Способ подачи топлива в газотурбинных двигателях с форсажными камерами сгорания и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области авиационных двигателей с форсажными камерами сгорания. Настоящим изобретением решается задача по повышению надежности работы двигателей при отказе качающего узла основного насоса или разрушении его высоконапорных магистралей за счет использования форсажного насоса и низконапорных магистралей форсунок основных камер сгорания. Это достигается тем, что в газотурбинных двигателях с форсажными камерами сгорания с подачей топлива к форсункам основной и форсажной камер сгорания при помощи соответственно регулируемых основного и форсажного насосов по раздельным магистралям со своими регулирующими органами при отказе качающего узла основного насоса или разрушении его нагнетающих магистралей отключают по падению давления при помощи переключающего устройства магистраль подачи топлива от основного насоса до переключающего устройства, отключают подачу топлива к форсункам форсажной камеры сгорания и систему управления диаметром реактивного сопла на форсажном режиме работы двигателя, переключают подачу топлива к форсункам основной камеры сгорания через переключающее устройство и дроссельный кран на форсажный насос, который регулируют подключенным через переключающее устройство дополнительным регулятором, причем на период срабатывания переключающего устройства подачу топлива к форсункам основной камеры сгорания осуществляют от гидроаккумулятора. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области авиационных двигателей с форсажными камерами сгорания и, в частности, к их топливным системам с раздельной подачей топлива от регулируемых насосов к соответствующим камерам сгорания.

В авиационных газотурбинных двигателях с форсажными камерами сгорания широко известен способ топливоподачи, заключающийся в питании топливом основных и форсажных камер сгорания по независимым друг от друга раздельным топливоподающим магистралям, в каждую из которых включены такие общие элементы, как приводные от ротора двигателя регулируемые насосы, управляющие органы в виде соответственно дроссельного и форсажного кранов, форсунки, соединяемые между собой трубопроводами. По такому способу выполнена топливоподача и у современного зарубежного двигателя F 100. Реализован этот способ с регулируемыми насосами и в двигателе Р 11 Ф300 (1).

Из устройств, в которых наиболее полно раскрыта система подачи топлива по этому способу, является двигатель P 11 Ф300 (1), выбранный в качестве прототипа заявленных способа и устройства. Устройство в виде системы подачи топлива включает топливный бак, соединенный двумя раздельными магистралями с форсунками основной и форсажной камер сгорания, в которых установлены соответственно основной насос, снабженный блоком регулятора подачи топлива, включающим регулятор постоянства подачи топлива, дроссельный кран и форсажный насос, снабженный блоком регулятора подачи топлива, связанным с электрогидравлическим устройством, и соединенный также с блоком системы управления диаметром сопла.

