Brevet FR2083299A1 — publié le 19711217

La présente invention concerne d'une façon générale les servomécanismes et plus particulièrement un calculateur de pression ou un servomécanisme pour déterminer la pression de refoulement du compresseur d'un moteur à turbine à gaz et pour 5 produire un signal de commande proportionnel à cette pression de refoulement. Le servomécanisme produit un signal sortant sous la forme d'un mouvement proportionnel à la pression de refoulement du compresseur pour un piston actionné hydrauliquement» Ce piston de commande peut être utilisé, par exemple, pour positionner 10 différents dispositifs mobiles de commande associés au moteur à turbine à gaz, tels qu'une tuyère d"éjection ou de propulsion à section variable ou des ailettes de distributeur à section variable ou pour régler le débit de carburant de combustion principale ou pour régler le débit du carburant de combustion 15 d'augmentation de la poussée» Les turboréacteurs actuellement construits comprennent un compresseur, un système de combustion, une turbine, un conduit d'éjection et une tuyère d'éjection à section variable» L'air pénètre par une ouverture d'entrée d'air et il est comprimé par 20 le compresseur pour la combustion d'un carburant de grande énergie dans le système de combustion primaire, les gaz de combustion effectuant un travail par détente à travers la turbine et échappant finalement à travers la tuyère d'échappement, afin que l'énergie des gaz assure la poussée de propulsion de l'aéronef 25 équipé de ce moteur. Pendant un temps court nécessitant une poussée importante, un système de combustion augmentateur de poussée peut être mis en marche dans le conduit d'échappement pour la combustion de carburant supplémentaire avant l'échappement à travers la tuyère d'échappement» 30 De nombreux paramètres de fonctionnement des turboréacteurs classiques dépendant de la pression des gaz sortant du compresseur» Par exemple, la quantité de carburant envoyée au système principal de combustion et la quantité de carburant envoyée au système de combustion pour augmentation 35 de la poussée dépendent à certain moment de la pression de l'air à la sortie du compresseur. Il est par suite désirable de disposer d'un appareil détecteur léger, simple et sûr pour calculer la pression réelle à la sortie du compresseur et pour produire un signal de commande pour moduler n'importe lequel des paramètres 40 mentionnés. 71 03473 2 20832W La présente invention a pour objet un servomécanisme simple, léger et sûr pour calculer la pression à 1*échappement d'un compresseur et pour produire un signal de commande pour au moins un paramètre de fonctionnement» 5 D'une façon générale, l'invention concerne un servo mécanisme utilisant un ajutage à jet de carburant d'asservissement comme milieu de commandée Un arbre d'entrée situé dans le mécanisme commande la position de l'ajutage à jet qui envoie du carburant d'un côté ou de l'autre d'un piston de commande. 10 Les forces du couple exercé sur l'arbre d'entrée sont fournies par un soufflet qui détecte la pression à l'échappement du compresseur et par une force de réaction produite par un ressort couplé à une extrémité du piston de commande. Le servomécanisme fonctionne en système à forces équilibrées quand il est à l'état 15 stable du fait que la force d'entrée (pression à l'échappement du compresseur) est égale et opposée à la force de réaction produite par le ressort» Une variation de la pression à l'échappement du compresseur provoque la rotation de l'arbre d'entrée et le mouvement de l'ajutage à jet qui par suite déplace le 20 piston de commande jusqu'à un point pour lequel la force de réaction redevient égale à la force d'entrée» La position du piston peut bien entendu être utilisée pour régler n'importe quel paramètre de fonctionnement du moteur à turbine à gaz. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus 25 particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique montrant les forces agissant dans un servomécanisme selon l'invention; la figure 2 est une coupe d'un servomécanisme selon 30 un mode de mise en oeuvre de l'invention; la figure 3 est une coupe de l'appareil de la figure 2 vu du côté droit de la figure 2; la figure 4 est une vue en perspective avec des parties supprimées du servomécanisme de la figure 2; 35 la figure 5 est une vue à plus grande échelle d'une partie représentée sur la figure 4; 71 03473 3 2083299 la figure 6 est une vue schématique et partiellement en coupe d'un moteur à turbine à gaz comportant un servomécanisme selon l'invention, et la figure 7 représente graphiquement des paramètres 5 de fonctionnement obtenus en utilisant le servomécanisme de la figure 6. La figure 1 illustre s chaîna tiquement les caractéristiques générales de fonctionnement d'un mécanisme selon l'invention» Un arbre- d'entrée 10 est monté pour tourner dans 10 deux paliers 12 et 14» Un ajutage pour jet d'asservissement 16 est monté sur l'arbre"10 pour tourner avec celui-ci et il projette le fluide d'asservissement à travers son orifice 18 vers un récepteur d'asservissement (non représenté) qui transmet ce fluide à un élément dont la position doit être commandée» 15 Deux forces qui déterminent la position en rotation de l'arbre d'entrée sont aussi représentées sur la figure 1. Une force d'entrée 20 est exercée sur l'arbre d'entrée 10 pour provoquer sa rotation dans le sens des aiguilles d'une montre, et une force de réaction représentée par la flèche 20 agit sur 20 l'arbre d'entrée 10 pour provoquer sa rotation en sens inverse des aiguilles d'une montre. Il ressort de cette représentation schématique que la somme algébrique de la force d'entrée 20 et de la force de réaction 22 détermine la position finale en rotation de l'arbre d'entrée 10 qui à son tour détermine la position 25 de l'ajutage 16 comportant l'orifice 1$» La force d'entrée 10 est produite de la façon représentée par' ^expansion d'un soufflet 24 sensible à la pression, et la force de réaction est produite par un ressort de réaction 26. Le mode d'action de la force d'entrée 20 et de la 30 force de réaction 22 sur l'arbre d'entrée 10 est.décrit ci-après en considérant les figures 2 à 5 qui représentent un servomécanisme 30 construit selon l'invention» Le servomécanisme 30 comprend une boîte ou carter 31 contenant un arbre d'entrée 32 monté dans deux paliers 34 et 36 .rixés au carter (figure 2). 35 L'arbre d'entrée 32 est en réalité un élément plat avec des extrémités cylindriques pouvant tourner d'environ - 2°. 71 03473 4 2083299 Un bras 30 et un levier de réaction 40 sont fixés aux côtés opposés de la partie plate de l'arbre d'entrée 32 ainsi qu'il ressort clairement de la figure 4. Le bras 38 comporte une partie en fourche 39 entourant l'arbre 32 et qui est bloquée 5 sur celui-ci d'une façon convenable, par exemple la vis 41, et le levier de réaction 40 est fixé en porte à faux sur l'arbre 32 par des vis 43» Ainsi qu'il apparaît plus particulièrement sur les figures 3 et 4, un ajutage pour jet d'asservissement 42 est aussi fixé à l'arbre d'entrée 32 au même emplacement que le 10 levier de réaction 40. Le fonctionnement détaillé de l'ajutage 42 est décrit plus loin0 II suffit d'indiquer pour le moment que l'ajutage 42 est positionné de façon que la rotation de l'arbre d'entrée 32 fasse pivoter l'ajutage 42. Le bras 36 est un élément plat avec une extrémité 15 en fourche 39 qui est fixée à l'arbre d'entrée 32 de la façon représentée sur la figure 4" La partie plate du bras 30 est fixée de façon étanche à une extrémité d'un premier soufflet extensible 44 et de l'autre ccté à un second soufflet extensible 46. Le premier soufflet 44 est raccordé à une source d'air 20 comprimé (non représentée) par un raccord 4$ et le vide est établi dans le second souffler 46 à travers un raccord 50. Les raccords 40 et. 50 des soufflets 44 et 46 sont fixés au carter 31 de la façon représentée sur la figure 2» Il est facile de voir que l'augmentation de la pression dans le premier soufflet 44 25 provoque un léger déplacement vers la gauche de la partie plate du bras 30 (figure k),ce qui provoque une légère rotation dans le sens des aiguilles d'une montre de l'arbre d'entrée 32, L'ajutage 42 dont le passage intérieur traverse l'arbre 32 reçoit le fluide d'asservissement à travers un tube hélicoïdal 52. 