Brevet FR2509374A1 — publié le 19830114

Dispositif de régulation de débit pour système d'alimentation en combustible liquide de moteur à turbine à gaz. L'invention concerne un dispositif de régulation de débit pour système d'alimentation en combustible liquide de moteur à turbine à gaz muni d'un compresseur d'air Ledit système est du genre comprenant: une pompe volumétrique de circulation de combustible en- traînée soit par l'arbre du moteur, soit par des moyens au- xiliaires, une canalisation d'admission délivrant à la pompe le com- bustible d'un réservoir, une canalisation d'alimentation délivrant à la chambre de combustion du moteur le combustible refoulé par la pompe, un organe doseur de débit inséré dans la canalisation d'alimentation et des moyens d'assigner des valeurs déter- minées à la section de passage dudit organe doseur (que l'on dénommera doseur principal) et un circuit de retour de combustible reliant la canali- sation d'alimentation en amont du doseur principal à la canalisation d'admission. Le dispositif de régulation de l'invention est du genre comprenant un deuxième organe doseur de débit (que l'on dénommera doseur auxiliaire) inséré dans le circuit de retour et des moyens de commande automatique de la section de passage de ce doseur auxiliaire Il est caractérisé en ce que lesdits moyens de commande automatique sont des moyens agissant sur ladite section de passage pour maintenir, tant que la section de passage du doseur principal demeura com- prise dans des limites déterminées, la valeur de la chute de pression du combustible au passage dudit doseur principal sensiblement proportionnelle à la valeur de la pression d'air refoulée par un étage convenablement choisi du com- presseur. On connait déjà, par exemple par la demande de brevet fran- çais publiée sous le numéro 2 394 66 o, un dispositif de régulation du genre précité Le circuit de retour comprend au moins deux doseurs auxiliaires de débit L'un est commandé par la pression de refoulement de la pompe et l'autre par la pression de refoulement d'un étage du compresseur Ce dis- positif est censé éviter, en régime transitoire, des inci- dents tels que la surchauffe ou le décrochage du compresseur. Il est d'une réalisation compliquée en raison du nombre des doseurs auxiliaires et du fait que ceux-ci comportent des moyens élastiques de rappel Sa loi de fonctionnement est mal définie car les doseurs auxiliaires agissent indépen- damment l'un de l'autre. On verra plus loin que le dispositif de régulation de l'in- vention est d'une réalisation remarquablement simple et qu'il permet de respecter, en régime permanent (c'est-à-dire pour une section de passage donnée du doseur principal) une relation bien définie entre le débit de combustible et la pression d'air On verra aussi qu'il assure une bonne pro- tection contre les risques de pompage du moteur et contre les risques d'extinction "pauvre" ou "riche" de la chambre de combustion Il est ainsi avantageusement utilisable comme dispositif de-régulation de secours d'un turboréacteur d'aéronef. Avantageusement, le dispositif de régulation de l'invention est constitué par: une enceinte étanche divisée-en une première chambre et en une deuxième chambre par une paroi séparatrice transversale étanche, la première chambre étant insérée dans le circuit de retour de combustible et comportant ainsi un orifice d'admission de combustible et un orifice de sortie de combustible et la deuxième chambre étant en communication avec l'étage choisi du compresseur, _ 5 un premier soufflet étanche déformable en longeur logé dans la première chambre, fixé par l'une de ses extrémités à une paroi de l'enceinte opposée à l'orifice de sortie de combustible, en communication avec la canalisation d'ali- mentation en aval du doseur principal de débit et portant à son extrémité libre un clapet qui tend à fermer l'orifice de sortie de ladite première chambre lorsque ledit soufflet se dilate, un deuxièrme soufflet étanche déformable en longueur et vide d'air, logé dans la deuxième chambre dans laquelle il est fixé par l'une de ses extrémités à la m 9 