Способ топливопитания камеры сгорания газотурбинного двигателя и система для его осуществления

 

Использование: автоматическое регулирование подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя. Сущность изобретения: система содержит топливную магистраль 1, воздушную магистраль 2, каналы 3 и 4 первого и второго коллекторов, связанные с соответствующими каналами форсунок камеры сгорания, автономный источник 5 сжатого воздуха, соединенный с магистралью 2, электромагнитный клапан 6, запорные клапаны 7 и 8, распределительный клапан 9, связанный с одной стороны с магистралью 1 и с другой через канал 10, запорный клапан 7 и отверстие 11, выполненное во втулке последнего, с каналом 3 первого коллектора и через канал 12 с запорным клапаном 8, блокировочное устройство 13, выполненное в виде сервопоршня 14 со штоком 15, на свободном конце которого установлена заслонка 16, образующая с седлом 17 запорное устройство. Пружинная полость 18 сервопоршня 14 связана с электромагнитным клапаном 6, на который подается команда во время раскрутки двигателя. При срабатывании клапана 6 полость 18 соединится со сливом, в это время штоковая полость 19 связана с каналом 20 высокого давления. 0под действием перепада давлений сервопоршень смещается так, что заслонка 16 отходит от седла 17, канавка 21 штока 15 отсоединяется от канала 4, который через трубопровод 24, канавку 22 штока 15 соединяется через седло 17 и канал 2 с автономным источником 5 сжатого воздуха. Через канал 4 второго коллектора начинает поступать воздух в форсунки, в то же время через канал 3 первого коллектора поступает топливо. Это будет происходить до тех пор, пока не произойдет розжиг камеры сгорания . После розжига с клапана 6 снимается команда и сервопоршень 14 возвращается в исходное положение, в результате чего заслонка 16 садится на седло 17, прекращая привод воздуха в канал 4, который соединяется через канавку 21 с запорным клапаном 8, который к этому времени открывается и через него поступает топливо в канал 4. Во время останова двигателя после слива из каналов 3 и 4 топлива в дренаж через дренажный клапан 31 подается команда на клапан 6, который при срабатывании соединяет полость 18 со сливом. Сервопоршень 14 смещается так, что заслонка 16 отходит от седла 17. Сжатый воздух через канал 2, седло 17, канавку 22 поступает в трубопровод 24 и далее в канал 4, одновременно через канал 26, сопло 28 клапана 25 и отверстие 11 в канал 3, в результате чего происходит продув воздуха форсунок камеры сгорания. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение касается автоматического регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя (ГТД) и относится к способам и системам распределения топлива и сжатого воздуха по коллекторам форсунок камеры сгорания двигателя.

Известен способ топливопитания камеры сгорания ГТД, заключающийся в том, что в момент запуска двигателя подключается к подаче топлива определенное количество форсунок, а через оставшиеся форсунки подводится сжатый воздух, причем по мере увеличения частоты вращения двигателя к подаче топлива постепенно подключаются все оставшиеся форсунки.

В данном способе топливопитания нормальный распыл топлива в камеру сгорания обеспечивается за счет выключения из работы части форсунок, в которые поступает сжатый воздух. Это возможно в момент запуска двигателя, когда давление топлива еще недостаточно высокое и поэтому сжатый воздух мешает поступлению топлива к части форсунок. По мере увеличения частоты вращения двигателя давление топлива возрастает, сжатый воздух все дальше отжимается и все больше форсунок включается в работу. Когда частота вращения двигателя достигнет заданного значения, топливо полностью заполняет топливный коллектор, и система начинает работать как обычно.

Недостатком работы данного способа топливопитания является то, что несмотря на хороший распыл форсунок в начале запуска двигателя смешивание топлива со сжатым воздухом получается недостаточно хорошим и поэтому возможно увеличение времени запуска двигателя и неустойчивая работа камеры сгорания.

Известна также система топливопитания камеры сгорания ГТД, содержащая топливную магистраль, связанную через регулятор с топливным коллектором, воздушную магистраль, соединенную через распределитель и командное устройство с топливным коллектором, и форсунки, связанные с одной стороны с топливным коллектором и выходящие в камеру сгорания.