Недостаток известного способа и устройства (системы) заключается в том, что они не обеспечивают работоспособности двигателя при отказе качающего узла основного насоса и разрушении его нагнетающих магистралей. Первое может произойти из-за заклинивания плунжерных пар при большом содержании в топливе воды и сернистых соединений, заклинивании ротора насоса вследствие разрушения подшипника, усталостного разрушения рессоры привода насоса. Второе - разрушение трубопроводов из-за их гидродинамического нагружения, связанного с конечным числом насосных плунжеров и гидроударов от резких перемещений дроссельного крана. Вероятность всего этого у основного насоса значительно выше по сравнению с форсажным, поскольку в процессе эксплуатации он намного больше перекачивает топлива, чем форсажный, который в обычном беcфорсажном полете, работая при минимальной подаче, фактически разгружен и "отдыхает". Так, при 100-часовом гарантийном сроке работы двигателя до первой переборки эксплуатация на форсажных режимах не должна превышать 30 часов (1. с. 6). Отсюда ясно, что основной насос более чем в 3 с лишним раза как минимум нагруженное форсажного и, следовательно, по сравнению с ним имеет повышенную вероятность отказа. Отказ же основного насоса, лишая основные камеры сгорания топливоподачи, приводит к выключению двигателя и, следовательно, к аварийной ситуации в полете. И все это при наличии на двигателе исправного форсажного насоса, "отдыхающего" в это время, хотя и способного обеспечить работоспособность двигателя для полета до ближайшего аэродрома.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы двигателя при отказе качающего узла основного насоса или разрушении его высоконапорных магистралей за счет использования форсажного насоса и низконапорных магистралей форсунок основных камер сгорания.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе подачи топлива в газотурбинных двигателях с форсажными камерами сгорания, включающем подачу топлива к форсункам основных и форсажных камер сгорания при помощи соответственно регулируемых основного и форсажного насосов по раздельным магистралям со своими управляющими органами в виде, соответственно, дроссельного и форсажного кранов, согласно изобретению при отказе качающего узла основного насоса или разрушении его нагнетающих магистралей, отключают по падению давления при помощи переключающего устройства магистраль подачи топлива от основного насоса до переключающего устройства отключают подачу топлива к форсункам форсажной камеры сгорания и систему управления диаметром реактивного сопла на форсажном режиме работы двигателя, переключают подачу топлива к форсункам основной камеры сгорания через переключающее устройство и дроссельный кран на форсажный насос, который регулируют подключенным через переключающее устройство дополнительным регулятором, причем на период срабатывания переключающего устройства подачу топлива к форсункам основной камеры сгорания осуществляют от гидроаккумулятора.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве в виде системы подачи топлива в газотурбинных двигателях с форсажными камерами сгорания, включающей топливный бак, соединенный двумя раздельными магистралями с форсунками основной и форсажной камер сгорания, в которых установлены соответственно основной насос, снабженный блоком регулятора подачи топлива, включающим регулятор постоянства подачи топлива, дроссельный кран и форсажный насос, снабженный блоком регулятора подачи топлива, связанным с электрогидравлическим гидравлическим устройством и соединенный также с блоком системы управления диаметром реактивного сопла, согласно изобретению, в нагнетающей магистрали после основного насоса до дроссельного крана установлены последовательно датчик падения давления основного топлива, связанный с электрогидравлическим устройством, обеспечивающим переключение управления форсажным насосом от дополнительного регулятора при отказе основного насоса, и блоком системы управления диаметром реактивного сопла, отключаемым при отказе основного насоса, управляемое по сигналам этого датчика или падению давления переключающее устройство, обратный клапан, гидроаккумулятор, а также имеется дополнительный регулятор форсажного насоса, выполненный, например, аналогично имеющемуся в блоке регулятора подачи топлива основного насоса регулятору постоянства подачи топлива, и связанный трубопроводами через переключающее устройство с дроссельным краном, причем переключающее устройство выполнено таким образом, что обеспечивает при исправности основного насоса раздельное соединение нагнетающих магистралей основного и форсажного насосов, соответственно, с форсунками основной и форсажной камер сгорания и отключение трубопроводов, связывающих дроссельный кран с дополнительным регулятором форсажного насоса, а при отказе основного насоса отключение нагнетающей магистрали основного насоса от форсунок основной камеры сгорания и подключение их к нагнетающей магистрали форсажного насоса, а также трубопроводов, связывающих дроссельный кран с дополнительным регулятором форсажного насоса.

Для уяснения работы дополнительного регулятора следует помнить, что из двух регуляторов работает тот, который отрегулирован на меньшее давление. В форсажной системе подачи высокое давление обычно выше давления в основной системе.

Использование в качестве аварийного подключаемого к основным форсункам двигателя форсажного насоса с его подключаемым дополнительным регулятором существенно повышает надежность работы газотурбинных двигателей в случаях отказа качающего узла основного насоса и при разрушении его высоконапорных трубопроводов. Введение в систему топливоподачи гидроаккумулятора также способствует такому повышению надежности, т.к. сглаживает пульсации давления топлива, вызываемые как конечным числом плунжеров, так и гидроударами и тем самым способствует устранению динамического нагружения высоконапорных трубопроводов. Кроме того, этим устраняется возможность выключения двигателя из-за нарушения непрерывности топливоподачи за время срабатывания системы переключения.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема устройства в виде "системы подачи топлива в газотурбинных двигателях с форсажными камерами сгорания" по предлагаемому способу. На чертеже отдельно вынесено переключающее устройство в аварийном случае, когда топливоподача к форсункам основных камер сгорания обеспечивается от форсажного насоса, регулируемого подключаемым к нему дополнительным регулятором.

