Двухканальная система топливопитания и регулирования газотурбинного двигателя (ГТД)

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, в частности, к системам автоматического управления газотурбинными двигателями (ГТД).

Известен электронно-гидравлический регулятор топлива (см. патент Франция №2288867, кл. F02C 9/04, 1974 г.).

Регулятор содержит насос, дозатор топлива, соединенный пружиной с управляющим клапаном сравнения, на который воздействует давление топлива, вырабатываемое с помощью гидравлических камер с дросселями, соединенных с датчиками внутридвигательных параметров, рычаг управления двигателем (РУД), воздействующий на пружину задатчика регулятора частоты вращения, и отдельный дозатор, управляемый от электронного регулятора.

Недостатком данного регулятора является сложность его конструкции из-за наличия привода для регулятора частоты вращения, кроме того, он не обеспечивает непосредственное управление расходом топлива от задатчика режимов двигателя с коррекцией по давлению воздуха в компрессоре на установившемся режиме.

Наиболее близким известным техническим решением (прототипом) может служить двухканальная система регулирования подачи топлива в ГТД (см. патент РФ №2230922, 7F02C 9/26, 2002 г.), содержащая насос, дозатор, выполненный в виде дозирующей иглы с сервопоршнем, электрогидропреобразователь и электрический датчик положения дозирующей иглы, связанные с электронным регулятором и дозатором, управляющий клапан сравнения, соединенный пружиной с дозирующей иглой, выполняющий функцию клапана управления резервного канала, пневмогидропреобразователь, соединенный с каналом подвода воздуха от компрессора, гидравлическую проточную камеру с дросселями и междроссельной камерой, соединенной с клапаном сравнения. При этом первый дроссель непосредственно соединен с задатчиком режимов двигателя.

Недостатком указанной системы является отсутствие возможности ограничения скорости изменения расхода топлива на переменных режимах при работе резервного канала управления в зависимости от изменения внешних условий, что или ухудшает динамические характеристики ГТД, или может, в зависимости от условий работы, привести к избыточной подаче топлива в двигатель и выходу на недопустимые режимы работы.

Авиационные двигатели должны обеспечивать минимально возможное время перехода с одного режима работы на другой во всех условиях эксплуатации. Для современных двигателей при работе в земных условиях это время составляет 3-5 секунд и с ростом высоты полета это время увеличивается.

При работе основного канала управления подача топлива может определяться:

- устойчивой работой компрессора,

- допустимой температурой газов,

- устойчивой работой камеры сгорания (от границы горения «бедной» до границы горения «богатой» смеси топлива с воздухом).

При работе резервного канала управления непосредственное использование параметров двигателя затруднено, следовательно, целесообразно использовать косвенное ограничение расхода топлива.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное устройство, является улучшение динамических характеристик ГТД при работе резервного канала управления во всех условиях эксплуатации без существенного усложнения конструкции.

Для достижения указанного технического результата в двухканальной системе регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель, содержащей насос, дозатор топлива, сервомотор дозатора, клапан постоянного перепада давлений на дозаторе, основной и резервный каналы управления, золотник-селектор переключения каналов управления с электромагнитным клапаном, электрогидропреобразователь основного канала управления, задатчик режимов резервного канала управления, гидравлически связанный с исполнительным электромеханизмом управления режимами работы двигателя, междроссельную камеру резервного канала управления, один из дросселей которой соединен с задатчиком режимов, клапан управления резервного канала, соединенный пружиной с дозатором, а гидравлически - с междроссельной камерой, пневмогидропреобразователь, соединенный с каналом подвода командного давления воздуха и с междроссельной камерой, в магистрали канала резервного управления, соединенной с управляемой полостью сервомотора дозатора, установлен золотник с переменным проходным сечением, гидравлически связанный с пневмогидропреобразователем.

Отличительный признак, а именно установка в магистрали канала резервного управления, соединенной с управляемой полостью сервомотора дозатора, золотника с переменным проходным сечением, гидравлически связанного с пневмогидропреобразователем, улучшает динамические характеристики ГТД и повышает надежность работы двигателя, предотвращая выход ГТД на недопустимые режимы работы.

В зависимости от динамических характеристик ГТД, в магистрали канала резервного управления, соединенной с управляемой полостью сервомотора дозатора, дополнительно могут быть установлены один или два дросселирующих клапана постоянного перепада.

