Brevet FR2846711A1 — publié le 20040507

l Domaine de l'invention La présente invention se rapporte de façon générale aux systèmes s d'injection de carburant dans les turbomachines et elle concerne plus particulièrement un dispositif de dosage de carburant de grande précision. Art antérieur Un système conventionnel d'injection de carburant dans une 10 turbomachine est illustré de façon schématique à la figure 6. Il s'organise autour d'un dispositif de dosage de carburant (fuel metering unit 10) dont le conduit d'entrée 12 est relié à la sortie d'une pompe haute pression 14 qui soutire le carburant d'un réservoir de carburant (flèche 16) et dont le conduit de sortie 18 est relié à une pluralité d'injecteurs de carburant is disposés dans une chambre de combustion de la turbomachine (flèche ). Le dispositif de dosage qui contrôle le débit de carburant devant s'écouler dans les injecteurs depuis la pompe haute pression comporte un doseur 22 qui reçoit, à une pression Pl, le carburant à injecter d'une 20 soupape de régulation 24 et le délivre, à une pression P2, aux injecteurs au travers d'un clapet d'arrêt 26. On cherche ainsi à maintenir constante la différence de pression P2-Pl aux bornes du doseur par un détecteur de pression différentielle 28 monté à ses bornes et qui agit sur l'ouverture de la soupape de régulation de sorte que lorsque la pression en entrée du 25 doseur augmente (respectivement diminue) par rapport à la pression au niveau de sa sortie, le détecteur actionne la soupape de régulation pour augmenter (diminuant) le débit de carburant retourné à la pompe par un conduit de retour 30, diminuant (augmentant) le débit de carburant transmis au doseur. Ce dispositif de dosage donne globalement satisfaction. Toutefois, pour des applications aéronautiques, il présente encore une masse 284671 1 importante et un cot élevé et sa fiabilité comme sa précision de dosage peuvent être accrue. Objet et définition de l'invention Aussi, la présente invention a pour objet un dispositif de dosage de carburant amélioré, c'est à dire ayant une masse et un cot diminués. Un but de l'invention est aussi d'augmenter la fiabilité du dispositif de dosage ainsi réalisé afin, notamment, d'en diminuer les cots d'intervention et de maintenance préventive. Un autre but de l'invention est aussi d'augmenter io la précision de dosage du carburant par rapport aux dispositifs de l'art antérieur. Ces buts sont atteints par un dispositif de dosage de carburant dans une turbomachine, monté entre une pompe haute pression qui soutire le carburant d'un réservoir de carburant et une pluralité d'injecteurs de 15 carburant pour injecter ce carburant dans une chambre de combustion de la turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte un doseur qui reçoit sur une entrée, à une pression Pi, le carburant à injecter d'une soupape de régulation et le délivre sur une sortie, à une pression P2, à ladite pluralité d'injecteurs au travers d'un clapet d'arrêt, ladite soupape de régulation 20 assurant une re-circulation du carburant vers ladite pompe haute pression en fonction de la différence (Pi- P2) des pressions prélevées directement aux bornes du doseur et injectées à deux entrées d'extrémité de ladite soupape de régulation. Ainsi, avec cette configuration sans détecteur de pression 25 différentielle, on aboutit à un dispositif de dosage plus compact et moins cher sans nuire considérablement à la précision de dosage. La soupape de régulation comporte un tiroir hydraulique qui peut se déplacer dans une fourrure sous l'action des pressions Pi et P2 s'exerçant aux dites deux entrées d'extrémités respectivement sur deux sections Si 30 et S2 du tiroir hydraulique, ledit tiroir comportant une première lumière annulaire pour assurer une re-circulation du carburant vers ladite pompe 284671 1 haute pression en mettant en communication une première entrée d'alimentation de ladite fourrure reliée à une sortie de ladite pompe haute pression avec une sortie d'alimentation de ladite fourrure reliée à une entrée de ladite pompe haute pression. Avantageusement, pour compenser les phénomènes mécaniques et hydrauliques parasites et ainsi augmenter la précision de dosage, le tiroir hydraulique comporte en outre une seconde lumière annulaire pour assurer une autre re-circulation du carburant vers ladite pompe haute pression en mettant en communication une seconde entrée d'alimentation 1o de ladite fourrure reliée à ladite entrée du doseur avec une sortie d'alimentation auxiliaire de ladite fourrure reliée à ladite entrée de la pompe haute pression. De préférence, pour assurer un réglage supplémentaire de