Brevet FR2192244A1 — publié le 19740208

La présente invention se rapporte à un système de commande d'écoulement de carburant pour un moteur à turbine à gaz et plus particulièrement elle concerne un tel système destiné à être utilisé avec un moteur à turbine à gaz comportant des ajutages de brûleurs du type à projection. Jusqu'ici, les systèmes de commande d'écoulement de carburant pour des petits moteurs à turbine à gaz à grande vitesse nécessitaient l'utilisation d'une boîte à engrenages accessoire pour leur fonctionnement et pour constituer une protection de la turbine contre les survitesses. La nécessité d'une boite à engrenages augmente le coflt du système de commande d'écoulement de carburant, augmente le poids du moteur et limite les positions dans lesquelles ce système peut être monté sur le moteur à turbine. En outre, de nombreux systèmes de commande d'écoulement de carburant de la technique antérieure nécessitent une pompe à carburant pour fournir une pression pour le carburant, ce qui augmente le coût et le poids du système. La présente invention prévoit une unité de commande d'écoulement de carburant qui élimine la nécessité d'utiliser une boite à engrenages accessoire et une pompe à carburant, ce qui diminue à la fois le coût et le poids du système. Le système de commande d'écoulement de carburant selon la présente invention est destiné à être utilisé avec un moteur à turbine à gaz du type comportant un moyen de compresseur, un moyen de combustion, un arbre rotatif comportant une chambre à carburant, un ajutage de brûleur à projection porté par l'arbre et pouvant tourner avec lui pour diriger le carburant à partir de la chambre dans le moyen de combustion. L'unité de commande d'écoulement de carburant, conformément à la présente invention, comprend un carter porté par l'arbre mais ne pouvant pas tourner avec celui-ci, un orifice de mesure de carburant mettant en communication la chambre de carburant de l'arbre avec le carter, une source de carburant reliée au carter et communiquant avec la chambre à carburant de l'arbre par l'intermédiaire de l'orifice de mesure de carburant, un moyen de soupape monté de manière amovible dans le carter et coopérant avec l'orifi- ce de mesure de carburant pour faire varier la dimension de cet orifice lorsque le moyen de soupape se déplace par rapport à lui, un moyen de moteur actionné électriquement dans le carter et accouplé de manière opérative au moyen de soupape pour déplacer ce lui ci par rapport à l'orifice afin de régler le taux d'écoulement du carburant à travers lui dans la chambre à carburant, un moyen pour détecter le réglage du levier de puissance et les paramètres de la vitesse du moteur à turbine à gaz, et un calculateur électronique relié électriquement au moyen de moteur et recevant ces paramètres détectés pour produire le signal électrique destiné à commander le moyen de moteur afin de commander sélectivement le déplacement du moyen de soupape en fonction des paramètres détectés. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels La figure 1 est une vue partielle en élévation latérale et transversale du système de commande d'écoulement de carburant selon la présente invention; La figure 2 est une représentation schématique du calculateur électronique qui fait partie du système de commande d'écoulement de carburant représenté à la figure 1; et La figure 3 est un graphique représentant l'écoulement du carburant (en ordonnées) en fonction du nombre de tours par minute du moteur à turbine (en abscisses). Comme le montre la figure 1, le système de commande d'écoulement de carburant indiqué de façon générale par la référence 10, est destiné à être utilisé avec un moteur à turbine à gaz comportant un arbre 12. L'arbre 12 du moteur à turbine à gaz représenté dans la figure 1 comprend un logement 14 qui tourne autour d'un axe 16. La logement 14 forme une chambre à carburant centrale 18 qui reçoit une quantité mesurée de carburant à partir du système de commande d'écoulement de carburant 10. Le logement 14 comprend une partie tubulaire 20 qui entoure une partie de la chambre 18 et comporte des orifices radiaux 22 formés à l'intérieur de la paroi et qui proJettent le carburant depuis la chambre de carburant 18 dans la chambre de combustion 24 de la turbine à gaz durant la rotation de arbre 12. La partie tubulaire 20 présente une collerette radiale 26 s'étendant dans l'intérieur et fixée à son extrémité libre. Une seconde partie tubulaire 28, qui entoure une partie de la chambre 18 s'étend vers l'extérieur à partir du bord interne de la collerette 26 et