3. Системы управления подачей топлива

3.1 Главный регулятор расхода топлива и электронные регуляторы

3.1.1 Главный регулятор расхода топлива

Главный регулятор расхода топлива – это агрегат с приводом от двигателя, управляемый механически, гидравлически, электрически или пневматически в различных комбинациях. Целью системы управления топливом является поддержания необходимого соотношения воздух-топливо в топливо - воздушной систем по весу в зоне горения приблизительно равного 15:1. Это соотношение представляет отношение веса первичного воздуха поступающего в камеру сгорания к весу топлива. Иногда используется соотношение топливо-воздух равное 0,067:1. Все топлива требуют определенного количества воздуха для полного сгорания, т.е. богатая или бедная смесь будет сгорать, но не полностью. Идеальной пропорцией для воздуха и реактивного топлива является 15:1, и она называется стехиометрической (химически правильной) смесью. Очень часто можно встретить соотношение воздуха и топлива 60:1. Когда это происходит, автор представляет отношение воздуха к топливу, руководствуясь общим расходом воздуха, а не первичным потоком воздуха поступающего в камеру сгорания. Если первичный поток составляет 25% от общего расхода воздуха, тогда отношение 15:1 составляет 25% от отношения 60:1. В авиационных ГТД происходит переход от богатой смеси к бедной с отношениями 10:1 на разгоне и 22:1 при замедлении. Если двигатель потребляет в зоне горения 25% от общего расхода воздуха, соотношения будут следующие: 48:1 на разгоне и 80:1 при замедлении.

Когда пилот перемещает рычаг управления подачей топлива (РУД) вперед, расход топлива увеличивается. Увеличение расхода топлива влечет за собой увеличение расхода газа в камере сгорания, которое, в свою очередь, повышает уровень мощности двигателя. В ТРД и турбовентиляторных (ТРДД) двигателях это вызывает прирост тяги. В ТВД и турбовальных двигателях это повлечет увеличение выходной мощности ведущего вала. Скорость вращения винта будет либо возрастать, либо оставаться неизменной при увеличивающемся шаге винта (угле установки его лопастей). На рис. 8. представлена диаграмма соотношения компонентов топливо-воздушной систем для типичного авиационного ГТД. На диаграмме указаны соотношение воздух-топливо и частота вращения ротора высокого давления, как ее воспринимает устройство управления расходом топлива с помощью центробежных грузов, регулятора частоты вращения ротора высокого давления.

Рис. 8. Рабочая диаграмма топлива – воздуха [4]

На режиме малого газа 20 частей воздуха в смеси находится на линии статического (устойчивого) состояния, а 15 частей входят в диапазон от 90 до 100% частоты вращения ротора ВД.

По мере выработки ресурса двигателем соотношение воздух-топливо 15:1 будет меняться по мере снижения (ухудшения) эффективности процесса сжатия воздуха. Но для двигателя важно, чтобы оставалась требуемая степень повышения давления, и не возникало срывов потока. Когда степень повышения давления начинает снижаться вследствие выработки двигателем ресурса, загрязнения или повреждения, чтобы восстановить требуемое нормальное значение, увеличивают режим работы, расход топлива и частоту вращения вала компрессора. В результате в камере сгорания получается более богатая смесь. Позже обслуживающий персонал может провести требуемые очистку, ремонт, замену компрессора или турбины, если температура приближается к предельной, (все двигатели имеют свои температурные пределы).

У двигателей с однокаскадным компрессором привод главного регулятора расхода топлива осуществляется от ротора компрессора через коробку приводов. У двух- и трехкаскадных двигателей привод главного регулятора расхода топлива организован от компрессора высокого давления.

3.1.2 Электронные регуляторы

Для автоматического управления соотношением воздух-топливо в систему управления двигателем посылается множество сигналов. Количество этих сигналов зависит от типа двигателя и наличия в его конструкции электронных систем управления. Двигатели последних поколений имеют электронные регуляторы, воспринимающие намного большее число параметров двигателя и самолета, чем гидромеханические устройства двигателей предыдущих поколений.

