СИСТЕМА ПОДАЧИ ТОПЛИВА В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE FUEL FEED SYSTEM

Изобретение относится к системам топливопитания и регулирования газотурбинных двигателей (ГТД).
Широко известно применение систем топливопитания и регулирования ГТД, где для высокой их надежности применяют систему резервирования топливоподающих насосов, например, система топливопитания и регулирования ГТД, содержащая блок, по меньшей мере, из двух насосов с электрическим приводом (патент РФ №2160390, F04D 13/14, 1999). Насосы работают в режиме дублирования, когда рабочим является один насос, а второй включается в работу при отказе первого.
Известна аналогичная по построению система подачи топлива в ГТД с двумя и более группами форсунок камеры сгорания (патент ЕР №1193379 А2, 2001). Система содержит два параллельно расположенных насоса высокого давления, каждый из которых вращается электродвигателем. Вход обоих насосов связан с общим топливным патрубком с низким давлением, а выходы каждого насоса подсоединяются напрямую к форсункам или объединены в общий выходной патрубок, из которого топливо поступает к форсункам. Объединение выходов двух насосов обеспечивает резервирование системы и подачу топлива при одном отказавшем насосе. Система включает также средство управления, позволяющее управлять частотой вращения электродвигателей, чтобы регулировать расход топлива к определенной группе форсунок камеры сгорания.
Рассмотренные системы подачи топлива из-за параллельного соединения двух электроприводных насосов высокого давления имеют практически вдвое большие массу и габариты, что неприемлемо для двигателей летательных аппаратов.
Известна система топливопитания и регулирования ГТД (патент РФ №2194181, F02C 9/26, 2001 г.), 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 увеличивает массу системы и ее габариты.
Наиболее близкой является система топливопитания и регулирования ГТД с электроприводными насосами (патент РФ №2308606 С1, опубл. 2007 г.). В ней насосный блок выполнен, по крайней мере, из двух параллельно установленных насосов с регулируемыми электроприводами, производительность которых меньше требуемой для работы двигателя на максимальном режиме. Каждый из насосов снабжен датчиком, определяющим его подачу. Датчики и электроприводы связаны с блоком управления, дополнительно соединенным с датчиком, определяющим подачу топлива в двигатель.
Мощность электропривода для каждого из насосов меньше той, которая требуется для подачи топлива на максимальном режиме, что обеспечивает снижение массы системы. При нормальной работе насосы подают топливо в двигатель одновременно и обеспечивают все режимы его работы, а при отказе одного из насосов по команде из блока управления оставшиеся работоспособные насосы обеспечивают меньшую подачу топлива, но достаточную для безопасного продолжения полета. Это обеспечивает безотказность работы системы топливопитания и регулирования ГТД, но с ограничением режимов его работы.
Основная проблема эксплуатации систем топливопитания авиационных ГТД состоит в том, чтобы не было отказов ее агрегатов, приводящих к прекращению подачи топлива в двигатель и, как следствие, к катастрофическим последствиям. Для систем с электроприводными насосами эта проблема особенно актуальна, так как в ней появляются электроприводные насосы, которые могут снизить общую надежность системы.
В основу данного изобретения положена задача повышения отказоустойчивости системы подачи топлива с электроприводными насосами во всех условиях эксплуатации, в том числе при отказах насосов, и повышение ресурса ее агрегатов.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в сохранении работоспособности двухступенчатой системы подачи топлива с электроприводными насосами низкого и высокого давления при отказе любого из насосов и организации ресурсосберегающих режимов их работы.
Поставленная задача решается тем, что в системе подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, содержащей топливоподающие насосы с электроприводами и цифровой регулятор подачи топлива в камеру сгорания, насосы последовательно установлены в магистрали топливоподачи, связывающей топливный бак с камерой сгорания, и вход первого по ходу топлива насоса соединен с топливным баком, а выход с входом последующего, 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 по этому каналу, при этом электропривод, по меньшей мере, одного основного насоса, имеет возможность поддержания заданного расхода топлива в камеру сгорания путем регулирования частоты вращения ротора электродвигателя или путем регулирования силы тока в его силовых обмотках, а регулятор подачи топлива в камеру сгорания 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.
Электропривод вспомогательного насоса также может иметь электродвигатель с возможностью регулирования топливоподачи как по частоте вращения ротора электродвигателя, так и по силе тока в его силовых обмотках, а регулятор подачи топлива в камеру сгорания связан выходами с собственными входами работы электропривода по частоте и силе тока, и выполнен с задействованием входа электропривода вспомогательного насоса по частоте вращения ротора при отказе основного насоса
Регулятор подачи топлива снабжен алгоритмами расчета по требуемой величине подачи топлива в камеру сгорания уставок на входы электроприводов, задающих потребные значения частоты вращения ротора электродвигателя и силу тока в его силовых обмотках.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и рисунками, где: на рис.1 приведена принципиальная схема системы подачи топлива, согласно изобретению, и взаимосвязи агрегатов системы при нормальной работе, а на рис.2 приведена та же схема и взаимосвязь агрегатов при отказе одного из насосов (основного насоса высокого давления).
