Упрощенная схема системы управления подачей топлива (гидромеханическое устройство)

Управление газотурбинным двигателем выполняется посредством замера массового, а не объемного расхода топлива. Причиной этого является то, что тепловая энергия, приходящаяся на единицу массы топлива, не зависит от его температуры, в то время как тепловая энергия, приходящаяся на единицу объёма, меняется с изменением этой температуры. Как известно, по мере того, как температура топлива, подаваемого в двигатель, растет, его объём также увеличивается. По той же причине, если температура топлива снижается, уменьшается и его объём.

Регуляторы подачи топлива обеспечивают такую подачу топлива в камеру сгорания, которая позволяет получить оптимальное соотношение компонентов в смеси «воздух/топливо», равное 15:1 по массе. Это соотношение означает, что 15 единиц массы первичного потока воздуха, подаваемого в камеру сгорания, соответствуют одной единице массы потока подаваемого туда топлива. Как было показано в разделе «В», соотношение «воздух/топливо», равное 15:1 является теоретически идеальным для процесса горения.

Гидромеханические устройства в зависимости от фирмы-производителя двигателя, могут называться, соответственно:

- МЕС (Main Engine Control - Основное Управление Двигателем) - гидромеханический блок управления двигателем. Такое название этого блока используется фирмами CFM (Commercial Fan – CША и Moteurs – Франция) и GE (General Electric – США), поскольку он выполняет функции блока управления топливом и блока управления вспомогательными системами;

- FMU (Fuel Metering Unit – регулятор расхода топлива). Сервоклапаны расположены на индивидуальных приводах регулятора. Такое название используется фирмами PW (Pratt & Whitney – США), IAE (International AeroEngines - совместное предприятие PW(США), RR (Великобритания), JAES (Япония), MTU (Германия) по выпуску двигателей) и некоторых RR (Rolls-Royse – Великобритания);

- HMU (Hydromechanical Unit – гидромеханическое устройство). HMU выполняют больше функций, чем типичное FMU. Сервоклапаны управления гидравлической части системы централизованно размещаются в HMU. Такое название используется фирмами CFM (Commercial Fan – CША и Moteurs – Франция) и GE (General Electric – США);

- FCU (Fuel Control Unit – гидромеханический регулятор подачи топлива).

На рис. 23 изображена упрощенная схема системы управления подачей топлива (гидромеханическое устройство).

Типичный гидромеханический регулятор подачи топлива делится на измерительную и вычислительную части. Измерительная часть состоит из топливного насоса, клапана управления давлением (редукционного клапана), одиночного дозирующего клапана (иглы) и отсечного топливного клапана. С другой стороны, вычислительная часть состоит из регулятора оборотов, который реагирует на положение РУД и частоту вращения двигателя. Дополнительными компонентами являются: сервоклапан, управляющий степенью ускорения и замедления двигателя и два сильфона, которые регулируют расход топлива в соответствии с давлением воздуха на входе в двигатель и давлением в камере сгорания.

Рис. 23. Схема гидромеханического регулятора топлива

Измерительная часть (целью является дозировка необходимого количества топлива в секцию камеры сгорания с требуемым давлением): перемещение рычага отсечки топлива (10) перед циклом запуска открывает клапан отсечки и позволяет топливу поступать в двигатель (рис. 23). Рычаг отсечки необходим, поскольку ограничитель минимального расхода (11) не позволяет главному распределительному клапану когда-либо полностью закрыться. Это конструктивное решение необходимо на случай поломки пружины настройки регулятора или неправильной регулировки стопора малого газа. Полное заднее положение РУДа соответствует позиции МГ рядом со стопором МГ. Это предотвращает РУД от выполнения функций отсечного рычага. Как показано на рисунке, отсечной рычаг также обеспечивает правильное повышение рабочего давления в системе управления топливом во время цикла запуска. Это необходимо для того, чтобы топливо грубой дозировки не попало в двигатель раньше расчетного времени.

Топливо из системы подачи под давлением главного топливного насоса (8) направляется в дроссельный кран (ДК) (4). Топливо дозируется, проходя через отверстие, созданное ДК. Вокруг ДК создается перепад давлений. Для дозировки топлива по массе должен быть установлен постоянный перепад давлений. Для достижения этой цели клапан управления давлением (редукционный клапан - РК) установлен параллельно главному ДК. Конструкция клапана управления давлением идентична конструкции клапана стравливания давления, где клапан, нагруженный пружиной, управляет перепуском топлива обратно на вход в насос. Для создания постоянного перепада давлений вокруг ДК клапан управления давлением (РК) имеет диафрагму, которая воспринимает давление топлива на выходе из насоса с одной стороны и давление дозированного топлива с другой стороны. Т.о. клапан управления давлением (РК) чувствителен к перепаду давлений вокруг ДК и способен сохранять заданный перепад давлений в зависимости от затяжки пружины.

Топливо на пути от дроссельного крана до форсунок считается дозированным.

