система регулирования газотурбинного двигателя

Формула изобретения

СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, содержащая гидромеханический центробежный регулятор частоты вращения, имеющий ротор с управляемым сливным клапаном, имеющим осевой канал подвода топлива и золотниковый клапан постоянного перепада давлений с пружинной и торцевой полостями на сливном клапане центробежного регулятора, отличающаяся тем, что она имеет демпфирующий дроссель, во втулке клапана постоянного перепада давлений выполнены дополнительные отверстия, а в золотнике дополнительный канал для соединения через последний и дополнительные отверстия осевого канала ротора регулятора с полостью слива и золотник расположен во втулке с образованием кольцевой канавки, связанной с торцевой полостью через демпфирующий дроссель.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматическому регулированию, в частности к системам регулирования газотурбинных двигателей (ГТД).

Известна система регулирования газотурбинного двигателя с клапаном постоянного перепада давлений мембранного типа и клапаном защиты мембраны [1] Недостатками этой системы являются повышенная сложность конструкции и недостаточная надежность клапана постоянного перепада в эксплуатации.

Известна также система регулирования двухвального газотурбинного двигателя [2] содержащая топливный насос, регулятор, педаль акселератора, фрикционную муфту связи турбокомпрессора с силовой турбиной, соединенные между собой два клапана включения муфты, гидравлические датчики частоты вращения турбокомпрессора и силовой турбины. Данная система включает также клапан постоянного перепада давлений, поддерживающий постоянную разность давлений на последовательно расположенных дозирующих сечениях регулятора частоты вращения турбокомпрессора, регулятора частоты вращения силовой турбины и автомата разгона. Указанный клапан обеспечивает постоянный перепад давлений за счет слива из напорной магистрали части топлива. Это обстоятельство является принципиальным недостатком клапанов подобного типа, так как для обеспечения его работоспособности необходима дополнительная производительность насоса, что влечет за собой дополнительные энергетические затраты.

Данная система регулирования наиболее близка к предлагаемому техническому решению. Однако ее недостатком является повышенная сложность конструкции за счет наличия в системе клапана постоянного перепада давлений мембранного типа с профилированной иглой и предохранительного клапана защиты мембраны и манжетных уплотнений. Это также снижает надежность системы. Кроме того, клапан постоянного перепада не имеет демпфирующих устройств, что может привести к недопустимым колебаниям давления топлива перед форсункой двигателя.

Целью изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности и улучшение динамических характеристик регулятора.

Поставленная цель достигается тем, что система содержит клапан постоянного перепада золотникового типа, во втулке которого имеются дополнительные отверстия, через которые и дополнительный канал на режимах останова и разгона двигателя осевой канал ротора регулятора соединяется с полостью слива, а также тем, что полость постоянного давления клапана соединена с его торцевой полостью (противоположной пружинной полости) через демпфирующее отверстие.

Такое техническое решение позволяет исключить из конструкции насосов-регуляторов клапан постоянного перапада мембранного типа и предохранительный клапан защиты мембраны и манжетных уплотнений ротора. Одновременно за счет наличия демпфирующего отверстия связи торцевой полости клапана (противоположной пружинной полости) с полостью постоянного давления обеспечивается отсутствие недопустимых колебаний давления топлива в линии форсунки.

На фиг.1 представлена принципиальная схема системы; на фиг.2 сравнительная характеристика изменения давления в полости манжетных уплотнений по предлагаемой схеме и схеме прототипа.

Система регулирования включает следующие основные элементы: топливный насос 1, центробежный регулятор частоты вращения 2, клапан постоянного перепада 3, клапан нагрузки 4, клапан 5 пускового давления, электромагнитный клапан 6 включения и отключения форсунки 7, сигнализатор 8 выхода двигателя на регуляторный режим, клапан 9 ограничения максимального давления. В систему также входят дроссель 10 регулирования подачи топлива на разгоне, дроссель 11 регулирования степени неравномерности регулятора, жиклеры постоянного сечения 12 и 13.

