Brevet FR2389000A1 — publié le 19781124

Invention concerne un dispositif d'alimentation en carburant d'une turbo-machine, en particulier d'un turbo-réacteur. On sait que la vitesse de rotation de l'ensemble tournant d'une turDo-machin eat réqulée suivant une varier dans le temps valeur de consigne pouvant ajustant à une valeur appropriée le débit de carburant injecté dans la chambre de-combustion de la turbo-machine. Il existe plusieurs systemes d'alimentation permettant dtassurer cette régulation Certains systèmes utilisent des injecteurs directs, c'est-à-dire des injecteurs qui pulvérisent dans la chambre de combustion la totalité du débit de carburant qui leur arrive ; ces injecteurs peuvent notamment comporter chacun un clapet interne taré et les tarages sont ajustés à différentes valeurs échelonnées pour assurer une introduction progressive du carburant ; la mise en pression de celui-ci est assurée par une pompe vitesse constante régulée et le débit d'entrée est ajusté en dérivant une partie du débit fourni par la pompe, en particulier à l'aide d'un ensemble pneumatique de régulation.Les principaux inconvénients de ces systèmes sont d'ordure technologique ; en effet la réalisation de la pompe à vitesse constante régulée, des injecteurs à clapet taré, et de l'ensemble pneumatique de régulation pose de nombreux problèmes de fabrication et de réglage qui grèvent le prix de l'ensemble. Dtautres systemes utilisent une rampe d'injecteurs à retour, c'est-à-dire des injecteurs qui reçoivent un débit d'entrée et renvoient un débit de prélèvement, le débit injecté étant égal à la différence des deux. Dans certains systèmes la circulation du carburant est engendrée par une pompe à débit constant et le débit de prélèvement est régulé par un circuit pneumatique de commande associé à un bloc doseur qui assure l'interface entre ce circuit et le circuit de carburant. La conception même de ce type de système entraine une assez grande complexité de celui-ci et l'utilisation d'accessoires pneumatiques conduit à un encombrement important. Dans d'autres systemes, toujours à injecteurs à retour, le débit de prélèvement est régulé par une servovalve commandé par un courant électrique qui lui est fourni par un boitier électronique de contrôle et de sécurité ; ce type de systèmes a révélé à l'usage un très bon comportement et a pu etre adapté pour assurer des démarrages en altitude en modifiant les lois de commande du boîtier électronique. Toutefois les servovalves sont des organes très onéreux et très délicats et leur utilisation contraint en particulier à assurer une filtration très poussée du carburant sous peine de colmatage de leur ajutage ou de coincement de leur palette de calibrage. La présente invention concerne un nouveau dispositif d'alimentation utilisant une rampe d'injecteurs directs ou à retour. Elle vise à fournir les avantages et performances des systèmes ci-dessus évoqués sans en comporter les inconvénients, dûs en particulier à la présence des servo-valves pour les systèmes à injecteurs à retour. L'vidée mère de l'invention a été d'engendrer la circulation de carburant et de réguler le débit de celuici au moyen d'un même organe, à savoir une pompe entrainée à une vitesse appropriée correspondant au régime de consigne de la turbo-machine, en alimentant son moteur d'entraînement par un courant électrique adapté. Toutefois deux problèmes majeurs se sont présentés pour la mise en oeuvre de cette idée. En premier lieu les électropompes connues doivent fonctionner dans une plage de débits assez étroite autour de leur débit nominal sous peine d'usure prématurée, et si l'on veut pouvoir balayer en pratique toute la plage des débits à injecter, on est conduit à des variations importantes de débit au niveau de l'électropompe qui sont incompatibles avec les capacités de celle-ci et de son moteur électrique. En outre la pulvérisation ne s'effectue correctement dans des injecteurs à retour qu'à la condition que ceux-ci soient traversés par'un débit important ; à bas régime l'électropompe conduirait à prévoir des débits d'entrée faibles, inaptes à assurer une pulvérisation appropriée.De la même façon, les injecteurs directs exigent un débit minimal d'entrée. La présente invention vise à apporter une solution aux problèmes ci-dessus évoqués et à permettre de bénéficier des divers avantages fournis par le nouveau dispositif à électropompe proposé (simplicité, faible coût, absence d'organe délicat, absence de système pneumatique, etc...). Un objectif de l'invention est en particulier de permettre un balayage de la totalité de la plage des débits à injecter, tout en limitant les variations de débit au niveau de ltélectropompe à