Устройство для автоматического управления подачей топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя

 

Использование: автоматическое регулирование газотурбинного двигателя (ГТД). Сущность изобретения: устройство содержит входную магистраль, через которую подводится топливо к запорному крану, дозирующий кран, в котором топливо дозируется и через выходную магистраль подводится к форсункам камеры сгорания, узел управления положением запорного крана, который выполнен в виде поршня. В узел управления входят электромагнитный клапан включения, электромагнитный клапан выключения, два оппозитно расположенных сервопоршня со штоком, проходящим с зазором внутри седла и выходящим в промежуточную камеру, в которой размещена заслонка, установленная на конце штока, одно седло - с входной магистралью, другое седло - с выходной магистралью, а камера подключена к полости поршня. В узел управления, кроме того, входит двухступенчатый золотник, в котором выполнен глухой канал. Двухступенчатый золотник образует ступенью большего диаметра с корпусом пружинную полость , связанную со сливом, и управляющую полость, которая соединена с узлом ограничителя частоты вращения свободной турбины. Полость сервопоршня соединена через канал с узлом ограничения частоты вращения газогенератора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к автоматическому регулированию газотурбинного двигателя (ГТД), а более конкретно - к системе управления подачей топлива в камеру сгорания двигателя.

Известно устройство для автоматического управления подачей топлива в камеру сгорания ГТД, содержащее входную магистраль, связанную с регулятором дозировки топлива, который подключен через дозирующий жиклер к форсункам камеры сгорания двигателя [1].

В данном устройстве регулятор состоит из шести камер, образованных пятью мембранами, причем две мембраны соединены одним штоком, а три другие - другим штоком. В нижней части последнего штока имеется дозирующая игла с двойным седлом, которая регулирует расход топлива, подаваемого через входную магистраль. Отдозированное дозирующей иглой топливо поступает к дозирующему жиклеру, площадь которого корректируется по температуре конусом, который связан с сильфоном, заполненным жидкостью, чувствительной к температуре.

В одну камеру подается через жиклер давление воздуха за компрессором и подводится канал от датчика частоты вращения, в две другие камеры подводится непосредственно давление воздуха за компрессором, а остальные две связаны с атмосферным давлением.

Во время работы двигателя регулятор ограничивает его ускорение, поддерживает заданную частоту вращения двигателя и устойчивое горение топлива при резком снижении частоты вращения. Кроме того, производится корректировка расхода топлива в двигатель в зависимости от его температуры.

Недостатком данного устройства является то, что оно достаточно сложно по конструкции и поэтому недостаточно надежно в работе.

Более близким техническим решением к предлагаемому изобретению по технической сущности и количеству совпадающих признаков является устройство для автоматического управления подачей топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, содержащее входную магистраль, связанную через последовательно установленные запорный кран, дозирующий кран и выходную магистраль с форсунками камеры сгорания, и узел управления положением запорного крана, в котором последний выполнен в виде подпружиненного поршня, имеющего конусную поверхность на одном конце, повернутую в сторону движения топлива [2].

В данном устройстве топливо от насоса через входную магистраль поступает к запорному крану, который выполнен за одно целое с поршнем и имеет конусную поверхность, направленную в сторону движения топлива. Положение поршня определяется положением стравливающего клапана, который открывается и закрывается в зависимости от поступающего в камеру, где установлен сильфон, полного давления в диффузоре или давления в камере сгорания двигателя.

При открытом запорном кране топливо поступает к дозирующему крану, положение которого определяется положением другого стравливающего клапана, связанного с гибкой мембраной, которая нагружена давлением топлива на выходе из насоса и усилием пружины. В зависимости от давления топлива на выходе из насоса изменяется расход топлива через дозирующий кран.

После дозирующего крана топливо поступает в выходную магистраль и далее направляется в камеру сгорания двигателя. В начале работы двигателя данное устройство реагирует только на давление воздуха, поступающего в диффузор двигателя. В этом случае воздух из диффузора поступает по трубопроводу через жиклер, установленный на конце этого трубопровода, в камеру, где расположен сильфон. Последний под действием давления воздуха сжимается, в результате чего стравливающий клапан открывается. Давление в управляемой полости поршня запорного крана снижается.

Усилие, действующее на конусную поверхность запорного крана со стороны топлива, поступающего от насоса, преодолевает усилие, действующее со стороны управляемой полости поршня этого крана, в результате чего последний смещается на открытие. Топливо, минуя дозирующий кран, поступает в форсунки камеры сгорания.

По мере розжига камеры сгорания давление в последней начинает возрастать. Однако устройство на это повышение еще не реагирует. Оно начинает реагировать в тот момент, когда давление в камере сгорания стабилизируется. В этом случае камера, где расположен сильфон, непосредственно связывается с камерой сгорания двигателя. В этот момент влияние давления, поступающего из диффузора двигателя, на работу сильфона не сказывается.