В данной системе топливо, поступающее в камеру сгорания, дозируется регулятором. Подводящие каналы, связанные с регулятором, проходят через корпус двигателя и соединяются с топливными форсунками. Одновременно к подводящим каналам через распределитель и командное устройство подается сжатый воздух от компрессора. В топливный коллектор сжатый воздух поступает через отсечной клапан под постоянным давлением. В момент запуска двигателя давление топлива еще недостаточно высокое, поэтому сжатый воздух мешает поступлению топлива к части форсунок. В этом случае давление топлива, поступающее к части форсунок, является достаточным для хорошего распыла. Воздух, поступающий к другим форсункам, несколько помогает перемешиванию топлива, поступающего в камеру сгорания, для последующего розжига последнего. По мере увеличения частоты вращения двигателя давление топлива возрастает, в результате чего топливо начинает вытеснять воздух из топливного коллектора, и остальные форсунки подключаются к работе.

После полного вытеснения воздуха из коллектора система начинает работать как обычно.

Недостатком данной системы является то, что она достаточно сложная по конструкции из-за установки специального устройства, обеспечивающего нормальную работу при выходе из строя отсечного клапана. Кроме того, в системе предусмотрен дренажный бочок, в который сливается топливо при недостаточной герметичности отсечного клапана.

Наиболее близким способом топливопитания камеры сгорания ГТД к данному способу топливопитания по технической сущности и достигаемому результату является способ топливопитания камеры сгорания ГТД, заключающийся в том, что осуществляют подачу топлива и воздуха в коллекторы форсунок камеры сгорания.

С помощью данного способа происходит постоянное смешивание топлива и сжатого воздуха, направляемого из компрессора двигателя, в камере смешения дозирующего устройства. Полученная в этом случае топливовоздушная смесь направляется через сопла устройства в камеру сгорания двигателя, где оно и воспламеняется.

Недостатком данного способа топливопитания является то, что в период запуска двигателя, когда давление воздуха в компрессоре еще небольшое, смешивание топлива и воздуха происходит недостаточно хорошо, в результате чего происходит неустойчивый розжиг камеры сгорания, что может привести к потуханию последней. Кроме того, постоянное поступление воздуха через один из каналов форсунки не позволяет в широком диапазоне изменять расход топлива в камеру сгорания в течение всей работы двигателя.

Наиболее близким техническим решением к данной системе по технической сущности, достигаемому результату и числу совпадающих признаков является система топливопитания камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливную и воздушную магистрали, каналы первого и второго коллекторов, связанные с соответствующими каналами форсунок камеры сгорания.

В данной системе топливо из топливного бака подводится к топливному насосу, подключенному через шестерни к валу двигателя. От насоса топливо под высоким давлением поступает в топливную магистраль дозирующего устройства. Для поддержания постоянного давления в этой магистрали в системе установлен клапан.

Высокое давление воздуха, поступающего от компрессора, который приводится во вращение от турбины, подводится к воздушной магистрали. Эта магистраль связана через жиклер с дозирующим устройством. В этом устройстве выполнена камера смешения, в которую постоянно поступает топливо и сжатый воздух. После смешивания топливовоздушная смесь направляется через сопло в камеру сгорания, где происходит воспламенение смеси.

Недостатком данной системы является то, что, во-первых, недостаточно хорошая надежность розжига камеры сгорания во время запуска двигателя из-за плохого смешивания топлива и воздуха в дозирующем устройстве, во-вторых, недостаточно большой диапазон изменения расхода топлива в камеру сгорания в течение работы двигателя из-за постоянной подачи сжатого воздуха через одну из каналов форсунок.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности и расширение диапазона изменения расхода топлива.

Указанная цель достигается тем, что в способе топливопитания камеры сгорания ГТД, заключающемся в том, что осуществляют подачу топлива и воздуха в коллекторы форсунок камеры сгорания, дополнительно вводят автономный источник сжатого воздуха, от которого осуществляют подачу воздуха во второй коллектор форсунок, при этом блокируют подачу топлива через этот коллектор и одновременно подают топливо через первый коллектор, подачу воздуха от автономного источника продолжают до момента розжига камеры сгорания, после чего снимают блокировку подачи топлива во второй коллектор.

