Brevet FR2578582A1 — publié le 19860912

() RÉPUBLIQUE FRAN AISE NO de publication: 2 578 582 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIÉ:TÉ INDUSTRIELLE DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE N d'enregistrement national 86 02975 PARIS Int C14: F 02 C 9/00, 7/00. DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 ( Date de dépôt: 4 mars 1986.. Demandeur(s): Sociétéde droit britanniquedite: ROLLS-ROYCE LIMITED. - GB. ( Priorité: GB, 5 mars 1985, n 85 05605. 2y, -iventeur(s): John Edward Cureton et Michael Robert Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 37 du 12 septembre 1986. (j Références à d'autres documents nationaux appa- renté s: ( Mandataire(s) Capri. n Dispositif de commande de clapet de moteur à turbine à gaz. 3 Un dispositif de commande 32 pour le clapet de sûreté 3 d'un compresseur d'un moteur à turbine à gaz permet au moteur d'être actionné avec un risque réduit de pompage ou de blocage du compresseur, particulièrement lors d'un arrêt - d'urgence. Le dispositif de commande comporte un clapet de com- mande 34 et un clapet partiteur 36. En fonctionnement normal le clapet de sûreté 30 est commandé par le clapet de com- g mande 34 qui reçoit un écoulement d'air haute pression prove- y4 I pression de s'écouler directement vers le clapet de sûreté,. sans passer à travers le clapet de commande. Hi Le clapet partiteur peut être actionné par la pression du '' =. 00 carburant ou peut être commandé par un solénoTde. Ln IX) N cc> Cette Invention a pour objet un dispositif de comrmande de elapet. Elle a en particulier pour objet un dispositif de commande pour un clapat de sûreté d'un compresseur de moteur à turbine à gaz. Le clapet de sûreté est prévu pour commander l'écoulement d'air du compresseur aux basses vitesses du moteur et il permet au compresseur de fonctionner efficacement dans une large gamme de vitesses tandis qu'il réduit le risqua de pompage et de blocage du compresseur. En outre la compresseur peut comporter une rangée ou des rangées d'aubes de guidage d'aspiration à angle variable, lequel angle varte automatiquement pour minimaliser le blocage de l'étage frontal ou des étages de pales de rotor. Il est parfois nécessaire, et dans le 1 o cas des turbines à gaz aéronautiques et dans le cas des turbine à gaz stationnaires, de réduire la puissance du-moteur aux allures élevées. Par exemple, dans le cais des moteurs à turbine à gaz adaptés pour engendrer de l'électrlclté en entraînant un générateur par l'intermédiaire d'une turbine à puissance libre, si la turbine de puissance tourne à survitess, la turbine à gaz doit être arrêtée aussltôt que pcssble pour prévenir l'endommaGment de la turbine de 1 5 puissance. Au taux de décélération élevé qui résulte d'un tel fonctionnement, le clapet de sûreté du compresseur du mnoeur à turbine à gaz doit être ouvert très rapidement sinon le compresseur pompe et le moteur peut être endommagé. La présente Invention a pour but un compresseur comportant un clapet de sûreté et une commande de clapet de sûreté qui permette au clapet de sûreté d'être ouvert aux basses 2 0 vitesses du moteur et à des allures très élevées lors de l'arrêt d'urgence. A cette fin, la présente invention comprend un compresseur de moteur à turbine à gaz comportant un clapet de sûreté et des moyens de commande du clapet de sûreté, les moyens de commande du clapet de sûreté comportant un clapet de commande et un clapet partiteur, le clapet de commande comportant des moyens d'actionnement et, adaptées pour recevoir un écoulement d'air pressurisé provenant du compresseur, une sortie pour l'air pressurisé connectée au clapet de sûreté par l'intermédiaire du clapet partiteur et une sortie pour l'air pressurisé en communication avec l'atmosphère, le clapet pertiteur comportant des moyens d'actionnement, une entrée pour un