me paroi d'enceinte que le premier soufflet, enfin, un levier traversant la paroi séparatrice à laquelle il est lié par une articulation étanche et joignant les ex- trémités libres des deux soufflets auxquelles il est lié par des articulations. D'autres dispositions et avantages du dispositif de régu- lation de l'invention apparaîtront à la lecture des des- criptions qui suivent, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un dessin schématique d'un système d'alimentation de turboréacteur comportant le dispo- sitif de régulation de l'invention, la figure 2 est un diagramme de fonctionnement, la figure 3 représente une variante de réalisation du montage de l'un des soufflets représentés dans la figure 1, la figure 4 est un diagramme, la figure 5 représente une variante de réalisation du doseur principal représenté dans la figure 1. On considère d'abord la figure 1 Des flèches indiquent les directions de circulation du combustible liquide Celui- ci, amené par la canalisation 10, est refoulé par la pompe volumétrique 20 dans la canalisation 30 qui le délivre à la chambre de combustion CC d'un turboréacteur dont on a repré- senté le compresseur CP et la turbine TU Le débit de com- bustible est réglé au moyen d'une manette 31 agissant, par l'intermédiaire d'un-actionneur 32-, sur la-section d e pas- sage d'un organe doseur de débit (par exemple une vanne d'étranglement) qui constitue le doseur principal 33. Conformément à l'invention, le dispositif de régulation du système d'alimentation de la figure 1 comprend une enceinte étanche définissant deux chambres 40 et 50 séparées par une cloison médiane étanche 60, la chambre communiquant par une canalisation de dérivation 41 avec la canalisation 30 en amont du doseur principal 33 et la- chambre 50 communiquant avec un étage convenablement choisi du compresseur CP par une tubulure 51 de-prise de pression, un premier soufflet déformable étanche 42 fixé par l'un de ses fonds (fond fixe) à une cloison 43 de la chambre 40 et dont l'intérieur communique avec la canalisation 30, en aval du doseur principal 33, au moyen d'une tubulure 44, un deuxième soufflet déformable étanche 52 fixé par l'un de ses fonds (fond fixe) à une cloison 53 de la chambre 50 qui prolonge la cloison 43, le vide étant fait dans ledit. soufflet, une canalisation 45 mettant en communication la cenali sation 10 dtadmission de combustible avec la chambre 40 dans laquelle elle débouche par un orifice 46 ménagé dans la cloison 47 opposée à la cloison 43, une touche 48 fixée au fond mobile du soufflet 42 et dis- posée en face de l'orifice 46 qu'elle obture plus-ou moins selon l'élongation de ce soufflet, cette touche coopérant avec cet orifice pour constituer le doseur auxiliaire' de débit, -. enfin,un levier 61 traversant la cloison 60 à laquelle il est lié par une articulation étanche 62 et dont les deux extrémités sont respectivement liées, d'une part au fond mobile du soufflet 42 par une articulation 63, d'autre part au fond mobile du soufflet 52 par une articulation 64. Le dispositif de régulation est ainsi assimilable à une balance dont le levier 61 est le fléau et dont les deux pla- teaux sont respectivement constitués par les fonds mobiles du soufflet 52 et du soufflet 42. On va maintenant écrire les équations d'équilibre du dispo- sitif, en appelant: S: la section variable de passage du doseur principal de débit 33 Q: le débit de combustible qui la traverse P: la pression du combustible en amont du doseur 33 P -P: la pression du combustible en aval K; le coefficient de débit de ce doseur suivant la loi connue Q = K 5 (AP)2 51: la section efficace du soufflet 42 52: la section efficace du soufflet 52 L 1: la longueur du bras du levier 61 joignant les arti- culations 62 et 63 L 2: la longueur du bras du levier 61 joignant les ar- ticulations 62 et 64 PE: la pression d'air régnant dans la chambre 50, c'est-à-dire la pression d'air dans la section du compresseur CP à laquelle est reliée la tubulure 51. Lorsque la pompe 20 est entraînée (soit par l'arbre du moteur à turbine, soit par un moteur indépendant) on peut