Недостатком данного устройства является то, что в случае потухания камеры сгорания повторный запуск камеры сгорания может быть недостаточно надежным.

Это связано с тем, что при потухании камеры сгорания происходит падение давления и в камере, где расположен сильфон. Этот сильфон начинает увеличиваться в размере и через рычаг прикрывает стравливающий клапан. Давление в управляемой полости поршня запорного крана повышается, последний закрывается.

В то же время продолжается подвод давления из диффузора двигателя в камеру, где расположен сильфон. Темп повышения давления в этой камере будет зависеть от жиклера, через который подводится давление. При определенном давлении сильфон начинает сжиматься и через рычаг открывает стравливающий клапан, через который начинает стравливаться давление из управляемой полости поршня дозирующего крана. За счет снижения давления в этой управляемой полости последний начинает постепенно приоткрываться и через него начинает поступать топливо, которое затем через дозирующий кран и выходную магистраль поступает в форсунки камеры сгорания. Благодаря такому подводу топлива происходит вялое заполнение топливных коллекторов, а затем и вялый распыл топлива через форсунки. В этом случае возможен незапуск двигателя.

Целью изобретения является повышение надежности работы двигателя.

Цель достигается тем, что в устройстве для автоматического управления подачей топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, содержащем входную магистраль, связанную через последовательно установленные запорный кран, дозирующий кран и выходную магистраль с форсунками камеры сгорания, и узел управления положением запорного крана, в котором последний выполнен в виде подпружиненного поршня, имеющего конусную поверхность на одном конце, повернутую в сторону движения топлива, узел управления положением запорного крана выполнен в виде электромагнитных клапанов включения и выключения, каждый из которых соединен со своим двухступенчатым золотником через торец его меньшего диаметра, двух оппозитно расположенных седел и подпружиненного сервопоршня со штоком, проходящим с зазором внутри одного из седел и выходящим в промежуточную камеру, в которой размещена заслонка, закрепленная на конце штока и образующая с каждым седлом плоский клапан, при этом свободное от штока седло связано с входной магистралью, другое седло - с выходной магистралью, а промежуточная камера подключена к пружинной полости поршня запорного крана, в двухступенчатом золотнике, связанном с электромагнитным клапаном включения, выполнен глухой центральный канал, выходящий одним концом на большой торец в пружинную полость, связанную со сливом, и подключенный другим концом к командной полости подпружиненного сервопоршня, которая в свою очередь соединена через жиклер с полостью высокого давления и непосредственно с узлом ограничителя частоты вращения газогенератора и с каналом, отделенным перекрытием от канавки, связанной со сливом и выполненной на меньшем диаметре двухступенчатого золотника, связанного с электромагнитным клапаном выключения и образующего своей второй ступенью с корпусом пружинную и управляющую полости, первая из которых связана со сливом, а вторая - с узлом ограничителя, например с ограничителем частоты вращения свободной турбины, причем, если в качестве топлива, поступающего в камеру сгорания, используют газообразное топливо, то в качестве рабочей жидкости, поступающей в полость высокого давления для питания сервопоршня, используют масло, например типа АМР-8.

Перечисленные выше новые признаки в данном устройстве являются существенными, так как они достаточны для того, чтобы отличить данное устройство от всех известных подобных устройств и при наличии этих признаков добиваются получения положительного эффекта, а именно повышения надежности работы двигателя.

Введение в данное устройство электромагнитного клапана включения со своим двухступенчатым клапаном, электромагнитного клапана выключения с другим двухступенчатым клапаном, а также подпружиненного сервопоршня со штоком, на конце которого установлена заслонка, образующая с оппозитно расположенными соплами плоские клапаны, во-первых, позволяет произвести нормальный запуск двигателя, во-вторых, осуществить просто останов двигателя или останов двигателя в случае, когда в последнем появляются отклонения в работе, например потухание камеры сгорания, раскрутка газогенератора или свободной турбины и т.д., в-третьих, можно осуществить надежный повторный запуск двигателя после его останова, в-четвертых, не требуется постоянной запитки электромагнитных клапанов во время работы двигателя, а также в процессе его останова. Кроме того, данное устройство позволяет обеспечить надежный запуск и останов двигателя независимо от величины давления рабочей жидкости во входной магистрали.

На чертеже представлено данное устройство для автоматического управления подачей топлива в камеру сгорания.

Устройство содержит входную магистраль 1, связанную через запорный кран 2, дозирующий кран 3 и выходную магистраль 4 с форсунками 5 камеры сгорания, узел 6 управления положением запорного крана 2, который выполнен в виде подпружиненного поршня 7. Узел 6 управления выполнен в виде электромагнитного клапана 8 включения и электромагнитного клапана 9 выключения, двух оппозитно расположенных седел 10 и 11, подпружиненного сервопоршня 12 со штоком 13, проходящим с зазором внутри седла 11 и выходящим в промежуточную камеру 14, в которой размещена заслонка 15, закрепленная на конце штока 13.

