УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ КАМЕР СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области авиационного двигателестроения и может быть использована в системах топливопитания газотурбинных двигателей (ГТД) для подачи топлива в коллекторы основной и/или форсажной камер сгорания ГТД.
Исследование уровня техники показало, что в действующих устройствах подачи топлива в основные и форсажные камеры сгорания ГТД далеко не всегда учитывается влияние процесса заполнения топливных коллекторов на регулирование тяги двигателя в ходе приемистости. Это приводит к ступенчатому изменению эффективного расхода топлива и, соответственно, к ступенчатому изменению тяги двигателя в процессе приемистости. Ступенчатое изменение эффективного расхода топлива может привести к недобору тяги двигателя в нужный момент. Это снижает надежность работы двигателей и безопасность их эксплуатации, а также увеличивает время приемистости на время заполнения топливного коллектора (1-3 сек.), что весьма существенно для управления работой ГТД.
Известно устройство для управления подачей топлива в коллекторы форсажной камеры сгорания ГТД, содержащее последовательно соединенные блок датчиков параметров двигателя и воздуха на входе в двигатель, электронный регулятор режимов работы двигателя, блок электрогидропреобразователей. К выходу блока электрогидропреобразователей подключены дозаторы форсажного топлива, по одному на каждый топливный коллектор форсажной камеры, каждый дозатор через свой запорный клапан подключен к своему топливному коллектору форсажной камеры. Управление запорными клапанами осуществляется от электронного регулятора.
В процессе работы устройства по измеренным с помощью блока датчиков температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором двигателя, давлению газа за турбиной двигателя, положению рычага управления двигателем и расходу топлива в основной камере сгорания, электронный регулятор основной камеры сгорания формирует заданное значение расхода топлива, подаваемого в коллекторы и. после заполнения их - в форсажную камеру.
В зависимости от величины заданного расхода форсажного топлива электронный регулятор формирует управляющие воздействия, поступающие в элетрогидропреобразователь, где они преобразуются в гидравлические управляющие воздействия на дозаторы.
Запуск форсажной камеры и вывод двигателя на режим минимального форсажа обеспечивается с помощью первого дозатора и первого (пускового) коллектора. При переводе рычага управления двигателем на площадку «минимальный форсаж» электронный регулятор обеспечивает:
- расчет заданного расхода форсажного топлива для режима «минимальный форсаж»;
- перевод первого дозатора в положение, соответствующее заданному расходу форсажного топлива;
- открытие первого запорного клапана;
- включение агрегата «огневой дорожки».
После запуска форсажной камеры и выхода двигателя на режим «минимальный форсаж» электронный регулятор формирует сигнал пилоту «Форсаж включен».
При переводе пилотом рычага управления двигателем в положение «максимальный форсаж» электронный регулятор обеспечивает:
- расчет заданного расхода форсажного топлива для режима «максимальный форсаж»;
- распределение заданного расхода форсажного топлива между дозаторами в зависимости от пропускной способности соответствующего дозатору топливного коллектора форсажной камеры;
- поочередное включение в работу оставшихся дозаторов.
При этом при включении в работу второго дозатора электронный регулятор обеспечивает:
- перевод второго дозатора в положение, соответствующее заданному для него расходу форсажного топлива;
- расчет времени заполнения второго коллектора топливом (объемы коллекторов хранятся в запоминающем устройстве электронного регулятора);
- открытие второго запорного клапана;
- перевод первого дозатора на время заполнения второго коллектора в положение, соответствующее заданному для него расходу форсажного топлива, увеличенному на величину, соответствующую объему второго коллектора.
Перевод производится равномерно таким образом, чтобы к окончанию времени заполнения расход вырос на величину объема коллектора.
В момент окончания заполнения второго коллектора по команде электронного регулятора первый дозатор за минимально возможное время возвращается в положение, соответствующее заданному для него расходу форсажного топлива.
Включение в работу остальных дозаторов производится аналогично. (см. патент РФ №2438031, кл. F02C 9/28, 2011 г.).
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что при таком заполнении топливных коллекторов обеспечивается плавное изменение эффективного расхода топлива и, соответственно, плавное изменение тяги двигателя в процессе приемистости. Однако процесс заполнения коллекторов занимает определенное время, на которое увеличивается время приемистости.