30 Une extrémité du tube 52 est fixée à un raccord 53 qui couvre la partie de l'ajutage 42 traversant l'arbre d'entrée 32 et l'autre extrémité du tube 52 est fixée à un raccord 54 fixé à la surface du carter 31. Le raccord 54 comporte une entrée 56 qui reçoit le fluide d'asservissement (par un conduit non représenté). 35 La forme hélicoïdale du tube 52 permet son fléchissement pendant la rotation faible de l'arbre d'entrée 32. 71 03473 5 2083299 Ainsi qu'il apparaît sur les figures 3 à 5, l'orifice de sortie de l'ajutage 42 est positionné devant un récepteur distributeur de jet d'asservissement 58 monté dans une chambre 62 du carter 31, et qui comporte deux orifices récepteurs 60 et 64» 5 L'orifice récepteur 60 est connecté par un conduit 66 à l'extrémité côté tige de piston de la chambre ou cylindre 68 et l'orifice récepteur 64 est connecté à l'extrémité côté tête de cylindre de la chambre 68 par un conduit 70° Ainsi qu'il apparaît sur les figures 3 et 4, 10 l'ajutage 42 est entouré par un soufflet 73 qui est fixé de façon étanche à une extrémité à l'arbre d'entrée 32 et à l'autre extrémité au raccord 34» Le soufflet 73 coopère avec la chambre 62 du carter 31 pour former un réservoir pour la réception du fluide d'asservissement échappant de l'ajutage 42 15 et ne pénétrant dans aucun des deux orifices récepteurs 60 et 64» Ce fluide est ainsi évacué à travers un conduit de drainage 75• De cette façon, le fluide d'asservissement ne peut pas atteindre le reste de l'intérieur du carter 31» Le servomécanisme 30 peut ainsi fonctionner à l'air ambiant plutôt que dans une enceinte 20 contenant du carburant» Cela augmente la précision et la sûreté de l'appareil en évitant la possibilité de venue en contact de carburant contaminé avec la pluparL des organes du mécanisme. La chambre 68 pour le piston contient un piston à mouvement alternatif -74. Il ressort de ce qui précède que la 25 position du piston 74 est commandée par la quantité de fluide d'amortissement pénétrant par les orifices 60 et 64. Une tige de piston 76 fixée au piston 74 est munie à son extrémité d'une tête vissée 78. La tête 78 sert d'appui à un ressort de réaction 80 dont l'extrémité opposée est supportée par l'extrémité libre 30 du levier de réaction 40. Le mouvement du piston 74 provoque ainsi finalement le mouvement du levier de réaction 40, l'importance de ce mouvement dépendant de la force du ressort de réaction 80. Comme le montre la figure 3, la position normale du 35 levier de réaction 40 peut être réglée par rotation d'un mécanisme de réglage de l'équilibre du ressort 82. La rotation du mécanisme 82 provoque la compression d'un ressort d'équilibrage 84 qui est placé dans une pièce en forme de godet cylindrique 86 71 03473 6 2083299 comportant un rebord extérieur 88 (figure 3), le godet étant placé dans une ouverture 89 du levier de réaction 40 et le rebord empêchant son échappement à travers l'ouverture. La compression du ressort 84 provoque un léger déplacement axial 5 du godet 86 qui à son tour provoque un léger déplacement de l'extrémité libre du levier de réaction 40» En considérant à nouveau la figure 1, il apparaît que la force d'entrée résultant de la pression à l'intérieur du soufflet 44 est celle représentée schématiquement par la 10 flèche 20, tandis que la force de réaction résultant de la position du piston 74 agissant sur le ressort de réaction 80 et le levier de réaction 40 est celle représentée par la flèche 22. L'arbre d'entrée 32 correspond à l'arbre 10 de la figure 1° Le fonctionnement du servomécanisme 30 est facile 15 à comprendre d'après la représentation schématique de la figure 1. Pendant le fonctionnement, le servomécanisme 30 agit en système à forces équilibrées quand il est à l'état stable-Autrement dit, la force résultante agissant sur l'arbre d'entrée 32 20 est nulle pendant un état stable et l'ajutage 42 se trouve