Седло 10 связано с входной магистралью 1, седло 11 - с выходной магистралью 4, а промежуточная камера 14 подключена к пружинной полости 16 поршня 7. В двухступенчатом золотнике 17 выполнен глухой канал 18, выходящий одним концом на большой торец в пружинную полость 19, связанную со сливом, а другим концом подключенный к командной полости 20 сервопоршня 12, которая, в свою очередь, соединена через жиклер 21 с полостью 22 высокого давления и непосредственно с каналом 23, отделенным перекрытием 24 от канавки 25, связанной со сливом и выполненной на ступени меньшего диаметра двухступенчатого золотника 26. Этот золотник образует ступенью большего диаметра с корпусом пружинную полость 27 и управляющую полость 28, причем первая соединена со сливом, а к второй подведен сигнал в виде давления, поступающий от узла ограничителя, например от ограничителя частоты вращения свободной турбины (на чертеже не указан). Полость 20 сервопоршня 12 непосредственно соединена с каналом 29, через который поступает сигнал в виде давления от другого узла ограничителя, например от ограничителя частоты вращения газогенератора (на чертеже не указан).

Устройство работает следующим образом.

До включения в работу устройства поршень 7 под действием своей пружины прижат к седлу, препятствуя подводу топлива из магистрали 1 к дозирующему крану 3. Кроме того, поршень 7 поджат к седлу и давлением топлива, которое из магистрали 1 через седло 10 подводится в пружинную полость 16. Двухступенчатые золотники 17 и 26 под действием своих пружин находятся в нижнем положении, в результате чего канала 18 соединяет полость 20 со сливом, а канал 23 отделен перекрытием 24 от канала 25. Под действием своей пружины сервопоршень 12 смещен вправо (по схеме) и заслонка 15 одним из торцов садится на седло 11, отсоединяя магистраль 4 от камеры 14.

В работу устройство включается с момента подачи кратковременной - 1...2 с команды на электромагнитный клапан 8, последний смещает золотник 17 вверх так, что канал 18 отсоединяется от полости 20 сервопоршня 12 и за счет дифференциальности площадей золотника 17 последний остается в верхнем положении после снятия команды с электромагнитного клапана 8.

Рабочая жидкость из канала 22 через жиклер 21 начинает поступать в полость 20 сервопоршень 12 смещается влево. Заслонка 15 своим другим торцом прикрывает седло 10, отсоединяя магистраль 1 от пружинной полости 16 и соединяя последнюю через седло 11 с выходной магистралью 4. Под действием перепада давлений поршень 7 смещается влево, сжимая свою пружину и одновременно вытесняя топливо через камеру 14, седло 11 и магистраль 4 в коллекторы форсунок 5 для их заполнения. После смещения поршня 7 топливо из магистрали 1 подводится к дозирующему крану 3, где оно дозируется и затем направляется для питания форсунок 5. Благодаря предварительному заполнению коллекторов розжиг камеры сгорания будет более надежным.

Для останова двигателя подается кратковременная (1...2 с) команда на электромагнитный клапан 9, который срабатывает и смещает золотник 26 вверх так, что полость 20 сервопоршня 12 через канал 23 и канавку 25 соединяется со сливом. Давление в полости 20 и канале 23 падает, сервопоршень 12 начинает смещаться вправо под действием своей пружины. Одновременно золотник 17 под действием своей пружины перемещается в нижнее положение, также соединяя через канал 18 полость 20 со сливом, тем самым позволяет после снятия команды с электромагнитного клапана 9 и смещения золотника 26 вниз обеспечить устойчивый слив топлива из полости 20. После смещения сервопоршня 12 вправо заслонка 15 открывает седло 10 и закрывает седло 11. Топливо из магистрали 1 через седло 10 поступает в полость 16, поршень 7 смещается вправо, садится на свое седло и отсекает подвод топлива в форсунки камеры сгорания.

В случае неисправности в работе двигателя, например, при потухании камеры сгорания на электромагнитный клапан 9 подается кратковременная команда на срабатывание последнего и смещение золотника 26 вверх. Канавка 25 соединяет канал 23 и полость 20 со сливом, золотник 17 смещается вниз, соединяя полость 20 через канал 18 со сливом. С электромагнитного клапана 9 снимается команда и золотник 26 смещается вниз в исходное положение под действием своей пружины. Сервопоршень 12 под действием своей пружины смещается вправо, и поршень 7 запорного крана 2 закрывается, в результате чего подача топлива в камеру сгорания прекращается.