écrire, lorsque le dispositif est en équilibre pour une valeur déter- minée de la section S assignée à l'organe doseur 33: AàP 51 L 1 = PE 52 L 2 ( 1) en négligeant la valeur de la surface de la touche 48 vis-à- vis de la section efficace 51 Comme Q = K S (a P)2 on obtient en éliminant GP entre les deux équations: Q / (PE)2 = 5 K ( 52 L 2 / 51 L 1) ( 2) ( 3) 250 o 9374 Les paramètres K, 51, L 1, 52 et L 2 étant des constantes, on peut écrire: K( 52 L 2 / 51L 1)2 = K 1 ( 4) K 1 étant une constante caractérisant le dispositif. Par conséquent, lorsque le dispositif est en équilibre, c'est-à-dite lorsqu'un régime permanent de fonctionnement est établi: Q / (PE)2 = K 1 S ( 5) Pour toute valeur de la section-S de passage de l'organe doseur 33 assignée au moyen de la manette 31, le'débit-Q du combustible injecté dans la chambre de combustion CC demeure donc proportionnel à la racine de la pression d'air PE. Mais on peut aussi déduire de l'équation ( 1): AP = PE- 52 L 2 / 51 L 1 = K 2 PE ( 6) relation dans laquelle K 2 est aussi une constante. En considérant cette relation ( 6), on voit que le dispo- sitif de l'invention agit pour maintenir la chute de pres- sion AP proportionnelle à la pression d'air PE La figure 1 ne représente qu'une forme de réalisation possible et toute autre forme de réalisation permettant de maintenir cete proportionnalité appartient à l'invention. Ainsi, lorsque le débit Q varie pour une raison quelconque, par exemple parce que la vitesse de la pompe 20 change, l'équation ( 2) montre que la chute de pression AP imposée par l'organe doseur 33 varie dans le même sens Il y a déséquilibre mais le soufflet 42 déplace la touche 48 pour modifier dans le même sens le débit de fuite de combustible retournant en amont de la pompe 20 Les canalisations 41 et 45 forment avec l'organe doseur constitué par la touche 48 et par l'orifice 46 un by-pass dont-la variation de débit compense automatiquement toute variation de débit Q traver- sant l'organe doseur 33. On considère maintenant le diagrammu de li figure 2 pour expliquer comment, lorsque la section S passe à une nouvelle valeur obtenue par le jeu de la manette 31, le dispositif passe d'un état d'équilibre à un autre (régime transitoire). Le diagramme montre dans le-champ (Q/PE, PE), les caracté- ristiques de fonctionnement et de régulation d'un turboré- acteur équipé du dispositif de la figure 1 Pour simplifier l'examen du diagramme, on utilise la variable auxiliaire Q' = Q/PE, proportionnelle à la richesse. La courbe I est la caractéristique d'allumage et de ralenti du turboréacteur correspondant à la valeur minimale Smin de la section S de l'organe doseur 33 et la courbe II la caractéristique "plein gaz" correspondant à la valeur maximale Smax de S La courbe L, qui coupe les deux courbes I et II respectivement aux points F et G représente la loi de stabilité de la machine La courbe III est une caracté- ristique intermédiaire. Au moment de l'allumage (point A de la courbe-I), la valeur de PE est égale à la valeur PA de la pression atmosphérique et le débit de combustible QA injecté correspond, d'après la relation ( 5) à: QA = Q'APA = K 1 Smin(PA)2 ( 7) Le réacteur s'enroule et le point de fonctomement suit la caractéristique I jusqu'à l'intersection F de cette caractéristique avec la courbe L Le débit de ralenti QR vaut alors: QR = Q'R'PER = K 1-Smin(PER) ( 8) relation dans laquelle PER est la valeur particulière cor- respondante de la prssion d'air PE. On a donc R / QA = (ER / PA) 2 ( 9)1 QR / QA =M (PER / PA) 2 ( 9) Afin d'augmenter le régime du turboriacteur, le pilote agit alors sur la manette 31 pour augmenter la section de passage S du doseur principal 33 Pour montrer un avantage essentiel du dispositif de l'invention, on envisage ici le cas limite o cette action est si brutale que S passe quasi-instanta- nément à la valeur maximale Smax (caractéristique II) A cet instant précis on a alors le débit maximal: QM = Q'M-PER = K 1 l Smax(PE 2 ( 10) qui correspond au point M de la caractéristique II, la richesse étant limitée à la valeur définie par-cette carac- téristique, à