présente une collerette radiale 30 s'étendant vers l'intérieur fixée à son extrémité libre. La collerette 30 délimite un orifice central 32 d'admission de carburant pour la chambre 18 et est chanfreinée à son bord interne 34 pour des raisons qui se ront décrites ci-après. Le système de commande d'écoulement de carburant 10 comprend un carter extérieur allongé 36 qui a une extrémité placée immédiatement à proximité de l'orifice 32 d'admission de carburant et comporte un organe de soupape allongé 38 à l'intérieur du carter 36, dont l'axe longitudinal est sensiblement aligné avec l'axe longitudinal de ce carter. Un organe 40 en forme de cône formant une extrémité de organe de soupape 38 est placé à l'intérieur de l'orifice 32 d'admission de carburant, son extrémité de plus grand diamètre s'avançant à l'intérieur de la chambre à carburant 18 et son extrémité de plus petit diamètre étant fixée à une partie cylindrique 42 de l'organe de soupape 38.L'organe 40 en forme de cône peut s'avancer encore plus dans la chambre 18, ce qui a pour effet d'agrandir l'orifice 32 d'admission de carburant pour permettre à plus de carburant de s'écouler dans la chambre, ou bien, cet organe 40 peut être éloigné de la chambre 18 ce qui rétrécit ltorifi- ce 32 et a pour effet de diminuer l'écoulement de carburant dans la chambre. Une chambre 44 est formée dans le carter 36 immédiatement en amont de l'orifice 32 d'admission de carburant autour d'une partie de l'organe 40 et de la partie cylindrique 42 pour recevoir le carburant provenant d'un réservoir 46 de carburant sous pression par l'intermédiaire d'une conduite 48 reliée entre les deux. Le réservoir 46 de carburant est pressurisé jusqu a une pression de décharne de compresseur pour fournir une pression à l'alimentation de carburant. Un rebord annulaire 50 s'étendant vers l'exté- rieur, et faisant partie du carter 36 est en contact avec la surface extérieure de la collerette 30, ce qui constitue un joint étanche au fluide entre les deux et empêche la fuite de carburant depuis la chambre 44. Le carter 36 comprend une collerette annulaire 52 s'étendant vers l'intérieur qui forme une partie d'une paroi de la chambre 44. L'organe de soupape 38 comporte une partie agrandie 54 de forme cylindrique située à l'intérieur de l'ouverture formée par la collerette 52 et a une extrémité fixée à la partie 42. La collerette 52 porte un joint torique 36 à l'intérieur qui vient en contact avec la surface cylindrique extérieure de la partie 54 afin de former un joint étanche au fluide entre ces deux parties et empêcher toute fuite de fluide à partir de la chambre 44 dans le reste du carter 36.La collerette 52 constitue en outre un sup port de coulissement pour l'organe de soupape 38, de telle su te que celui-ci peut être déplacé le long de son axe longitudinal afin de faire varier l'orifice 32 d'admission de carburant. L'organe de soupape 38 comprend en outre, un organe fi'e- té allongé 58, dont une extrémité est solidaire de l'extrémité de la partie 54 opposée à la partie 42. L'organe fileté 58 est en prise avec un moteur électrique réversible 60, situé à l'intérieur du carter 36 pour déplacer l'organe de soupape 38 le long de son axe longitudinal afin de faire varier l'orifice 32 d'admission de carburant. Le carter 36 comprend une chambre annulaire 62 formée par une collerette annulaire 64 s'étendant vers l'extérieur autour de lui, et une seconde collerette annulaire 66 s'étendant vers l'exté- rieur formée autour d'une autre partie de ce carter, ces deux collerettes étant reliées ensemble à leurs bords extérieurs par une partie tubulaire 68 pour loger des organes 70 qui forment une partie du moteur électrique 60. Les organes 70 sont montés sur le carter 36 et peuvent être soit des enroulements, soit des aimants permanents du moteur 60 Le moteur électrique 60 comprend un organe cylindrique 72 placé radialement vers l'intérieur à partir des organes 70 et comporte une ouverture taraudée 74 qui le traverse le long de son axe longitudinal et qui est vissée sur l'organe fileté 58.Des organes 76 sont fixés autour de la surface extérieure de l'organe cylindrique 72 et peuvent être, soit des enroulements, soit des aimants permanents pour le moteur 60. Ainsi, un jeu des organes 70 et 76 pourrait être les enroulements du moteur élèctrique, l'autre jeu pourrait être les aimants permanents. Un c8té des organes 76 est en contact avec la surface interne de la collerette 64 tandis que l'autre csté est en contact avec une collerette annulaire 78 s'étendant vers l'intérieur et un élément en courbe 80 qui est fixé