Ниже приведен список наиболее распространенных сигналов, посылаемых гидромеханической системе управления двигателем:

1. Частота вращения ротора двигателя (N_c) – передаётся системе управления двигателем напрямую от коробки приводов через центробежный топливный регулятор; используется для дозировки топлива, как на установившихся режимах работы двигателя, так и во время разгона/замедления (время разгона большинства авиационных ГТД от малого газа до максимального режима составляет 5…10 с);

2. Давление на входе в двигатель (р_t2) – сигнал полного давления, передаваемый на сильфоны управления топливом от датчика, установленного на входе в двигатель. Этот параметр используется для передачи информации о скорости и высоте полета воздушного судна при изменении условий окружающей среды на входе в двигатель;

3. Давление на выходе из компрессора (р_s4) – статическое давление, передаваемое сильфону гидромеханической системы; используется для учета массового расхода воздуха на выходе из компрессора;

4. Давление в камере сгорания (р_b) – сигнал статического давления для системы управления расходом топлива, используется прямая пропорциональная зависимость между давлением в камере сгорания и весовым расходом воздуха в данной точке двигателя. Если давление в камере сгорания возрастает на 10%, массовый расход воздуха увеличивается на 10%, и сильфоны в камере сгорания будут задавать программу увеличения расхода топлива на 10% для поддержания правильного соотношения "воздух – топливо". Быстрое реагирование на этот сигнал позволяет избежать срывов потока, пламени и заброса температуры;

5. Температура на входе (t_t2) – сигнал полной температуры на входе в двигатель для системы управления расходом топлива. Температурный датчик соединен с системой управления расходом топлива с помощью трубки, которые расширяются и сжимаются в зависимости от температуры воздуха на входе в двигатель. Этот сигнал обеспечивает систему управления двигателем информацией о значении плотности воздуха, на основе которой может быть установлена программа дозировки топлива.

3.2 Упрощенная схема управления расходом топлива (гидромеханическое устройство)

На рис. 9 изображена упрощенная схема системы управления авиационным ГТД. Она дозирует топливо по следующему принципу:

Измерительная часть: перемещение рычага отсечки топлива (10) перед циклом запуска открывает клапан отсечки и позволяет топливу поступать в двигатель (рис. 9.). 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 (дозирующую иглу) (4). В то время как топливо проходит через отверстие, создаваемое конусом клапана, давление начинает падать. Топливо на пути от дроссельного крана до форсунок считается дозированным. Топливо в этом случае дозируется по весу, а не по объему т.к. теплотворная способность (массовая теплотворность) единицы массы топлива является величиной постоянным, несмотря на температуру топлива, в то время как теплотворная способность на единицу объема – нет. Топливо теперь поступает в камеру сгорания, имея корректную дозировку.

Принцип дозирования топлива по весу математически обосновывается следующим образом:

Рис. 9. Схема гидромеханического регулятора топлива [4]

. (13)

где: – вес израсходованного топлива, кГ/с;

– коэффициент расхода топлива;

– площадь пропускного сечения главного распределительного клапана;

– перепад давления на проходном отверстии.

При условии, когда необходима работа только одного двигателя и одного проходного отверстия распределительного клапана будет достаточно, не будет изменений в формуле, потому что падение давления остается величиной постоянной. Но двигатели ВС, должны изменять режимы работы.

При постоянно изменяющемся расхода топлива перепад давления на дозирующей игле сохраняется неизменным, несмотря на размера проходного сечения. Направляя дозированное топливо на пружину диафрагмы гидравлически управляемого дроссельного крана, перепад давлений всегда возвращается к значению величины натяжки пружины. Так как величина затяжки пружины является постоянной, перепад давлений на проходном сечении также будет постоянным.

Чтобы полнее осознать эту концепцию, предположим, что топливный насос всегда поставляет топливо в систему с избытком и редукционный клапан непрерывно возвращает избыток топлива на вход насоса.

ПРИМЕР: Давление недозированного топливо составляет 350 кГ/см²; давление дозированного топлива составляет 295 кГ/см²; величина затяжки пружины – 56 кГ/см². В этом случае давление по обеим сторонам диафрагмы редукционного клапана составляет 350 кГ/см². Дроссельный кран будет находиться в равновесном состоянии, и перепускать избыточное топливо на входе насоса.

