Brevet FR2935023A1 — publié le 20100219

La présente invention concerne le domaine de l'alimentation en carburant des moteurs et notamment des turbomachines. Traditionnellement, dans un moteur d'aéronef, tel un hélicoptère, le débit de carburant est régulé afin de maintenir le moteur dans une plage 5 de fonctionnement prédéterminée. Par exemple, lorsque le moteur est un turbomoteur d'hélicoptère, l'exigence principale est celle d'obtenir une vitesse de rotation unique, qui est maintenue constante quelle que soit le couple appliqué au rotor. Pour ce faire, le débit de carburant doit être dosé. 10 La présente invention concerne plus particulièrement un doseur de débit de carburant, de préférence mais pas exclusivement pour une turbomachine, telle une turbine à gaz d'hélicoptère par exemple. Un tel doseur est déjà connu par ailleurs. Pour réguler le débit de carburant s'écoulant à travers un orifice du doseur, un pointeau de 15 commande, associé à l'orifice, est déplacé grâce un moteur pas à pas de manière à diminuer ou augmenter progressivement la section d'écoulement à travers l'orifice. A l'usage, ce type de doseur présente quelques inconvénients. Tout d'abord, il faut noter que les moteurs pas à pas ne sont pas 20 très fiables et il arrive que le pas du moteur, bien qu'initialement précalibré, change lors de conditions de fonctionnement sévères, par exemple lorsqu'il est monté dans une turbomachine produisant d'importantes vibrations lors de son fonctionnement. Ce phénomène fausse la régulation du carburant car l'organe de 25 commande du pointeau de commande ne connaît pas a priori la nouvelle valeur du pas. On conçoit que l'apparition d'un décalage entre la consigne et le débit obtenu ne permet pas de piloter correctement l'aéronef, ce qui peut être dommageable. 30 Pour pallier à cet inconvénient, un organe de contrôle est généralement prévu pour surveiller le fonctionnement du moteur pas à pas. Cet organe est fixé au moteur pour vérifier que le déplacement du pointeau de commande correspond bien à la consigne fournie par l'organe électronique de commande. Si tel n'est pas le cas, l'organe de commande 35 corrige les signaux de consigne en fonction du décalage mesuré par l'organe de contrôle. Cependant, la gestion des organes de contrôle et de commande génère une indésirable élévation de température des calculateurs embarqués dans l'aéronef. Un but de l'invention est de proposer un doseur de débit de 5 carburant plus simple s'affranchissant des inconvénients mentionnés ci-dessus. L'invention atteint son but par le fait que le doseur selon l'invention comporte une pluralité d'orifices et une pluralité de pointeaux de commande aptes à obturer lesdits orifices, chacun des pointeaux de 10 commande étant déplaçable indépendamment des autres pointeaux de commande entre une position ouverte dans laquelle l'orifice associé est ouvert et une position fermée dans laquelle l'orifice associé est obturé. De préférence, chacun des pointeaux de commande est déplaçable uniquement entre ladite position ouverte dans laquelle l'orifice associé est 15 ouvert et ladite position fermée dans laquelle l'orifice associé est obturé. Autrement dit, l'orifice associé ne peut prendre que deux états : ouvert ou fermé. Selon l'invention, la régulation du débit s'opère en ouvrant un nombre plus ou moins important d'orifices tout en obturant les autres, 20 selon le débit que l'on souhaite obtenir. On comprend en effet que plus l'on ouvre d'orifices, plus la surface totale de passage offerte au flux de carburant est grande de sorte que le débit de carburant augmente en conséquence. De manière avantageuse, les surfaces des orifices suivent une loi 25 de variation croissante. Il s'ensuit que les débits des orifices suivent également une loi de variation croissante. Un intérêt est de pouvoir adapter la plage de débits que le doseur peut offrir aux caractéristiques de fonctionnement du moteur. 