Система топливопитания и регулирования газотурбинного двигателя
Система относится к области двигателестроения, в частности к системе автоматического регулирования газотурбинного двигателя. Система содержит качающий узел (КУ), связанный с регулируемым приводом, снабженным блоком управления. В выходной магистрали КУ установлен датчик расхода, выполненный в виде сервопоршня с клапаном постоянного перепада давлений (КППД) на нем и датчика положения. Управляемая полость сервопоршня связана с управляющей полостью КППД, а дросселирующее сечение сервопоршня - с чувствительными элементами КППД. Датчик положения может быть выполнен в виде электрического или оптического устройства. В выходной магистрали КУ может быть установлен клапан слива с управляющим электромеханическим исполнительным механизмом. Такое выполнени датчика расхода увеличивает точность измерения системы за счет увеличения перестановочных сил и уменьшения сил трения. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам автоматического управления газотурбинными двигателями (САУ ГТД).
Известна бездозаторная система топливопитания и регулирования, содержащая электроприводной насосный агрегат, управляемый по частоте вращения, и электронный блок управления. На общем валу привода последовательно установлены шестеренный качающей узел подачи топлива и шестеренный дозирующий качающий узел с клапаном постоянного перепада давлений прямого действия (см. патент РФ № 2194181, F02C 9/00, 2001 г.).
Недостатками указанной системы является то, что для обеспечения возможности дозирования топлива с необходимой точностью при большом диапазоне изменения расхода шестеренный насос необходимо выполнить переразмеренным по производительности, чтобы обеспечить перепуск топлива через клапан постоянного перепада при малой частоте вращения. Кроме того, отсутствует возможность проверки работоспособности системы без подачи топлива в газотурбинный двигатель и возможность уменьшения расхода топлива при отказе электронного блока управления.
Известно топливорегулирующее устройство (см. патент США № 3241315, М. кл. F02C 9/02, 1966 г.), которое содержит насос с приводом, датчик расхода топлива клапанного типа с профилированным окном, перепад давлений на котором пропорционален расходу топлива, и устройство управления расходом топлива.
Данное устройство отличается сложностью и недостаточной надежностью и точностью, так при малых расходах на датчике расхода имеются малые перестановочные силы и требуется измерение перепадов давления в большом диапазоне.
Известна бездозаторная система топливопитания и регулирования, содержащая электроприводной насосный агрегат, управляемый по частоте вращения, и электронный блок управления (см. статью "Демонстрационная система автоматического управления на базе электропривода" д.т.н. О.С.Гуревич и др., Сборник ЦИАМ 2001-2005. Основные результаты научно-технической деятельности. Том 2, стр.315-317, рис.1, М.: ЦИАМ, 2005 г.). Недостатками этой системы являются:
- Недостаточная надежность работы из-за низкого запаса устойчивости регулятора для стабилизации динамических характеристик, так как отсутствует обратная связь по расходу топлива в двигатель, и следовательно, образуется астатическое звено регулирования.
- Отсутствие возможности проверки работоспособности системы без подачи топлива в газотурбинный двигатель.
- Отсутствие возможности уменьшения расхода топлива при отказе электронного блока управления.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности дозирования топлива в большом диапазоне изменения расхода, повышение надежности работы датчика расхода топлива, повышение надежности работы системы в целом за счет обеспечения возможности контроля работы без включения газотурбинного двигателя или при частичных отказах электронного блока управления.
Для достижения указанного технического результата в системе регулирования газотурбинного двигателя, содержащей качающий узел связанный с регулируемым приводом, снабженным блоком управления, в выходной магистрали качающего узла установлен датчик расхода, выполненный в виде сервопоршня с клапаном постоянного перепада давления на нем и датчика положения, причем управляемая полость сервопоршня связана с управляющей полостью клапана постоянного перепада давления, а дросселирующее сечение сервопоршня - с чувствительными элементами клапана постоянного перепада. Датчик положения может быть выполнен в виде электрического или оптического устройства, выходной параметр которого пропорционален положению сервопоршня. Кроме того, в выходной магистрали качающего узла может быть установлен клапан слива с управляющим электромеханическим исполнительным механизмом.
