входным дросселем 14 и отсечной кромкой 15 золотника 6;
- распределитель топлива по коллекторам форсунок, состоящий из чувствительного элемента 16 и клапана 17 подключения коллектора II, при этом чувствительный элемент 16 выполнен в виде поджатого пружиной 18 золотника, пружинная полость которого связана с магистралью 2 отдозированного топлива, а полость 19, расположенная с противоположного торца золотника 16, связана с магистралью 20 командного давления, снабженной входным и выходным дросселями. Входной дроссель переменного сечения выполнен в виде щели 21, расположенной на дозаторе 1, связанной с магистралью 3 неотдозированного топлива и сопряженной с профильным продольным пазом 22, выполненным, например, во втулке дозатора 1, а выходной дроссель 23 постоянного сечения связан с магистралью 2 отдозированного топлива;
- клапан 17, подключенный к магистралям 24 и 25 выхода топлива соответственно коллекторов I и II, выполненный в виде подпружиненного золотника, управляющая полость 26 которого образована дросселем 27, расположенным в магистрали 3 неотдозированного топлива, и через отсечную кромку чувствительного элемента 16 связана с магистралью 2 отдозированного топлива, которая, в свою очередь, связана с пружинной полостью клапана 17;
- подпружиненный перепускной клапан 28, установленный в магистрали 24 выхода топлива к коллектору I, выход которого связан с магистралью 25 перед форсунками коллектора II.
Система работает следующим образом:
Система регулирования обеспечивает дозирование топлива в два коллектора форсунок. Коллектор I включен постоянно, а коллектор II форсунок включается в работу распределительным клапаном, когда расход топлива через дозатор 1 достигает заданной величины.
Командное давление, пропорциональное расходу топлива через дозатор 1, формируется в магистрали 20, в которую из магистрали 3 топливо поступает через входной дроссель, образованный щелью 21 дозатора 1 и профилированным пазом 22, а затем сливается из камеры 20 в полость 2 отдозированного топлива через выходной дроссель 23 постоянного сечения. Обычно профиль паза 22 выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась линейная зависимость характеристики
Pк=f(Gт),
где: Рк - величина разности давлений соответственно в магистралях 20 и 2;
Gт - расход топлива на выходе.
При небольших расходах топлива величина Рк низкая, и под действием пружины 18 золотник чувствительного элемента 16 находится в закрытом положении на верхнем упоре, при этом золотник клапана 17 под действием давления топлива в управляющей полости 26 также находится в закрытом положении на правом упоре и своей кромкой перекрывает магистраль 25.
На дозаторе 1 постоянный перепад давлений топлива поддерживается РППД с помощью чувствительного 6 и исполнительного 8 элементов. На установившемся режиме при постоянном расходе топлива через дозатор 1 на чувствительном элементе 6 сила затяжки пружины 7 уравновешена перепадом давлений отдозированного и неотдозированного топлива, действующим на золотник чувствительного элемента, а управляющие 13 и 9 полости исполнительного элемента 8 через соответствующие отсечные кромки 15 и 12 чувствительного элемента 6 соединены с магистралью 2 отдозированного топлива. Подвод неотдозированного топлива в полости 9 и 13 производится через соответствующие жиклеры 11 и 14. На установившемся режиме сила от давления топлива в управляющей полости 13 исполнительного элемента 8 равна суммарной силе от затяжки пружины 10 и давления топлива в полости 9, вследствие чего золотник исполнительного элемента 8 находится в равновесном положении и своей отсечной кромкой обеспечивает заданное проходное сечение, необходимое для поддержания требуемого перепада давлений на дозаторе 1.
Если на установившемся режиме по каким-либо причинам перепад давлений топлива на дозаторе 1 изменяется, например увеличивается, то давление топлива в магистрали 2 и в связанной с ней пружинной полости золотника чувствительного элемента 6 падает, равновесие на золотнике нарушается, и данный золотник перемещается вправо, увеличивая проходное сечение кромкой 12 и уменьшая проходное сечение кромкой 15, вследствие чего слив топлива из полости 13 уменьшается, а из полости 9 увеличивается, и исполнительный элемент 8 движется в верхнее положение, прикрывая своей отсечной кромкой сечение, связывающее магистрали 2 и 24.
Движение исполнительного элемента 8 будет продолжаться до тех пор, пока на дозаторе 1 не восстановится заданный перепад давлений, и золотник чувствительного элемента 6 не займет прежнее равновесное положение.
При уменьшении перепада давлений топлива на дозаторе 1 процесс происходит в обратном порядке.
При работе на небольших расходах топлива распределитель топлива закрыт, давление топлива в магистрали 24 перед форсунками низкое, следовательно, перепад давлений топлива на форсунках работающего коллектора также низкий. С ростом режима работы увеличивается расход топлива через дозатор 1, соответственно увеличиваются величины давления Рк, давление топлива в магистрали 24 перед форсунками коллектора I и перепад давлений топлива на форсунках коллектора I. При заданном расходе топлива и соответствующем ему командном давлении усилие от давления топлива в управляющей полости 19 чувствительного элемента 16 преодолевает усилие затяжки пружины 18, чувствительный элемент 16 перемещается на нижний упор и соединяет через отсечную кромку управляющую полость 26 клапана 17 подключения коллектора II форсунок с магистралью 2 отдозированного топлива. Клапан 17 подключения коллектора II форсунок перемещается в крайнее левое положение и соединяет магистраль 24 с магистралью 25, т.е. подключает коллектор II форсунок. После подключения коллектора II давление в магистрали 2 падает, перепад давлений топлива на дозаторе 1 увеличивается, РППД вступает в работу и восстанавливает заданный перепад давлений топлива на дозаторе 1, при этом исполнительный элемент 8 РППД перемещается и своей отсечной кромкой прикрывает дозирующее сечение до необходимой величины, уменьшая тем самым перепад давления топлива на форсунках коллектора I. При отключении коллектора II процесс происходит в обратном порядке.
В предлагаемом устройстве в процессе ускоренного движения дозатора 1 на увеличение расхода топлива при закрытом клапане подключения 17, когда давление топлива в магистрали 24 превышает допустимое значение, открывается перепускной клапан 28 и сливает излишки топлива в коллектор II. Этот процесс длится до тех пор, пока не откроется клапан 17. После открытия клапана 17 перепад давлений на форсунках I коллектора восстанавливается до заданного значения, перепускной клапан 28 закрывается, и дальнейшая работа системы регулирования происходит в штатном порядке.
2
2
Давление открытия перепускного клапана 28 может быть отрегулировано на величину, превышающую на 0,5…1,5 кгс/см давление открытия клапана 17. Таким образом, как при штатной работе системы регулирования, так и в процессе испытаний на лабораторном стенде при ускоренном перемещении дозатора 1, когда клапан 17 подключения коллектора II находится в закрытом положении, перепускной клапан 28 позволяет исключить резкие забросы давления в системе топливопитания на пути от бака до камеры сгорания за счет слива излишков топлива в коллектор II форсунок, а регулировка давления открытия клапана 28 на величину, превышающую на 0,5…1,5 кгс/см давление открытия клапана 17, позволяет свести к минимуму увеличение перепада давлений на форсунках коллектора I и обеспечить открытие клапана 17 без снижения перепада давлений топлива на дозаторе 1.