savoir: Q'M = Kl-'max / (PER) '( 11) Il faut évidemment que cette valeur de richesse demeure inférieur à une limite admissible pour un fonctionnement correct du turboréacteur (courbe Q'max) Si elle l'est, le turboréacteur accélère rapidement et la pression d'air PE augmente, c'est-à-dire que le point de fonctionnement suit la courbe-II jusqu'à l'intersection G de celle-ci avec la courbe L Plus précisément, la valeur de la richesse passe de: K 1.Smax / (PER)2 à: K 1-Smax / (PEG)2 Le dispositif de régulation de l'invention a donc amorti l'action de la manette 31 en permettant d'obtenir une valeur d'accélération optimale du turboréacteur On remarque sur la figure 2, outre la courbe Q'max = f 1 (PE) qui représente la richesse maximale admissible (en vue notam- ment d'éviter tout risque d'extinction "riche" de la chambre de combustion), la présence de la courbe Q'min = f 2 (PE) qui représente la richesse minimale admissible, en vue notam- ment d'éviter tout risque d'extinction "pauvre" On a supposé jusqu'ici que la raideur du système déformable constitué par les soufflets 42 et 52 et par le levier 61 est nulle On peut cependant, comme représenté à la figure 3, en vue par exemple de mieux adapter la réponse du dispositif aux caractéristiques de fonctionnement du turboréacteur, conférer à ce système déformable une raideur déterminée en lui -ajou- tant au moins un élément de rappel élastique tel que le ressort 65 qui est lié à la paroi 43 et au levier 61 et qui -s'oppose à l'application de la touche 48 contre l'orifice 46 ou qui applique la touche sur l'orifice 46 avec un effort donné Ce rappel élastique peut également être effectué par le soufflet lui-même En choisissant convenablement les points d'application du ou des organes de rappel, on peut par exemple, comme le montre la figure 4, modifier la pente moyenne d'une caractéristique telle que la courbe II de la figure 2, en obtenant ainsi une nouvelle caractéristique telle que IIA ou IIE On dispose évidemment d'une grande liberté en ce qui concerne la disposition des ressorts (qui peuvent par exemple être logés dans les soufflets) Si l'on rappelle que l'on dispose aussi du choix de l'étage du com- presseur CP (fig 1) sur lequel est "piquée" la tubulure de prise de pression 51, on voit que l'on dispose de nom- breux moyens pour adapter le fonctionnement du dispositif de régulation de l'invention aux caractéristiques d'une turbomachine déterminée. On considère enfin, pour terminer la présente description, les diverses possibilités de réalisation du doseur prin- cipal de débit qui comporte, dans le schéma de la figure 1 le doseur 33 actionné par l'actionneur 32 lui-même commandé par la manette 31 L'actionneur 32 peut-notamment être constitué par une simple liaison mécanique entre la ma- nette 31 et le doseur 33, la valeur maximale du régime "plein gaz" étant alors définie par la valeur maximale de la section de passage 5 du doseur 33 et ce régime pouvant être corrigé par l'action du pilote sur la manette 31 au vu de la valeur de la vitesse de rotation du réacteur. Mais cet actionneur 32 peut encore être constitué par un moteur électrique (par exemple un moteur pas-à-pas) dont la rotation est commandée par un calculateur 34 qui reçoit d'une liaison électrique 311 des signaux d'information sur la position de la manette 31 et qui élabore des signaux de commande qu'il délivre à ce moteur par une liaison électri- que 341. D'autres solutions sont encore possibles dans le cadre de l'invention La figure 5 est relative à une réalisation simplifiée, permettant par exemple la commande d'un réac- teur non pilotable à deux régimes de fonctionnement On retrouve dans la figure 5 la canalisation d'alimentation , la canalisation de retour 41 en liaison avec la c-hambre et la tubulure de prise de pression 44 en liaison avec l'intérieur du soufflet 42 La partie 35 de la canalisation 30 comprise entre la canalisation 41 et la tubulure 44 est munie d'une dérivation 36 Le doseur 33 de la figure 1 est remplacé par deux doseurs de section fixe 37 et 3 B (par exemple deux diaphragmes) respectivement disposés dans la