Если пилот перемещает РУД вперед, проходное отверстие дроссельного крана будет увеличиваться, как и поток дозированного топлива. Представим, что давление дозированного топлива увеличилось до 300 кГ/см². Это вызвало общее повышение давление до 360 кГ/см²; с обеих сторон диафрагмы клапана, принуждая клапан закрываться. Уменьшившееся количество перепускаемого топлива повлечет рост давление недозированного топлива пока для новой площади пропускного сечения 56 кГ/см²; не будут переустановлены. Это произойдет, потому что возросшая частота вращения повлечет увеличение расхода топлива через насос. Как упоминалось ранее, перепад давлений ΔP будет всегда соответствовать затяжке пружины редукционного клапана с наступлением равновесия в системе.

Вычислительная часть. Во время работы двигателя перемещение РУДа (1) вызывает смещение вниз скользящей крышки пружины вдоль тяги сервоклапана и обжатие пружины настройки. При этом база пружины заставляет центробежные грузы сходиться, как при условии низкой скорости вращения ротора турбокомпрессора. Функцией сервоклапана является предотвращение резкого перемещения дозирующая игла, когда жидкость внутри него смещается снизу вверх. 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.

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 в камере сгорания является полезным показателем массового расхода воздуха. Если известен массовый расход воздуха, отношение воздух – топливо 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 распределительный клапан 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.

Увеличение давления на входе вызовет расширение сильфона (7), воспринимающего это давление, множительный рычажный механизм сместится влево и распределительный клапан 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.

3.3 Гидропневматические системы управления топливом, ТВД PT6 (топливная система Бендикс)

Базовая топливная система состоит из насоса с приводом от двигателя, гидромеханического регулятора подачи топлива, блока управления запуском, двойного топливного коллектора с 14 односторонними (с одним отверстием) топливными форсунками. Два дренажных клапана, находящиеся в корпусе газогенератора обеспечивают дренаж остаточного топлива после останова двигателя (рис. 10).

3.3.1 Топливный насос

Топливный насос 1 – это шестеренный насос объемной подачи с приводом от коробки приводов. Топливо из подкачивающего насоса поступает в топливный насос через входной фильтр 2 на 74 микрона (200 отверстий) и далее в рабочую камеру. Оттуда топливо с высоким давлением направляется в гидромеханический регулятор подачи топлива через выходной фильтр насоса 3 на 10 мк. Если фильтр засорится, возросший перепад давлений преодолеет силу затяжки пружины, поднимет предохранительный клапан с седла и позволит нефильтрованному топливу проходить дальше. предохранительный клапан 4 и центральный канал насоса пропускают нефильтрованное топливо с высоким давлением от шестерней насоса к регулятору подачи топлива, когда заблокирован выходной фильтр. Внутренний канал 5, берущий начало в блоке управления топливом, возвращает перепускное топливо из блока управления топливом на вход насоса, минуя входной фильтр.

3.3.2 Система управления расходом топлива

Система управления топливом состоит из трех отдельных частей с независимыми функциями: гидромеханического регулятора подачи топлива (6), который определяет программу подачи топлива в двигатель на установившийся режиме и при разгоне; блока управления расходом при запуске, действующего как распределитель потока, который направляет дозированное топливо с выхода гидромеханического регулятора к главному топливному коллектору или к первичному и вторичному коллекторам в зависимости от необходимости. Управление воздушным винтом на прямой и обратной тяге осуществляется блоком регулятора, который состоит из секции нормального регулятора воздушного винта (на рис. 10.) и ограничителя максимального частот вращения турбина высокого давления. ограничителя максимального частот вращения турбина высокого давления обеспечивает защиту турбины от заброса оборотов во время нормальной работы. Во время реверсирования тяги регулятор воздушного винта не функционирует и управление скоростью турбины выполняет регулятор турбины высокого давления.

3.3.3 Гидромеханический регулятор подачи топлива

Гидромеханический регулятор подачи топлива установлен на насосе с приводом от двигателя и вращается со скоростью, пропорциональной скорости вращения ротора низкого давления. Гидромеханический регулятор подачи топлива определяет программу подачи топлива в двигатель для создания требуемой мощности и для управления частотой вращения ротора низкого давления. Мощность двигателя напрямую зависит от частоты вращения ротора низкого давления. Гидромеханический регулятор управляет этой частотой и, тем самым, мощностью двигателя. Управление частотой вращения ротора низкого давления осуществляется путем регулирования количества топлива, подаваемого в камеру сгорания.