Использование датчика расхода, выполненного в виде сервопоршня, управляющая полость которого связана с клапаном постоянного перепада, который поддерживает постоянный перепад на дросселирующем сечении датчика расхода, и датчика положения, позволяет увеличить точность измерения (особенно на малых расходах) за счет увеличения перестановочных сил и уменьшения влияния трения.
Установка клапана слива с управляющим электромеханическим исполнительным механизмом повышает надежность системы за счет обеспечения возможности контроля работы без включения газотурбинного двигателя и при частичных отказах блока управления регулируемого привода.
Клапан слива с управляющим электромеханическим исполнительным механизмом, установленный в выходной магистрали насоса, позволяет:
- предотвратить несанкционированное увеличение расхода топлива при частичном отказе блока управления;
- проверить работу управляемого привода насоса без включения двигателя.
Предложенная система представлена на чертеже и описана ниже.
Система содержит качающий узел 1 с регулируемым приводом 2, управляемым блоком управления 3. В магистрали нагнетания 4 качающего узла 1 установлен датчик расхода, выполненный в виде сервопоршня 5, с клапаном 6 постоянного перепада давлений на нем и датчиком положения 7. Управляемая полость 8 сервопоршня 5 связана с управляющей полостью 9 клапана 6, а дросселирующее сечение 10 сервопоршня 5 - с чувствительными элементами (полостями) 11 и 12 клапана 6. Дополнительно в магистрали 4 установлен клапан слива 13, управляемая полость 14 которого соединена с управляющим электромеханическим исполнительным механизмом 15, установленным с возможностью соединения с входной магистралью 16 качающего узла 1.
Между магистралью нагнетания 4 и входной магистралью 16 установлен клапан предельного давления 17. На выходе из магистрали нагнетания 4 установлен запорно-подпорный клапан 18. В канале, соединяющем магистраль нагнетания 4 и управляемую полость 14 клапана слива 13, установлен дроссельный пакет 19. В канале, соединяющем дросселирующее сечение 10 и чувствительную полость 12 клапана 6, установлен дроссельный пакет 20. В канале, соединяющем магистраль нагнетания 4 и управляемую полость 8 датчика расхода 5, установлен дроссельный пакет 21.
Блок управления 3, датчик положения 7 и управляющий электромеханический исполнительный механизм 15 связаны с блоком управления газотурбинного двигателя (БУ ГТД) 22, выполненным в виде электронного счетно-решающего устройства или пульта, управляемого оператором.
В зависимости от требований к системе и типа БУ ГТД, датчик положения 7 может быть выполнен как в виде электрического, так и в виде оптического устройства.
Система работает следующим образом.
При запуске БУ ГТД 22 выдает электрическую команду на исполнительный механизм 15 клапана слива 13. Исполнительный механизм 15 соединяет управляемую полость 14 клапана слива 13 с входной магистралью 16 качающего узла 1. Затем БУ ГТД 22, управляя блоком управления 3 регулируемого привода 2, обеспечивает повышение давления в магистрали нагнетания 4. Клапан слива 13 соединяет магистраль нагнетания 4 с входной магистралью 16 качающего узла 1, поддерживая за качающим узлом 1 давление меньше давления открытия запорно-подпорного клапана 18.
БУ ГТД 22, используя сигнал от датчика обратной связи блока управления 3, производит необходимый контроль работоспособности регулируемого привода 2 до начала подачи топлива в двигатель.
Для подачи топлива в двигатель БУ ГТД 22 выдает команду на исполнительный механизм 15, который разъединяет управляемую полость 14 клапана слива 13 и входную магистраль 16 качающего узла 1. Топливо, поступая через дроссельный пакет 19 в управляемую полость 14 клапана слива 13, перемещает его, разъединяя магистраль нагнетания 4 и входную магистраль 16 качающего узла 1. Давление топлива повышается до величины открытия запорно-подпорного клапана 18, и топливо начинает поступать в газотурбинный двигатель.
В БУ ГТД 22 от датчика положения 7 поступает выходной параметр обратной связи, который пропорционален величине расхода топлива через датчик расхода и электрический параметр обратной связи, характеризующий работу регулируемого привода 2 качающего узла 1. БУ ГТД 22 на основании внешних воздействующих факторов и внутренних параметров двигателя формирует заданную программу управления. При рассогласовании заданных параметров с фактическими БУ ГТД 22, управляя блоком управления 3, изменяет расход топлива в двигатель.