une plage de valeurs compatibles avec le bon fonctionnement de celle-ci. Un autre objectif est d'assurer un débit de carburant à l'entrée de la rampe d'injecteurs, largement supérieur au seuil au dessous duquel apparaissent des risques de pulvérisation déficiente. Le dispositif d'alimentation en carburant visé par la présente invention s'applque à toute turbo-machine comprenant un ensemble tournant dont la vitesse de rotation N est à réguler suivant une courbe de consigne donnée,et une chambre de combustion munie d'une rampe d'injecteurs ; ce dispositif d'alimentation comporte un conduit d'arrivée de carburant pour délivrer un débit QE vers la rampe d'injecteurs et un conduit de retour de carburant pour prélever un débit QR, en vue de pulvériser dans la chambre de combustion de la turbo-machine un débit Q = QE - qu Selon la présente invention le dispositif d'alimentation comprend une électropompe agencée pour prélever dans un réservoir un débit de carburant QE fonction de sa vitesse de rotation et le délivrer vers la rampe'd'injecteurs, un ensemble électronique de pilotage de ladite électropompe, lequel comporte un capteur tachymétrique associé à l'ensemble tournant de la turbo-machine et est adapté pour comparer la vitesse de rotation de cet ensemble à la valeur de consigne et pour assurer à chaque instant une alimentation électrique de l'électropompe tendant à réduire l'écart entre ces valeurs, enfin des moyens d'amplification du gain o2i/QE (rapport des variations du débit injecté Qi aux varia- tions du débit d'entrée QE), agencés sur le conduit de retour de carburant pour réguler le débit de prélèvement QR de sorte qu'une variation aQE engendrée par ltélectropompe entraine une variation de de signe opposé. La rampe d'injecteurs de la turbo-machine peut être une rampe d'injecteurs à retour ; dans ce cas le conduit de retour de carburant est connecté sur la sortie de retour de la rampe. La rampe d'injecteurs peut également être une rampe dwinjecteurs directs ; le conduit de retour de carburant est, alors, monté en dérivation de cette rampe. Si AQR représente en valeur algébrique la variation du débit de prélèvement conditionnée par les moyens d'amplification, on peut écrire d'où l'on tire le gain.: Comme AQR et AQE sont de signes contraires on voit que ce gain est positif (variation du débit Qi dans le même sens que celle du débit QE) et est supérieur à 1 (amplification). Par exemple dans le cas d'une électropompe ayant un débit nominal moyen de l'ordre de 170 litres/heure, il est tout à fait admissible de la faire fonctionner, sans aucun inconvénient, entre 150 litres/heure environ et 190 litres heure environ. Les variations du débit Q dans cette plage seront commandées par l'ensemble électronique de pilotage en fonction de la position du point de fonctionnement par rapport à la courbe de consigne.Pour une turbo-machine appeléè à jouer le rôle de groupe auxiliaire, de vitesse nominale de l'ordre de N = 45.000 tours/minute et de puissance nominale de l'ordre de 50 kilowatts, la plage des débits injectés à balayer s'étend en particulier entre environ 30 litres/heure -au démarrage et environ 130 litres/heure en plein régime ; si on utilise ltelectro- pompe sus-évoquée, les moyens d'amplification du gain ssQi/ AQE seront adaptés pour fournir un gain moyen de l'ordre de -2,5 correspondant au rapport 130 - 30 190 90 150 ainsi un réglage approprié des conditions initiales permet d'obtenir les variations désirées du débit injecté, comprises entre 30 litres/heure et 130 litres/heure pour des variations au niveau de l'électropompe comprises entre 150 litres/heure et 190 litres/ heure. Notons que, dans le cas d'une rampe d1in- jecteurs à retour, le débit d'entrée QE reste toujours important (supérieur à 150 litres/heure en l'exemple), ce qui garantit une bonne pulvérisation du carburant dans cette rampe. Dans le cas d'une rampe d'injecteurs directs, il est aisé d'adapter les moyens d'amplification sus-évoqués de sorte que le débit d'entrée dans la rampe soit au moins égal au débit minimal souhaitable. Selon un mode de réalisation préféré, les moyens d'amplification du gain ssQi/ aQE comprennent un régulateur de pression différentielle disposé sur le conduit de retour de carburant ; ce régulateur est pourvu d'un orifice de passage de section variable en fonction d'une pression de régulation liée à la pression d'entrée PC1 qui règne au -niveau du conduit d'arrivée du carburant ; il est adapté pour agir sur la pression de prélèvement PC2 qui règne au niveau du conduit de retour, de sorte qu'une variation tPC1 engendre une variation APC2 de même signe que la variation tPC1 et de valeur adaptée pour conditionner un gain OQi/ #QR de valeur appropriée supérieure à 1. Dans le cas dBune rampe d'injecteurs à retour, le régulateur de pression différentielle sus-évoqué peut être directement relié, par une prise de pression au conduit d'arrivée de carburant de sorte que la pression de régulation soit sensiblement égale à la pression PC1. Lorsque l'ensemble électronique de pilotage détecte un écart de vitesse par rapport à la courbe de consigne} il augmente ou diminue la tension d'alimentation de l'électropompe et celle-ci engendre une variation tPC qui commande directement l'amplification du gain tQi/h4R par action sur la pression PC2 par ltentremise du régulateur. Le régulateur de pression différentielle peut également être en liaison avec le conduit d'arrivée du carburant par l'entremise d'un organe de modulation adapté pour délivrer une pression de régulation correspondant à la pression PC 1modulée au moyen d'un autre paramètre. Dans le cas par exemple d'une turbo-machine ayant un compresseur de pression de sortie P2, la pression de régulation peut être modulée au moyen de cette pression P2 pour permettre notamment un démarrage en haute altitude. Pour une turbo-machine pourvue d'une rampe d'injecteurs à retour, la pression de régulation peut,en particulier, être modulée par un organe de modulation adapté pour délivrer une pression de régulation réduite par rapport à la pression PC1 lorsque la pression P2 à la sortie du compresseur se trouve dans une plage de faibles valeurs et pour délivrer une pression de régulation sensiblement égale à la pression PC1 dans le cas contraire.Pour le régime de démarrage en altitude (pression P2 faible), la pression de régulation est ainsi réduite et conditionne un gain 1IQ /aQE inférieur à sa valeur moyenne ; on sait que le débit de démarrage-nécessaire en haute altitude est beaucoup plus faible qu'à basse altitude et on évite de la sorte une action trop importante du régulateur pendant- cette phase une fois le démarrage effectué, la pression de régulation reprend la valeur PC1 pour rendre au gain sa valeur normale. Pour une turbo-machine pourvue d'une rampe d'injecteurs directs, l'organe de modulation sera différent selon que la turbo-machine est principalement destinée à fonctionner au sol ou en altitude ; dans le premier cas, cet organe est prévu de sorte que le régulateur de pression différentielle soit uniquement en fonction en régime de démarrage et détermine un prélèvement nul lorsque le plein régime est atteint. Au contraire, pour le fonctionnement en altitude, le régulateur permet d'assurer en permanence un prélèvement et son gain autorise un balayage de toute l'étendue de la plage des débits Q à injecter pour une plage correspondante de la vitesse d'électropompe compatible avec le bon fonctionnement de celle-ci. La description qui suit en référence aux dessins annexés présente,à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention dans le cas le plus complexe d'une rampe d'injecteurs à retour ; sur ces dessins - la figure I représente schématiquement un dispositif d'alimentation conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue de détail en coupe d'un organe de ce dispositif, - les figures 3, 4 et 5 sont des diagrammes qui permettront d'illustrer le fonctionnement de ce dispositif. Le dispositif représenté de façon simplifiée à la figure 1 est destiné à alimenter en carburant une dambre de combustion de turbo-machine de sorte que l'ensemble tournant de celle-ci symbolisé en 1 ait une vitesse de rotation N régulée suivant une courbe de consigne donnée. L'injection de carburant s'effectue par une rampe classique 2 comportant plusieurs injecteurs à retour le débit d'entrée QE et la pression PC1 régnant à l'entrée de la rampe sont générés et régulés par une électropompe 3, constituée de façon classique par une pompe volumétrique à engrenage, en trainée par un moteur électrique. Celui-ci est électriquement alimenté par l'entremise d'un ensemble électronique de pilotage 4, lequel est doté d'un capteur tachymétrique symbolisé en 5, monté sur l'ensemble tournant 1 pour fournir à chaque instant un signal représentatif de la vitesse de rotation de cet ensemble. L'ensemble électronique 4 est de type connu, en particulier de type à courant haché, délivrant une tension efficace d'alimentation vers l'électropompe,obtenue par une succession d'impulsions rectangulaires d'amplitude et de fréquence constantes, la largeur de ces impulsions étant variable de façon à réguler une valeur moyenne de la tension d'alimentation ; cet ensemble électronique 4 est préalablement programmé Nc pour mémoriser les valeurs de consigne de la vitesse de rotation il compare à tout instant la vitesse réelle N à la