en "position zéro" de sorte que le liquide d'asservissement est dirigé au point milieu entre les orifices 60 et 64 et il échappe par le conduit de drainage 75= Le piston 74 reste ainsi fixe dans la position occupée» 25 Pendant un fonctionnement transitoire, la force résultante agissant sur l'arbre d'entrée 32 n'est pas nulle, et le liquide d'asservissement pénètre dans l'un ou l'autre des orifices 60 et 64» Il sera supposé, par exemple, que la pression augmente pour une raison quelconque à l'intérieur du 30 soufflet 44» Le bras 38 est par suite déplacé vers la gauche de la figure 4, ce qui provoque une faible rotation de l'arbre d'entrée 32 dans le sens des aiguilles d'une montre. L'ajutage 42 est entraîné par l'arbre 42 dans le sens provoquant une augmentation du débit vers l'orifice récepteur 64. Ce courant augmenté 35 passe à travers le conduit 70 vers le côté tête de cylindre de la chambre 68 de sorte que le piston 74 est déplacé vers la gauche de la figure 3 sur une certaine distance. Ce mouvement vers la gauche du piston 74 augmente la compression du ressort 71 03473 7 2083299 de réaction 80,ce qui provoque un léger déplacement de 1*extrémité libre du levier de réaction 40 vers la-gauche» Il en résulte une légère rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre de l'arbre d'entrée 32 (figure 3)= Cette rotation en 5 sens inverse des aiguilles d'une montre de l'arbre d'entrée 32 provoque le retour de l'ajutage 42 à une position centrale ou position zéro entre les orifices 60 et 64, et par suite le système est à nouveau équilibrée Cette série d'opérations provoque ainsi un nouvel équilibre des forces par rapport à 10 l'arbre d'entrée 32, l'ajutage d'asservissement 42 étant ramené à sa position zéro, mais le piston 74 étant positionné en un point différent du fait de l'augmentation de la pression dans le soufflet 44» Si la pression diminue à l'intérieur du soufflet 44, 15 il en résulte un fonctionnement inverse du précédent. Le système revient à nouveau à l'équilibre, l'ajutage 42 en position zéro, mais avec un couple plus faible exercé sur l'arbre d'entrée 32 et le piston situé dans une position un peu à droite de la position initiale, c'est-à-dire avant la diminution de la pression» 20 Comme il a été indiqué plus haut, la position du piston 74 peut être utilisée pour commander n'importe quel paramètre de fonctionnement. Un exemple particulier est donné ci-après en considérant la figure 6 suivant laquelle le servomécanisme 30 commande le débit de carburant dans le moteur à 25 turbine à gaz 90 pour l'augmentation de la poussée. Le moteur 90 comporte une entrée d'air 91, un compresseur 92, un système de combustion primaire 94, une turbine 96, un conduit d'échappement 98, un système de combustion d'augmentation de poussée 100 et une tuyère d'échappement à section "variable 102. L'air pénètre d'une 30 façon connue à travers l'entrée 91, est comprimé par le compresseur 92 et assure la combustion du carburant de grande énergie dans le système de combustion primaire 94, après quoi les gaz de combustion effectuent un travail par détente dans la turbine 96, et finalement les gaz échappent à travers la. tuyère d'échappement 35 et de propulsion 102, l'énergie importante subsistant dans ces gaz assurant la poussée de propulsion de l'avion comportant le moteur. Pour certaines applications, par exemple au décollage d'un avion supersonique, du carburant additionnel est envoyé au 71 03473 g 2083299 système de combustion pour augmentation de la poussée 100 et ce carburant brûle dans le conduit d'échappement 98 pour établir la poussée additionnelle., Suivant l'exemple considéré, la quantité de carburant 5 envoyée au système de combustion d'augmentation de poussée 100 est réglée en fonction de la pression à la sortie du compresseur 92. Plus exactement, il est désiré de régler le débit de carburant (W^) pour l'augmentation de la poussée suivant une fonction linéaire de la pression (CDP) à la sortie du. compresseur de la 10 façon représentée sur la figure 7- Le soufflet 44 du servomécanisme 30 est connecté