Aircraft: Turbine Engine Fuel System
El sistema de combustible es uno de los aspectos más complejos del motor de turbina de gas. Debe ser posible aumentar o disminuir la potencia a voluntad para obtener el empuje requerido para cualquier condición de operación.
En los aviones propulsados por turbinas, este control se proporciona variando el flujo de combustible a las cámaras de combustión. Sin embargo, algunos aviones turbohélice también usan hélices de paso variable; por lo tanto, la selección de empuje es compartida por dos variables controlables, el flujo de combustible y el ángulo de la pala de la hélice.
La cantidad de combustible suministrada debe ajustarse automáticamente para corregir los cambios en la temperatura o presión ambiental. Si la cantidad de combustible se vuelve excesiva en relación con la masa de flujo de aire a través del motor, se puede exceder la temperatura límite de los álabes de la turbina, o se producirá la parada del compresor y una condición denominada explosión rica.
La explosión rica ocurre cuando la cantidad de oxígeno en el suministro de aire es insuficiente para soportar la combustión y cuando el exceso de combustible enfría la mezcla por debajo de la temperatura de combustión. El otro extremo, el apagado de llama pobre, ocurre si la cantidad de combustible se reduce proporcionalmente por debajo de la cantidad de aire. El motor debe operar a través de la aceleración y desaceleración sin ningún problema relacionado con el control de combustible.
El sistema de combustible debe entregar combustible a las cámaras de combustión no solo en la cantidad adecuada, sino también en las condiciones adecuadas para una combustión satisfactoria. Las boquillas de combustible forman parte del sistema de combustible y atomizan o vaporizan el combustible para que se encienda y se queme eficientemente. El sistema de combustible también debe suministrar combustible para que el motor pueda arrancar fácilmente en tierra y en el aire.
Esto significa que el combustible debe inyectarse en las cámaras de combustión en una condición combustible durante el arranque del motor y que la combustión debe mantenerse mientras el motor acelera a su velocidad normal de ralentí.
Otra condición crítica a la que debe responder el sistema de combustible se produce durante una aceleración rápida. Cuando se acelera el motor, se debe suministrar a la turbina más energía de la necesaria para mantener constantes las rpm.
Sin embargo Los motores turbofan, turbojet, turboshaft y turbohélice están equipados con una unidad de control de combustible que satisface automáticamente los requisitos del motor. Aunque los requisitos básicos se aplican generalmente a todos los motores de turbina de gas, la forma en que los controles de combustible individuales satisfacen estas necesidades no puede generalizarse convenientemente.
Controles de combustible de turbina - Turbine Fuel Controls
Los controles de combustible de los motores de turbinas de gas se pueden dividir en tres grupos básicos: 1. Hidromecánicos 2. Hidromecánicos/electrónicos 3. Control digital de autoridad total del motor (o electrónico) (FADEC).
El control de combustible hidromecánico/electrónico es un híbrido de los dos tipos de control de combustible, pero puede funcionar únicamente como un control hidromecánico. En el modo dual, las entradas y salidas son electrónicas y el flujo de combustible se establece mediante servomotores. El tercer tipo, FADEC, utiliza sensores electrónicos para sus entradas y controla el flujo de combustible con salidas electrónicas. El control tipo FADEC le da al controlador electrónico (computadora) un control completo.
La sección de computación del sistema FADEC depende completamente de las entradas del sensor al control electrónico del motor (EEC) para medir el flujo de combustible. El dispositivo de medición de combustible mide el combustible usando solo salidas del EEC. La mayoría de los controles de combustible de las turbinas van rápidamente al tipo de control FADEC. Este control de combustible controlado electrónicamente es muy preciso en la programación del combustible al detectar muchos de los parámetros del motor.