écoulement d'air pressurisé provenant du compresseur, une entrée pour un écoulement d'air pressurisé provenant du clapet de commande et une sortie pour l'air pressurisé connectée au clapet de sûreté, les moyens d'actionnement du clapet de commande pouvant être commandés par un signal pour connecter l'entrée d'air soit à la sortie d'air du clapet de sûreté soit à la purge, les moyens d'actionnement du clapet partiteur pouvant être commandés par un signal pour fermer l'entrée recevant l'air pressurisé provenant du clapet de commande et pour connecter l'entrée du clapet pertiteur 3 5 recevant l'air pressurisé provenant du compresseur à la sortie connectée au clapet de sûreté. Le clapet partiteur peut comporter un carter et un corps de clapet mobile à l'intérieur du carter pour permettre à l'air pressurisé de s'écouler directement à travers le clapet partiteur vers le clapet de sûreté ou à travers le clapet de commande et le clapet partiteur. Le clapet partiteur peut comporter un clapet à deux voles ayant un piston à surface différentielle mu par la pression du carburant et par la pression de lair. Eventuellement, le clapet partiteur peut comporter un clapet actionné par un solénoïde. La présente invention va mainten ant être décrite plus en détail en référence aux dessins annexés sur lesquels: 1 0 La figure 1 représente une élévation d'un moteur à turbine à gaz incluant la présente invention; La figure 2 représente un schéma d'un clapet de sûreté et de moyens de commande de clapet de sûreté qui forment une partie de la présente invention, et La figure 3 représente une autre forme de réalisation des moyens de commande du i 5 clapet de sûreté représentés sur la figure 2. Si on se reporte à la figure I, on voit qu'un moteur à turbine à gaz 10 comporte un compresseur basse pression 12 et un compresseur haute pression 14 entraeinés respectivement par une turbine basse pression 16 et une turbine haute pression 18 aux moyens respectivement d'arbres 20 et 22. Un système de combustion 24 brûle le carburant 2 0 avec l'air provenant du compresseur haute pression et fournit des produits de combustion aux turbines 16 et 18. Les gaz propulsifs quittent le moteur par la tuyère 26 et s'échappent dans l'atmosphère dans le ces d'un moteur aéronautique, ou s'écoulent vers une turbine à puissance libre (non représentée) dans le cas d'un moteur Industriel. Le compresseur haute pression comporte un collecteur 28 et un clapet de sûreté 30 associé qui est représenté plus clairement sur la figure 2. Le fonctionnement du clapet de sûreté est commandé par des moyens de commande de clapet de sûreté 32 qui est représenté sur la figure 2 et, dans une autre forme de réalisation, sur la figure 3. Si on se reporte h la figure 2, on voit que les moyens de commande du clapet de sûreté 32 comportent un clapet de commande 34 et un clapet partiteur 36. Le clapet de commande 3 0 34 comporte une entrée d'air 38 prévue pour recevoir un écoulement d'air haute pression provenant du compresseur haute pression 14, une sortie d'air 40 connectée au clapet de sûreté 30, par l'intermédlalre du clapet partiteur 36, et une purge 42 en communication avec l'atmosphère. Le clapet de commande 34 comporte un carter 44 comprenant l'entrée 38 et les sorties 3 5 40, 42 et un corps de clapet en deux parties 45, 45 mobile dans le carter. Les deux parties du corps de clapet sont comprimées dans le même sens par un ressort de compression 48 et sont comprimées en sens contraires par un autre ressort de compression 50. La partie 44 du corps du clapet comporte un passage Interne. Le clapet de commanda est actionné par un piston-plongeur hydraulique 54 dent le déplacement dépend de la pression délivrée par le compresseur 14 et, par là, de la vitesse du moteur. - Le clapet de sûreté 30 comporte un carter 56 fixé au collecteur 28 audessus d'une ouverture 