Brevet FR2751030A1 — publié le 19980116

La présente invention concerne un dispositif de régulation de l'alimentation en carburant d'un turboréacteur en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du mo- teur notamment d'une vitesse de rotation, comprenant une ins- tallation de dosage de carburant prévue entre une pompe de carburant et un brûleur dans le moteur ainsi qu'un régulateur de moteur appliquant à l'installation de dosage une grandeur de réglage représentant le débit de carburant en fonction du paramètre du moteur. ' On connaît un tel dispositif selon le document DE-19 545 987. Le but principal de l'installation de régulation de carburant d'un turboréacteur ou d'une turbine à gaz est, suivant la position du levier de commande choisie par l'utilisateur, de faire fournir par le moteur une poussée ou une puissance correspondante. Cela se fait par une alimenta- tion régulée en carburant vers les brûleurs du moteur; le dispositif de régulation doit alors tenir compte des limites de fonctionnement du moteur comme par exemple la vitesse de rotation maximale autorisée pour le rotor ou la température de la turbine. Pour protéger un moteur contre les survitesses de l'un des rotors, le document DE-38 30 805 propose d'agir par des circuits de régulation et des unités de commande sur la vanne de dosage principale, pour réduire une survitesse en réduisant l'alimentation en carburant ou plutôt pour ne pas se laisser s'établir une telle survitesse. Comme cela est dé- crit dans le document DE-19 545 987 déjà rappelé, cela se fait à l'aide d'une installation de dosage de carburant com- posée d'une vanne de dosage et d'une vanne de régulation de pression en parallèle à la vanne de dosage; l'installation de dosage de carburant est montée dans la conduite de carbu- rant entre la pompe à carburant et les brûleurs du moteur. Un régulateur mécanique ou électronique fournit une grandeur de réglage correspondant à un débit de carburant à l'installation de dosage en fonction d'un paramètre de fonc- tionnement du moteur tel que la vitesse de rotation ou la po- sition du levier de commande. En relation avec cette grandeur de réglage, la vanne de dosage ouvre ou ferme l'alimentation en carburant ou prend une position intermédiaire correspon- dant au degré d'étranglement. La vanne de régulation de pression en parallèle sur la vanne de dosage assure une chute de pression constante entre les ajutages amont et aval de la vanne de dosage, de sorte que suivant la position de la vanne de dosage, on ar- rive à un débit déterminé de carburant. La condition d'une intervention corrigée du dis- positif de régulation de carburant en cas de fonctionnement défectueux comme par exemple celle du limiteur de vitesse de rotation, qui détecte de tels défauts par des capteurs appro- priés équipant le moteur et qui sont fournis au dispositif de régulation, s'opposant au comportement défectueux par une grandeur de réglage correspondante. Dans les dispositifs de régulation connus, le temps écoulé jusqu'à de tels fonction- nements défectueux est reconnu et on continue à dépasser la limite de fonctionnement jusqu'à ce que le dispositif de ré- gulation déclenche des contre-mesures. Comme fonctionnements défectueux possibles, on a par exemple l'endommagement d'éléments de moteur par survitesse résultant d'un excès de carburant ou extinction du moteur et de ses chambres de com- bustion. Toutefois, il est important que les dispositifs de régulation connus décèlent des états de fonctionnement criti- ques à l'aide de capteurs. Partant de cette situation, la présente invention a pour but de créer un dispositif du type défini ci-dessus, pour réguler l'alimentation en carburant, et qui permette d'une part avec des moyens de détection aussi faibles que possible, d'éviter tout dépassement des limites de fonction- nement du moteur et d'autre part d'éviter une extinction ac- cidentelle du moteur. A cet effet, l'invention concerne un dispositif du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que: - l'installation de dosage comporte deux vannes de dosage branchées en série, - le carburant fourni au brûleur traverse successivement les deux vannes de dosage, - une vanne de régulation pour régler une chute de pression constante sur la vanne de dosage est associée à chacune des deux vannes de dosage, et - la grandeur de réglage appliquée à la vanne de dosage en aval est augmentée d'un coefficient X > 1 par un multipli- cateur en amont, cette grandeur de réglage étant supérieure à celle appliquée à la