Известно устройство управления расходом топлива на запуске ГТД, содержащее последовательно соединенные блок датчиков параметров двигателя и воздуха на входе в двигатель, электронный регулятор режимов работы двигателя, блок электрогидропреобразователей, дозатор топлива с датчиком положения дозирующего элемента. Выход дозатора топлива связан с первым и вторым топливными коллекторами камеры сгорания, причем с первым топливным коллектором он связан непосредственно, а со вторым - через переключатель, управляемый от электронного регулятора. Первый выход переключателя связан со вторым коллектором камеры сгорания непосредственно, а второй его выход связан со вторым коллектором камеры сгорания через гидросопротивление.
В процессе работы устройства по измеренным с помощью блока датчиков параметрам электронный регулятор формирует по заранее определенной зависимости потребный расход топлива в камеру сгорания двигателя.
В зависимости от потребного расхода топлива электронный регулятор с помощью расходной характеристики первого дозатора, которая заносится в энергонезависимую память электронного регулятора в процессе сдаточных испытаний двигателя, определяет заданное положение дозатора, сравнивает с измеренным с помощью датчика и фактическим положением дозатора и осуществляет управление расходом топлива, изменяя с помощью электрогидропреобразователя положение дозатора. Дозированное топливо подается к первому коллектору камеры сгорания, заполняя его.
Дополнительно в процессе запуска ГТД в электронном регуляторе сравнивают измеренную с помощью блока датчиков частоту вращения ротора двигателя с наперед заданной уставкой частоты вращения «малого газа», которая заносится в энергонезависимую память электронного регулятора в процессе сдаточных испытаний двигателя.
При достижении частотой вращения двигателя уставки «малого газа» электронный регулятор блокирует дальнейшее увеличение заданной частоты вращения ротора двигателя на наперед заданное время, необходимое для прогрева двигателя.
По команде электронного регулятора с помощью переключателя подключают к тракту подачи дозированного топлива за дозатором второй коллектор через гидросопротивление. Величина сопротивления выбирается равной по проливке 15-20% суммарного гидравлического сопротивления форсунок первого коллектора.
По истечении времени прогрева двигателя по команде электронного регулятора посредством переключателя подключают второй коллектор к тракту подачи дозированного топлива за дозатором напрямую. При этом в электронном регуляторе снимают блокировку заданной частоты вращения ротора двигателя, обеспечивая возможность перевода ГТД на рабочие режимы (номинал, взлет и т.д.) (см. патент РФ №2435973, кл. F02C 9/26, 2011 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что его недостатком является то, что в процессе подачи дополнительного топлива через гидросопротивление и прогреве двигателя режим двигателя не изменяется, причем при подаче топлива возможно его пыление в камеру сгорания, кроме того не предусмотрено предварительного заполнения пускового коллектора, что увеличивает время приемистости.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение быстродействия работы устройства за счет сокращения времени на заполнение топливом включаемого в работу топливного коллектора, а также обеспечение плавного изменения тяги двигателя на приемистости.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для заполнения топливных коллекторов камер сгорания газотурбинного двигателя, включающем насосный блок, имеющий возможность своим входом соединения с топливным баком, а выходом -посредством основной топливной магистрали через распределитель - с дозаторами топлива в коллекторы камеры сгорания, новым является то, что устройство оснащено топливной емкостью, первым и вторым отсечными клапанами, первый из которых связан с выходом емкости и выходом подключен к основной топливной магистрали подачи топлива в коллектор, а второй выходом связан с входом емкости и подключен к выходу насосного блока, при этом система дополнительно оснащена синхронизатором, управляемым от блока управления, первый выход которого подключен к распределителю, а второй и третий - соответственно к управляемым входам первого и второго отсечных клапанов. Устройство может быть оснащено датчиком уровня топлива в емкости, выход которого связан с управляемым входом второго отсечного клапана.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема устройства. На схеме показана одна камера сгорания и два коллектора. Естественно, что количество камер сгорания, равно, как и их коллекторов, может быть иным. Это не меняет сущность заявленного решения.
На графических материалах позицией 1 обозначена камера сгорания ГТД, позициями 2 и 3 топливные коллекторы, через форсунки 4 которых осуществляется подача топлива в камеру сгорания 1. Устройство заполнения топливных коллекторов также включает насосный блок 5, связанный входом основной топливной магистралью с топливным баком 6. Выход насосного блока посредством основной топливной магистрали через распределитель 7 топлива связан с дозаторами 8 и 9, осуществляющими дозирование топлива в коллекторы 2 и 3 соответственно.
В состав устройства входит топливная емкость 10, выход которой связан с топливным входом первого управляемого отсечного клапана 11, топливный выход которого связан с основной топливной магистралью подачи топлива в от дозатора 8 в топливный коллектор 2.