Повторный запуск двигателя возможен лишь после подачи команды на кратковременное включение электромагнитного клапана 8, который смещает золотник 17 вверх. Этот золотник остается в этом положении за счет его дифференциальности площадей. Полость 20 отсоединяется от слива и подключается через жиклер 21 к полости 22 высокого давления. Сервопоршень 12 смещается влево так, что седло 10 закрывается, а седло 11 открывается и через него полость 16 поршня 7 соединяется с магистралью 4. Давление в полости 16 падает, и поршень 7 смещается влево, вытесняя из полости 16 топливо для заполнения топливных коллекторов. Одновременно топливо из магистрали 1 поступает к дозирующему крану 3, где оно дозируется и направляется к форсункам 5 сначала для розжига, а затем для последующей работы камеры сгорания.

Во время работы двигателя возможно увеличение частоты вращения свободной турбины выше максимальной. В этом случае от ограничителя частоты вращения свободной турбины поступает сигнал в виде давления в полость 28 золотника 26, который смещается вверх и канал 25 соединит канал 23 и полость 20 со сливом. Золотник 17 под действием своей пружины смещается вниз в исходное положение. Полость 20 сервопоршня 12 соединяется со сливом и через канал 18 золотника 17. Сервопоршень 12 под действием своей пружины смещается вправо, седло 10 открывается, а седло 11 закрывается. Топливо из магистрали 1 поступает в полость 16, и поршень 7 садится на свое седло, отсоединяя магистраль 1 от питания форсунок. Повторный запуск возможен в том случае, когда двигатель остановлен и подана команда на электромагнитный клапан 8.

В том случае, когда частота вращения газогенератора превышает допустимые величины, в работу вступает ограничитель частоты вращения газогенератора, который через канал 29 выдает сигнал на понижение давления в полости 20 и в канале 23. Так как в канале 23 падает давление, то золотник под действием пружины смещается вниз. Полость 20 сервопоршня 12 через канал 18 также соединяется со сливом. Если в этот момент снижается сигнал от ограничителя, давление в полости 20 остается сливным. Сервопоршень 12 смещается вправо, в результате чего седло 11 закрывается, а через седло 10 магистраль 1 соединяется с полостью 16 и поршень 7 садится на свое седло, прекращая подачу топлива в двигатель.

Данное устройство обычно используется для стационарных газотурбинных двигателей, где предусматривается в случае необходимости останов последних с последующим их запуском. Причем они могут работать как на жидком топливе, так и на газообразном, например на природном газе. В последнем случае для управления сервопоршня 12 используют масло, например типа АМР-8.

Таким образом, данное устройство позволяет обеспечить достаточно надежный запуск двигателя и останов последнего в случае появления неисправности во время его работы.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ с газогенератором и свободной турбиной, содержащее входную магистраль, связанную через последовательно установленные запорный кран, дозирующий кран и выходную магистраль с форсунками камеры сгорания, и узел управления положением запорного крана, в котором последний выполнен в виде подпружиненного поршня, имеющего конусную поверхность на одном конце, повернутую в сторону движения топлива, отличающееся тем, что оно содержит жиклер, полость высокого давления и два ограничителя, а узел управления положением запорного крана выполнен в виде электромагнитных клапанов включения и выключения, расположенных в корпусе двухступенчатых золотников, соединенных через торец их меньшего диаметра с электромагнитными клапанами, причем ступень меньшего диаметра двухступенчатого золотника, соединенного с электромагнитным клапаном выключения, имеет канавку и перекрытие, двух оппозитно расположенных седел с промежуточной камерой между ними, подпружиненного сервопоршня со штоком, проходящим с зазором внутри одного из седел и выходящим в промежуточную камеру, и с закрепленной на конце штока заслонкой, размещенной в промежуточной камере и образующей с каждым седлом плоский клапан, при этом свободное от штока седло связано с входной магистралью, другое же седло - с выходной магистралью, а промежуточная камера подключена к пружинной полости поршня запорного крана, в двухступенчатом золотнике, связанном с электромагнитным клапаном включения, выполнен канал, выходящий одним концом на большой торец в пружинную полость, связанную со сливом, и подключенный другим концом к командной полости подпружиненного сервопоршня, которая соединена через жиклер с полостью высокого давления и непосредственно с первым ограничителем и с каналом, который отделен перекрытием от канавки, связанной со сливом, и выполненной на ступени меньшего диаметра двухступенчатого золотника, соединенного с электромагнитным клапаном выключения и образующего с корпусом пружинную и управляющие полости, первая из которых связана со сливом, а вторая - с вторым ограничителем.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый ограничитель, связанный с командной полостью сервопоршня, соединен с валом газогенератора, а второй ограничитель, связанный с управляющей полостью двухступенчатого золотника электромагнитного клапана выключения, связан с валом свободной турбины.

РИСУНКИ

Рисунок 1