58 du collecteur. Le carter comporte une entrée 60 alignée avec l'ouverture 58 et une sortie annulaire 62 délimitée par les parois du carter 56 et par une plaque centrale 64. Un corps 65 de clapet cylindrique en forme de douille est mobfle dans le carter et est comprimé en position ouverte, comme il est représenté sur la figure 2, par un ressort de compression 66. Le carter comporte un orifice d'entrée 68 connecté à l'orifice de sortie 40 1 0 du clapet de commande 34 par l'intermédiaire du clapet 36. Le clapet partiteur 36 est un clapet à deux voies actionné par la pression du carburant. C'est un composant breveté. Le clapet 36 comporte un clapet 70 muni d'un passage interne 72. Les extrémités du corps de clapet-sont prévues pour être soumises à un écoulement de carburant prisau dispositif de carburant du moteur à la pression requise et à une pression 1 5 d'air engendrée par le compresseur haute pression 14. Le corps de clapet est un piston à surface différentielle conçu de telle sorte qua la surface actionnée par la pression de l'air saoit plus grande que la surface actionnée par la presslon du carburant. Le clapet 36 a une entrée 74 pr6vue pour recevoir l'air haute pression provenant directement du compresseur 16 et uns entrée 76 prévue pour recevoir l'air haute pression à 2 o travers le clapet de commande 34. Unesortie 78 connecte le clapet partiteur 36 au clapet de sûreté 30. Le mouvement du corps de clapet permet à l'une ou à l'autre des entrées 74, 76 d'être connectée à la sortie 78 par l'intermédiaire du passage 72. Sur la figure 2, l'effet combiné des pressions de carburant et d'air sur le corps de clapet 70 met l'orifice d'entrée 76 en communication avec l'orifice de sortie 78 permettant à 2 5 l'air haute pression provenant du compresseur de s'écouler vers le clapet de sûreté à travers le clapet de commande 34 et le clapet partteur 36. Sur la figure 2, le piston-plongeur 54 a déplacé le corps de clapet vers la gauche, comprimant ainsi les ressorts de compression 48, 50. L'orifice d'entrée 38 est alors mis en communication avec l'orifice d'échappement 40, permettent à rair haute pression provenant 3 0 du compresseur de s'écouler vers le clapet de sûreté 30 à travers le clapet 36, comme Il a été décrit. L'air haute pression agit sur le rebord du corps de clapet 65 ouvrant le clapet à un taux de réponse faible et permettantà l'air du compresseur de passer dans l'atmosphère par les orifices 58, 60 et 62, par l'intermédiaire d'un conduit dérivé. En temps ordinaire, le clapet de sûreté est ouvert lors de la périodei de démarrage du moteur et reste ouvert totalement jusquà ce qu'une vitesse prédéterminée du moteur soit atteinte, vitesse à laquelle le clapet est fermé à un taux de réponse faible. La fermeture du clapet de sûreté-est obtenue par un déplacement du piston-plongeur permettant à la partie 44 du corps de clapet de se déplacer vers la droite sous l'action du ressort 48 et aux deux parties du corps de clapet d'être comprimées en sens contraire par le ressort 50. Cette opération ferme la communication entre l'entrée 38 et la sortie 40 et met en communication les sorties , 42. L'effet de cette opération est disoler l'alimentation en air haute pression pour le clapet de commande et de purger l'entrée du clapet de sûreté dans l'atmosphère. Le clapet de sûreté se ferme alors sous l'action de la pression dens le compresseur s'exerçant contre la force de compression des ressorts. Dans une situation d6 arrêt d'urgence, la pression du carburant décroît très rapidement au-dessous de la valeur de la pression de l'air agissant sur le corps de clapet 70. La pression 1 o de l'air agissant sur une plus grande surface du piston déplace le corps du clapet, lequel ferme l'entrée 76 et met l'oriflce d'entrée 74 directement en communication avec la sortie 78. De l'air haute pression est