Independientemente del tipo, todos los controles de combustible cumplen esencialmente la misma función. Esa función es programar el flujo de combustible para que coincida con la potencia requerida por el piloto. Algunos detectan más variables del motor que otros. El control de combustible puede detectar muchas entradas diferentes, como la posición de la palanca de potencia, las rpm del motor para cada carrete, la presión y temperatura de entrada del compresor, la presión del quemador, la presión de descarga del compresor y muchos más parámetros según lo necesite el motor específico.
Estas variables afectan la cantidad de empuje que produce un motor para un flujo de combustible dado. Al detectar estos parámetros, el control de combustible tiene una imagen clara de lo que sucede en el motor y puede ajustar el flujo de combustible según sea necesario. Cada tipo de motor de turbina tiene sus propias necesidades específicas de suministro y control de combustible.
Control hidromecánico de combustible - Hydromechanical Fuel Control
Se usaron controles de combustible hidromecánicos y todavía se usan en muchos motores, pero su uso se está volviendo limitado dando paso a controles electrónicos. Los controles de combustible tienen dos secciones, informática y medición, para proporcionar el flujo de combustible correcto para el motor. Un control de combustible hidromecánico puro no tiene una interfaz electrónica que ayude a calcular o medir el flujo de combustible. Generalmente también es impulsado por el tren de engranajes del generador de gas del motor para detectar la velocidad del motor.
Otros parámetros mecánicos del motor que se detectan son la presión de descarga del compresor, la presión del quemador, la temperatura de escape y la temperatura y presión del aire de entrada. Una vez que la sección de computación determina la cantidad correcta de flujo de combustible, la sección de medición a través de levas y servoválvulas entrega el combustible al sistema de combustible del motor.
Los procedimientos operativos reales para un control de combustible hidromecánico son muy complicados y aún así la medición de combustible no es tan precisa como con un tipo de interfaz o control electrónico. Los controles electrónicos pueden recibir más entradas con mayor precisión que los controles hidromecánicos.
Los primeros controles electrónicos usaban un control hidromecánico con un sistema electrónico agregado al sistema para ajustar la medición del combustible. Este arreglo también utilizó el sistema hidromecánico como respaldo si fallaba el sistema electrónico.
Los primeros controles electrónicos usaban un control hidromecánico con un sistema electrónico agregado al sistema para ajustar la medición del combustible. Este arreglo también utilizó el sistema hidromecánico como respaldo si fallaba el sistema electrónico.
Los primeros controles electrónicos usaban un control hidromecánico con un sistema electrónico agregado al sistema para ajustar la medición del combustible. Este arreglo también utilizó el sistema hidromecánico como respaldo si fallaba el sistema electrónico.
Control de combustible hidromecánico/electrónico - Hydromechanical/Electronic Fuel Control
La adición del control electrónico al control de combustible hidromecánico básico fue el siguiente paso en el desarrollo de controles de combustible para motores de turbina. Generalmente, este tipo de sistema usaba un EEC ubicado remotamente para ajustar el flujo de combustible. En la siguiente información se explica una descripción de un sistema típico.
La función básica del sistema de combustible del motor es presurizar el combustible, medir el flujo de combustible y entregar combustible atomizado a la sección de combustión del motor. El flujo de combustible está controlado por un conjunto de control de combustible hidromecánico, que contiene una sección de corte de combustible y una sección de medición de combustible.
Esta unidad de control de combustible a veces se monta en el conjunto de la bomba de combustible de paletas. Proporciona la conexión de la palanca de potencia y la función de corte de combustible. La unidad brinda protección mecánica contra sobrevelocidad para el carrete del generador de gas durante la operación normal del motor (modo automático). En modo automático, el EEC tiene el control de medir el combustible. En modo manual, el control hidromecánico toma el relevo.
Durante el funcionamiento normal del motor, una unidad electrónica de control de combustible (EFCU) montada de forma remota (igual que un EEC) realiza las funciones de ajuste de empuje, control de velocidad y aceleración, y limitación de desaceleración a través de las salidas de la EFCU al conjunto de control de combustible en respuesta a las entradas de la palanca de potencia.