Система подачи топлива по заявленному способу состоит из самолетного топливного бака 1 с магистралями 2 подвода топлива к насосам основному 3 и форсажному 4, приводимым во вращение от роторов газотурбинного двигателя 5 через соответствующие рессоры 6, 7 приводов насосов. Основной насос 3, регулируемый блоком 8 регулятора подачи топлива, гидравлически связан магистралями 9 с датчиком 10 отказа основного насоса, переключающим устройством 11, гидроаккумулятором 12 и через управляемый летчиком дроссельный кран 13 с форсунками 14 основных камер сгорания двигателя. Форсажный насос 4, управляемый блоком 15 регулятора подачи топлива и электрогидравлический устройством 16, связан гидравлически магистралями 17 и каналами переключающего устройства 11 с форсунками 18 форсажной камеры сгорания двигателя. Магистралями 19 перепад давления на дроссельном кране 13 при открытых каналах переключающего устройства 11 подводится к дополнительному регулятору 20 форсажного насоса 4.

Датчик 10 отказа основного насоса кроме гидравлической связи с переключающим устройством 11 связан также и электрически с лампочкой 21 сигнализации отказа основного насоса, электрогидравлическим управляющим устройством 16 и блоком 22 системы управления диаметром сопла 23 двигателя 5 на его форсажном режиме работы.

В нагнетающей магистрали основного насоса на участке между дроссельным краном 13 и переключающим устройством 11 в магистраль 9 включен обратный клапан 24.

Датчик 10 отказа насоса может быть связан с центробежным регулятором основного насоса 3 и выполнен на основе не гидравлически, а механически управляемого концевого выключателя. В этом случае связь датчика 10 будет не гидравлической, как показано на чертеже, а электрической, а само переключающее устройство 11 будет выполнено как электрогидравлический агрегат.

Устройство в виде системы подачи топлива по заявляемому способу работает следующим образом. Для обеспечения работы двигателя топливо из самолетного топливного бака 1 подводится к основному насосу 3. Его блок 8 регулятора подач топлива совместно с управляемым летчиком дроссельным краном 13, на котором можно изменять площадь проходных сечений, обеспечивают насосу подачу и автоматическое регулирование количества топлива, поступающего через открытый обратный клапан 24 по магистралям к форсункам 14 двигателя 5 на всех задаваемых ему режимах работы. При этом включенное в магистрали 9 переключающее устройство 11 не препятствует такой подаче, так как пропускает топливо от своего левого верхнего штуцера к левому нижнему за счет смещения золотника переключающего устройства 11 вправо до своего упора под действием управляющего давления, подводимого к его левому торцу. Объем гидроаккумулятора в таком режиме зарядится определенным количеством топлива под давлением за счет смещения влево его мембраны из-за сжатия газа, которым предварительно под давлением заряжен гидроаккумулятор. Поскольку при этом магистрали 19 будут перекрыты золотником переключающего устройства 11, то дополнительный регулятор 20 форсажного насоса будет отключен от него и будет работать как и у двигателя Р11Ф-300, правда, с несколько измененными параметрами приемистости двигателя за счет наличия включенного гидроаккумулятора 12.

При включении форсажного режима насос 4 также будет переводиться с режима минимальной производительности на задаваемый ему режим и подавать топливо, подводимое к нему магистралью 2 от топливного бака 1, под давлением по магистралям 17 к форсункам 18 форсажной камеры сгорания. Расход топлива будет определяться режимом, заданным блоку 15 регулятора подачи и электрогидравлическому устройству 16. При этом, чтобы сохранить режим работы двигателя (обороты и температуру газа перед турбиной, таким, каким он был до включения форсажа, нужно сохранить на турбине прежний перепад давления. С этой целью блок 22 системы управления диаметром сопла 23 увеличивает площадь его выходного сечения за счет электрической связи с электрогидравлическим устройством 16 блока 8 регулятора подачи топлива. В этом случае дополнительный регулятор 20 форсажного насоса вмешиваться в работу не будет, поскольку магистрали 19 его связи с дроссельным краном 13 перекрыты золотником переключающего устройства 11. Таким образом, и форсажная система подачи топлива при внесенных нами в нее изменениях работает так же, как у прототипа.