au carter 36 pour empêcher le déplacement axial de l'organe 72 et des organes 76.Ainsi, lorsque le moteur électrique 60 est excité, les organes 76 tournent, ce qui provoque la rotation de l'organe 72, et déplace l'organe de soupape 38 le long de son axe longitudinal, ce qui a pour effet d'ouvrir ou de fermer l'orifice 32 d'admission de carburant. Comme le montre la figure 2, le moteur électrique 60 est commandé par un calculateur électronique, indiqué de façon générale par la référence 82. La sortie 84 du calculateur électronique est montée sur le moteur électrique 60 au moyen d'un raccord fileté 86 (figure 1) fixé dans une ouverture 88 formée dans le carter 36, telle que par exemple par soudure, ou par une liaison quelconque. En outre, comme on peut le voir dans la figure 1, le raccord fileté 86 comprend deux fils 90 connectés aux organes 70 pour alimenter du courant électrique à ceux-ci. On notera que les fils 90 pourraient être connectés à l'organe 76 par deux bagues collectrices s'il était souhaitable que les organes 76 soient des enroulements du moteur électrique. Une unité de réaction positive 92, qui est bien connue dans la technique, est placée à l'intérieur du carter 36 et comprend une plaque 94 fixée au carter 36 telle que par une console 96. Des fils 98 s'étendant depuis le raccord 86 sont fixés aux extrémités opposées de la plaque 94.Un élément de contact 100, pour l'unité de réaction 92, est formé de préférence à partir d'acier à ressort et comprend une partie rectiligne fixée à l'extrémité libre de l'or- gane fileté 58, tel que par soudure ou par une liaison analogue, et s'étend vers le bas depuis celui-ci sous forme d'une partie en crochet 102 qui est en contact avec la surface de dessus de la plaque 94 pour constituer un contact électrique avec celle-ci. Ainsi, lorsqu'un signal électrique est reçu par le moteur 60 à partir du calculateur 82, l'organe cylindrique 72 est mis en rotation axialement ce qui a pour effet de déplacer l'organe fileté 58 et également de décaler le point de contact entre l'élément de contact 100 et la plaque 94.Lorsque l'organe fileté 58 et l'organe 40 en forme de clone ont atteint la position souhaitée l'unité de réaction 92 empêche toute rotation ultérieure de l'organe 72. Un commutateur de limite ou de fin de course 104 est placé à l'intérieur du carter 36 pour régler au minimum l'orifice 32 d'admission de carburant et comprend un élément d'ajustement 106 présentant un goujon fileté 108 vissé à l'intérieur d'un trou taraudé 110 formé dans l'extrémité libre de l'organe 58 le long de son axe longitudinal. Un commutateur 112 est fixé à l'intérieur du carter 36 et comprend un bouton 114 s'étendant hors de lui, en direction et aligné avec l'élément 106.Deux fils 116 s'étendent depuis le commutateur 112 vers le raccord 86 en vue de leur connexion au calculateur 82, de telle sorte que lorsque l'organe de soupape 38 est déplacé vers la gauche d'une distance suffisante pour que l'élément 106 soit en contact avec le bouton 114, le commutateur 112 empêche tout courant d'être alimenté au moteur électrique 60 et qui pourrait faire tourner celui-ci dans un sens tel qu'il fer me un peu plus l'orifice 32 d'admission de carburant. Ainsi, lorsque l'élément d'ajustement 106 est en contact avec le bouton 114, le calculateur 82 peut uniquement alimenter du courant au moteur réversible 60 de telle sorte que la rotation de celui-ci ait pour effet d'ouvrir l'orifice 32 d'admission. La puissance électrique est alimentée au calculateur 82 et au moteur électrique 80 par un alternateur 118 qui comprend des éléments 120 fixés autour de la surface extérieure de la partie tubulaire 28 pour tourner avec elle. Les éléments 120 peuvent être, soit des aimants permanents, soit des enroulements de l'alternateur. Le carter 36 comprend une collerette annulaire 122 s'étendant radialement, formée à proximité de la partie 28 et présente une partie tubulaire 124 fixée aux bords extérieurs de la collerette 122 et située radialement vers l'extérieur à partir des éléments 120. Des éléments 126 sont fixés à la surface interne de la partie tubulaire 124 en s'étendant radialement vers l'extérieur à partir des éléments 120, et sont soit des aimants permanents, soit des enroulements de l'alternateur. Ainsi, un jeu des éléments 120et 126 peut être des enroulements et l'autre Jeu peut être des aimants permanents de l'alternateur. Ainsi, lorsque l'arbre 12 de la turbine tourne, les éléments 120 sont mis en rotation ce qui a pour effet d'alimenter de la puissance électrique au calculateur 82 et au moteur électrique 60.En