Измерительная часть. В гидромеханический регулятор топливо поступает под давлением р₁, создаваемым насосом. Расход топлива задается главным дроссельным краном (9) и дозирующую иглу (10). Недозированное топливо под давлением р₁ от насоса подается на вход распределительного клапана. Давление топлива сразу же после распределительного клапана называется давлением дозированного топлива (р₂). Дроссельный кран поддерживает постоянный перепад давлений (р₁ – р₂) на распределительном клапане. Площадь пропускного сечения, дозирующая игла будет изменяться, чтобы удовлетворить особые требования двигателя. Избыток топлива относительно этих требований с выхода топливного насоса будет сливаться через отверстия внутри гидромеханического регулятора и насоса на вход входного фильтра (5). Дозирующая игла состоит из золотника, работающего в полой гильзе. Клапан приводится в действие с помощью диафрагмы и пружины. При работе сила пружины уравновешивается перепадом давлений (р₁-р₂) на диафрагме. Перепускной клапан будет всегда в позиции, обеспечивающей поддержание перепада давлений (р₁-р₂) и для перепуска избыточного топлива.

Предохранительный клапан установлен параллельно перепускному клапану для предотвращения повышения избыточного давления р₁ в гидромеханическом регуляторе. Клапан подпружинен на закрытие и остается закрытым, пока давление р₁ топлива на входе не превысит силу затяжки пружины и не откроет клапан. Клапан закроется как только входное давление уменьшится.

Дроссельный кран 9 состоит из профилированной иглы, работающей в гильзе. Дроссельный кран регулирует расход топлива с помощью изменения площади проходного сечения. Расход топлива является только функцией положения Дозирующая игла, потому что Дроссельный кран поддерживает постоянный перепад давления на проходном сечении независимо от разницы давлений топлива на входе и на выходе.

Компенсацию изменения удельного веса из-за изменений температуры топлива осуществляют биметаллические тарелка под пружиной дроссельный кран.

Пневматическая вычислительная часть. РУД соединен с программным кулачком скорости, который ослабляет внутреннюю тягу с увеличением мощности. Рычаг регулятора вращается вокруг оси и один его конец располагается напротив отверстия, образуя клапан регулятора 13. Рычаг обогащения 14 вращается на одной оси с рычагом регулятора и имеет два удлинения, которые охватывают часть рычага регулятора таким образом, что после некоторого движения зазор между ними закрывается, и оба рычага перемещаются вместе. Рычаг обогащения приводит в движение палец с канавкой, который работает против клапана обогащения. Другая меньшая пружина соединяет рычаг обогащения с рычагом регулятора.

Программный кулачок скорости направляет силу натяжения пружины настройки 15 через промежуточный рычаг, который в свою очередь, передает усилие на закрытие клапана регулятора. Пружина обогащения 16, которая находится между рычагами обогащения и регулятора создает усилие для открытия клапана обогащения.

Во время вращения ведущего вала вращается узел, на котором смонтированы центробежные грузы регулятора. Маленькие рычаги на внутренней стороне грузов соприкасаются с золотником регулятора. С увеличением частоты вращения ротора низкого давления центробежная сила вынуждает грузики оказывать большую нагрузку на золотник. Это заставляет золотник передвигаться по валу наружу, воздействуя на рычаг обогащения. Сила со стороны центробежных грузов преодолевает затяжку пружины, клапан регулятора открывается, а клапан обогащения закрывается.

Клапан обогащения начинает закрываться при любом увеличении частоты вращения ротора низкого давления, достаточном для преодоления центробежными грузами силы затяжки меньшей пружины. Если частота вращения ротора низкого давления продолжает увеличиваться, рычаг обогащения будет продолжать движение, пока не соприкоснется с рычагом регулятора, в этот момент клапан обогащения будет полностью закрыт. Клапан регулятора будет открыт, если частота вращения ротора низкого давления возрастет настолько, чтобы сила тяжести преодолела силу затяжки большей пружины. В этом случае клапан регулятора будет открыт, а клапан обогащения будет закрыт. Клапан обогащения закрывается с увеличением частоты вращения для сохранения рабочего давления воздуха постоянным.

Сильфон. Узел сильфона, рис. 11 состоит из вакуумного сильфона (18) и сильфона регулятора (19), соединенных общей тягой. Вакуумный сильфон обеспечивает измерение полное давление, Сильфон регулятора заключен в корпус узла сильфона и выполняет ту же функцию, что и диафрагма. Перемещение сильфона передается на распределительный клапан 9 перекрестным валом и соответствующими рычагами 20.