vanne de dosage en amont. L'invention présente l'avantage que la mise en série de deux vannes de dosage permette de faire fonctionner la vanne de dosage amont, en cas de défaillance avec une po- sition d'ouverture légèrement plus faible, de sorte qu'en cas d'une position d'ouverture accidentellement trop grande de la vanne de dosage en amont, le débit possible de carburant est forcément limité par l'installation de dosage de carburant. Cela permet de maintenir les survitesses de rotation dans des limites tolérables de sorte que le moteur peut fonctionner à proximité de la vitesse de rotation de rupture. Cela permet de mieux utiliser des réserves de puissance. La plus grande position d'ouverture de la vanne de dosage aval s'obtient lorsqu'on applique une grandeur de réglage Ys par exemple supérieure de 20 % à la grandeur de réglage YM appliquée à la vanne de dosage amont. La diffé- rence qui en résulte pour la position d'ouverture des vannes de dosage aboutit à une limitation forcée du débit à des va- leurs plus élevées sans nécessiter une intervention du régu- lateur qui devrait à son tour réagir au signal d'un capteur. Les temps de détection des défauts et les temps de mise en oeuvre n'ont de ce fait aucune influence sur le dépassement des limites de fonctionnement. Dans un tel cas, par exemple pour un grippage de la vanne de dosage en position d'ouverture, le surdosage, limité qui en résulte est perçu par le régulateur après le temps de réaction de défaut usuel, du fait de la grandeur de réglage Ys légèrement plus grande et s'oppose à cette augmentation de débit de carburant par une grandeur de réglage Y, diminuée de façon correspondante, jusqu'à ce que la vanne de dosage en aval ait réglé le débit de carburant demandé. Un autre avantage est que la position d'ouverture augmentée de la vanne de dosage en aval en cas de fonctionne- ment normal, évite une régulation de la chute de pression au niveau de la vanne de dosage en aval par cette vanne de régu- lation, si bien que le comportement de régulation de la vanne de régulation en amont n'est pas dérangé par les opérations de régulation de la vanne de régulation en aval. Toutefois, un avantage important qu'il convient de remarquer est que l'excédent de carburant et ainsi les éventuelles excursions de rotation ou dépassement des limites de fonctionnement puissent être déterminées sans équivoque par la position de la vanne de dosage en amont. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - la chute de pression est maintenue constante en déviant du carburant en amont de la vanne de dosage respective. - la vanne de dosage comporte un organe de réglage actionné par une pression différentielle pour régler le débit sous pression et la différence de pression est réglée par un capteur de différence de pression. - la vanne de dosage amont ou les deux vannes de dosage peu- vent être sollicitées par une haute pression pour s'ouvrir de force. - l'ouverture forcée est faite par le régulateur du moteur. - l'ouverture forcée de la vanne de dosage, amont est faite par la vanne de régulation aval dès que cette vanne évacue du carburant. - le régulateur est un régulateur proportionnel, intégral, différentiel PID. Un mode de réalisation préférentiel de l'inven- tion sera décrit ci-après à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe d'un turboréacteur équipé d'un dispositif pour réguler l'alimentation en car- burant, - la figure 2 est un schéma de principe d'une installation de dosage de carburant du dispositif de la figure 1 en posi- tion de fonctionnement normal, - la figure 3.1 est un schéma de principe de l'installation de dosage de carburant selon la figure 2 en mode de fonc- tionnement défectueux " vanne de dosage amont ouverte " au début du défaut, - la figure 3.2 est un schéma de principe de l'installation de dosage de carburant de la figure 2 en mode de fonction- nement erroné, " vanne de dosage amont, ouverte " après élimination du défaut par régulation, - la figure 4 est un schéma de principe de l'installation de dosage de carburant de la figure 2 en mode de fonctionne- ment avec défaut " vanne de régulation de pression amont, fermée ", - la figure 5 est un schéma de principe de l'installation de dosage de carburant de la figure 2 en mode de fonctionne- ment erroné " vanne de dosage amont bloquée ", pour une ou- verture forcée contrôlée. Le turboréacteur 1 représenté à la figure 1 se compose d'un compresseur 2 entraîné par une turbine 4 par l'intermédiaire d'un rotor commun 3 pour alimenter en air