Система подачи топлива в камеру сгорания ГТД содержит, по меньшей мере, два топливоподающих насоса 10 и 11 с электроприводами 8 и 9, которые последовательно установлены в магистрали 17 топливоподачи, связывающей топливный бак (не показан) с камерой сгорания 12. Выход первого по ходу топлива насоса 10 соединен с входом последующего насоса 11. Один из насосов - насос 11, является основным топливоподающим насосом (насос высокого давления), а другой насос 10 выполняет функцию вспомогательного, подкачивающего насоса (насос низкого давления).
Вход и выход каждого насоса - насоса 10 и насоса 11 - связаны обводными топливными каналами 13 и 15, снабженными органами управления 14 и 16 (например, в виде клапана), управляющими перетоком по каналу. На рисунках показаны два насоса, однако число их может быть увеличено.
Система содержит также цифровой регулятор 5 подачи топлива в камеру сгорания, связанный с органами управления 14 и 16 и электроприводами 8 и 9.
Электропривод 9 основного насоса 11 имеет электродвигатель с возможностью регулирования его работы путем задания уставки по частоте вращения ротора или задания уставки по силе тока в силовых обмотках электродвигателя (величине его крутящего момента, который пропорционален силе тока). Связь электропривода 9 с регулятором 5 производится соответствующими входами 1 и 2, где вход 1 - вход для работы по частоте вращения ротора, а вход 2 - по силе тока в силовых обмотках электродвигателя.
Электропривод 8 насоса 10 имеет электродвигатель с возможностью регулирования его работы путем задания уставки по силе тока в силовых обмотках электродвигателя и связь с регулятором 5 соответствующим выходом 2. Целесообразно, чтобы этот электродвигатель имел возможность регулирования и по частоте вращения ротора и связь с регулятором 5 выходом 1. Регулятор 5 выполнен с коммутацией выходов 1 и 2 электроприводов 8 и 9 и связан с клапанами 14 и 16.
Насосы 10 и 11 расположены последовательно в основной топливоподающей магистрали 17, по которой топливо от топливного бака (не показан) поступает в камеру сгорания 12 ГТД. Вход насоса 10 связан с топливным баком, а его выход соединен с входом насоса 11, выход которого соединен с входом в камеру сгорания 12 двигателя.
Площадь сечения обводной магистрали 13 выбрана из условия малых потерь давления при максимальном расходе, чтобы топливо при отказе насоса 10 по пути наименьшего сопротивления по обводному каналу 13 при открытом органе управления 14 поступало на вход насоса 11 высокого давления, и он функционировал. Площадь сечения обводной магистрали 15 также выбрана из условия малых потерь давления при максимальном расходе, чтобы топливо при отказе насоса 11 по обводному каналу 15 при открытом органе управления 16 поступало на выход насоса 11 и далее в камеру сгорания 12.
Регулятор 5 связан (соединен электрически) выходами 6-7 и 3-4 с соответствующими входами 1 и 2 электропривода 9 насоса 11 и электропривода 8 насоса 10 и органами управления 14 и 16, и выполнен с возможностью их включения/отключения в соответствии с вложенным алгоритмом расчета уставок на входы 1 и 2 электроприводов. Эти алгоритмы по требуемой величине подачи топлива в камеру сгорания позволяют определить потребные значения частоты вращения ротора электродвигателя и силу тока в его обмотках.
Электроприводы 8 и 9 вентильного типа. Они содержат электродвигатель и блок управления, который позволяет работать в двух режимах - режиме поддержания заданного значения частоты вращения электродвигателя (вход 1) или поддержания заданного значения силы тока в его силовых обмотках (вход 2), т.е. крутящего момента на валу электродвигателя.
В лучшем примере выполнения система подачи топлива содержит вспомогательный (подкачивающий) насос 10 низкого давления центробежного типа с электроприводом 8, а основной насос 11 высокого давления - объемного типа (шестеренный) с электроприводом 9.
Как известно, для шестеренного насоса при поддержании заданной частоты вращения его электродвигателя обеспечивается постоянство расхода топлива через насос, а при поддержании силы тока - постоянство перепада давлений на насосе за счет изменения частоты его вращения. При постоянстве перепада давлений на насосе и известном значении давления на его входе также обеспечивается постоянство расхода топлива через насос.