Трубка закреплена в литом корпусе с противоположного конца с помощью регулировочной втулки. Поэтому любое вращательное движение перекрестного вала вызовет увеличение или уменьшение силы в торсионе, (трубовидная деталь с высоким сопротивлением кручению). Торсион формирует уплотнение между воздушной и топливной секциями системы. Торсион расположена вдоль узла сильфона для передачи усилия на закрытие распределительного клапана. Сильфон действует против этой силы, чтобы открыть распределительный клапан. Давление р_y подается снаружи на сильфон регулятора. Давление р_x подается изнутри в сильфон регулятора и снаружи вакуумного сильфона.

Для наглядности функционального назначения сильфона регулятора он обозначен на рис. 11 как диафрагма. Давление р_y подается с одной стороны диафрагмы, а р_x с противоположной. Давление р_x также подается на вакуумный сильфон, присоединенный к диафрагме. Нагрузка от давления р_x, действующая противоположно вакуумному сильфону, гасится приложением равного давления в ту же зону диафрагмы но с противоположным направлением.

Все нагрузки от давлений, действующие на часть сильфона могут быть сведены к силам, действующим только на диафрагму. Этими силами являются:

- давление P_y, действующее на всю поверхность верхней части;

- внутреннее давление вакуумного сильфона, действующее на участок нижней поверхности (внутри площади гашения давления);

- давление р_x, действующее на оставшуюся часть поверхности.

Любое изменение давления р_y вызовет большее воздействие на диафрагму, чем такое же изменение давления р_x из-за разницы в площадях воздействия.

Давления р_x и р_y изменяются с изменением условий работы двигателей. Когда оба давления увеличиваются одновременно, например, при разгоне, движение сильфонов вниз вызовет перемещение распределительного клапана влево, в направлении открытия. Когда р_y разгружает клапан регулятора, при достижении желаемой частоты

вращения ротора низкого давления (для регулировки после разгона), сильфон будет двигаться вверх для уменьшения площади проходного сечения распределительного клапана.

Когда оба давления одновременно понижаются, сильфон смещается вверх, уменьшая проходное сечение распределительного клапана, потому что вакуумный сильфон в этом случае действует как пружина. Это происходит во время замедления, когда давление р_у разгружает клапан регулятора, а давление р_х – клапан обогащения, вынуждая распределительный клапан смещаться к ограничителю минимального расхода.

Рис. 10. Гидропневматическая система управления топливом ТВД РТ6

Рис. 11. Функциональная диафрагма блока сильфона [4]

Регулятор турбины высокого давления (N₂). Блок регулятора частоты вращения ротора высокого давления N₂ является частью регулятора частоты вращения воздушного винта. Он воспринимает давление р_у по внутренней пневматической линии 21, идущей от корпуса блока управления топливом к регулятору. В случае заброса оборотов турбины высокого давления под действием центробежных грузов откроется отверстие для перепуска воздуха (22) в блоке регулятора (N₂) для стравливания давления р_у через регулятор. Когда это происходит, давление р_у действует через сильфон системы управления топливом на распределительный клапан так, что он начинает закрываться, уменьшая расход топлива. Уменьшение расхода топлива снижает частоту вращения роторов низкого и высокого давления. Скорость, при которой открывается перепускное отверстие, зависит от параметров настройки рычага управления регулятора винта (22) и возвратного рычага высокого давления 24. Частота вращения турбины высокого давления и частота вращения воздушного винта ограничиваются регулятором N₂.

Блок управления запуском. Блок управления запуском (7)(рис. 12) состоит из корпуса, содержащего полый плунжер (25), работающий внутри полго корпуса. Вращательное движение качалки командного штока 26 преобразуется в линейное перемещение плунжера с помощью механизма реечной передачи. Наладочные пазы обеспечивают рабочие позиции в 45° и 72°. Одна из этих позиций, в зависимости от установки, используется для настройки системы с рычагом в кабине.

Клапан минимального давления (27) находящийся на входе блока управления запуском, поддерживает минимальное давление в блоке для обеспечения расчетной дозировки топлива. К сдвоенным коллекторам, имеющим внутреннюю связь через перепускной клапан (28), подходят два соединения. Этот клапан обеспечивает первоначальное заполнение главного коллектора №1 для запуска и, если давление в блоке будет увеличиваться, перепускной клапан откроется, пропуская топливо во вторичный коллектор №2.