Позицией 12 обозначен блок управления работой ГТД, который включает автоматическую систему управления работой и панель ручного управления работой ГТД, находящуюся в кабине пилота. Блок управления 12 связан с насосным блоком 5, распределителем 7 и с синхронизатором 13, первый выход которого связан с распределителем 7, второй - с управляемым входом первого отсечного клапана 11, а третий - с управляемым входом второго управляемого отсечного клапана 14.
Вход топливной емкости 10 связан с топливным выходом второго отсечного клапана 14, топливный вход которого связан с выходом насосного блока 5.
Заполнение емкости 10 топливом до заданного уровня может осуществляться различным известным образом, например, по времени заполнения, которое задается синхронизатором 13 или использованием датчика 15 уровня топлива в емкости 10, который связан с управляемым входом отсечного клапана 14.
Все конструктивные элементы устройства являются стандартными и используются по прямому назначению.
В качестве распределителя 7 может быть использован стандартный электронный или электромеханический распределитель. В качестве дозаторов топлива используют дозаторы с регулируемым проходным сечением. В качестве отсечных клапанов используются стандартные клапаны с управляемым запорным элементом.
В качестве синхронизатора может быть использовано стандартное управляемое двухпозиционное реле времени.
Заявленное устройство функционирует следующим образом.
В процессе работы ГТД на одном из режимов, например «малый газ», топливо насосным блоком 5 из бака 6 подается через распределитель 7 на дозатор 9, через него в коллектор 3 и через форсунки 4 данного коллектора дозировано поступает в камеру сгорания 1 для работы ГТД на данном режиме. Коллектор 2 при этом не задействован в работе, то есть, распределитель 7 по команде с блока 12 отключил подачу топлива на дозатор 8. Отсечные клапаны 10 и 14 при этом закрыты, емкость 10 не заполнена топливом.
Перед переходом на иной более интенсивный режим работы ГТД, предусматривающий включение в работу еще одного из коллекторов (по схеме коллектора 2), по команде с блока управления 12 включается синхронизатор 13, установленный на определенный интервал времени, равный времени ввода коллектора 2 в работу с момента подачи сигнала с блока 12 на синхронизатор 13. С включенного синхронизатора следуют команды на блокировку распределителя 7 с тем, чтобы исключить подачу топлива в предварительно незаполненный коллектор 2 через дозатор 8, и на управляемый вход отсечного клапана 14 на открытие его проходного сечения, в результате чего топливо с выхода насосного блока 5 поступает в емкость 10, заполняя ее, отсечной клапан 11 при этом закрыт.
При достижении в емкости 10 заданного уровня (количества топлива), с датчика 15 (при его наличии) или с синхронизатора 13 (при отсутствии упомянутого выше датчика) следует сигнал на отсечной клапан 14, который отсекает подачу топлива в емкость 10. Количество топлива в емкости 10 должно быть таким, чтобы его было достаточно для заполнения практически полностью коллектора 2 и топливной магистрали от дозатора 8 до коллектора 2. Такой расчет не представляет сложностей для специалистов.
По истечении времени, на которое настроен синхронизатор 13, с него дается команда на открытие проходного сечения отсечного клапана 11. обеспечивая подачу топлива в основную топливную магистраль и заполнение коллектора 2 топливом. После этого, по команде синхронизатора 13, перекрывается отсечной клапан 11 и дается команда на распределитель 7, для снятие с него блокировки. Далее распределитель 7 по команде с блока 12 подсоединяет дозатор 8 к основной топливной магистрали, открывая подачу топлива в коллектор 2.
От дозатора 8 топливо подается в уже заполненный коллектор 2 и практически сразу поступает на форсунки 4 для его подачи в камеру сгорания. Аналогичным образом могут быть заполнены и другие коллекторы, последовательность включения которых задается системой управления 12.
Для создания давления в емкости 10, при подачи топлива в коллектор 2, она может быть оснащена насосом или мембраной (не показаны).
Таким образом, при включении более интенсивного режима работы ГТД, который требует подключения дополнительного коллектора, не тратится время на заполнение вводимого в работу топливного коллектора 2, что значительно сокращает время приемистости.
Устройство может работать для заполнения практически всех топливных коллекторов как основной, так и форсажной камер сгорания.
Весьма важно и то, что подключение и заполнение коллекторов не влияет на динамические свойства двигателя, обеспечивая сокращение времени приемистости и плавность изменения тяги двигателя.