alors envoyé au clapet de sûreté 30 pour qu'il ouvre le clapet très rapidement et prévienne le pompage du compresseur. Alors que le dispositif de commande de clapet de sûreté décrit ci-dessus est adapté eux moteur fonctionnant avec des carburants liquides, les turbines à gaz industrielles doivent souvent être capables de fonctionner avec des carburants gazeux. La figure 3 représente un dispositif 32 de commande de clapet de sûreté similaire à celui qui est représenté sur la figure 2 mals comportant un clapet partiteur 80 qui fonctionne indépendamment de la pression du carburant La constitution et le fonctionnement du clapet de commande 34 et du clapet de sûreté 30 sont les mêmes que ceux des clapets décrits en référence à la figure 2. Il convient de remarquer que, sur la figure 3, le piston- plongeur 54 est dans une position qui ferme le clapet à rl'entrée d'air haute pression et met les orifices 40 et 42 en communication. Le clapet de sûreté 65 est en position fermée ( ligne en traits tirés) sous l'action de la pression régnant dans le compresseur 14. Le clapet partiteur 80 est un clapet commandé par un solénoïde, comportant deux orifices d'entrée 82, 84 pour l'alimentation en air haute pression provenant du compresseur 14. L'orifice centrée 82 est en prise directe sur le compresseur et l'orifice d'entrée 84 reçoit l'air à travers le clapet de commande 34. Un orifice de sortie 86 connecte le clapet partiteur au clapet de sûreté. Une plaque perçée de trous 88 est comprimée par un ressort 90 et permet tà l'air haute pression provenant du compresseur d'alimenter le clapet de sûreté soit à travers le clapet partiteur et le clapet de commande soit directement à travers le clapet partiteur. Lors du fonctionnement normal du moteur, le solénoïde est mis sous tension et la plaque 88 ferme un passage interne dens le clapet, empêchant l'écoulement par l'orifice d'entrée 82. 3 5 Le clapet de commande commainde le fonctionnement du clapet de sûreté. En cas d'arrêt d'urgence, le solénoïde est mis hors tension et la plaque 88, comprimée par le ressort 90, ferme l'orifice d'entrée 84 et l'air haute pression du compresseur s'écoule par l'orifice d'entrée 82 et l'orifioe de sortie 86 directement vers le clapet de sûreté 30. Le clapet de sûreté s'ouvre très rapidement, prévenant le pompage du moteur. On a constaté qu'avec le dispositif de commande du clapet de sûreté décrit ci-dessus le clapet de sûreté est complètement ouvert environ dans la demi-seconde du début du processus d'arrêt. Comme il représenté schématiquement sur les figures 2 et 3, le piston-plong.ur 54 hydraulique est connecté par un mécanisme à levier 88 à une rangéea d'aubes 90 de guidage à entrée variable. Cette disposition permet le fonctionnement du clapet de sûreté 30 ainsi que la coordination adéquate du mouvement des aubes 90. 1 o Dans la constitution de beaucoup de moteurs qui ne bénéficient i de la présente invention ni du clapet de sûreté 30, on peut avoir prévu des soupapes de purge commaniées par un solénoïde ( non représentées) sur le compresseur base presssion 12 afin de prévenir ou de minimaliser la risque es pompage ou d'arrêt du compresseur, qu'il s'Egisse d'un arrêt d'urgence ou d'un arrêt normal. il paut Cgalement être nécessaire de programmer 1 5 l'ouverture du clapet de sûreté à une vitesse du moteur qui réduise l'allure de fonctionnement effectif du moteur mais qui soit nécessaire pour prévenir le pompage ou le blocags du compresseur. Le dispositif salon la présente invention fournit un moyen de commande pour le clapet de sûreté qui permet le démarrage du moteur ainsi que l'arrêt dans des conditions normales et 2 0 à une allure élevée avec un risqua très faible ou nul qu'il ne se produise un pompage ou un blocage du compresseur sans réduire l'allure de fonctionnement effective efficace. Il peut également être