comprimé, la chambre de combustion 5. L'air chauffé dans la chambre de combustion s'expanse dans la turbine 4 et engendre la poussée du turboréacteur 1 à la sortie de la tuyère 6. Dans le cas d'un tel turboréacteur 1, en fonction de la posi- tion du levier de commande et des coefficients d'air, on rè- gle les grandeurs du moteur telles que le rapport de compression, la pression de la tuyère, la température d'entrée dans la turbine et notamment la vitesse de rotation du rotor 3 et on maintient ces valeurs dans les limites de fonctionnement. Pour cela, le dispositif selon l'invention qui fournit par un régulateur 19 et une installation de do- sage de carburant 8, la quantité de carburant à la chambre de combustion 5 fournie à partir du réservoir par la pompe à carburant 21, et de manière dosée pour respecter les gran- deurs caractéristiques du moteur, à savoir la vitesse de ro- tation de consigne ncons du rotor 3. Entre l'unité de dosage de carburant 8 et la chambre de combustion 5, la conduite de combustible 10 comporte d'autres éléments associés au système de carburant du moteur 1 comme cela est indiqué symbolique- ment par le rectangle 25. Les ensembles sont entre autres, les vannes de démarrage Tw, la vanne de débordement, le ra- diateur d'huile, le débitmètre. L'installation de dosage de carburant 8 prévue dans la conduite de carburant 10 entre la pompe à carburant 21 et la chambre à carburant 5 (figure 2) comporte deux van- nes de dosage 11, 12 branchées en série; ces vannes peuvent commander chacune par l'intermédiaire d'un organe de réglage 13 commandé par une différence de pression, le débit alimen- tant la chambre de combustion 5. Le positionnement des orga- nes de réglage 13 se fait chaque fois par un capteur de différence de pression 23, 23 associé aux vannes de dosage 11, 12; ce capteur convertit la grandeur de réglage électri- que YMS associée à la vanne de dosage aval ou amont 11, 12 en une pression de carburant; cette pression déplace, à son tour, les organes de réglage 13 dans une position correspon- dant à la grandeur de réglage Ys ou YM. Aux deux vannes de dosage 11, 12 est associée chaque fois une vanne de régula- tion de pression 14, 15 branchée en parallèle; chacune as- sure une chute de pression constante aux bornes de la vanne de dosage 11, 12 pour avoir une association univoque de la position de l'organe de réglage 13 et du débit pour chaque vanne de dosage 11, 12. Par les vannes de réglage 14, 15 re- liées chaque fois en amont et en aval de la vanne de dosage respective 11, 12 sur la conduite principale 10, on règle une chute de pression constante dans toute la plage de fonction- nement, entre l'entrée et la sortie des vannes de dosage 11, 12. Dans ces conditions, le carburant en amont de la vanne de dosage 11, 12 est évacué dans une conduite de retour 16 par la vanne de régulation de pression 14, 15. En fonctionnement sans incident, la vanne de dosage en aval 12 n'est réglée sans qu'une grandeur de réglage Ys importante soit appliquée. En réglant la vitesse de rotation du rotor n, le régulateur électronique 19 compare la vitesse de rotation de consigne à la vitesse de rotation réelle nreel mesurée par le capteur 17 et pour respecter la vitesse de rotation de consi- gne Ncons, il fournit à l'installation de dosage de carburant 8 une grandeur de réglage correspondante Y. Le positionnement des organes de réglage 13 se fait chaque fois par un capteur de différence de pression 22, 23 associé à l'une des vannes de dosage 11, 12 et qui transforme en une pression de carbu- rant, la grandeur de réglage YMS associée à la vanne de do- sage amont ou aval 11, 12; cette pression de carburant déplace à son tour les organes de réglage 13 dans une posi- tion correspondant aux grandeurs de réglage Ys ou YM. La grandeur de réglage YM appliquée à la vanne de dosage amont 11 assure suivant la valeur de la grandeur de réglage kYM, une ouverture ou une fermeture de la vanne de dosage amont 11, si bien que du fait de la chute de pression constante au niveau de la vanne de dosage 11, la grandeur de réglage YM repré- sente directement le débit de carburant mT dans la vanne de dosage amont 11. La grandeur de réglage Ys appliquée par un multiplicateur 18 à la vanne de dosage aval 12 est supérieure selon le coefficient 1,2 à la grandeur de réglage YM appli- quée à la vanne de dosage amont 11. Il en résulte qu'en cas de fonctionnement correct du dispositif de réglage 7, la vanne de dosage aval 12 présente toujours une position d'ouverture plus grande que