Указанная цель в системе топливопитания камеры сгорания ГТД, содержащей топливную и воздушную магистрали, каналы первого и второго коллекторов, связанные с соответствующими каналами форсунок камеры сгорания, дополнительно введены автономный источник давления сжатого воздуха, электромагнитный клапан, два запорных клапана, распределительный кран, связанный с одной стороны с топливной магистралью и с другой через первый канал, первый запорный клапан и отверстие, выполненное во втулке последнего, с каналом первого коллектора и через второй канал со вторым запорным клапаном, и блокировочное устройство, выполненное в виде сервопоршня со штоком, на свободном конце которого установлена заслонка, образующая с седлом, которое связано через воздушную магистраль с автономным источником воздуха, запорное устройство, причем пружинная полость сервопоршня соединена с электромагнитным клапаном, а штоковая с каналом высокого давления, а на штоке выполнены две канавки, одна из которых связана с каналом второго коллектора и со вторым запорным клапаном, а вторая с запорным устройством и отделена перемычкой от трубопровода, соединенного с каналом второго коллектора, кроме того, в первом запорном клапане со стороны, противоположной подводу к нему первого канала, установлен клапан типа сопло-заслонка, связанный с одной стороны с соединительным каналом, отделенным перекрытием от второй канавки штока и с другой через отверстие, выполненное во втулке первого запорного клапана с каналом первого коллектора, причем последний связан с соединительным каналом в момент закрытия первого запорного клапана.

Перечисленные выше новые признаки в данном способе и системе топливопитания являются существенными, так как они достаточны для того, чтобы отличить данный способ топливопитания от всех известных способов топливопитания, а также данную систему топливопитания от всех известных систем топливопитания и при наличии указанных признаков добиться получения положительного эффекта, а именно повысить надежность работы двигателя и расширить диапазон изменения расхода топлива в камеру сгорания последнего.

За счет подключения автономного источника сжатого воздуха ко второму коллектору во время запуска двигателя обеспечивается хорошее смешивание топлива и воздуха в форсунке и более надежный розжиг этой смеси в камере сгорания.

За счет отключения автономного источника сжатого воздуха от второго коллектора после розжига камеры сгорания и подключения к последнему канала второго коллектора обеспечивается изменение расхода топлива в камеру сгорания в широком диапазоне.

На чертеже представлена данная система топливопитания камеры сгорания ГТД, реализующая данный способ топливопитания.

Система содержит топливную магистраль 1, воздушную магистраль 2, каналы 3 и 4 первого и второго коллекторов, связанные с соответствующими каналами форсунок камеры сгорания, автономный источник 5 сжатого воздуха, соединенный с магистралью 2, электромагнитный клапан 6, запорные клапаны 7 и 8, распределительный клапан 9, связанный с одной стороны с магистралью 1 и с другой через канал 10, запорный клапан 7 и отверстие 11, выполненное во втулке последнего, с каналом 3 первого коллектора и через канал 12 с запорным клапаном 8, блокировочное устройство 13, выполненное в виде сервопоршня 14 со штоком 15, на свободном конце которого установлена заслонка 16, образующая с седлом 17 запорное устройство.

Пружинная полость 18 сервопоршня 14 связана с электромагнитным клапаном 6, а штоковая полость 19 с каналом 20 высокого давления. На штоке 15 выполнены канавки 21 и 22, первая из которых связана с каналом 4 второго коллектора и с запорным клапаном 8, а вторая отделена перемычкой 23 от трубопровода 24, соединенного с каналом 4 второго коллектора. В запорном клапане 7 со стороны, противоположной подводу канала 10, установлен клапан 25 типа сопло-заслонка, связанный с одной стороны с соединительным каналом 26, отделенным перекрытием 27 от второй канавки 22 штока 15, и с другой через отверстие 11 с каналом 3 первого коллектора. Клапан 25 содержит сопло 28 и заслонку 29, а на клапане 7 установлен шток 30. В данную систему включен также дренажный клапан 31.

Предлагаемая система топливопитания, реализующая данный способ топливопитания камеры сгорания, работает следующим образом.

В период раскрутки двигателя топливо от насоса подводится через топливную магистраль 1 к торцу золотника распределительного клапана 9. Так как давление топлива еще мало, то оно поступает только в канал 10 и далее направляется к запорному клапану 7. Под действием давления этот клапан открывается, и топливо через отверстие 11 и канал 3 первого коллектора направляется к соответствующему каналу форсунок камеры сгорания. При открытии клапана 7 его шток 30 смещается вправо (по схеме) и через заслонку 29 закрывает сопло 28, в результате чего топливо в канал 26 не попадает. Одновременно подается команда на электромагнитный клапан 6, который открывается и через него пружинная полость 18 сервопоршня 14 соединяется со сливом. Под действием перепада давления (в полости 19 действует высокое давление) сервопоршень 14 смещается влево (по схеме), в результате чего заслонка 16 отходит от седла 17 и одновременно канал 4 отключается от запорного клапана 8. Воздух под определенным давлением от автономного источника 5 направляется через магистраль 2, седло 17, канавку 22, трубопровод 24 и канал 4 второго коллектора к соответствующему каналу форсунок камеры сгорания. В камере смешения этих форсунок происходит интенсивное смешивание топлива и воздуха. Образующая топливовоздушная смесь через сопла форсунок направляется в камеру сгорания, где происходит воспламенение этой смеси.