possible, selon le type du moteur et les spéclfications de fonotifonnement, de supprimer les soupapes de purge du compresseur basse pression. La suppression des soupapes de purge représente une conomie considérable et une 2 5 réduction dans la complexité du dispositif de conduite du moteur. Un autre avantage résultent de la suppression des soupapes d'évacuation est de rendre impossible l'introduction de particules corrosives extinctric3s dans le moteur, car, contrairement aux purges et aux sûretés das autres moteurs qui débouchent à l'extérieur, les soupapes de purge débouchent dans une carcasse entourant le moteur. REVENDICATIONS 1 - Compresseur de moteur à turbine à gaz comportant un clapet de sûreté et des moyens de commande de clapet de sûreté, caractérisé en ce que les moyens de commande (32) du clapet de sûreté comportent un clapet de commande (34) et un clapet partlteur (36), le clapet de commande (34) comportant des moyens d'actionnement (54) et, adaptées pour recevoir un écoulement d'air pressurisé provenant du compresseur, une sortie (40) pour l'air pressurisé connectée au clapet de sûreté (30) par l'intermédiaire du clapet partiteur (36) et une sortie (42) pour l'air pressurisé mise en communication avec l'atmosphère, le clapet partiteur (36) comportant des moyens d'actionnement, une entrée (74) pour un- i o ecoulement d'air pressurisé provenant du compresseur, une entrée (76) pour un écoulement d'air pressurisé provenant du clapet de commande (34) et une sortie (78) pour l'air pressurisé connectée au clapet de sûreté (30), les moyens d'actionnement (54) du clapet de commande (34) pouvant être commandés par un signal pour connecter l'entrée d'air (38) soit à la sortie d'air (40) du clapet de sûreté soit à la purge (42), les moyens d'actionnement 1 5 (34) du clapet partiteur (36) pouvant être commandés par un signal pour fermer l'entrée (76) recevant l'air pressurisé provenant du clapet de commande (34) et pour connecter l'entrée du clapet partiteur (74) recevant l'air pressurisé du compresseur à la sortie (78) connectée au clapet de sûreté (30). 2 - Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le clapet partiteur (36) comporte un carter et un corps de clapot (70) mobile à l'intérieur du carter pour permettre à l'air pressurisé de s'écouler directement a travers le clapet partiteur (36) vers le clapet de sûreté (30) ou à travers le clapet de commande (34) et le clapet partiteur (36). 3 - Compresseur selon la revendication I, caractérisé en ce que le clapet partiteur (36) est un clapet à deux voies et en ce que le corps de clapet (70) comporte un piston actionné à une extrémité par une pression de carburant du moteur et à l'autre extrémité par l'air pressurisé provenant du compresseur du moteur, la surface du piston (70) actionnée par l'air pressurisé étant plus Importante que la surface du piston (70) actionné par le carburant. 4 - Compresseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le clapet partiteur 3 0 (36) est un clapet commandé par un solénoïde et en ce que le corps de clapet comporte une plaque percée de trous (88) laquelle, lors de la mise hors tension du solénoïde, ferme l'entrée (84) de l'air pressurisé provenant du clapet de commande et permet à l'air pressurisé de s'écouler à partir du clapet de commande (34) et permet à l'air pressurisé de s'écouler directement vers le clapet de sûreté (30). 3 5 5 - Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le clapet de sûreté (30) comporte un carter (56) et un corps de clapet (65), le corps de clapet (65) étant déplacable par un éoulenent d'air pressurîsa provenant du clapet de commande (34) ou du clapet partiteur (36) pour ouvrir le clapet de sûreté (30) et pour permettre à l'air comprimé contenu dans le compresseur dêtre purgé. 1%I e e N N p4 E QI Lnl o, SA0, / r.-Z ne c"jz 7e,À,\ I'ESR I - n