В случае отказа основного насоса давление за ним в магистрали 9 падает, что приводит к: а) срабатыванию датчика 10 и подаче электрического сигнала на; зажигание в кабине лампочки 21; отключение через электрогидравлическое устройство 16 блока 15 регулятора подачи топлива форсажного насоса; отключение блока 22 системы управления диаметром сопла, что обеспечит его перевод на минимальный и неизменяемый диаметр; б) закрытию обратного клапана 24 и тем самым: отсечению отказавших магистралей с отказавшим основным насосом; вытеснительной подаче топлива к форсункам 14 из гидроаккумулятора 12, достаточной для работы двигателя за период срабатывания переключающего устройства 11 и подключения через него форсажного насоса 4; в) смещению влево (под действием пружины) золотника переключающего устройства 11 и переходу его в вынесенное на чертеже положение, при котором: отсекается золотником отказавшая аварийная магистраль с неисправными насосом или трубопроводами; через открываемый обратный клапан 24 производится подача топлива к форсункам от форсажного насоса 4;
управляющий перепад давления с дроссельного крана 13 подводится через магистрали 19 к дополнительному регулятору 20, вступающему в работу по поддержанию постоянного перепада давления на дроссельном кране 13, что обеспечивает управление оборотами двигателя и его тягой только за счет изменения проходных сечений управляемого летчиком дроссельного крана 13. Такой регулятор постоянства подачи топлива на основном насосе НР-21Ф двигателя Р11Ф-300 обеспечивает устойчивую работу двигателя от оборотов малого газа до оборотов начала автоматического регулирования, которое составляет величину порядка 85% от максимальных. А на таких оборотах уже можно лететь, что позволит продолжить полет до ближайшего аэродрома и тем самым ликвидировать возникшую аварийную ситуацию.

Включение в топливную систему двигателя переключающего устройства, конструкция которого отработана на примерах известных и широко применяемых в авиации золотниковых переключателей, надежно проявивших себя в ходе эксплуатации, не снизит показателей надежности авиадвигателей и не отразится худшим образом на решаемой изобретением задачи. Конечность времени его срабатывания в переходных режимах переключения с одного насоса на другой, которая может привести к нарушению непрерывности подачи топлива в основные камеры сгорания, обусловила необходимость включения в топливоподающую магистраль гидроаккумулятора, обеспечивающего за счет присущей ему вытеснительной подачи топлива питание им форсунок основных камер сгорания в период переключения.

Оценку его емкости можно произвести, исходя из величины расхода топлива в основные камеры сгорания двигателя на максимальном режиме его работы. Так, например, на прототипе он составляет величину порядка 7000 л/час (1, с. 9) или порядка 2 л/с. При времени переключения 0,1 с. объем топливной камеры гидроаккумулятора должен составлять всего 0,2 л. при 0,5 в 1 л. а при 1 с. (что маловероятно) не более 2 л.

Включение гидроаккумулятора в магистраль перед дроссельным краном изменит несколько характеристики приемистости двигателя. Обычно для перевода двигателя на максимальные обороты допускается перевод рычага управления дроссельным краном с упора малого газа до упора максимала за 1,5 2 с. При этом давление топлива в магистрали 9 перед дроссельным краном 13 падает. При включении гидроаккумулятора 12 в эту магистраль за счет вытеснительной подачи топлива из него темп падения давления в этом случае будет менее резким, и увеличенный из-за этого перепад давления на дроссельном кране приведет к большей подаче топлива в камеру сгорания, способствующей улучшению приемистости. Чтобы исключить возможный при этом заброс температуры газов перед турбиной, не исключено, что экспериментальное подтверждение этого факта может вызвать рекомендацию к несколько увеличенному времени перемещения рычага управления дроссельным краном в кабине.