Центробежный регулятор частоты вращения 2 имеет вращающийся ротор 14 с грузиком 15, осевым каналом 16 подвода топлива к сливному клапану 17, образуемому соплом 18 и поверхностью 19 грузика 15. Кольцевая расточка 20 подвода топлива к осевому каналу 16 изолирована от внешней среды и полости подкачки манжетными уплотнениями 21 и 22. Клапан постоянного перепада 3 состоит из втулки 23, золотника 24, пружины 25. Во втулке 23 имеются входное отверстие 26, выходное отверстие 27 и разгрузочные отверстия 28. В золотнике 24 имеется осевой канал 29, кольцевая канавка 30, образуемая кромками 31 и 32 золотника 24. Кольцевую канавку 30 и торцевую полость 34 золотника 24 соединяет демпфирующий дроссель 33. Топливо к входному отверстию 26 поступает от насоса 1 по каналу 35. Выходное отверстие 27 связано с осевым каналом 16 регулятора 2 посредством канала 36.

Клапан нагрузки 4 включает втулку 37, золотник 38, пружину 39 и упор 40. В золотнике 38 имеются радиальные отверстия 42, 43, 44 и 45. Клапан нагрузки 4 каналом 46 через дроссель 10 соединен с полостью 47 клапана 5 пускового давления. Пружинная полость 48 клапана нагрузки 4 через отверстия 43, дроссели 12 и 10 также связана с полостью 47 клапана пускового давления, а каналом 35 через клапан 3 и канал 36 соединена с регулятором 2 частоты вращения. Отверстия 44 во втулке 37 через канал 49 соединены с сигнализатором 8 и через регулируемый дроссель 11 с полостью 47 клапана 5 пускового давления. К форсунке 7 через электромагнитный клапан 6 топливо поступает от насоса 1 по каналу 50. Разгрузочные отверстия 28 и полость пружины 25 клапана 3 соединены с линией слива соответственно каналами 52 и 53.

Работает система регулирования следующим образом.

На режимах запуска и разгона двигателя часть топлива из линии форсунки сливается в полость подкачки через отверстия 41 и 42 клапана нагрузки 4, канал 46 и соответствующим образом отрегулированные дроссель 10 и клапан 5 пускового давления. В начальный момент, когда закрыт слив в линии подкачки из полости 47 клапана 5 пускового давления, все топливо от насоса 1 поступает по магистрали 50 через открытый клапан 6 к форсунке 7. Давление перед форсункой быстро возрастает до величины, определяемой настройкой клапана 5, который, вступая в работу, сливает часть топлива в подкачку и поддерживает в линии 51 постоянное давление. При дальнейшем увеличении частоты вращения двигателя давление в линии 50 форсунки 7 возрастает. Характер изменения закона подачи топлива в форсунку 7 на разгоне определяется соответствующей настройкой регулируемого дросселя 10.

На режиме разгона расход топлива через регулятор 2 отсутствует, так как на разгоне сопло 18 клапана 17 закрыто поверхностью 19 грузика 15. Следовательно, на этом режиме отсутствует расход через жиклеры 12 и 13, поэтому давление под и над золотником 38 клапана нагрузки 4 равны. Пружина 39 удерживает золотник 38 в нижнем положении.

На этом режиме клапан постоянного перепада 3 поддерживает в полости 30, каналах 36 и 16 и в канавке 20 постоянное давление, величина которого определяется затяжкой пружины 25. При этом топливо из указанных полости 30, канавки 20 и каналов 16 и 36 сливается через дозирующее сечение, формируемое кромкой 31 золотника 24 и отверстием 28 втулки 23. Однако для того, чтобы в линии 50 форсунки 7 давление возрастало в процессе разгона и превышало давления в полости 30 и канавке 20, необходимо координаты отверстий 26 и 28 на втулке 23 относительно кромок 31 и 32 золотника 24 выбирать таким образом, чтобы на этом режиме обеспечивалось одновременное дросселирование потока жидкости в обоих последовательно расположенных сечениях: первое сечение, определяемое взаимным расположением кромки 32 на золотнике 24 и отверстия 26 во втулке 23, а второе сечение, определяемое взаимным расположением кромки 31 и отверстия 28.