Когда рычаг находится в позиции выключения и разгрузки (0º) (рис. 13, а), подача топлива в оба коллектора блокируется. В это время дренажные отверстия (через отверстие в плунжере) выстраиваются в ряд с «разгрузочным» отверстием и выпускают оставшееся в коллекторах топливо наружу. Это предотвращает закипание топлива и закоксовывание системы при поглощении тепла. Топливо, поступающее в блок управления запуском во время останова двигателя, направляется через перепускное отверстие на вход топливного насоса.

Когда рычаг находится в рабочей позиции (рис. 13, б), выходное отверстие коллектора №1 открыто, а перепускное отверстие заблокировано. Во время разгона двигателя расход топлива и давление в коллекторе будут увеличиваться, пока не откроется перепускной клапан и не станет наполняться коллектор №2. Когда коллектор №2 наполнен, общий расход топлива возрос на количество топлива, перепущенное в систему №2, и двигатель продолжает разгон до малого газа. Когда рычаг перемещен дальше рабочей позиции (45° или 72°) на максимальный упор (90º), блок управления запуском более не влияет на дозировку топлива в двигателе.

Работа системы управления расходом топлива для типичной установки. Работа системы управления топливом разделяется на:

1. Запуск двигателя. Цикл запуска двигателя инициируется перемещением РУДа в положение «малый газ» и рычага управления запуском в положение выключения. Зажигание и стартер включены и, при достижении требуемой частоты вращения ротора НД, рычаг управления запуском перемещается в рабочее положение. Успешное зажигание в нормальных условиях достигается, приблизительно, в течение 10 сек. После успешного зажигания двигатель разгоняется до режима малого газа.

Во время последовательности запуска распределительный клапан системы управления топливом находится в позиции малого расхода. Во время разгона увеличивается давление на выходе из компрессора (Р₃). Р_х и Р_у во время разгона возрастают одновременно (Р_х = Р_у). Увеличение давления воспринимается сильфоном 18, он вынуждает распределительный клапан открываться больше. При достижении ротором НД частоты вращения малого газа усилие от центробежных грузов начинает превосходить силу затяжки пружины регулятора и открывать клапан регулятора 13. Это создает перепад давлений (Р_y - Р_х), что заставляет распределительный клапан закрываться пока не будет достигнут требуемый для работы на малом газе расход топлива.

Любые отклонения частоты вращения ротора двигателя от выбранной (частота малого газа) будут восприниматься центробежными грузами регулятора, в результате усилие, действующее со стороны грузов будет либо увеличиваться, либо уменьшаться. Изменения в силе со стороны центробежных грузов вызовут перемещение клапана регулятора, что впоследствии выразится в изменении расхода топлива для восстановления точной частоты вращения.

Рис. 12. Блок управления запуска [4]

2. Разгон. При перемещении РУДа 12 дальше положения малого газа, увеличивается сила затяжки пружины регулятора. Эта сила преодолевает силу сопротивления со стороны центробежных грузов и перемещает рычаг, закрывая клапан регулятора и открывая клапан обогащения. Давления Р_х и Р_у сразу возрастают и вызывают перемещение распределительного клапана в направлении открытия. Разгон далее является функцией возрастания (Р_х= Р_у).

С увеличением расхода топлива ротор низкого давления будет разгоняться. При достижении им точки расчетной частоты вращения (приблизительно от 70 до 75%) усилие от центробежных грузов преодолевает сопротивление пружины клапана обогащения, и клапан начинает закрываться. Когда клапан обогащения начинает закрываться, давления Р_х и Р_у увеличиваются, вызывая увеличение скорости перемещения сильфона регулятора и распределительного клапана, обеспечивая увеличение частоты вращения в соответствии с программой подачи топлива при разгоне.

При увеличении частот вращения роторов НД и ВД, регулятор винта увеличивает шаг винта для управления работой ротора ВД на выбранной частоте и чтобы принять возросшую мощность как дополнительную тягу. Разгон завершается когда усилие от центробежных грузов снова преодолевает затяжку пружины регулятора и открывает клапан регулятора.