outre, l'alternateur 118 alimente au calculateur 82 la vitesse réelle de l'arbre du moteur à turbine à gaz. Pendant le fonctionnement, le levier de puissance est réglé par l'opérateur, ce qui a pour effet de régler la vitesse à l'état régulassé du moteur à turbine, et ce réglage est appliqué au calculateur 82, tel qu'indiqué en 128 dans la figure 2. La puissance électrique et la vitesse réelle de l'arbre du moteur à turbine à gaz à partir de l'alternateur 118 sont envoyées au calculateur 82 tel qu'indiqué en 130 et 132, respectivement dans la figure 2. Au démarrage à partir d'une condition de marche au ralenti, lorsque le levier de puissance est poussé à l'ouverture et qu'un nouveau réglage est appliqué au calculateur 82, le moteur à turbine accélère en suivant la droite d'accélération 134 représentée dans la figure 3. Lorsque la vitesse réglée par le réglage du levier de puissance 128 excède la vitesse réelle de la turbine, telle qu'appliquée au calculateur en 132, ce calculateur alimente du courant électrique au moteur 0 ce qui a pour effet de provoquer la rotation de l'organe 72 dals le sens approprié de manière à déplacer l'organe de soupape 38 vers la droite, et à ouvrir l'orifice 32 d'admission de carburant.Lorsque l'organe de soupape 38 est dans la position souhaitée, le carburant provenant du réservoir 46 de carburant, pressurisé à la pression de décharge du compresseur, est dirigé vers la chambre 44 par l'intermédiaire de la conduite 48. Le carburant provenant de la chambre 44 s'écoule à travers l'orifice 32 d'admission dans la chambre 18, d'où il est projeté à travers des orifices 22 dans la chambre de combustion 24 qui est également pressurisée à la pression de décharge du compresseur. Lorsque la vitesse de la turbine approche de la vitesse à l'état régularisé, réglée par le réglage du levier de puissance, le calculateur 82 alimente du courant au moteur 60,- ce qui fait tourner l'organe 72 dans un sens tel qu'il déplace 1'organe.de soupape 38 vers la gauche, réduisant ainsi l'orifice 32 d'admission. La vitesse du moteur suit la courbe 136 en pente descendante s'étendant entre la droite d'accélération 134 et la courbe 138 à l'état régularisé. Une fois que la courbe à l'état régularisé a été atteinte au point 140, ce qui est réglé par le réglage du levier de puissance, la vitesse de la turbine reste approximativement constante. En supposant que le moteur fonctionne au point 140, tel qu'indiqué dans la figure 3, lorsque le levier de puissance est ramené vers une condition de marche au ralenti du moteur, le calculateur alimente de la puissance électrique au moteur 60 de manière à déplacer l'organe de soupape 38 vers la gauche, ce qui réduit l'orifice 32. Lorsque l'orifice 32 est réduit, le moteur suit la courbe 142 en pente descendante jusqu'à la droite 144 d'écoulement limite qui est réglée par la mise en contact de l'élément d'ajustement 106 avec le bouton 114, ce qui empêche l'organe de soupape de fermer encore plus l'orifice 32. Le moteur à turbine suit ensuite la droite 144 d'écoulement limite en retour vers la condition de marche au ralenti. On notera que la température d'admission du compresseur (Tt2), la pression d'admission du compresseur (Pt2), la température d'admission de la turbine (TAT) et la pression de décharge du compresseur (PDC) peuvent également être envoyées dans le calculateur 82 comme indiqué en 146. Ces entrées optionnelles seraient envoyées dans le calculateur 82 pour contrer la pente de la droite d'accélération 134, si nécessaire. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent outre décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront a l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Unité de commande d'écoulement de carburant destinée être utilisée dans un moteur à turbine à gaz du type comportant un moyen de compresseur, un moyen de combustion, un arbre rotatif comportant une chambre à carburant, un ajutage de brûleur du type à projection porté par cet arbre et pouvant tourner avec lui pour diriger le carburant depuis la chambre de carburant de l'arbre dans le moyen de combustion, cette unité étant caractérisée en ce qu'elle comprend un carter porté par l'arbre mais ne pouvant pas tourner avec lui, un orifice de mesure de carburant mettant en communication la chambre de carburant de l'arbre avec le carter, une source de carburant reliée au carter et en communication avec la chambre à carburant de l'arbre par l'intermédiaire de l'orifice de mesure de carburant, un moyen de soupape monté de manière déplaçable dans le carter et coopérant avec l'orifice