Brevet FR2718190A1 — publié le 19951006

SOUPAPE DE REGULATION D'INJECTION DE CARBURANT POUR UNE TURBOMACHINE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne la régulation d'injection du carburant pour une turbomachine telle qu'un turboréacteur. Art antérieur et problème posé Le système d'injection de carburant délivré à une turbomachine, telle qu'un turboréacteur, est interposé entre la source de carburant et des injecteurs placés en amont de la chambre de combustion de la turbomachine. De manière générale, un tel système comprend des moyens de connexion pour relier la source de carburant aux injecteurs de la turbomachine. Ces moyens sont constitués d'une pompe, d'un filtre de carburant, d'un clapet d'arrêt, d'un échangeur thermique et de moyens de réglage du débit du carburant délivré aux injecteurs. Il comprend également un calculateur électronique agissant sur ces moyens de réglage pour régler le débit de carburant injecté, en fonction des paramètres de vol et de fonctionnement du turboréacteur. Un tel système d'injection et de dosage du carburant est représenté à la figure 1. Le carburant issu d'une source non représentée passe d'abord par une pompe basse pression 1 et par un filtre principal 2. Il est ensuite injecté par une pompe haute pression vers une soupape de régulation 4. Cette dernière est commandée par un circuit actuateur hydraulique ou électro-hydraulique représenté par la référence 5. I1 renvoie vers le filtre principal 2 le carburant excédentaire au moyen d'une canalisation de retour 6. Le carburant à injecter est ainsi envoyé par la soupape de régulation 4 vers un doseur 7 dont le piston distributeur 7A est placé en position convenable sous l'action d'un calculateur électronique référencé 8, par l'intermédiaire d'actuateurs agissant de part et d'autre du piston 7A du doseur 7, comme le montrent les flèches référencées 9 et 10. Le carburant à injecter est alors poussé dans une première canalisation d'injection 11 pour aboutir dans un clapet d'arrêt 12. Ce dernier est commandé également par le calculateur électronique 8 au moyen d'un actuateur 13. Ce clapet d'arrêt 12 laisse donc passer le carburant à injecter vers l'échangeur 15 débouchant par une canalisation d'injection 14 dans les injecteurs non représentés du turboréacteur. Le débit excédentaire de carburant recyclé par la conduite de retour 6 dans le filtre 2 peut être très important, et même très supérieur au débit consommé, en particulier dans le cas de vol à haute altitude. Ce débit supplémentaire repasse dans la pompe haute pression 3 et monte en pression. Dans le cas o le piston 4A de la soupape de régulation 4 se bloque dans une position se rapprochant de la position de fermeture, ce débit relativement important ne peut pas passer. De plus, le niveau de pression du carburant continue à augmenter car, un détecteur de pression qui commande la position du piston 4A de la soupape de régulation 4 porte le niveau de la pression modulée pour la soupape de régulation 4 au niveau le plus élevé. Ce phénomène fait agir la pression encore plus fortement sur le piston 4A de la soupape de régulation qui le décoince et le met en position d'ouverture du circuit. Une telle anomalie de fonctionnement est donc très difficilement acceptable. De manière générale, le coincement d'un piston d'une soupape de régulation est à éviter dans le cadre d'un système d'injection et de dosage de carburant pour un tel turboréacteur. Le but de l'invention est donc de remédier à cet inconvénient. Résumé de l'invention. A cet effet, l'objet principal de l'invention est une soupape de régulation d'injection de carburant d'une turbomachine, la soupape comprenant: - un corps creux comprenant au moins une entrée de carburant o règne une haute pression et au moins une sortie de carburant o règne une basse pression; - un piston monté coulissant dans le corps d'axe déterminé et comprenant au moins une cavité superficielle dont la longueur est supérieure à la distance séparant les entrée et sortie pour les mettre en communication dans une position déterminée du piston; et - des moyens d'actionnement en translation du piston. Selon l'invention, la soupape comprend des moyens de mise en rotation du piston pour éviter le coincement de ce dernier. La principale réalisation de l'invention prévoit que ces moyens de mise en rotation sont réalisés sous la forme d'une roue à aubes centrée sur l'axe du piston, solidaire de celui-ci et entraînée par un flux de haute pression issu d'un conduit en communication avec la haute pression de la turbomachine. Dans ce cas, la roue à aubes est de préférence placée à une extrémité du piston, opposée à l'extrémité sur laquelle se trouve la cavité superficielle. De préférence, un diaphragme peut être placé sur le conduit pour ajuster la vitesse de rotation de la roue à aubes. La cavité superficielle est réalisée de préférence sous la forme de plusieurs fentes lenticulaires. Dans la réalisation préférentielle, le corps comprend deux cavités internes, la première dans laquelle débouche l'entrée de carburant et la deuxième dans laquelle débouche la sortie de carburant. Les moyens de commande comprennent de préférence: - une face d'extrémité du piston du côté de la cavité superficielle en contact avec la haute pression; - une face radiale externe d'un épaulement du piston recevant la basse pression; et - une face radiale interne du piston recevant la pression de commande. Un ressort peut compléter la soupape en étant placé dans le corps pour maintenir le piston en position fermée en dessous d'une certaine pression de commande déterminée. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description d'une réalisation de l'invention. Quatre figures sont utilisées pour l'accompagner. Elles représentent respectivement: - figure 1 le système d'injection dans lequel est utilisée la soupape selon l'invention; - figure 2, en coupe, une soupape selon l'art antérieur; - figure 3, en coupe, une soupape selon l'invention; et figure 4, en coupe, un détail de réalisation de la soupape selon l'invention. Description détaillée d'une réalisation de l'invention En se reportant à la figure 2, la soupape comprend un corps 20 cylindrique ayant deux cavités internes 23 et 24. Il possède en outre une entrée de carburant sous haute pression 21 et une sortie de carburant sous basse pression 22 débouchant toutes les deux dans la deuxième cavité 24. A l'intérieur de ce corps 20, coulisse un piston d'axe longitudinal A. Il coulisse notamment dans la première cavité interne 23 relativement large du corps et dans la deuxième cavité interne 24 plus restreinte de ce même corps 20. Entre ces deux cavités, figure une première paroi de séparation 25 dont le diamètre est encore plus restreint et dans lequel coulisse également le piston 30 et qui sépare les deux cavités de façon étanche. L'entrée sous haute pression de carburant 21 débouche dans la deuxième cavité interne 24 alors que la sortie de carburant sous basse pression 22 débouche plus bas dans le corps 20. Toutefois, le piston possède plusieurs cavités superficielles 31 réalisées ici sous la forme de fentes lenticulaires. La longueur de ces fentes est un peu supérieure à l'épaisseur de la deuxième paroi de séparation 19 séparant l'entrée 21 et la sortie de carburant 22, en fait la deuxième cavité 24. De cette manière, lorsque le piston est placé de façon que ses fentes lenticulaires 31 soient à cheval sur la deuxième paroi de séparation 19, l'entrée de carburant 21 et la sortie de carburant 22 sont en contact direct l'une avec l'autre. Dans la réalisation décrite, le piston 30 est complété d'une tige 32 vissée axialement à l'intérieur du piston et terminée par une tête 33. Sur la surface interne 34 de cette tête 33, prend appui un ressort 35 qui prend également appui sur un épaulement interne 26 d'une douille 27 solidaire du corps 20. En fait, cette douille 27 est placée à l'intérieur du corps 20. Entre ces deux éléments concentriques coulisse l'extrémité creuse 36 du piston 30. Le ressort 35 a pour effet de maintenir le piston dans une position o les fentes lenticulaires 31 ne sont pas en contact avec l'entrée de carburant sous haute pression 21. Des trous 37 sont pratiqués à travers la tige 32 du piston 30 pour éviter que cette tige ne forme une chambre close qui s'opposerait au déplacement du piston. De plus, le corps 20 comprend, dans la première cavité 23, une entrée 28 de la pression modulée de la soupape de manière que cette pression règne autour de la tige 32 du piston 30. On pratique au besoin des trous de passage 28A dans la douille 27. Le corps 20 possède également dans sa première cavité 23 des orifices 29 mettant l'autre partie 23A de cette première cavité interne placée autour du piston 30 une basse pression, par exemple la pression atmosphérique. Ainsi, le piston 30 est soumis à trois efforts hydrauliques. Le premier effort est celui de la haute pression, par l'intermédiaire de l'entrée de carburant 21. Cette pression agit sur la surface d'extrémité 38 du piston 30. Le deuxième effort est un effort variable subi par une surface radiale externe 39 du piston 30 à la base de la partie creuse 36. Ce deuxième effort est dû à la basse pression issue des orifices 29. Le troisième effort est dû à la pression modulée de référence qui agit sur la surface interne radiale 40 du piston 30, à l'intérieur de sa partie creuse 36. C'est donc cette surface interne radiale 40 qui subit la pression de commande de la soupape. Sur cette figure 2, la vanne est représentée en position fermée. En d'autres termes, le piston 30 obture complètement l'entrée de carburant 21 sous haute pression. Au contraire, sur la figure 3, représentant la soupape selon l'invention, celle-ci est en position d'ouverture. L'entrée sous haute pression de carburant 21 est en communication directe avec la sortie basse pression de carburant 22. On retrouve d'ailleurs sur cette figure plusieurs éléments de la soupape précédemment décrite. I1 s'agit du corps 20, du piston 30, du ressort 35. L'innovation principale selon l'invention est la présence de moyens de mise en rotation de l'ensemble du corps 30 et de sa tige filetée 32. Ainsi, lors des différents mouvements de translation du piston 30 dans le corps 20, aucun coincement ne peut se produire, compte tenu du fait que le piston est en rotation constante. Sur cette réalisation décrite, les moyens de mise en rotation sont constitués principalement par une roue à aubes 50 placée à l'extrémité 51 de la tige filetée 32 opposée à la partie vissée dans le corps 30. Cette