3. Регулировка. После завершения цикла разгона любое отклонение частоты вращения ротора двигателя от выбранной будет восприниматься центробежными грузами и выражаться в увеличении или уменьшении усилия воздействия со стороны грузов. Это изменение будет вынуждать клапан регулятора открываться или закрываться и далее будет выражаться в корректировке расхода топлива, необходимого для восстановления точной частоты вращения. Во время процесса регулировки клапан будет поддерживаться в регулировочной или «плавающей» позиции.

4. Высотная компенсация. В данной системе управления топливом высотная компенсация является автоматической, т.к. вакуумный сильфон 18 обеспечивает базовое значение абсолютного давления. Давление на выходе из компрессора Р₃ является мерой частоты вращения двигателя и плотности воздуха. Р_х пропорционально давлению на выходе из компрессора, оно будет уменьшаться с уменьшением плотности воздуха. Давление воспринимается вакуумным сильфоном, который работает на уменьшение расхода топлива.

5. Замедление. Когда РУД переходит на пониженную позицию, затяжка пружины регулятора уменьшается, позволяя клапану регулятора (13) открываться. Возникающее падение давления Р_у способствует перемещению распределительного клапана в положение закрытия до ограничителя минимального расхода. Этот ограничитель обеспечивает подачу достаточного количества топлива в двигатель для предотвращения срыва пламени. Двигатель будет продолжать замедление, пока сила воздействия со стороны центробежных грузов не снизится до величины, уравновешивающей силу затяжки пружины регулятора в новой регулировочной позиции.

Ограничение мощности турбины. Блок регулятора ротора ВД, являющегося частью регулятора воздушного винта, воспринимает давление Р_у по линии от блока управления топливом. Если происходит заброс оборотов турбины ВД, открывается перепускное отверстие блока регулятора для стравливания давления Р_у через регулятор винта. Понижение давления Р_у вызовет смещение распределительного клапана блока управления топливом в сторону закрытия, уменьшая расход топлива и частоту вращения газогенератора.

7. Останов двигателя. Двигатель останавливается при перемещении рычага блока управления запуском в позицию выключения. Это действие перемещает плунжер, управляемый вручную, в позицию выключения и разгрузки, полностью останавливает расход топлива и сброс остатков топлива из сдвоенного коллектора.

3.4 Система управления расходом топлива типа «Бендикс DP-L2» (гидропневматическое устройство)

Данный гидропневматический регулятор подачи топлива установлен на турбовентиляторном двигателе JT15D (рис. 13).

Топливо подается в регулятор от насоса под давлением (Р₁) на вход дозирующего клапана. Дозирующий клапан, объединенный с перепускным клапаном, необходим для задания расхода топлива. Топливо ниже по потоку сразу после распределительного клапана имеет давление Р₂. Перепускной клапан поддерживает постоянный перепад давлений (Р₁-Р₂).

Элементы/функции:

- входное топливо – поступает из топливного бака;

- фильтр – имеет грубую сетку, саморазгружающийся;

- шестеренный насос – подает топливо с давлением Р_1;

- фильтр – имеет сетку с малым шагом, (фильтр тонкой очисткой);

- предохранительный клапан – предотвращает повышение давления Р₁ избыточного топлива на выходе из насоса и помогает регулятору перепада давлений во время быстрого замедления;

- регулятор перепада давлений - гидравлический механизм, который перепускает лишнее топливо (Р₀) и удерживает постоянный перепад давлений (Р₁- Р₂) вокруг распределительного клапана.

- биметаллические диски температуры топлива – автоматически компенсируют изменения удельного веса изменением температуры топлива; могут быть отрегулированы вручную для других значений удельного веса топлива или применения других видов топлива;

- Дозирующий клапан – дозирует топливо с давлением Р₂ в топливные форсунки; позиционируется с помощью торсиона, соединяющей сильфон с дозирующую иглу;

- Ограничитель минимального расхода – предотвращает полное закрытие распределительного клапана во время замедления;

- Ограничитель максимального расхода – устанавливает максимальную частоту вращения ротора по предельному значению двигателя;

- блок сдвоенного сильфона – сильфон регулятора воспринимает давления Р_х и Р_у, позиционирует механическую передачи, изменяет программу подачи топлива и частоту вращения двигателя. Сильфон замедления расширяется до своего упора, когда давление Р_у уменьшается, для уменьшения частоты вращения двигателя;

- температурный датчик – биметаллические диски воспринимают температуру на входе в двигатель Т₂ для управления давлением сильфона Р_х;

- клапан обогащения – принимает давление компрессора Р_с и контролирует давления блока сдвоенного сильфона Р_х и Р_у; закрывается с увеличением частоты вращения для поддержания приблизительно одинакового рабочего давления;

- регулятор ротора ВД – центробежные грузы отжимаются под действием центробежной силы при повышении частоты вращения ротора; это изменяет давление Р_у;

- РУД – создает нагрузку для позиционирования регулятора.