30 En effet, en combinant des orifices ayant des débits différents, il est possible d'obtenir une large plage de débits possibles avec un nombre réduit d'orifices. De manière préférentielle, mais non exclusivement, les orifices sont dimensionnés de telle sorte que le débit de carburant destiné à s'écouler 35 au travers de chacun des orifices est proportionnel à une puissance de 2. Autrement dit, chaque orifice (sauf le premier) présente un débit deux fois plus grand que le précédent. De préférence, chaque orifice (sauf le premier) présente une surface d'ouverture deux fois plus grande que le précédent. Ainsi pourra-t-on avantageusement dimensionner les orifices de sorte que le premier orifice présente un débit de un litre par heure, le second orifice un débit de deux litres par heure, le troisième orifice un débit de quatre litres par heure, etc. Grâce à la présente invention, il est donc possible d'obtenir une 10 plage de débits très large avec un nombre réduit de pointeaux de commande, tout en s'affranchissant des moteurs pas à pas. Par exemple, avec huit orifices dimensionnés comme précisé ci-dessus, il est avantageusement possible d'obtenir une plage de débits comprise entre 0 litre par heure et 255 litres par heure avec un incrément 15 de 1 litre par heure. Par ailleurs, avec neuf orifices, il est possible d'obtenir une plage de débit s'étendant entre 0 litre par heure et 511 litres par heure avec un pas de 1 litre par heure. Selon une variante avantageuse, chacun des pointeaux de commande est mû par un électroaimant dudit doseur. Ils peuvent 20 également être déplacés par un actionneur piézo-électrique. De préférence, le doseur de débit de carburant selon l'invention comporte en outre une pluralité de ressorts associés aux pointeaux de commande de telle sorte que chacun desdits pointeaux de commande tend à être amené par le ressort associé en position fermée lorsque 25 l'électroaimant associé audit pointeau de commande n'est pas activé. Qui plus est, le doseur comporte en outre, de manière avantageuse, au moins un capteur de position pour détecter la position de l'un des pointeaux de commande. Ce capteur permet donc avantageusement de contrôler si l'orifice 30 est ouvert ou obturé, cela à partir de la position du pointeau de commande. Pour ce faire, on peut utiliser une cellule à effet Hall, un GMR ou tout autre dispositif permettant une telle détermination de position. Afin de diminuer le volume du doseur, ce dernier pourra par exemple être agencé de telle manière que les orifices sont ménagés en 35 forme de barillet. C'est-à-dire que les orifices sont ménagés sensiblement dans un même plan tout en étant disposés le long d'une ligne circulaire. Selon une variante avantageuse de l'invention, le doseur selon l'invention comporte en outre un orifice de secours associé à un pointeau de secours de telle façon que l'orifice de secours est obturé par le pointeau de secours lors du fonctionnement normal du doseur alors que l'orifice de secours est ouvert en cas de panne totale. On comprend donc que grâce à l'orifice de secours, le moteur continue à être alimenté en carburant bien que les autres orifices soient obturés par les pointeaux de commande. Cela permet de maintenir le moteur en fonctionnement. Pour ce faire, le pointeau de secours est préférentiellement actionné par un électroaimant de secours, et le doseur comporte en outre un ressort de secours coopérant avec le pointeau de secours afin de l'amener en position ouverte lorsque l'électroaimant de secours n'est pas activé. L'invention concerne également un système de régulation de l'alimentation en carburant comportant un doseur selon l'invention, un organe électronique de commande du doseur ainsi qu'une entrée pour l'alimentation du doseur en carburant. Selon un aspect avantageux de l'invention, l'organe électronique de 20 commande est arrangé de manière à être refroidi par le flux de carburant s'écoulant à travers ladite entrée. Pour ce faire l'organe de commande, peut avantageusement être disposé autour de l'entrée d'alimentation de manière à être refroidis par le flux de carburant entrant dans le doseur. 25 L'invention porte en outre sur un circuit d'alimentation en carburant d'une turbomachine comportant un système de régulation selon l'invention. Enfin, l'invention porte sur une turbomachine comportant un circuit d'alimentation en carburant selon l'invention. 30 L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, d'un mode de réalisation indiqué à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un circuit 35 d'alimentation en carburant d'une turbomachine selon l'invention ; - la figure 2 montre un doseur de débit selon la présente invention comportant huit pointeaux de commande dont trois sont en position fermée et cinq en position ouverte ; - la figure 3 est une vue de détail d'un pointeau de commande du doseur selon l'invention, le pointeau étant représenté avec son électroaimant et le ressort associé ; - la figure 4 est une vue schématique d'un pointeau de commande de la figure 2, en position ouverte et en positon fermée ; - la figure 5 est une vue en coupe