vitesse de consigne t module la largeur des impulsions ci-dessus évoquées pour réduire l'écart entre ces valeurs afin de tendre à les égaliser. On ne donnera pas plus de détail sur un tel ensemble qui est en lui-même connu. De façon classique l'électropompe 3 prélève le carburant liquide dans un réservoir symbolisé en 6 à travers un filtre symbolisé en 7 et une électro-vanne 8. La rampe 2 comprend un conduit de retour par lequel s'effectue le prélèvement d'un débit de carburant à une pression PC2 ; ce débit et cette pression sont ajustés par un régulateur de pression différentielle symbolisé en 9 à la figure 1. A la sortie du régulateur, le carburant est renvoyé vers le réservoir 6. Le régulateur 9 comporte une prise de pression PC1 reliée au conduit d'entrée de la rampe ; en ltexem- ple la pression PC1 est transmise par l'intermédiaire d'un organe de modulation 10 qui reçoit la pression P2 régnant à la sortie du compresseur de la turbo-machine. Cet organe 10 peut très simplement être constitué par un clapet taré commandé par la pression P2 de façon à etre entièrement ouvert au-dessus d'un seuil P'2 donné et à s'ouvrir progressivement lorsque la pression P2 inférieure au seuil P'2 croit jusqu'à la valeur de ce seuil. Ainsi lorsque P2 > P'2, la pression PC1 est transmise intégrale- ment vers le régulateur 10, tandis que, pour P2 A titre d'exemple, la figure 2 présente en coupe un mode de réalisation du régulateur de pression différentielle 9 ; celui-ci est constitué par un corps 11, pourvu de deux chambres lla et llb séparées par une membrane 12 ; la chambre lla est relie au conduit d'entrée de la rampe d'injecteurs 2 et est soumise à la pression PC1 (ou à la pression de-régula tion liée à celle-ci).La chambre Iîb est reliée à la sortie de retour de cette rampe, est soumise à la pression PC2 et est parcourue par le débite QR. Cette chambre llb possède un orifice de sortie 13 dont la section libre est ajustée par un pointeau mobile 14 ; ce dernier est solidaire de la membrane 12 cet est sollicité par un ressort de raideur prédeterminé dans le sens de son écartement par rapport à l'orifice. Ainsi lorsque la pression PC1 subit une variation, par exemple une augmentation imposée par ltélectropompe en raison d'une vitesse mesurée N plus faible que la vitesse de consigne, le pointeau 14 se déplace vers l'orifice 13 et réduit la section de celui-ci : la pression PC2 subit à son tour une augmentation et le débit Q R diminue ; ces phénomènes viennent amplifier l'influence de l'augmentation du débit d'entrée QE pour engendrer une augmentation très accrue du débit injecté Q. = QE QR' Les paramètres du régulateur (surface de membrane, raideur du ressort, section de l'orifice, profil du pointeau) peuvent être définis dans chaque application en fonction du gain désiré et des caractéristiques de la rampe d'injecteurs utilisée.A titre d'exemple on a représenté à la figure 3, une courbe donnant pour un groupe auxiliaire de puissance du type déjà évoqué, le débit injecté Qi en fonction du débit d'entrée lequel est fourni par une électropompe de débit nominal de l'or- dre de 170 litres/heure. On constate que le gain (pente de la courbe) en moyenne égal à > ,5 augmente depuis les bas-régimes jusque vers les hauts-régîmes Par ailleurs on a représenté à la figure 4 un diagramme de fonctionnement de la turbo-machine, donnant la courbe des vitesses de consigne Nc et la courbe réelle NR en fonction du temps, au cours des régimes de démarrage, d'accélération et du régime permanent.L'écart entre les deux courbes est détecté par l'ensemble électronique de pilotage de l'électropompe, qui commande cette dernière pour tendre à l'annuler. La courbe N R de la figure 4 correspond à un démarrage à basse altitude sans action de l'organe de modulation 10 (P2z:oP'2). On a représenté à la figure 5 des courbes analogues NR, et N R" correspondant à un démarrage en haute altitude ; la courbe NR" correspond à une régulation sans organe de modulation 10 et la courbe NR, à une régulation avec action drun tel organe. On constate que, en l'absence d'organe de modulation, le régulateur a tendance à entrainer l'injection d'un excès de carburant dans la chambre de combustion pendant la phase de démarrage, et donc, a tendance à susciter des vitesses de rotation de valeur notablement en excès par rapport aux valeurs de consigne. La courbe NR, montre que la modulation par la pression P2 qui permet de réduire la pression de régulation commandant le régulateur-, réduit ce phénomène et permet d'obtenir un régime de démarrage et d'accélération plus proche du régime de consigne. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux termes de la description qui précède mais en comprend toutes les variantes. L'invention peut s'appîiquer pour toute turbo-machine et, en particulier, pour une turbo-machine du type à turbine de puissance où il convient de réguler la vitesse de rotation de 1'arbre basse pression selon un programme donné, tout en s'assurant que la vitesse de l'arbre haute pression est maintenue dans des limites admissibles. REVENDICATIONS 1/ - Dispositif d'alimentation en carburant d'une turbo-machine du type comprenant un ensemble tournant dont la vitesse de rotation N-est à réguler suivant unevaleur de con etre variable, signe pouvant et une chambre de combustion munie d'une rampe d'injecteurs, ce dispositif d'alimentation comportant un conduit d'arrivée de carburant pour délivrer un débit QE vers la rampe d'injecteurs et un conduit de retour de carburant pour prélever un débit QR7 en vue de pulvériser dans la chambre de combustion un débit Qi = QE ~ QR , ledit dispositif d'alimentation étant ca ractérisé en ce qu'il comprend une électropompe agencée pour prélever dans un réservoir un débit de carburant QE fonction de sa vitesse de rotation et le délivrer vers la rampe d'injecteurs, un ensemble électronique de pilotage de ladite électropompe, lequel comporte un capteur tachymétrique associé à l'ensemble tournant de la turbo-machine et est adapté pour comparer la vitesse de rotation de cet ensemble à la valeur de consigne et pour assurer à chaque instant une alimentation électrique de l'électropompe tendant à réduire l'écart entre ces valeurs, enfin des moyens d'amplification du gain 11Q / aQE (rapport des variations du débit injecté Qi aux variations du débit d'entrée Q), agencés sur le conduit de retour de carburant pour réguler le débit de prélèvement QR de sorte qu'une variation ssQE engendrée par l'é- lectropompe entraîne une variation EQR de R signe opposé. 2/ - Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'amplification sus-évoqués comprennent un régulateur de pression différentielle disposé sur le conduit de retour de carburant, ce régulateur étant pourvu d'un orifice de passage de section variable en fonction d'une pression de régulation liée à la pression d'entrée PC1 qui règne au niveau du conduit d'arrivée de carburant, et étant adapté pour agir sur la pression de prélèvement PC2 régnant au niveau du conduit de retour de sorte qu'une variation tPC1 engendre une variationAPC2 de même signe que la variationAPC1 et de valeur adaptée pour conditionner un gain #Qi/#QE approprié, su- périeur à 1 3/ - Dispositif d'alimentation selon la revendication 2, caractérisé en ce que le régulateur de pression différentielle comprend un corps pourvu de deux chambres séparées par une membrane, l'une en liaison avec le conduit d'arrivée du carburant pour être soumise à la pression de régulation liée à la pression PC1 l'autre reliée au conduit de retour pour etre soumise à la pression PC2, cette dernière chambre possédant un orifice de sortie dont la section libre est ajustée par un pointeau mobile, lequel est solidaire de lamembrane et est sollicité par un ressort de raideur prédeterminé dans le sens de son écartement par rapport a l'orifice de sortie. 4/ - Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la rampe d'injecteurs est une rampe d'injecteurs à retour ayant une sortie de retour à laquelle est connecté le conduit de retour de carburant. 5/ - Dispositif.d'alimentation selon la revendication 4, caractérisé en coque le régulateur de pression différentielle sus-évoqué est directement relié par une prise de pression au conduit d'arrivée du carburant de sorte que la pression de régulation soit égale à la pression PC1. 6/ -Dispositif d'alimentation selon la revendication 4, permettant un démarr-age à haute altitude d'une turbo-machine ayant un compresseur de pression de sortie P2 ce dispositif étant caractérisé en ce que le régulateur de pression différentielle sus-évoqué est en liaison avec le conduit d'arrivée du carburant par l'entremise d'un organe de modulation adapté pour délivrer une pression de régulation réduite par rapport à la pression PC1 lorsque la pression P2 à la sortie du compresseur se trouve dans une plage de faibles valeurs et pour délivrer une pression'de régulation sensiblement égale à la pression PC1 dans le cas contraire. 7/ - Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la rampe d'injecteurs est une rampe d'injecteurs directs, le conduit de retour de carburant étant monté en dérivation de cette rampe. 8/ - Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que l'électropompe utilisée est une pompe volumétrique à engrenage, entrain par un moteur électrique alimenté par l'entremise de l'ensemble électronique de pilotage sus-évoqué.