par le raccord 48 considéré ci-dessus et un conduit 104 à l'extrémité de sortie du compresseur 106. Une augmentation de la pression à la sortie du compresseur, détectée par le soufflet 44, se traduit 15 par un repositionnement du piston 74, et ce repositionnement peut être utilisé pour régler des ouvertures convenables (non représentées) d'une vanne à carburant 106 pour l'envoi de carburant au système de combustion d'augmentation de poussée 100. La pression à la sortie du compresseur agit ainsi comme l'un 20 des facteurs déterminant la quantité de carburant envoyé au système de combustion d'augmentation de poussée du moteur à turbine à gaz. Dans ce système, le carburant d'augmentation de la poussée peut être utilisé comme fluide d'asservissement envoyé à l'entrée 56 de l'appareil. 25 II ressort de ce qui précède que l'invention concerne un servomécanisme simple, léger et extrêmement sûr qui positionne un piston de commande en fonction d'une pression constituant un signal entrant. Le servomécanisme peut être réalisé avec des dimensions très réduites et il évite tout joint glissant 30 ou toute partie glissante à l'entrée sensible de l'appareil, ce qui évite les frottements et la perte de précision du servomé cani sme. Le servomécanisme 30 peut fonctionner avec une précision suffisante même en cas de rupture du soufflet 44. 35 Autrement dit, en cas de rupture du soufflet 44 pour une raison quelconque, le fluide sous pression représentant le signal entrant arrivant par le raccord 48 remplit le carter 31 et cette pression continue à agir contre le soufflet 46 dans lequel a été 71 03473 9 2083299 établi le vide pour produire la même force d'entrée que dans le cas où le soufflet 44 n'est pas brisée De plus, comme les soufflets 44 et 46 sont situés dans la partie du carter isolée du carburant d'asservissement par le soufflet 73, .une rupture 5 d'un soufflet ne permet pas la fuite du carburant d'asservissement vers la section du compresseur du moteur à turbine à gaz quand le servomécanisme 30 est utilisé comme appareil pour le calcul de la pression à l'échappement du compresseur de la façon décrite ci-dessus. De plus, le tube hélicoïdal d'arrivée du carburant 10 d'asservissement 52 est formé et ppsitionné de façon telle que quand la pression du carburant d'asservissement varie ou quand le coefficient de dilatation thermique varie il n'en résulte pas une variation des forces dans le système, et par suite d'erreur de positionnement. "*5 Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 71 03473 2083299 10 REVEND! CATIONS 1. Calculateur de la pression de sortie d'un compresseur pour positionner un piston en réponse à la pression mesurée, caractérisé par un arbre d'entrée monté dans des paliers pour pouvoir tourner, un dispositif transducteur actionné par ]a 5 pression et répondant à la pression à la sortie du compresseur pour provoquer le déplacement de l'arbre d'entrée, un dispositif transducteur de réaction répondant à la position du piston en déplaçant l'arbre d'entrée dans le sens opposé au sens du déplacement provoqué par le transducteur actionné par la pression, 10 et un distributeur de jet d'asservissement commandé par le couple pour régler le courant de fluide d'asservissement d'une source de fluide vers l'un des côtés du piston, ce distributeur comportant un tube hélicoïdal d'arrivée de fluide ayant une extrémité fixée à l'arbre d'entrée, un ajutage pour jet d'asservissement 15 connecté à ce tube d'alimentation, cet ajutage traversant l'arbre d'entrée et dépassant radialement de celui-ci de façon qu'un léger mouvement de rotation de l'arbre d'entrée provoque un déplacement relativement important de l'orifice de l'ajutage, et un récepteur de fluide d'asservissement comportant des orifices 20 récepteurs, l'un des orifices communiquant avec la chambre d'un côté du piston et l'autre orifice communiquant avec la chambre du côté opposé du piston. 