Функция управления:

- Топливный насос подает недозированное топливо с давлением Р₁ в регулятор подачи.

- Давление Р падает вокруг проходного отверстия распределительного клапана таким же образом, как было описано ранее в упрощенной схеме гидромеханического регулятора подачи топлива (рис. 9). Давление Р₁ превращается в Р₂, которое подается в двигатель и влияет на работу редукционного клапана, который здесь называется регулятором перепада давлений.

- Топливо, перепускаемое обратно на вход насоса, маркируется как Р₀. Жиклер поддерживает давление Р₀ большим, чем давление топлива на входе в насос.

Рис. 13. Гидропневматический топливный регулятор Бендикс DP-L, установленный на турбовентиляторном двигателе Pratt & Whitney of Canada JT-15 [4]

- В пневматическую секцию подается давление с выхода компрессора Р_с. После изменения оно превращается в давления Р_х и Р_у, которые позиционируют главный распределительный клапан.

- Топливо, перепускаемое обратно на вход насоса, маркируется как Р₀. Жиклер поддерживает давление Р₀ большим, чем давление топлива на входе в насос.

- В пневматическую секцию подается давление с выхода компрессора Р_с. После изменения оно превращается в давления Р_х и Р_у, которые позиционируют главный распределительный клапан.

- Когда РУД перемещен вперед:

а) центробежные грузы сходятся, и сила затяжки пружины настройки оказывается больше сопротивления грузов;

б) клапан регулятора прекращает перепуск Р_у;

в) клапан обогащения начинает закрываться, уменьшая Р_с (при закрытом клапане перепуска Р_у, не требуется такое большое давление);

г) Р_х и Р_у уравновешиваются на поверхностях регулятора;

д) Р_у давление становится преобладающим (рис. 11), вакуумный сильфон и тяга сильфона регулятора смещены вниз; диафрагма допускает такое перемещение;

е) Механическая передачи поворачивается против часовой стрелки и главный распределительный клапан открывается;

ё) с увеличением частоты вращения двигателя центробежные грузы расходятся, и клапан регулятора открывается для перепуска Р_у;

ж) Клапан обогащения вновь открывается и давление Р_х возрастает до величины давления Р_у;

з) Понижение давления Р_у способствует движению в обратном направлении сильфона регулятора и тяги;

и) торсион поворачивается по часовой стрелке для уменьшения расхода топлива и стабилизации частоты вращения ротора двигателя.

- Когда РУД затормаживается на стопоре малого газа:

а) центробежные грузы отжимаются, из-за высокой частоты вращения усилие от грузов больше затяжки пружины настройки;

б) Клапан регулятора, открываясь, стравливает давление Р_у, предохранительный клапан так же обжат для стравливания дополнительного давления Р_у;

в) Клапан обогащения открывается, пропуская воздух с возросшим давлением Р_х;

г) Давление Р_х способствует расширению регулятора и сильфона замедления до упора, тяга регулятора также поднимается вверх, и главный распределительный клапан начинает закрываться;

д) давление Р_х понижается с уменьшением частоты вращения ротора двигателя, но вакуумный сильфон удерживает тягу регулятора в верхнем положении;

е) Когда частота вращения снизится, центробежные грузы сойдутся, закрывая перепуск воздуха с давлением Р_у и предохранительный клапан;

ё) Клапан обогащения также начинает закрываться, давление Р_у возрастает по отношению к Р_х;

ж) сильфон замедления смещается вниз, распределительный клапан немного приоткрывается, частота вращения ротора стабилизируется.

- Когда повышается температура наружного воздуха при любом фиксированном положении РУДа:

а) Датчик Т₁₂ расширяется для уменьшения перепуска воздуха с давлением Р_х и его стабилизации при низком давлении Р_с , при этом сохраняется положение вакуумного сильфона и поддерживается заданная программа разгона; т.о. время разгона от режима малого газа до взлетного остается одинаковым как при повышенной температуре наружного воздуха, так и при пониженной.