En caso de falla eléctrica o de la EFCU, o a opción del piloto, el conjunto de control de combustible funciona en modo manual para permitir la operación del motor a potencia reducida bajo el control de la parte hidromecánica del controlador únicamente.
El sistema total de control y combustible del motor consta de los siguientes componentes y proporciona las funciones que se indican:
1. El conjunto de la bomba de combustible de paletas es una bomba de combustible de desplazamiento fijo que proporciona combustible a alta presión al sistema de control de combustible del motor.
2. La válvula de derivación del filtro en la bomba de combustible permite que el combustible pase por alto el filtro de combustible cuando la caída de presión a través del filtro de combustible es excesiva. Un indicador de presión diferencial integral señala visualmente una condición de presión diferencial excesiva antes de que ocurra la derivación, extendiendo un pasador desde la taza del filtro de combustible. El flujo de descarga de la bomba de combustible en exceso del requerido por el conjunto de control de combustible se devuelve desde el control a la bomba entre etapas.
3. El conjunto de control de combustible hidromecánico proporciona la función de medición de combustible de la EFCU.
El combustible se suministra al control de combustible a través de una pantalla de filtro de entrada de 200 micras y se dosifica al motor mediante la válvula dosificadora servoaccionada. Es un dispositivo de relación flujo de combustible/presión de descarga del compresor (Wf/P3) que posiciona la válvula dosificadora en respuesta a la presión de descarga del compresor del motor (P3).
El diferencial de presión de combustible a través de la servoválvula se mantiene mediante la válvula de derivación servoaccionada en respuesta a los comandos de la EFCU. La válvula solenoide de modo manual se energiza en el modo automático. El modo automático restringe la operación del gobernador de velocidad mecánico.
Está restringida a un único ajuste del regulador de sobrevelocidad por encima del rango de velocidad controlado electrónicamente. La desactivación de la válvula de modo manual permite que el gobernador de velocidad mecánico funcione como un gobernador de todas las velocidades en respuesta al ángulo de la palanca de potencia (PLA).
El sistema de control de combustible incluye un motor de torque sensible de baja potencia que puede activarse para aumentar o disminuir el flujo de combustible en el modo automático (modo EFCU). El motor de torque proporciona una interfaz a una unidad de control electrónico que detecta varios parámetros ambientales y del motor y activa el motor de torque para medir el flujo de combustible en consecuencia.
Este motor de torque proporciona conversión electromecánica de una señal eléctrica de la EFCU. La corriente del motor torque es cero en el modo manual, lo que establece una relación Wf/P3 fija. Este motor de torque proporciona conversión electromecánica de una señal eléctrica de la EFCU.
La corriente del motor torque es cero en el modo manual, lo que establece una relación Wf/P3 fija. Este motor de torque proporciona conversión electromecánica de una señal eléctrica de la EFCU. La corriente del motor torque es cero en el modo manual, lo que establece una relación Wf/P3 fija.
Esta relación Wf/P3 fija es tal que el motor funciona sin sobrecargas y es capaz de producir un empuje mínimo del 90 por ciento hasta 30,000 pies para este sistema de ejemplo. Todo el control de velocidad del carrete de alta presión (generador de gas) se logra mediante el gobernador de contrapeso. El gobernador de contrapeso modula un servo neumático, consistente con el punto de ajuste de velocidad determinado por la configuración del ángulo de la palanca de potencia (PLA).
El servo neumático logra la modulación de la relación Wf/P3 para gobernar la velocidad del generador de gas purgando el P3 que actúa sobre el servo de la válvula dosificadora. La válvula limitadora P3 purga la presión P3 que actúa en el servo de la válvula dosificadora cuando se encuentran límites estructurales del motor en cualquiera de los modos de control.
La válvula solenoide de enriquecimiento de combustible de arranque proporciona un flujo de combustible adicional en paralelo con la válvula dosificadora cuando se requiere para el arranque en frío del motor o los reinicios en altitud.