Принцип дозирования топлива по весу математически обосновываетсяследующим образом:

где: – вес израсходованного топлива, кГ/с;

– коэффициент расхода топлива;

– площадь пропускного сечения главного распределительного клапана;

– перепад давления на дозирующей игле

Рис. 24. Измерительная часть регулятора подачи топлива

Для лучшего понимания функционирования клапана управления давлением (РК) рассмотрим следующий пример: для заданного положения РУД топливный насос подает избыточное количество топлива к распределительному клапану. Однако клапан управления давлением (РК) возвращает избыток топлива обратно на вход насоса для поддержания определенного перепада давлений вокруг дозирующего клапана. Количество топлива, которое возвращается на вход насоса, устанавливается перепадом давлений вокруг дозирующего клапана и постоянной силой затяжки пружины. С увеличением частоты вращения двигателя главный ДК вдавливается, увеличивая проходное сечение. Когда это происходит, давление дозированного топлива увеличивается, в то время как давление недозированного топлива уменьшается. Это уменьшение перепада давлений вокруг ДК заставляет клапан управления давлением (РК) прикрыться, чтобы пропускать меньшее количество топлива в насос. В этих условиях давление недозированного топлива увеличивается до тех пор, пока не установится соответствующий перепад давлений вокруг ДК. Когда перепад давлений восстановится, клапан управления давлением (РК) откроется достаточно, чтобы поддерживать такой же перепад давлений вплоть до увеличения режима.

Вычислительная часть (ответственна за установку в определенное положение дозирующего клапана, чтобы получить соответствующую выходную мощность и управлять темпом (величиной) ускорения или замедления частоты вращения двигателя). Во время работы двигателя (рис. 23) при перемещении РУДа (1) происходит смещение вниз золотника на тяге сервоклапана от воздействия на него чашеобразной детали (шляпки) пружины и сжатие центробежных грузов. При этом база пружины заставляет центробежные грузы сходиться, как при условии низкой скорости вращения ротора турбокомпрессора. Золотник сервоклапана является гидравлическим демпфером, преобразующим порывистые движения в плавные, постоянные (ровные) команды для изменения положения главного дозирующего клапана. Допустим, что множительный рычажный механизм (3) остается неподвижным в это время, тогда ползун сместится вниз по наклонной плоскости и влево. Двигаясь влево, ползун давит на распределительный клапан против силы затяжки его пружины, увеличивая расход топлива двигателя. С увеличением расхода топлива частота вращения ротора двигателя возрастает, увеличивая частоту вращения привода регулятора (5). Новое усилие от вращения центробежных грузов придет в равновесие с силой пружины настройки, когда центробежные грузы примут вертикальное положение. Теперь грузы находятся в позиции готовности к изменению скорости.

Рис. 25. Вычислительная часть регулятора подачи топлива

Центробежные грузики всегда возвращаются в вертикальное положение, чтобы быть готовыми к следующим изменениям загрузки:

а) Условия превышения скорости:

- нагрузка на двигатель уменьшается, и он набирает скорость;

- центробежные грузы расходятся, перекрывая подачу некоторого количества топлива;

- двигатель возвращается к расчетной частоте вращения. Когда центробежные грузы принимают вертикальное положение, сила их действия на пружину уравновешивается величиной затяжки пружины.

б) Условия недобора скорости:

- нагрузка на двигатель увеличивается, и обороты начинают падать;

- центробежные грузы сходятся, увеличивая расход топлива;

- двигатель возвращается к расчетной частоте вращения. Когда центробежные грузы принимают вертикальное положение, сила их действия на пружину уравновешивается величиной затяжки пружины.

в) Перемещение РУДа (вперед):

- пружина настройки сжата, и центробежные грузы сходятся в условиях ложного недобора скорости;

- расход топлива увеличивается, и грузики начинают расходиться, принимая равновесное положение с новой силой затяжки пружины.

Примечание: центробежные грузы не примут первоначальное положение пока РУД не настроен, потому что пружина настройки теперь имеет большую силу затяжки. Это называется статической ошибкой регулятора и определяется небольшой потерей оборотов из-за механизмов системы регулирования.

На многих двигателях статическое давление внутри камер сгорания является показателем массового расхода воздуха. Если известен массовый расход воздуха, отношение «топливо/воздух» может контролироваться более точно. С увеличением давления в камере сгорания (р_b), сильфон, воспринимающий его, расширяется вправо. Избыточное перемещение ограничивается ограничителем давления в камере сгорания (6). Если принять, что тяга сервоклапана остается неподвижной, множительный рычажный механизм сместит ползун влево, открывая ДК для большего расхода топлива в соответствии с увеличившимся массовым расходом воздуха. Это может произойти во время пикирования, которое вызовет увеличение скорости, скоростного напора и массового расхода воздуха.

Другим важным фактором в определении точного соотношения «топливо/воздух» является плотность и/или давление воздуха на входе в двигатель. Для того чтобы сделать систему управления топливом чувствительной к давлению воздуха на входе в двигатель, установлены сильфоны, сообщающиеся с воздухозаборником двигателя. Увеличение давления на входе вызовет расширение сильфона (7), воспринимающего это давление, множительный рычажный механизм сместится влево и ДК откроется больше.

Когда двигатель остановлен, пружина настройки расширяется в двух направлениях, заставляя скользящую крышку подняться к стопору малого газа и отталкивая главный распределительный клапан от ограничителя минимального расхода топлива. Когда двигатель запущен в следующий раз и приближается к оборотам малого газа, центробежные грузы регулятора поддерживают скользящую крышку на стопоре малого газа и также перемещают распределительный клапан к ограничителю минимального расхода.