Это обеспечивает взаимозаменяемость входов 1 и 2 электроприводов при отказе одного из них для реализации требуемого расхода топлива по сигналам из регулятора 5.
Система подачи топлива согласно изобретению функционирует следующим образом.
При нормальной работе насосов регулятор 5 определяет необходимый для ГТД расход топлива, по величине которого формируется сигнал о необходимой частоте вращения насоса 11 для реализации требуемого расхода. Этот сигнал (уставка) с выхода 6 поступает на вход 1 электропривода 9 и насос 11 выходит на требуемый расход. Одновременно регулятор 5 определяет и формирует сигнал на выходе 4, соответствующий требуемой величине тока в обмотках электропривода 8 для реализации давления, достаточного для нормальной работы насоса 11 (без его кавитации). Сигнал с выхода 7 и 3 регулятора 5 отсутствует. Постоянство перепада давления на насосе 10 обеспечивает требуемое давление на входе насоса 11.
При отказе в электроприводе 9 первого входа (управление по частоте вращения ротора) управление электродвигателем передается на второй вход для управления по току в его силовых обмотках. При этом сигнал с выхода 7 регулятора 5 поступает на вход 2 электропривода 9 (пунктир на рис.1). При этом сигнал с выхода 6 регулятора 5 на первый вход 1 электропривода 9 отсутствует. Насос 11 выходит на требуемый расход.
При возникновении ситуации «отказ» для насоса 10, например, отключения силового питания электродвигателя, разрушения подшипников насоса и т.п., приводящей к полному или частичному прекращению прокачки насосом топлива, регулятор 5 на выходе 4 формирует сигнал на полное отключение электропривода 8 насоса 10, который поступает на его вход 2. Одновременно регулятор 5 формирует сигнал на открытие органа управления 14 обводной магистрали 13. В результате насос 10 отключен, топливо поступает на вход насоса 11 напрямую из топливного бака и подача топлива в камеру сгорания продолжается. Сигнал с выхода 6 регулятора 5 на вход 1 электропривода 9 насоса 11 может быть уточнен с учетом изменения давления на входе в насос 11.
При возникновении ситуации «отказ» насоса 11 (рис.2), приводящей к возможному прекращению подачи топлива, регулятор 5 формирует на выходе 6 сигнал на отключение электропривода 9 насоса 11, который поступает на его вход 1, и сигнал на открытие органа управления (клапана) 16 обводной магистрали 15. Одновременно регулятор 5 изменяет величину уставки насоса 10 и формирует сигнал на вход 2 электропривода 8 насоса 10 для перехода на другое значение перепада давления на насосе 10, достаточном для прокачки топлива по обводной магистрали 15.
В результате, несмотря на отказ основного насоса 11, подача топлива в камеру сгорания продолжается, так как насос 10 продолжает функционировать и топливо по обводной магистрали 15 поступает в камеру сгорания 12, хотя и с меньшей точностью поддержания расхода топлива.
Увеличение точности поддержания расхода топлива при отказе насоса 11 можно обеспечить путем изменения алгоритма управления электроприводом насоса 10, а именно переходом на управление его частотой вращения вместо управления величиной тока. Для этого сигнал с выхода 3 регулятора 5 поступает на вход 1 электропривода 8 (пунктир на рис.2). При этом сигнал на выходе 4 регулятора 5 отсутствует.
Ресурс шестеренных насосов высокого давления сильно зависит от перепада давлений на них, при этом с увеличением перепада давлений ресурс снижается. В зависимости от режима работы двигателя величина перепада может изменяться в 2…3 раза. Уменьшение диапазона изменения перепада на шестеренном насосе может быть обеспечено путем перераспределения перепадов давления между основным и подкачивающим насосами. Это может быть достигнуто путем перевода подкачивающего насоса на режим с более высоким перепадом давлений за счет увеличения частоты вращения его электродвигателя. В результате уменьшается перепад давления на насосе 11 и реализуется ресурсосберегающий режим его работы.
Таким образом, заявленная система подачи топлива с электроприводными насосами низкого и высокого давления обеспечивает подачу топлива в двигатель в нормальных условиях работы, а также продолжение подачи при отказе одного из них или при отказе одного из входов (каналов) управления электроприводов. Система позволяет увеличить ресурс насосов за счет перераспределения перепада давлений между насосами на разных режимах работы двигателя.
Изобретение может быть использовано в системах топливопитания и регулирования авиационного газотурбинного двигателя, а также в энергетике в стационарных газотурбинных установках и других энергетических объектах, где требуется обеспечить высокую надежность подачи топлива.