La válvula es energizada por la EFCU cuando se requiere enriquecimiento. Siempre está desenergizado en el modo manual para evitar la operación de sub-ralentí a gran altitud. Ubicadas aguas abajo de la válvula dosificadora se encuentran las válvulas de cierre manual y de presurización. La válvula de cierre es una unidad giratoria conectada a la palanca de potencia.
Permite al piloto dirigir manualmente el combustible al motor. La válvula de presurización actúa como restrictor de descarga al control hidromecánico. Funciona para mantener presiones operativas mínimas durante todo el control. La válvula de presurización también proporciona un cierre de combustible hermético a las boquillas de combustible del motor cuando la válvula manual está cerrada.
4. El conjunto de válvula de drenaje y divisor de flujo proporciona combustible a las boquillas de combustible primaria y secundaria del motor. Drena las boquillas y los colectores al apagar el motor. También incorpora un solenoide integral para modificar el flujo de combustible para condiciones de arranque en frío.
Durante el arranque del motor, el divisor de flujo dirige todo el flujo a través de las boquillas primarias. Después del arranque, a medida que aumenta la demanda de combustible del motor, la válvula divisora de flujo se abre para permitir que funcionen las boquillas secundarias.
Durante toda la operación del motor en estado estable, tanto las boquillas primarias como las secundarias hacen fluir combustible. Una pantalla de 74 micras con derivación automática está ubicada debajo del accesorio de entrada de combustible y proporciona una última oportunidad de filtración del combustible antes de las boquillas de combustible.
5. El conjunto del múltiple de combustible es un conjunto combinado que consta de múltiples principales y secundarios y los conjuntos de boquillas de combustible.
Doce boquillas de combustible dirigen el combustible primario y secundario a través de las boquillas, lo que hace que el combustible se arremoline y forme un rocío finamente atomizado. El conjunto del colector proporciona enrutamiento y atomización del combustible para garantizar una combustión adecuada.
El sistema EEC consta del control de combustible hidromecánico, la EFCU y el potenciómetro de ángulo de la palanca de potencia montado en la aeronave. Las señales de control generadas por la aeronave incluyen la presión de entrada, la presión diferencial de la corriente de aire y la temperatura de entrada, además de la selección del piloto de modo manual o automático para la operación de la EFCU.
Las señales de control generadas por el motor incluyen la velocidad del carrete del ventilador, la velocidad del carrete del generador de gas, la temperatura interna de la turbina, la temperatura de descarga del ventilador y la presión de descarga del compresor. Las señales de control generadas por la aeronave y el motor se dirigen a la EFCU donde se interpretan estas señales. El potenciómetro PLA está montado en el avión en el cuadrante del acelerador.
El potenciómetro PLA transmite una señal eléctrica a la EFCU, que representa la demanda de empuje del motor en relación con la posición del acelerador. Si la EFCU determina que se requiere un cambio de energía, ordena al motor de torsión que module la presión diferencial en el sensor de cabeza.
Este cambio en la presión diferencial hace que la válvula dosificadora se mueva, variando el flujo de combustible al motor según sea necesario. La EFCU recibe señales eléctricas que representan las variables de funcionamiento del motor. También recibe una señal iniciada por el piloto (por la posición de la palanca de potencia) que representa la demanda de empuje del motor.
La EFCU calcula las señales de salida eléctrica para que las use el control de combustible del motor para programar el funcionamiento del motor dentro de límites predeterminados. La EFCU está programada para reconocer los límites operativos predeterminados del motor y para calcular las señales de salida de modo que estos límites operativos no se excedan. La EFCU está ubicada de forma remota y montada en el fuselaje. Se proporciona una interfaz entre la EFCU y la aeronave/motor a través del conjunto de arnés de cableado ramificado. Este cambio en la presión diferencial hace que la válvula dosificadora se mueva, variando el flujo de combustible al motor según sea necesario.