На режиме останова двигателя при закрытии электромагнитного клапана 6, прекращающего подачу топлива на форсунку 7, клапан 3 также ограничивает давление в каналах 16 и 36 и канавке 22, как это было описано выше.

Таким образом, за счет наличия во втулке 23 дополнительных отверстий 28, связанных с линией слива, обеспечивается на режимах разгона и останова двигателя поддержание в канале 16, 36 и канавке 20 постоянного давления, величина которого значительно ниже, чем допускается из условий прочности и работоспособности манжетных уплотнений 21 и 22 ротора 14.

При достижении номинальной частоты вращения двигателя вступает в работу регулятор 2 частоты вращения. Под действием центробежной силы, развиваемой грузиком 15, открывается слив через сопло 18, в результате чего давление в каналах 16, 36 и полости 34 над торцом золотника 24 уменьшается. Золотник 24 под действием пружины 25 перемещается вверх и полностью перекрывает отверстие 28, слив через которое прекращается. В то же время происходит увеличение площади проходного сечения отверстия 26, через которое происходит подвод топлива к соплу 18, т.е. расход через клапан 3 возрастает по сравнению с режимом разгона.

При возникновении расхода топлива через сопло 18 регулятора частоты вращения 2 на золотнике 38 клапана 4 возникает перепад давлений, так как возникает расход через жиклеры 12 и 13. Под действием этого перепада золотник 38 начинает перемещаться вверх, уменьшая проходное сечение через отверстия 41 и 42, что приводит к снижению давления перед жиклером 12 и резкому падению давления в пружинной полости клапана нагрузки 4. Золотник 38 при полном перекрытии окна 42 резко перемещается вверх до упора 40, так как в этот момент над золотником устанавливается пусковое давление, определяемое настройкой клапана 5, а снизу на золотник действует давление за насосом. В этом положении прекращается перепуск топлива из канала 46 через дроссель 10, а регулятор частоты 2 через отверстия 41 в золотнике 38, отверстия 45 во втулке 37, канал 35, клапан 3 и канал 36 соединяется с магистралью 50 форсунки 7.

Одновременно происходит открытие отверстий 44, в результате чего включается дроссель 11 регулирования степени неравномерности и сигнализатор 8 выхода двигателя на регуляторный режим.

При работе на регуляторном режиме клапаном 3 в канале 36 поддерживается постоянное давление. Причем на этом режиме дозирование топлива осуществляется кромкой 32 золотника 24, т.е. поддержание давления в канале 36 происходит за счет изменения проходного сечения окон 33. Так, например, при увеличении по какой-либо причине давления в канале 36 происходит увеличение давления в полости 34, золотник 24, смещаясь вниз, уменьшает площадь проходного сечения окна 26, что приводит к восстановлению заданного давления в каналах 36, 16 и полости 34. Тем самым обеспечивается на регуляторном режиме постоянный перепад давлений на сопле 18. Во избежание недопустимых колебаний давления в линии форсунки в осевой канал золотника 24 встроен демпфирующий жиклер 38, внутреннее отверстие которого подбирается такой величины, чтобы обеспечить стабильную работу клапана.

Таким образом, наличие во втулке 23 клапана постоянного перепада 3 дополнительных отверстий 28, через которые в дополнительный канал 52 на режимах разгона и останова двигателя осевой канал 16 ротора 14 центробежного датчика соединен с полостью слива, позволяет применять в системе регулирования клапан постоянного перепада безмембранной конструкции, что существенно упрощает конструкцию системы в целом и повышает ее надежность.

Кроме того, соединение торцевой полости 34 клапана 3 с полостью постоянного давления 30 через демпфер 33 позволяет устранить недопустимые колебания давления топлива перед форсункой и тем самым улучшить динамические характеристики системы.

На фиг.2 представлена сравнительная характеристика изменения давления в полости 20 между манжетными уплотнениями 21 и 22 в системе регулирования по заявляемой схеме (кривая 1) и по схеме прототипа (кривая 2), где Р₁ давление, поддерживаемое клапаном постоянного перепада в полости 20 на режимах разгона и останова двигателя, Р₂ давление, поддерживаемое клапаном постоянного перапада в полости 20 на регуляторном режиме.