Использование дросселирующих клапанов постоянного перепада позволяет:

- исключить влияние изменения величины перепада давлений на топливном насосе на скорость перемещения дозирующей иглы;

- обеспечить значительно меньшую величину скорости перемещения дозирующей иглы при сохранении геометрических размеров сервопоршня и золотника.

Предложенная система представлена на чертеже и описана ниже.

Система содержит: топливный насос 1; дозатор топлива, выполненный в виде дозирующей иглы 2 с сервопоршнем 3 и датчиком положения 4; механические упоры минимального расхода 5 и максимального расхода 6; клапан постоянного перепада давлений 7 на дозирующей игле 2; золотник-селектор 8 переключения каналов управления, управляемый электромагнитным клапаном 9. Топливо в систему подается через входную магистраль 10. Магистраль нагнетания 11 подводит топливо от насоса 1 к клапану постоянного перепада давлений 7 и к дозирующей игле 2.

Система также содержит магистраль 12 подвода управляющего давления к управляемой полости 13 сервопоршня 3, соединенную:

- с магистралью 14 основного канала управления;

- с магистралью 15 резервного канала управления.

Канал основного управления содержит: электрогидропреобразователь 16, соединеный с золотником-селектором 8 магистралью 17. Электрогидропреобразователь 16 электрическими цепями соединен с электронным блоком управления газотурбинного двигателя (БУ ГТД) (на схеме не показан).

Канал резервного управления содержит: задатчик режимов 18 и междроссельную камеру 19. Входным дросселем 20 междроссельной камеры 19 является проходное сечение пазов задатчика режимов 18. На выходе междроссельной камеры 19 резервного канала управления расположен выходной жиклер 21. Клапан 22 управления резервного канала соединен пружиной обратной связи 23 с дозирующей иглой 2 и гидравлически - с междроссельной камерой 19. Командное давление воздуха по магистрали 24 подводится к пневмогидропреобразователю 25, который через дроссель 20 соединен с междроссельной камерой 19. Рычаг 26 соединяет вакуумированный сильфон 27 и клапан 28 пневмогидропреобразователя 25. Исполнительный электромеханизм 29, управляющий режимами работы двигателя, гидравлически связан с задатчиком режимов 18.

Канал резервного управления также содержит золотник 30 с переменным проходным сечением 31. Управляющая полость 32 золотника 30 гидравлически связана с пневмогидропреобразователем 25. Между входным жиклером 33 и золотником 30 установлен дросселирующий клапан постоянного перепада приемистости 34. Пружинная полость 35 клапана 34 соединена с входом в переменное проходное сечение 31. Управляющая полость 36 клапана 34 соединена с выходом из переменного проходного сечения 31. Дросселирующий клапан постоянного перепада сброса 37 установлен между золотником 30 и управляемой полостью 13 сервомотора 3. Пружинная полость 38 клапана 37 соединена с выходом из переменного проходного сечения 31. Управляющая полость 39 клапана 37 соединена с входом в переменное проходное сечение 31.

Система работает следующим образом.

Из входной магистрали 10 топливо поступает в топливный насос 1. Насос 1 повышает давление топлива. Из магистрали нагнетания 11 топливо поступает к элементам регулирования и дозирования.

Расход топлива в двигатель определяется площадью открытого проходного сечения дозирующей иглы 2 и перепадом давлений топлива на нем. Проходное сечение определяется положением дозирующей иглы 2. Клапан 7 поддерживает постоянный перепад давлений на дозирующей игле 2.

При уменьшении величины перепада на дозирующей игле 2 клапан 7, перемещаясь, уменьшает перепуск топлива из магистрали нагнетания 11 во входную магистраль 10.

При увеличении величины перепада на дозирующей игле 2 клапан 7, перемещаясь, увеличивает перепуск топлива из магистрали нагнетания 11 во входную магистраль 10.

При работе на основном канале управления подается команда на электромагнитный клапан 9. Электромагнитный клапан 9 закрывается, увеличивая давление, подводимое к золотнику-селектору 8. Золотник-селектор 8 перемещается, при этом магистраль 12 подвода управляющего давления к управляемой полости 13 сервопоршня 3 переключается с магистрали 15 резервного канала управления на магистраль 14 основного канала управления. Одновременно золотник-селектор 8 соединяет магистраль 14 и магистраль 17 с электрогидропреобразователем 16.

Управление расходом топлива в двигатель на основном канале управления осуществляется по командам БУ ГТД. Электрические сигналы от БУ ГТД преобразуются в электрогидропреобразователе 16 в гидравлические команды, управляющие положением дозирующей иглы 2.