Через определенное время после начала подачи команды на электромагнитный клапан 6 с последнего команда снимается, и сервопоршень 14 вместе со штоком 15 смещается вправо. Заслонка 16 садится на седло 17, и поступление воздуха во второй коллектор прекращается. Одновременно через канавку 21 соединяется канал 4 второго коллектора с запорным клапаном 8, который к этому времени открыт, в результате чего в канал 4 начинает поступать топливо, которое затем направляется к соответствующему каналу форсунок. Форсунка начинает функционировать в нормальном режиме в зависимости от давления топлива, поступающего в оба канала форсунок. Во время работы двигателя расход через форсунки изменяется в широких пределах, что очень важно для нормальной работы камеры сгорания двигателя.

Во время останова двигателя запорные клапаны 7 и 8 закрываются, шток 30 запорного клапана 7 смещается влево вместе с заслонкой 29. Канал 26 через сопло 28 клапана 25 и отверстие 11 соединяется с каналом 3. Топливо, оставшееся в каналах 3 и 4 через дренажный клапан 31, сливается в дренажную полость. В этот момент на электромагнитный клапан 6 подается команда. Последний открывается, и через него сливается топливо из пружинной полости 18 сервопоршня 14. Под действием перепада давлений сервопоршень смещается влево, заслонка 16 отходит от седла 17, открывая подвод сжатого воздуха через канал 2 от автономного источника 5. Воздух через седло 17, проточку 22, канал 26, сопло 28 клапана 25 и отверстие 11 поступает в канал 3, а через трубопровод 24 в канал 4, в результате чего происходит продувка сжатым воздухом всех форсунок камеры сгорания. Через определенное время команда с электромагнитного клапана 6 снимается и продувка прекращается.

Таким образом, данный способ топливопитания и система, реализующая данный способ, обеспечивает хорошее смешивание топлива и воздуха во время запуска двигателя и последующий розжиг камеры сгорания двигателя, и кроме того, обеспечивается широкий диапазон изменений расхода топлива в камеру сгорания после его розжига. Продувка воздухом форсунок во время останова двигателя исключает скапливание топлива в форсунках после останова двигателя, что также повышает надежность работы двигателя.

Формула изобретения

1. Способ топливопитания камеры сгорания газотурбинного двигателя путем подачи топлива и воздуха в первый и второй коллекторы форсунок камеры сгорания, отличающийся тем, что дополнительно вводят автономный источник сжатого воздуха, от которого подают воздух во второй коллектор форсунок, при этом блокируют подачу топлива через этот коллектор и одновременно подают топливо через первый коллектор, подачу воздуха от автономного источника продолжают до момента розжига камеры сгорания, после чего снимают блокировку подачи топлива во второй коллектор.

2. Система для топливопитания камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливную и воздушную магистрали, каналы первого и второго коллекторов, связанные с соответствующими каналами форсунок камеры сгорания и полость высокого давления, отличающаяся тем, что содержит трубопровод, соединенный с каналом второго коллектора, автономный источник сжатого воздуха, электромагнитный клапан, два запорных клапана, распределительный кран, связанный с одной стороны с топливной магистралью, а с другой через первый канал первого коллектора, первый запорный клапан и отверстие, выполненное во втулке последнего, с каналом первого коллектора и через второй канал с вторым запорным клапаном, и блокировочное устройство, выполненное в виде сервопоршня с пружинной и штоковой полостями и штоком, на свободном конце которого установлено запорное устройство в виде заслонки и седла, связанного через воздушную магистраль с автономным источником воздуха, причем пружинная полость сервопоршня соединена с электромагнитным клапаном, а штоковая с полостью высокого давления, на штоке выполнены две канавки, одна из которых связана с каналом второго коллектора и с вторым запорным клапаном, а вторая с запорным устройством и отделена перемычкой от трубопровода, соединенного с каналом второго коллектора.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что она имеет соединительный канал, отделенный перекрытием от второй канавки штока, а в первом запорном клапане со стороны, противоположной подводу к нему первого канала, дополнительно установлен клапан типа сопло заслонка, связанный с одной стороны с соединительным каналом, а с другой через отверстие, выполненное во втулке первого запорного клапана, с каналом первого коллектора, причем последний связан с соединительным каналом в момент закрытия первого запорного клапана.

РИСУНКИ

Рисунок 1