de mesure de carburant pour faire varier la dimension de cet orifice lorsque le moyen de soupape se déplace par rapport à ce dernier, un moyen de moteur actionné électriquement, supporté dans le carter et accouplé de manière opérative au moyen de soupape pour déplacer celui-ci par rapport à l'orifice de manière à commander le taux d'écoulement du carburant à travers cet orifice dans la chambre de carburant, un moyen pour détecter le réglage du levier de puissance et les paramètres de la vitesse du moteur à turbine à gaz, et un calculateur électronique relié électriquement au moyen de moteur et recevant les paramètres détectés pour produire le signal électrique afin de commander le moyen de moteur de manière à commander sélectivement le déplacement du moyen de soupape en fonction des paramètres détectés. 2 - Unité de commande d'écoulement du carburant selon la revendication 1, caractérisée en ce que le calculateur électronique répond en outre à la température d'admission du compresseur, à la pression d'admission du compresseur, à la température d'admission de la turbine et à la pression de décharge du compresseur de manière à commander le déplacement du moyen de soupape durant l'accélération du moteur à turbine. 3 - Unité de commande d'écoulement de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractériséeen ce que la source de carburant comprend un réservoir de carburant pour alimenter du carburant au carter, ce réservoir de carburant étant pressurisé à la pression de décharge du compresseur. 4 - Unité de commande d'écoulement de carburant selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que le moyen de soupape comprend un organe allongé situé à l'intérieur du carter et monté de manière coulissante pour pouvoir se déplacer le long de l'axe de rotation de l'arbre, cet organe allongé comporant une extrémité s'avançant dans l'orifice de mesure de carburant, de sorte que le déplacement de cet organe allongé en direction de l'orifice et depuis celui-ci fait varier sa dimension. 5 - Unité de commande d'écoulement de carburant selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'une partie de l'organe allongé comporte des filets de vis formés autour de lui, et en ce que le moyen de moteur est constitué par un moteur électrique réversible disposé à l'intérieur du carter et relié au calculateur électronique, ce moteur comportant un organe monté de manière rotative ayant un alésage taraudé le traversant, et vissé 8.4zpartie filetée de 1 organe allongé, de sorte que la rotation de cet organe monté de manière rotative déplace l'organe allongé le long de l'axe. 6 - Unité de commande d'écoulement de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu elle comprend un moyen pour détecter la position du moyen de soupape par rapport à l'orifice de mesure de carburant et un moyen de réaction qui communique l'information de position détectée au calculateur électronique. 7 - Unité de commande d'écoulement de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen de limite de position accouplé de manière opérative au calculateur électronique et commandé par la venue en butée sur lui du moyen de soupape après que celui-ci a atteint une position prédéterminée par rapport à l'orifice de mesure de carburant, de sorte que le calculateur électronique empêche le moyen de moteur de déplacer le moyen de soupape au-delà de cette position prédéterminée détectée. 8 - Unité de commande d'écoulement de carburant selon la revendication 7, caractérisée en ce que le moyen de limite de position comprend en outre un moyen pour faire varier sélectivement ladite position prédéterminée, ce moyen mentionné en dernier étant porté par le moyen de soupape. 9 - Unité de commande d'écoulement de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'il comprend un moyen de production d'énergie électrique comportant un premier élément fixé à l'arbre et pouvant tourner avec lui, un second élément rotativement mobile par rapport au premier élément, ce second élément étant supporté par le carter de manière que celui-ci soit monté sur l'arbre et que cet arbre puisse tourner, alors que ce carter est maintenu dans une position de non rotation par rapport à cet arbre rotatif, et un moyen reliant électriquement le moyen de production d'énergie au calculateur électronique. 10 - Unité de commande d'écoulement de carburant selon la revendication 9, caractérisée en ce que le moyen de production d'énergie électrique est relié électriquement à la fois au calculateur électronique et au moyen de moteur électrique pour alimenter à ceux-ci l'énergie électrique.