partie 35 et dans la dérivation 36 Un électro-robinet 39 est disposé dans celle-ci et permet de l'obturer Sa ferme- ture définit le régime "allumage-ralenti" puisque la seule section de passage du combustible est celle du doseur 37. Son ouverture définit le régime "croisière-plein gaz", dans lequel la section de passage du combustible est égale à la somme des sections des doseurs 37 et 38-. REVENDICATIONS 1 Dispositif de régulation de débit pour un système d'ali- mentation en combustible liquide d'un moteur à turbine à gaz muni d'un compresseur d'air, ledit système d'alimentation étant du genre comprenant une pompe volumétrique de circula- tion de combustible, une canalisation d'admission délivrant à la pompe le combustible d'un réservoir, une canalisation d'alimentation délivrant à la chambre de combustion du moteur le combustible refoulé par la pompe, un organe doseur de débit (dit doseur principal) inséré dans la canalisation d'alimentation, des moyens d'assigner des valeurs déter- minées à la section de passage dudit organe doseur et un circuit de retour de combustible reliant la canalisation d'alimentation en amont du doseur principal à la canali- sation d'admission, ledit dispositif de régulation de débit étant du genre comprenant un deuxième organe doseur de débit (dit doseur auxiliaire) inséré dans le circuit de retour et des moyens de commande automatique de la section de passage de ce doseur auxiliaire, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande automatique sont des moyens agissant sur la section de passage du doseur auxiliaire pour maintenir, tant que la section de passage du doseur principal demeure comprise dans des limites déterminées, la valeur de la chute de pression du combustible au passage du doseur principal sensiblement proportionnelle à la valeur de la pression de l'air refoulé par un étage conve- nablement choisi du compresseur. 2 Dispositif de régulation de débit selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte étanche divisée en une première chambre ( 40) et une deuxième chambre ( 50) par une cloison séparatrice transversale étanche ( 60), la première chambre ( 40) étant insérée dans le circuit de retour de combustible et com- portant ainsi un orifice ( 41) d'admission de combustible et un orifice ( 46) de sortie de combustible, la deuxième chambre ( 50) étant quant-à elle en communication avec l'étage choisi du compresseur; un premier soufflet étanche ( 42) déformable en longueur, logé dans la première chambre ( 40), fixé par l'une de ses extrémités à une paroi ( 43, 53) de l'enceinte opposée à l'orifice ( 46) de sortie de combustible, en communication avec la canalisation de refoulement ( 30) en aval du doseur principal ( 33) et portant par son extrémité libre un cla- pet ( 48) qui tend à fermer l'orifice ( 46) de sortie de combustible lorsque ledit soufflet se dilate; un deuxième soufflet étanche ( 52) déformable en longueur et vide d'd"air, logé dans la deuxième chambre ( 50) dans laquelle il est fixé par l'une de ses extrémités à la même paroi d'enceinte ( 43, 53) que le premier soufflet ( 42); enfin, un levier ( 61) traversant la paroi séparatrice ( 60) à laquelle il est fixé par une articulation étanche ( 62) et joignant les extrémités libres des deux soufflets ( 42, 52) auxquelles il est fixé par des articulations (respec- tivement 63 et 64). 3 Dispositif selon la revendication 2,caractérisé en ce que le mécanisme constitué par les deux soufflets ( 42, 52) et par le levier ( 61) comporte en outre des moyens ( 65) lui conférant une raideur déterminée. 4.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que-le doseur principal de débit et les moyens d'assigner des valeurs déterminées à sa section de passage comprennent une canalisation de dérivation en U ( 36) reliée par ses deux extrémités à la conduite d'ali- mentation ( 30), un premier doseur de section fixe ( 37) inséré dans la conduite d'alimentation, un deuxième doseur de section fixe ( 38) inséré dans la canalisation de déri- vation et des moyens ( 39) d'ouverture e t de fermeture de ladite canalisation de dérivation.