La EFCU recibe señales eléctricas que representan las variables de funcionamiento del motor. También recibe una señal iniciada por el piloto (por la posición de la palanca de potencia) que representa la demanda de empuje del motor. La EFCU calcula las señales de salida eléctrica para que las use el control de combustible del motor para programar el funcionamiento del motor dentro de límites predeterminados.
La EFCU está programada para reconocer los límites operativos predeterminados del motor y para calcular las señales de salida de modo que estos límites operativos no se excedan. La EFCU está ubicada de forma remota y montada en el fuselaje. Se proporciona una interfaz entre la EFCU y la aeronave/motor a través del conjunto de arnés de cableado ramificado. Este cambio en la presión diferencial hace que la válvula dosificadora se mueva, variando el flujo de combustible al motor según sea necesario.
La EFCU recibe señales eléctricas que representan las variables de funcionamiento del motor. También recibe una señal iniciada por el piloto (por la posición de la palanca de potencia) que representa la demanda de empuje del motor.
La EFCU calcula las señales de salida eléctrica para que las use el control de combustible del motor para programar el funcionamiento del motor dentro de límites predeterminados. La EFCU está programada para reconocer los límites operativos predeterminados del motor y para calcular las señales de salida de modo que estos límites operativos no se excedan.
La EFCU está ubicada de forma remota y montada en el fuselaje. Se proporciona una interfaz entre la EFCU y la aeronave/motor a través del conjunto de arnés de cableado ramificado. La EFCU recibe señales eléctricas que representan las variables de funcionamiento del motor.
También recibe una señal iniciada por el piloto (por la posición de la palanca de potencia) que representa la demanda de empuje del motor. La EFCU calcula las señales de salida eléctrica para que las use el control de combustible del motor para programar el funcionamiento del motor dentro de límites predeterminados.
La EFCU está programada para reconocer los límites operativos predeterminados del motor y para calcular las señales de salida de modo que estos límites operativos no se excedan. La EFCU está ubicada de forma remota y montada en el fuselaje.
Se proporciona una interfaz entre la EFCU y la aeronave/motor a través del conjunto de arnés de cableado ramificado. La EFCU recibe señales eléctricas que representan las variables de funcionamiento del motor. También recibe una señal iniciada por el piloto (por la posición de la palanca de potencia) que representa la demanda de empuje del motor.
La EFCU calcula las señales de salida eléctrica para que las use el control de combustible del motor para programar el funcionamiento del motor dentro de límites predeterminados. La EFCU está programada para reconocer los límites operativos predeterminados del motor y para calcular las señales de salida de modo que estos límites operativos no se excedan. La EFCU está ubicada de forma remota y montada en el fuselaje. Se proporciona una interfaz entre la EFCU y la aeronave/motor a través del conjunto de arnés de cableado ramificado.
La EFCU calcula las señales de salida eléctrica para que las use el control de combustible del motor para programar el funcionamiento del motor dentro de límites predeterminados. La EFCU está programada para reconocer los límites operativos predeterminados del motor y para calcular las señales de salida de modo que estos límites operativos no se excedan. La EFCU está ubicada de forma remota y montada en el fuselaje. Se proporciona una interfaz entre la EFCU y la aeronave/motor a través del conjunto de arnés de cableado ramificado.
La EFCU calcula las señales de salida eléctrica para que las use el control de combustible del motor para programar el funcionamiento del motor dentro de límites predeterminados. La EFCU está programada para reconocer los límites operativos predeterminados del motor y para calcular las señales de salida de modo que estos límites operativos no se excedan. La EFCU está ubicada de forma remota y montada en el fuselaje. Se proporciona una interfaz entre la EFCU y la aeronave/motor a través del conjunto de arnés de cableado ramificado.