2. Calculateur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur actionné par la pression 2 5 comprend un premier soufflet extensible, un second soufflet extensible aligné axialement avec le premier soufflet, et un bras entre le premier et le second soufflet , ce bras étant fixé à une extrémité à l'arbre d'entrée afin que le mouvement du bras du fait d'une variation de la pression dans le premier soufflet 3° provoque une légère rotation de l'arbre d'entrée. 71 03473 n 2083299 3. Calculateur de pression selon la revendication 2, caractérisé par un dispositif empêchant le fluide d'asservissement de venir en contact avec le transducteur actionné par la pression» 4. Calculateur de pression selon la revendication 3, 5 caractérisé en ce que le dispositif empêchant le contact du fluide comprend un soufflet flexible d'échappement entourant l'ajutage pour le jet d'asservissement. 5. Calculateur de pression selon la revendication 4, caractérisé par une chambre contenant le récepteur de fluide, 10 cette chambre et le soufflet d'échappement formant une chambre pour le fluide d'asservissement échappant de l'ajutage. 6. Calculateur de pression selon la revendication 5, caractérisé en ce que la rotation de l'arbre d'entrée provoque l'envoi du fluide d'asservissement à l'un ou l'autre du premier 15 et du second orifice récepteurs pour provoquer le déplacement axial du piston. 7. Calculateur de pression selon la revendication 6, caractérisé en ce que le transducteur de réaction comprend un levier de réaction fixé en porte à faux par une extrémité 20 à la surface de l'arbre d'entrée et un ressort de réaction entre le piston et le levier de réaction afin que le déplacement axial du piston provoque une force sur le levier de réaction pour la rotation de l'arbre d'entrée. ë. . Calculateur de pression selon la revendication 7, 25 caractérisé en ce que le levier de réaction est fixé à la surface de l'arbre d'entrée dans une direction approximativement à 100° de la fixation du bras des soufflets sur, l'arbre d'entrée. 9. Calculateur de pression selon la revendication 8, caractérisé par un dispositif pour régler la position normale du 30 levier de réaction. 10. Calculateur de pression selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif de réglage comprend une pièce en forme de godet ayant une partie fixée au levier de réaction, un ressort de réglage positionné à l'intérieur du godet et un 35 dispositif pour comprimer ce ressort de réglage pour déplacer le godet. m 71 03473 12 2083299 11. Calculateur de pression selon la revendication 10, caractérisé en ce que le godet est positionné dans une extrémité du ressort de réaction. 12. Servomécanisme pour commander le débit de carburant 5 d'augmentation de la poussée dans un moteur à turbine à gaz en fonction de la pression de l'air à la sortie du compresseur du moteur, caractérisé par un arbre d'entrée monté pour pouvoir tourner dans des paliers, un transducteur actionné par la pression et répondant à la pression à la sortie du compresseur 10 en faisant tourner l'arbre d'entrée, un piston, un transducteur de réaction répondant à"la position du piston pour faire tourner l'arbre d'entrée dans le sens opposé à celui provoqué par le transducteur actionné par la pression, un distributeur d'asservissement commandé par un couple pour régler l'écoulement du 15 fluide d'asservissement d'une source de fluide vers le piston proportionnellement au couple d'entrée agissant sur l'arbre d'entrée, le servodistributeur comportant un tube hélicoïdal d*alimentât!on en fluide d'asservissement ayant une extrémité fixée à l'arbre d'entrée, un ajutage pour jet d'asservissement 20 connecté au tube hélicoïdal, cet ajutage s'étendant à partir de l'arbre d'entrée, un récepteur de fluide d'asservissement comportant des orifices récepteurs pour recevoir le jet de fluide d'asservissement de l'ajutage d'asservissement, le couple d'entrée agissant sur l'arbre d'entrée résultant de la somme algébrique ^5 de la force exercée par le transducteur actionné par la pression et de la force du transducteur de réaction, et la position du piston déterminant la quantité de carburant envoyée au dispositif augmentateur de poussée du moteur à turbine à gaz.