Топливо из магистрали нагнетания 11 через входной жиклер 33, золотник-селектор 8 по магистралям 14, 15 и 12 поступает в управляемую полость 13 сервопоршня 3. Одновременно через золотник-селектор 8 по магистрали 17 топливо поступает к электрогидропреобразователю 16, а затем во входную магистраль 10. Величина гидравлической команды определяется величиной расхода топлива к электрогидропреобразователю 16.

При поступлении на электрогидропреобразователь 16 от БУ ГТД команды на увеличение режима электрогидропреобразователь 16 увеличивает давление в управляемой полости 13 сервопоршня 3. Сервопоршень 3 с дозирующей иглой 2 перемещается в сторону увеличения проходного сечения. При этом клапан 7 поддерживает постоянный перепад на дозирующей игле 2. Расход топлива в двигатель увеличивается. Датчик положения 4 выдает в БУ ГТД электрический параметр, величина которого пропорциональна положению дозирующей иглы 2. БУ ГТД в зависимости от величины параметра, характеризующего положение дозирующей иглы, выполняет корректировку управляющей команды, в результате чего дозирование топлива выполняется по заданному закону приемистости.

При поступлении на электрогидропреобразователь 16 от БУ ГТД команды на уменьшение режима, электрогидропреобразователь 16 уменьшает давление в управляемой полости 13 сервопоршня 3. Дозирующая игла 2 перемещается в сторону уменьшения проходного сечения. При этом клапан 7, поддерживает постоянный перепад на дозирующей игле 2. Расход топлива в двигатель уменьшается. Датчик положения 4 выдает в БУ ГТД электрический параметр, величина которого пропорциональна положению дозирующей иглы 2. БУ ГТД, в зависимости от величины параметра, характеризующего положение дозирующей иглы 2, выполняет корректировку управляющей команды, в результате чего дозирование топлива выполняется по заданному закону сброса.

Перемещение дозатора огранивают механические упоры минимального расхода 5 и максимального расхода 6.

На установившихся режимах при отклонении величины регулируемых параметров двигателя от заданных значений БУ ГТД производит корректировку управляющего тока на электрогидропреобразователе 16. Работа элементов системы при корректировке расхода топлива аналогична работе при приемистости и сбросе.

При работе на резервном канале управления снимается команда с электромагнитного клапана 9. Электромагнитный клапан 9 открывается, уменьшая давление, подводимое к золотнику-селектору 8. Золотник-селектор 8 перемещается, при этом магистраль 12 подвода управляющего давления к управляемой полости 13 сервопоршня 3 переключается с магистрали 14 основного канала управления на магистраль 15 резервного канала управления. Одновременно золотник-селектор 8 перекрывает магистраль 17, тем самым отсоединяя магистраль 14 от электрогидропреобразователя 16.

При работе на резервном канале управления система обеспечивает управление расходом топлива в зависимости от величины воздушной команды с коррекцией расхода топлива по положению задатчика режимов 18.

Положение дозирующей иглы определяется командным давлением в междроссельной камере 19, гидравлически связанной с клапаном 22 управления резервного канала, которое уравновешивается усилием от пружины обратной связи 23 на дозирующей игле 2. При изменении командного давления равновесие нарушается, клапан 22, воздействуя на давление в управляемой полости 13 сервопоршня 3, перемещает дозирующую иглу 2 в новое равновесное положение, изменяя расход топлива.

Командное давление в междроссельной камере 19 вырабатывается в зависимости от величины воздушной команды, подводимой по магистрали 24 к пневмогидропреобразователю 25, и корректируется задатчиком режимов 18.

Пневмогидропреобразователь 25 вырабатывает гидравлическую команду Р_Г, пропорциональную величине воздушной команды, уравновешивая на рычаге 26 момент силы от давления воздуха, сжимающего вакуумированный сильфон 27, и момент силы от давления топлива, действующего на клапан 28.

При увеличении величины воздушной команды пропорционально увеличивается величина гидравлической команды.

В качестве воздушной команды может использоваться:

- полное давление на входе в двигатель;

- давление на выходе из какой-либо ступени компрессора;

- отношение давлений и др.

Гидравлическая команда Р_Г корректируется (редуцируется) в междроссельной камере 19, входной дроссель 20 которой образован проходным сечением пазов задатчика режимов 18, а выходным дросселем является жиклер 21. Проходное сечение входного дросселя 20 изменяется в зависимости от положения задатчика режимов 18, которым управляет исполнительный электромеханизм 29. Исполнительный электромеханизм 29 может быть выполнен как в виде электромеханизма, работающего в релейном режиме (электромагнитного клапана), так и в виде пропорционального электрогидропреобразователя.