la vanne de dosage amont 11, si bien qu'en définitive, le débit maximum possible est assuré par la vanne aval et le dosage par la vanne amont. Ainsi, le débit de carburant mT à travers la vanne de dosage 12 est plus faible que le permettrait la position de l'organe de ré- glage 13 de la vanne de dosage aval 12 du fait qu'elle reçoit une grandeur de réglage Ys plus grande. Il en résulte égale- ment une chute de pression trop faible au niveau de la vanne de dosage aval 12, si bien que la vanne de régulation de pression 15 aval, associée, cherche à s'opposer à cette si- tuation en fermant l'évacuation de carburant vers la conduite de retour 16. Ce mode de fonctionnement garantit que la vanne de réglage de pression amont 14 ne soit pas dérangée dans son comportement de régulation par la seconde vanne de régulation aval 15, puisque celle-ci est en position fermée. Si maintenant l'installation de dosage de carbu- rant 8 est défectueuse, l'organe de réglage 13 de la vanne de dosage amont 11 restant par exemple accroché en position d'ouverture (la figure 3.1 représente ce mode de fonctionne- ment) dans le cas de l'état de la technique, ce défaut des dispositifs de régulation selon l'état de la technique pour- rait aboutir à des excursions dangereuses de la vitesse de rotation du turboréacteur 1 à cause des temps de réaction propres au système. Mais dans le dispositif de régulation 7 selon l'invention, comme le débit instantané possible mT est limité par la vanne de dosage 12, aval, encore apte à fonc- tionner, l'amplitude de l'excursion de survitesse de rotation peut directement être influencée par lÈimportance du coeffi- cient multiplicateur X. Comme ce coefficient multiplicateur X est légèrement supérieur à l'unité, on aura des surrégimes extrêmement faibles, et le turboréacteur 1 peut fonctionner à proximité de ses limites, car également il n'y a pas à tenir compte de temps de réaction du système Enfin, la montée en vitesse de rotation légère, limitée par le coefficient X est enregistrée par le régula- teur 19 qui assure la régulation vers le bas de la grandeur de réglage Y pour atteindre la vitesse de rotation de consi- gne ncons. On aboutit à ce mode de fonctionnement du fait de la position d'ouverture trop grande de la vanne de dosage amont 11 à cause de la trop faible chute de pression vers la fermeture de la vanne de réglage de pression 14 amont et la vanne de réglage de pression aval 15 fait alors intervenir la vanne de dosage aval 12 de manière décisive sur le débit de carburant mT et par l'envoi de carburant dans la conduite de retour 16; l'opération de régulation prend le rapport de pression correct sur la vanne de dosage amont 12. Enfin, comme cela apparaît à la figure 3.2, l'organe de réglage 13 de la vanne de dosage amont 12 se trouve dans la position correspondant au dosage, définie par la position d'ouverture excessive déterminée par le coefficient X qui sera corrigé par régulation vers le bas de la grandeur de réglage Y. La régulation de l'alimentation en carburant peut ainsi fonc- tionner indépendamment de l'état défectueux de la vanne de dosage 11 amont, sans que cela ne.soit au détriment de la ca- ractéristique de régulation du dispositif de régulation 7. La figure 4 montre un quatrième mode de fonction- nement selon lequel la vanne de régulation de pression 14, amont est représentée en position de défaut. Cela signifie que la vanne est bloquée en position de fermeture, ce qui ne permet plus d'évacuer le carburant vers la conduite de retour 16. Il en résulte que l'entrée de la vanne de dosage amont 11 reçoit uniquement une forte pression de carburant, entraînant un débit excessif de carburant mT, la position de l'organe de réglage 13 de la vanne de dosage amont 11 étant inchangée. Ce défaut de fonctionnement ne permet plus une association uni- voque entre la position de l'organe de régulation 13 et le débit de carburant MT. Maintenant la vanne de régulation de pression 15, en aval, reliée à la conduite de carburant 10 entre les deux vannes de dosage 11, 12 se met en oeuvre; elle dévie en réaction à la forte pression de carburant entre les deux vannes de dosage 11, 12, le carburant excédentaire dans la conduite de retour 16 pour respecter la chute de pression définie sur la vanne de dosage 12 aval. En même temps, du fait de la grandeur de réglage Ys aval, dimension- née de manière plus importante selon le facteur X, on a une quantité de carburant légèrement plus forte pour la chambre de combustion 5 jusqu'à ce que le régulateur 19 soit informé