extrémité 51 remplace la tête 33 de la réalisation précédente. La roue à aubes 50 constitue une turbine qui est actionnée par une arrivée d'air sous pression. Cette arrivée est symbolisée par une cavité radiale 52 à l'intérieur du corps 20, autour de l'extrémité 51 de la tige 32, de manière à ce que la roue à aubes 50 puisse être placée entièrement en regard de celle-ci. On remarque qu'une translation de l'ensemble du corps 30 et de la tige filetée 32 amène également une translation de la roue à aubes 50 par rapport à cette arrivée d'air sous pression 52. Il s'en suit que les aubes de cette roue 50 peuvent être plus ou moins alimentées en air sous pression. La mise en appui du ressort ne se fait plus sous la tête 33 de la réalisation précédente mais au moyen d'une butée à billes 53 placée sur une collerette 54 de la tige 32. Des trous 14 sont toujours pratiqués sur la tige 32 pour empêcher l'alésage interne 32A de constituer une chambre close. Le fluide moteur arrivant par l'arrivée d'air sous haute pression 52 s'évacue au niveau d'une chambre radiale 53 opposée à la chambre radiale 52 symbolisant l'entrée d'air sous pression. L'épaulement 54 placé au bout de l'extrémité 51 de la tige 32 permet d'isoler les deux chambres 52 et 53. De façon analogue, un épaulement 56 est prévu de l'autre côté des deux cavités 52 et 53 pour les isoler de la pression modulée régnant autour de la douille 27 et autour de la tige filetée 32. Une butée axiale 55 peut compléter la tige filetée 32 dans le sens de la fermeture de la soupape. En référence à la figure 4, on peut prévoir dans le conduit d'arrivée d'air sous pression 57 un diaphragme 59 pour moduler le flux d'air envoyé sur la roue à aubes 50 et donc sa vitesse de rotation. Sur cette figure 4, on a également représenté un conduit de sortie 58 de l'air après son passage autour de la roue à aubes 50 et les deux cavités 52 et 53 représentées sur la figure 3. Avantages de l'invention Le phénomène de coincement est ainsi évité au niveau du piston 30 de la soupape de régulation. La haute pression qui vient l'alimenter fait tourner la roue à aubes 50 varie avec la variation de la longueur d'action des aubes de la roue 50 dans le bon sens. En d'autres termes, lorsque le débit de haute pression est faible, les aubes de la roue 50 sont offertes sur toute leur longueur au flux d'arrivée d'air sous pression. Inversement à fort débit de haute pression, le piston est dans une position proche de la fermeture. Ainsi, les aubes de la roue 50 sont alors cachées en partie après l'épaulement 56 et leur largeur efficace est donc de moindre importance. Ainsi, un dimensionnement convenable des aubes peut donc convenir à un couple moteur variant dans une plage réduite. REVENDICATIONS 1. Soupape de régulation d'injection de carburant d'une turbomachine, comprenant: - un corps (20) creux et comprenant au moins une entrée de carburant (21) o règne une haute pression et au moins une sortie de carburant (22) o règne une basse pression; - un piston (30) monté coulissant dans le corps (20), d'axe déterminé (A) et comprenant au moins une cavité superficielle (31) dont la longueur selon l'axe (A) du piston (30) est supérieure à la distance séparant les entrée (21) et sortie (22) pour mettre cette entrée et cette sortie en communication l'une avec l'autre, dans une position déterminée du piston (30; et - des moyens d'actionnement en translation du piston (30), caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de mise en rotation du piston (30) pour éviter le coincement de ce dernier. 2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de mise en rotation sont constitués principalement d'une roue à aubes (50) centrée sur l'axe (A) du piston (30), solidaire de celui- ci et entraînée en rotation par un flux haute pression issu d'un conduit (57) en communication avec la haute pression. 3. Soupape selon la revendication 2, caractérisée en ce que la roue à aubes (50) est placée à une extrémité (51) du piston (30) opposée à l'extrémité sur laquelle se trouve la cavité superficielle (31). 4. Soupape selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend un diaphragme (59) placé dans le il conduit (57) d'o vient la haute pression pour ajuster la vitesse de rotation de la roue à aubes (50). 5. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cavité superficielle (31) se trouve sous la forme de fentes lenticulaires. 6. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps (20) comprenant deux cavités internes, une première cavité (23) o se trouve la roue à aubes (50) et une deuxième cavité (24) o se trouvent l'entrée de carburant (21), la sortie de carburant (22) et la cavité superficielle (31) du piston (30). 7. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de commande comprennent: - une face d'extrémité (38) du côté de la cavité superficielle (31), en contact avec la haute pression; - une face radiale externe (39) d'un épaulement du piston (30)et recevant la basse pression; et - une face radiale interne (40) du piston (30) recevant la pression de commande. 8. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un ressort (35) placé à l'intérieur du corps (20) pour maintenir le piston (30) en position fermée, en dessous d'une certaine pression de commande déterminée.