Sistemas de control de combustible FADEC
Se ha desarrollado un control electrónico digital de autoridad completa (FADEC) para controlar el flujo de combustible en la mayoría de los nuevos modelos de motores de turbina. Un verdadero sistema FADEC no tiene un sistema de respaldo de control de combustible hidromecánico. El sistema utiliza sensores electrónicos que envían información de parámetros del motor al EEC.
El EEC recopila la información necesaria para determinar la cantidad de flujo de combustible y la transmite a una válvula dosificadora de combustible. La válvula dosificadora de combustible simplemente reacciona a los comandos del EEC.
El EEC es una computadora que es la sección de computación del sistema de suministro de combustible y la válvula dosificadora mide el flujo de combustible. Los sistemas FADEC se utilizan en muchos tipos de motores de turbina, desde APU hasta los motores de propulsión más grandes.
FADEC para una Unidad de Potencia Auxiliar
Un motor APU utiliza el sistema de combustible de la aeronave para suministrar combustible al control de combustible. Se puede usar una bomba de refuerzo eléctrica para suministrar combustible bajo presión al control. El combustible generalmente pasa a través de una válvula de cierre del avión que está conectada al sistema de detección/extinción de incendios.
También se puede usar un filtro de combustible en línea proporcionado por la aeronave. El combustible que ingresa a la unidad de control de combustible primero pasa a través de un filtro de 10 micrones. Si el filtro se contamina, la caída de presión resultante abre la válvula de derivación del filtro y luego se suministra combustible sin filtrar a la APU.
En la figura se muestra una bomba con un tapón de acceso a la presión de entrada para que se pueda instalar un manómetro de combustible para solucionar problemas. Luego, el combustible ingresa a una bomba de engranajes de desplazamiento positivo. Al descargarse de la bomba, el combustible pasa a través de un tamiz de 70 micras.
La pantalla se instala en este punto para filtrar cualquier residuo de desgaste que pueda descargarse del elemento de la bomba. Desde la pantalla, el combustible se ramifica hacia la válvula dosificadora, la válvula de presión diferencial y la válvula de alivio final. También se muestra en este punto un tapón de acceso a la presión de descarga de la bomba, otro punto donde se puede instalar un manómetro.
Motor de propulsión de control de combustible FADEC
Muchos grandes motores turboventiladores de derivación alta utilizan el tipo de sistema de control de combustible FADEC. El EEC es el componente principal del sistema de control de combustible del motor FADEC. El EEC es una computadora que controla el funcionamiento del motor.
La carcasa del EEC contiene dos canales electrónicos (dos computadoras separadas) que están físicamente separados internamente y se enfrían naturalmente por convección. El EEC generalmente se coloca en un área de la góndola del motor que se enfría durante el funcionamiento del motor. Se conecta a la caja del ventilador inferior izquierda con soportes amortiguadores.
Operación del sistema de combustible
La bomba de combustible recibe combustible del sistema de combustible del avión. La etapa de refuerzo de baja presión de la bomba presuriza el combustible y lo envía al enfriador de combustible/aceite (FOC). El combustible fluye desde el FOC, a través del elemento del filtro de la bomba de combustible y luego a la etapa principal de alta presión de la bomba.
La etapa principal de alta presión aumenta la presión del combustible y la envía a la unidad de medición de combustible (FMU). También suministra servocombustible al calentador de servocombustible y a los componentes del motor. El combustible para la combustión (combustible medido) pasa por el transmisor de flujo de combustible a la válvula de distribución.
La válvula de distribución de combustible suministra combustible medido a los colectores de suministro de combustible. Los inyectores de combustible obtienen el combustible medido de los colectores de suministro de combustible y rocían el combustible en el motor para la combustión.
La carcasa de la bomba de combustible contiene un elemento de filtro de combustible desechable. El interruptor de presión diferencial del filtro de combustible envía una señal al EEC que indica una condición de filtro casi obstruido. El combustible sin filtrar puede pasar por alto el elemento del filtro si el elemento se obstruye.