la loi de dosage, ladite seconde entrée d'alimentation est reliée à ladite entrée du 15 doseur par l'intermédiaire d'un diaphragme fixe. Ce diaphragme fixe peut comporter un orifice percé dans ladite fourrure ou être réalisé à l'extérieur de ladite soupape de régulation. La sortie auxiliaire d'alimentation est reliée à ladite entrée de la pompe haute pression par l'intermédiaire d'un diaphragme variable qui 20 peut comporter une pluralité d'orifices de formes identiques (de préférence réalisés par électroérosion) répartis de façon équidistante autour de ladite fourrure dans laquelle ils sont percés et décalés les uns des autres dans un sens de déplacement de ladite soupape de régulation. Avantageusement, lesdits orifices comportent une section sélectionnée 25 parmi les sections suivantes: circulaire, rectangulaire, triangulaire ou oblong. L'invention concerne également la soupape de régulation compensée et de grande précision mis en oeuvre dans le dispositif de dosage précité. 284671 1 Brève description des dessins Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un système d'injection de carburant comportant un dispositif de dosage de carburant selon la présente invention, - les figures 2A et 2B sont respectivement deux vues en perspective et en coupe longitudinale d'une soupape de régulation du dispositif de dosage io de carburant de la figure 1, - les figures 3A à 5B sont des diagrammes montrant différentes formes possibles de diaphragmes ainsi que les lois de compensation correspondantes pour la soupape de régulation de la figure 2A, et - la figure 6 est une vue schématique d'un système d'injection de 15 carburant de l'art antérieur. Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel Un système d'injection de carburant d'une turbomachine conforme à l'invention est illustré de façon schématique à la figure 1. Comme dans la structure de l'art antérieur, on retrouve une pompe de carburant haute pression 14 qui soutire du carburant d'un réservoir de carburant 16 pour l'amener via un dispositif de dosage de carburant 32 à des injecteurs 20 d'une chambre de combustion de la turbomachine. Toutefois, selon l'invention, le dispositif de dosage ne comporte 25 plus le dispositif de détection de AP mais seulement le doseur 22, la soupape d'arrêt 26 et une soupape de régulation compensée 34 assurant également la régulation de la différence de pression aux bornes du doseur tout en compensant les phénomènes mécaniques et hydrauliques parasites. Ce dispositif de dosage amélioré 32 présente ainsi une masse 30 moindre (allégée du dispositif de détection de lP) et donc un cot également moindre, associé à une meilleure précision de dosage. La soupape de régulation 34 intègre un tiroir hydraulique 36 qui peut se déplacer à l'encontre d'un ressort 37 dans une fourrure 38 sous l'action de forces de pression s'exerçant à ses deux extrémités 36A, 36B, de sections respectives Si et S2 et, respectivement, issues de l'entrée s (pression Pi) et de la sortie (pression P2) du doseur 22. Le tiroir hydraulique comporte deux lumières annulaires 40, 42. Une première entrée d'alimentation 44 percée dans la fourrure 38 est reliée au conduit d'entrée 12 et une première sortie d'alimentation 46, également percée dans cette fourrure, est reliée en entrée du doseur 22. Une gorge 45 de la io fourrure 38 assure une liaison continue entre l'entrée 44 et la sortie 46 pour l'alimentation du doseur en carburant. La première lumière 40 est destinée à assurer une re-circulation du débit de carburant en excès vers la pompe via une seconde sortie d'alimentation 48 percée dans la fourrure. La seconde lumière 42 assure une communication entre une 15 sortie d'alimentation auxiliaire 50 percée dans la fourrure 38 et reliée au travers d'un diaphragme de gain Kb (variable selon la position de la soupape) au conduit de retour pompe 30 (à la pression Pb) et une seconde entrée d'alimentation 52 percée également dans la fourrure et reliée en entrée du doseur 22 (à la pression Pi) au travers d'un 20 diaphragme fixe 54 de gain Kl. Ce diaphragme fixe peut, comme illustré, être réalisé à l'extérieur de la soupape de régulation 34 ou bien être percé directement dans la fourrure 38. Cette configuration particulière du tiroir 36 permet d'exercer, sur la section différentielle Si- S2, une pression modulée (Pm) entre la pression 25 Pi et la pression de retour pompe Pb qui varie en fonction de la position de la soupape. En effet, le AP doseur est déterminé par la force du ressort (F0) selon l'équation suivante: AP * Section tiroir - F0 = 0, et est donc théoriquement constant. Or, la raideur du ressort (R) et les