При поступлении электрической команды на уменьшение режима исполнительный электромеханизм 29 разъединяет управляемую полость задатчика режимов 18 и входную магистраль 10. Давление в управляемой полости задатчика режимов 19 увеличивается. Задатчик режимов 19 перемещается, уменьшая проходное сечение входного дросселя 20. Командное давление в междроссельной камере 19 уменьшается, клапан 22, воздействуя на давление в управляемой полости 13 сервопоршня 3, перемещает дозирующую иглу 2 в новое равновесное положение, уменьшая ее проходное сечение.

Скорость перемещения дозирующей иглы 2 определяется диаметром сервопоршня 3 и величиной расхода топлива, отводимого из управляемой полости 13 сервопоршня 3 по магистралям 12 и 15. Расход топлива из управляемой полости 13 зависит от величины открытого проходного сечения 31 золотника 30 и перепада давлений на нем. Величина проходного сечения 31 определяется положением золотника 30. Положение золотника 30 определяется величиной гидравлической команды, подаваемой в управляющую полость 32 от пневмогидропреобразователя 25. Для регулировки скорости перемещения дозирующей иглы 2 на золотнике 30 могут быть выполнены регулировочные винты.

Для улучшения динамических характеристик ГТД в системе может быть установлен дросселирующий клапан постоянного перепада сброса 37.

Изменяя свое проходное сечение, дросселирующий клапан постоянного перепада 37 поддерживает постоянный перепад на переменном проходном сечении 31 золотника 30, тем самым обеспечивая постоянный расход из управляемой полости 13 сервопоршня 3 и постоянную скорость перемещения дозирующей иглы 2. При увеличении перепада на проходном сечении 31 давление в пружинной полости 38 увеличивается, давление в управляющей полости 39 уменьшается и клапан 37 перемещается, увеличивая свое проходное сечение. При уменьшении перепада на проходном сечении 31 давление в пружинной полости 38 уменьшается, давление в управляющей полости 39 увеличивается и клапан 37 перемещается, уменьшая свое проходное сечение.

При поступлении электрической команды на увеличение режима исполнительный электромеханизм 29 разъединяет задатчик режимов 18 и входную магистраль 10. Задатчик режимов 18 перемещается, увеличивая проходное сечение входного дросселя 20. Давление в междроссельной камере 19 увеличивается, клапан 22, воздействуя на давление в управляемой полости 13 сервопоршня 3, перемещает дозирующую иглу 2 в новое равновесное положение, увеличивая ее проходное сечение.

На скорость перемещения дозирующей иглы 2 при увеличении режима влияют те же факторы, что и при уменьшении режима.

Для улучшения динамических характеристик ГТД, в системе может быть установлен дросселирующий клапан постоянного перепада приемистости 34. Изменяя свое проходное сечение, дросселирующий клапан постоянного перепада приемистости 34 поддерживает постоянный перепад на переменном проходном сечении 31 золотника 30, тем самым обеспечивая постоянный расход в управляемую полость 13 сервопоршня 3 и постоянную скорость перемещения дозирующей иглы 2. При увеличении перепада на проходном сечении 31 давление в пружинной полости 35 увеличивается, давление в управляющей полости 36 уменьшается и клапан 34 перемещается, увеличивая свое проходное сечение. При уменьшении перепада на проходном сечении 31, давление в пружинной полости 35 уменьшается, давление в управляющей полости 36 увеличивается и клапан 34 перемещается, уменьшая свое проходное сечение.

В частном случае, система может быть спроектирована таким образом, что при использовании в качестве воздушной команды величины давления на входе в двигатель скорость перемещения дозирующей иглы 2 будет уменьшаться пропорционально увеличению высоты полета.

В зависимости от требований к динамическим характеристикам ГТД возможны следующие варианты выполнения системы топливопитания и регулирования:

- с золотником 30;

- с золотником 30 и клапаном постоянного перепада приемистости 34;

- с золотником 30 и клапаном постоянного перепада сброса 37;

- с золотником 30, клапаном постоянного перепада приемистости 34 и клапаном постоянного перепада сброса 37.

Таким образом, обеспечивается улучшение динамических характеристик ГТД и, как следствие, повышается надежность и эффективность его работы.

Работоспособность заявленного технического решения подтверждена испытаниями ряда агрегатов гидромеханической части систем автоматического управления, разработанных в акционерном обществе «Омское машиностроительное конструкторское бюро».