Приемистость на сброс оборотов связана с резким перекрытием иглой дроссельного крана 13 его проходных сечений. Это вызывает заброс давления перед дроссельным краном из-за явления гидроудара. При наличии в этой магистрали гидроаккумулятора им будет сглаживаться эта тенденция к росту давления, что, повидимому, на такой приемистости не отразится (без экспериментальной проверки здесь не обойтись).

Но кроме приемистости ввод гидроаккумулятора в топливную систему двигателя существенно уменьшит динамическую нагруженность высоконапорных магистралей 9 перед дроссельным краном 13 за счет сглаживания гидроударных пиков давления; пульсаций давления, вызванных конечным числом насосных плунжеров.

Это также способствует повышению надежности работы двигателя, тем самым делая более качественным решение поставленной задачи. Вводимые при этом новые элементы: датчик отказа насоса, гидроаккумулятор (сравнительно небольших размеров), переключающее устройство, дополнительный регулятор, обратный клапан и связывающие их трубопроводы вызовут некоторое увеличение массы топливной системы, что вполне компенсируется надежностью работы двигателя и связанной с этим безопасностью полетов.

Формула изобретения

1. Способ подачи топлива в газотурбинных двигателях с форсажными камерами сгорания, включающий подачу топлива к форсункам основной и форсажной камер сгорания при помощи соответственно регулируемых основного и форсажного насосов по раздельным магистралям со своими управляющими органами в виде соответственно дроссельного и форсажного кранов, отличающийся тем, что при отказе качающего узла основного насоса или разрушении его нагнетающих магистралей отключают по падению давления при помощи переключающего устройства магистраль подачи топлива от основного насоса до переключающего устройства, отключают подачу топлива к форсункам форсажной камеры сгорания и систему управления диаметром реактивного сопла на форсажном режиме работы двигателя, переключают подачу топлива к форсункам основной камеры сгорания через переключающее устройство и дроссельный кран на форсажный насос, который регулируют подключенным через переключающее устройство дополнительным регулятором, причем на период срабатывания переключающего устройства подачу топлива к форсункам основной камеры сгорания осуществляют от гидроаккумулятора.

2. Устройство в виде системы подачи топлива в газотурбинных двигателях с форсажными камерами сгорания, включающей топливный бак, соединенный двумя раздельными магистралями с форсунками основной и форсажной камер сгорания, в которых установлены соответственно основной насос, снабженный блоком регулятора подачи топлива, включающим регулятор постоянства подачи топлива, дроссельный кран и форсажный насос, снабженный блоком регулятора подачи топлива, связанным с электрогидравлическим устройством, и соединенный также с блоком системы управления диаметром реактивного сопла, отличающееся тем, что в нагнетающей магистрали после основного насоса до дроссельного крана установлены последовательно датчик падения давления основного топлива, связанный с электрогидравлическим устройством, обеспечивающим переключение управления форсажным насосом от дополнительного регулятора при отказе основного насоса и блоком системы управления диаметром реактивного сопла, отключаемым при отказе основного насоса,управляемое по сигналам этого датчика или падению давления переключающее устройство, обратный клапан, гидроаккумулятор, а также имеется дополнительный регулятор форсажного насоса, выполненный, например, аналогично имеющемуся в блоке регулятора подачи топлива основного насоса регулятору постоянства подачи, и связанный трубопроводами через переключающее устройство с дроссельным краном, причем переключающее устройство выполнено таким образом, что обеспечивает при исправности основного насоса раздельное соединение нагнетающих магистралей основного и форсажного насосов соответственно с форсунками основной и форсажной камер сгорания и отключение трубопроводов, связывающих дроссельный кран с дополнительным регулятором форсажного насоса, а при отказе основного насоса отключение нагнетающей магистрали основного насоса от форсунок основной камеры сгорания и подключение их к нагнетающей магистрали форсажного насоса, а также трубопроводов, связывающих дроссельный кран с дополнительным регулятором форсажного насоса.

РИСУНКИ

Рисунок 1