forces réactives agissant sur le tiroir perturbent cet équilibre idéal en faisant 30 évoluer la position de la soupape (Xsoupape) et donc en modifiant le AP doseur. C'est pour vaincre ces phénomènes mécaniques et hydrauliques 284671 1 parasites et compenser cette variation de position de la soupape qu'est introduit la pression Pm qui est dimensionnée de sorte que: (Pi - Pm)(SlS2) = R*Xsoupape + Fréactives L'équation d'équilibre devient alors: AP * S2 + (Pi- Pm)(S1- S2) - FO - R*Xsoupape - Fréactives = O La pression modulée s'obtient par un potentiomètre hydraulique composé d'un diaphragme fixe (de gain Kl) et alimenté par Pl et d'un diaphragme variable en fonction de la position de soupape (de gain Kb) et alimenté par Pb. En régime stabilisé, Pm est donnée par la relation 10 Pm = K12 * P1 / (K12 + Kb2) + Kb2 *Pb / (Kl2 + Kb2) Les figures 2A et 2B montrent un schéma de réalisation en perspective partiellement éclatée et en coupe longitudinale de la soupape de régulation 34. On peut observer le tiroir hydraulique 36 qui peut coulisser dans sa fourrure 38, comportant ses deux lumières annulaires 15 40, 42, la première lumière 40 étant en outre munie de quatre fentes 56 réparties uniformément autour de ce tiroir et par lesquelles passe d'abord le carburant. On retrouve également les différentes entrées 44, 52 et sorties 46, 48, 50 d'alimentation en carburant, percées dans la fourrure sensiblement en regard des lumières annulaires. Plus particulièrement, la 20 sortie auxiliaire d'alimentation 50 qui fait fonction de diaphragme variable est réalisée par plusieurs orifices de formes identiques répartis de façon équidistante autour de la fourrure dans laquelle ils sont percés et décalés les uns des autres dans le sens de déplacement longitudinal de la soupape. Ces orifices sont avantageusement réalisées par électroérosion 25 ou perçage, les fentes pouvant être obtenues plus classiquement par fraisage. Les figures 3A, 4A, 5A montrent trois exemples de réalisation de ces orifices présentant trois sections de formes différentes et les figures 3B, 4B, 5B illustrent les courbes correspondantes de répartition du débit 30 de carburant au travers du conduit de sortie 50 en fonction de la position de la soupape, les courbes en pointillés matérialisant la loi de 284671 1 compensation optimale des variations de position de la soupape créées par les phénomènes parasites définis précédemment. Sur la figure 3A, le diaphragme variable Kb comporte trois trous circulaires 60 répartis régulièrement sur les 3600 de la périphérie de la s fourrure et décalés les uns des autres d'une distance correspondant sensiblement à un demi diamètre. Sur la figure 4A, le diaphragme variable Kb comporte quatre orifices de section triangulaires 62 répartis régulièrement sur les 3600 de la périphérie de la fourrure et décalés les uns des autres, le sommet d'un triangle concidant avec la base du triangle io qui le précède. Sur la figure 5A, le diaphragme variable Kb comporte deux fentes de section rectangulaires 64 réparties régulièrement sur les 360 de la périphérie de la fourrure et décalées l'une de l'autre de la longueur de la fente. Le fonctionnement normal du système d'injection est le suivant. 15 Classiquement, le déséquilibre des pressions appliquées sur les deux extrémités 36A, 36B en commandant le déplacement d'un tiroir hydraulique 36 de la soupape de régulation 34 entraînera une augmentation ou une diminution du débit de carburant recirculé. Ainsi, lorsque la pression Pl en entrée du doseur 22 augmente, cette 20 augmentation se répercute sur l'extrémité 36A du tiroir hydraulique engendrant un mouvement vers le haut de ce tiroir et donc une plus grande ouverture de la section de passage correspondant au conduit de retour 30. Le débit re-circulé augmente, et la pression Pl diminue alors maintenant constant le AP. De même, lorsque la pression P2 en sortie du 25 doseur 22 augmente, cette augmentation se répercute sur l'extrémité 36B du tiroir hydraulique engendrant un mouvement vers le bas de ce tiroir et donc une moins grande ouverture de la section de passage correspondant au conduit de retour 30. Le débit re-circulé diminue, et la pression Pi augmente alors maintenant ici encore le AP constant. Toutefois, le LP obtenu à la suite des mouvements de la soupape n'est pas rigoureusement le même, car il s'y ajoute la raideur du ressort et 284671 1 les forces réactives qui agissent sur l'équilibre du tiroir. Aussi, lorsque la soupape va alternativement s'ouvrir ou se fermer, le AP obtenu sera en fait le AP initial plus ou moins une imprécision due aux effets parasites précités. Aussi, avec