Клапан постоянного перепада давления 6 поддерживает постоянную величину перепада давления топлива на дросселирующем сечении 10 сервопоршня 5.
К полости 11 клапана постоянного перепада 6 подведено давление перед датчиком расхода. К пружинной полости 12 клапана 6 через дроссельный пакет 20 подведено давление выхода из датчика расхода. Когда величина перепада давлений на дросселирующем сечении 10 сервопоршня 5 равна заданной величине, количество топлива, поступающего в управляемую полость 8 сервопоршня 5 через дроссельный пакет 21, равно количеству топлива, перепускаемого клапаном постоянного перепада 6 во входную магистраль 16 качающего узла 1.
При увеличении расхода топлива, проходящего через дросселирующие сечение 10, давление перед сервопоршнем 5 увеличивается, клапан постоянного перепада 6 перемещается, сжимая пружину, и увеличивает количество топлива, сливаемого из управляемой полости 8 во входную магистраль 16 качающего узла 1. Давление в управляемой полости 8 уменьшается, и сервопоршень 5 перемещается в новое положение, изменяя величину дросселирующего сечения 10 до тех пор, пока перепад давлений на нем не станет равным заданной величине. Изменению положения сервопоршня 5 соответствует пропорциональное изменение выходного параметра датчика положения 7. Максимальная величина перестановочной силы на датчике расхода определяется диаметром датчика расхода в месте выполнения дросселирующего сечения 10, перепадом давлений между магистралью нагнетания 4 и входной магистралью 16 и силой сжатия пружины в управляемой полости 8.
При уменьшении расхода топлива, проходящего через дросселирующие сечение 10 датчика сервопоршня 5, давление перед датчиком расхода уменьшается, клапан постоянного перепада 6 перемещается, под действием пружины, и уменьшает количество топлива, сливаемого из управляемой полости 8 во входную магистраль 16 качающего узла 1. Давление в управляемой полости 8 увеличивается, и сервопоршень 5 перемещается в новое положение, изменяя величину дросселирующего сечения 10 до тех пор, пока перепад на нем не станет равным заданной величине. Изменению положения сервопоршня 5 соответствует пропорциональное изменение выходного параметра датчика положения 7. Максимальная величина перестановочной силы на датчике расхода определяется разностью между диаметром датчика расхода в месте выполнения дросселирующего сечения 10 и диаметром сервопоршня 5, перепадом давлений между магистралью нагнетания 4 и входной магистралью 16 и силой сжатия пружины в управляемой полости 8.
При частичном отказе блока управления 3 (отсутствует возможность уменьшения расхода топлива в двигатель) БУ ГТД 22 выдает электрическую команду на исполнительный механизм 15, который, управляя количеством топлива перепускаемого из управляемой полости 14 клапана слива 13 во входной канал 16 качающего узла 1, открывает клапан слива 13. Тем самым обеспечивается необходимое уменьшение расхода топлива в двигатель и при необходимости полное прекращение подачи топлива. Исполнительный механизм 15 может быть выполнен как в виде электромеханизма, работающего в импульсном режиме, так и в виде пропорционального электрогидропреобразователя.
1. Система топливопитания и регулирования газотурбинного двигателя, содержащая качающий узел, связанный с регулируемым приводом, снабженным блоком управления, отличающаяся тем, что в выходной магистрали качающего узла установлен датчик расхода, выполненный в виде сервопоршня с клапаном постоянного перепада давлений на нем и датчика положения, причем управляемая полость сервопоршня связана с управляющей полостью клапана постоянного перепада давлений, а дросселирующее сечение сервопоршня - с чувствительными элементами клапана постоянного перепада.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что датчик положения выполнен в виде электрического устройства, выходной параметр которого пропорционален положению сервопоршня.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что датчик положения выполнен в виде оптического устройства, выходной параметр которого пропорционален положению сервопоршня.
4. Система по пп.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что в выходной магистрали качающего узла установлен клапан слива с управляющим электромеханическим исполнительным механизмом.