à partir des paramètres de fonctionnement, d'une déviation par rapport aux grandeurs de consigne et qu'il réduise de fa- çon correspondante la grandeur de réglage Y, jusqu'à ce que la vanne de dosage aval 12 ait dosé le débit de carburant correct mT. Les vannes aval 12, 15, qui par ailleurs restent passives à l'état de fonctionnement non dérangé, assurent ainsi la seule mesure de débit de carburant mT. Enfin la figure 5 montre un quatrième mode de fonctionnement selon lequel l'organe de régulation 13 de la vanne de dosage amont 11 est bloqué en position de fermeture. Le carburant en excédent arrivant de la pompe à carburant 21 est évacué alors par la vanne de régulation de pression 15, amont, dans la conduite de retour 16. Comme dans un tel cas, la vanne de dosage aval 12 est également importante puisque du fait du montage en série, elle reste apte à fonctionner, il est prévu une ouverture contrôlée de la vanne de dosage bloquée 11, 12. Une unité de commande de moteur 19 alimentée par les paramètres de fonctionnement reconnaît une alimentation insuffisante de carburant et évacue par un dispositif de vanne supplémentaire 20, la conduite de haute pression 18 sous pression pour que le signal de réglage 19 soit maintenu en position d'ouverture. Une ouverture forcée automatique de la vanne de dosag!e aval 11 se fait par la vanne de régulation 15, aval, et la'vanne de haute pression 18 dès que la vanne de régula- tion 15 commence avec l'opération de régulation pour la vanne de dosage 12. Comme la position d'ouverture de la vanne 12 est plus grande en mode de fonctionnement normal, l'opération de régulation de pression se fait seulement en cas d'incident comme cela a été décrit précédemment. Pour réaliser une fonc- tion de rechange parfaite, non dérangée de la vanne de dosage aval, il est intéressant de faire fonctionner la vanne de do- sage amont 12, dérangée, nécessairement en position d'ouverture. Les modes de fonctionnement pour lesquels on avait les différentes positions de défaut ont été représentés par exemple pour les vannes 11, 14 situées en amont et qui peuvent également s'appliquer en cas de défaut de fonctionne- ment des vannes aval 12, 15. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Dispositif de régulation de l'alimentation en carburant d'un turboréacteur (1) en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur notamment d'une vitesse de rotation (n), comprenant une installation de dosage de carburant (8) prévue entre une pompe de carburant (21) et un brûleur (5) dans le moteur ainsi qu'un régulateur de moteur (19) appli- quant à l'installation de dosage (8) une grandeur de réglage (Ys, YM) représentant le débit de carburant (mT) en fonction du paramètre (n) du moteur, caractérisé en ce que - l'installation de dosage (8) comporte deux vannes de dosage (11, 12) branchées en série, - le carburant fourni au brûleur (5) traverse successivement les deux vannes de dosage (11, 12), une vanne de régulation (14, 15) pour régler une chute de pression constante sur la vanne de dosage (11, 12) est as- sociée à chacune des deux vannes de dosage (11, 12), et - la grandeur de réglage (Ys) appliquée à la vanne de dosage (12) en aval est augmentée d'un coefficient X > 1 par un multiplicateur (18) en amont, cette grandeur de réglage (YM) étant supérieure à celle appliquée à la vanne de do- sage (11) en amont. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chute de pression est maintenue constante en déviant du carburant en amont de la vanne de dosage respective (11, 12). 30) Dispositif selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que la vanne de dosage (11, 12) comporte un organe de réglage (13) actionné par une pression différentielle pour régler le débit sous pression et la différence de pression est réglée par un capteur de différence de pression (22, 23). 40) Dispositif selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que la vanne de dosage amont ou les deux vannes de dosage (11, 12) peuvent être sollicitées par une haute pression pour s'ouvrir de force. ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ouverture forcée est faite par le régulateur (19) du mo- teur. 6 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et , caractérisé en ce que l'ouverture forcée de la vanne de dosage (11), amont est faite par la vanne de régulation (15) aval dès que cette vanne évacue du carburant. 70) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le régulateur (19) est un régulateur proportionnel, intégral, différentiel PID.