l'invention, quant la soupape s'ouvre, Kb augmente et la pression (Pm) qui s'applique sur (Si- S2) va alors diminuer compensant les efforts de dérives qui augmentent et qui tendent à fermer la soupape. De même, réciproquement, quant la soupape se ferme, Kb diminue et donc Pm augmente, ce qui compense la diminution des effets parasites io dus à la fermeture de la soupape. En définitive, la configuration de l'invention est particulièrement intéressante car on obtient une grande précision dans la loi de dosage avec l'emploi d'un seul diaphragme variable et d'un diaphragme fixe, ce dernier pouvant en outre être positionné aussi bien sur la fourrure de la 15 soupape de régulation qu'à l'extérieure de celle-ci. En outre, l'application d'une pression modulée sur la section différentielle de la soupape de régulation est réalisée très simplement et de façon économique par les orifices dont les formes multiples (on peut envisager également des trous oblongs par exemple) permettent d'obtenir une loi de compensation 20 facilement réglable. 284671 1 REVENDICATIONS 1. Dispositif de dosage de carburant (32) dans une turbomachine, monté entre une pompe haute pression (14) qui soutire le carburant issu 5 d'un réservoir de carburant (16) et une pluralité d'injecteurs de carburant (20) pour injecter ce carburant dans une chambre de combustion de la turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte un doseur (22) qui reçoit sur une entrée, à une pression Pi, le carburant à injecter d'une soupape de régulation (34) et le délivre sur une sortie, à une pression P2, à ladite io pluralité d'injecteurs au travers d'un clapet d'arrêt (26), ladite soupape de régulation assurant une re-circulation du carburant vers ladite pompe haute pression en fonction de la différence (Pi- P2) des pressions prélevées directement aux bornes du doseur et injectées à deux entrées d'extrémité (36A, 36B) de ladite soupape de régulation. 2. Dispositif de dosage de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite soupape de régulation comporte un tiroir hydraulique (36) qui peut se déplacer dans une fourrure (38) sous l'action des pressions Pi et P2 s'exerçant aux dites deux entrées d'extrémités respectivement sur deux sections Si et S2 du tiroir hydraulique, ledit tiroir 20 comportant une première lumière annulaire (40) pour assurer une recirculation du carburant vers ladite pompe haute pression en mettant en communication une première entrée d'alimentation (44) de ladite fourrure reliée à une sortie de ladite pompe haute pression avec une sortie d'alimentation (48) de ladite fourrure reliée à une entrée de ladite pompe 25 haute pression. 3. Dispositif de dosage de carburant selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit tiroir hydraulique comporte en outre une seconde lumière annulaire (42) pour assurer une autre re-circulation du carburant vers ladite pompe haute pression en mettant en communication 30 une seconde entrée d'alimentation (52) de ladite fourrure reliée à ladite 284671 1 entrée du doseur avec une sortie d'alimentation auxiliaire (50) de ladite fourrure reliée à ladite entrée de la pompe haute pression. 4. Dispositif de dosage de carburant selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite seconde entrée d'alimentation est reliée à ladite entrée du doseur par l'intermédiaire d'un diaphragme fixe (54). 5. Dispositif de dosage de carburant selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit diaphragme fixe comporte un orifice soit percé dans ladite fourrure soit réalisé à l'extérieur de ladite soupape de régulation. 6. Dispositif de dosage de carburant selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite sortie auxiliaire d'alimentation est reliée à ladite entrée de la pompe haute pression par l'intermédiaire d'un diaphragme variable. 7. Dispositif de dosage de carburant selon la revendication 6, i5 caractérisé en ce que ledit diaphragme variable comporte une pluralité d'orifices de formes identiques (60, 62, 64) répartis de façon équidistante autour de ladite fourrure dans laquelle ils sont percés et décalés les uns des autres dans un sens de déplacement de ladite soupape de régulation. 8. Dispositif de dosage de carburant selon la revendication 7, 20 caractérisé en ce que lesdits orifices comportent une section sélectionnée parmi les sections suivantes: circulaire, rectangulaire, triangulaire ou oblong. 9. Dispositif de dosage de carburant selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits orifices sont réalisés par électroérosion. 10. Soupape de régulation d'un dispositif de dosage de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.