du doseur selon l'invention, où un seul des pointeaux de commande a été représenté, celui-ci n'obturant pas l'orifice associé ; - la figure 6 est une vue en coupe d'une variante du doseur selon l'invention, ce dernier comportant en outre un pointeau de secours, qui est ici représenté en position ouverte alors que le pointeau de commande est en position fermée; et - la figure 7 est une variante du doseur de la figure 5 dans laquelle l'organe électronique de commande est traversé par l'entrée d'alimentation en carburant. Traditionnellement, les turbomachines, telles par exemple les turbines à gaz d'hélicoptère, comportent un circuit d'alimentation en carburant 10 tel que celui représenté sur la figure 1. Ce circuit 10 schématique comporte un réservoir de carburant 12 connecté à une (ou plusieurs) pompe 14 permettant d'envoyer le carburant vers une roue d'injection 16 qui comporte une pluralité d'injecteurs. Comme on le voit sur cette figure, le circuit 10 comporte un premier conduit d'allumage 1Oa débouchant sur des allumeurs 18 pour l'inflammation du mélange carburant/air dans la chambre de combustion. Le circuit d'alimentation 10 comporte en outre un conduit d'injection principale 1Ob débouchant dans la roue d'injection 16 et dans lequel le débit de carburant Q est régulé par un système de régulation de débit de carburant 20 conforme à la présente invention. Ce système de régulation 20 comprend quant à lui un doseur de débit de carburant 22 conforme à la présente invention. Dans l'exemple représenté ici, on constate en se référant à la figure 2 que le doseur 22 comporte huit orifices 24a..24h, ainsi que huit pointeaux de commandes 26a..26h déplaçables et aptes à obturer lesdits orifices. Selon l'invention, chacun des pointeaux de commande est déplaçable indépendamment des autres entre une position ouverte dans laquelle l'orifice associé est ouvert et une position fermée dans laquelle l'orifice associé est obturé par ledit pointeau de commande. Comme on le voit sur la figure 2, les orifices 24a..24h sont ménagés sur un disque épais 28 de façon à présenter la forme d'un barillet. Cette forme particulière présente l'avantage d'être peu encombrante. Sur la figure 3, on a représenté plus en détail l'un des pointeaux de commande 26 et son orifice 24 associé, les autres pointeaux lui étant sensiblement similaires. Le pointeau de commande 26 se présente sous la forme d'une aiguille dont l'une des extrémités forme une pointe conique destinée à venir obturer l'orifice 24. L'extrémité opposée à la pointe porte une butée 32 contre laquelle un ressort 33 vient en appui afin d'exercer une force axiale sur le pointeau de commande 26, ladite force étant dirigée vers l'orifice associé 24. Il s'ensuit que le ressort 33 exerce une force tendant à déplacer le pointeau dans sa position fermée dans laquelle l'orifice associé 24 est obturé. Chaque pointeau de commande 26 est en outre actionné par un électroaimant 34 qui l'enserre. Cet électroaimant, alimenté par un organe électronique de commande 37, présente un état de repos dans lequel il n'exerce aucune force sur le pointeau 26, en conséquence de quoi le pointeau est amené dans sa position fermée par le ressort 33. En revanche, lorsqu'il est actionné, l'électroaimant 34 exerce sur le pointeau de commande 26 une force axiale, opposée à celle du ressort, qui tend à l'amener dans sa position ouverte. L'électroaimant 34 est choisi de manière à être apte à générer une force d'intensité supérieure à celle générée par le ressort 33. Il s'ensuit que lorsque l'électroaimant est activé, il contrecarre la force du ressort 33 de sorte que le pointeau de commande 26 passe en position ouverte. On comprend donc que la position de chaque pointeau de commande 26a..26h correspond préférentiellement à un état binaire : ouvert ou fermé. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, les pointeaux de commande 24a à 24e sont en position ouverte, tandis que les pointeaux de commande 24f à 24h sont en position fermée. Ceci est également illustré par la figure 4 qui montre le pointeau de commande 26 dans sa position fermée (orifice obturé) et dans sa position ouverte (orifice ouvert). Dans cet exemple, les orifices 14a..14h sont dimensionnés de telle sorte que leurs surfaces suivent une loi de variation croissante de sorte que leurs débits correspondants soient proportionnels à une puissance de deux, le coefficient de proportionnalité étant en l'espèce égal à un. Ainsi, dans cet exemple : - le débit Q1 de l'orifice 24a est de 1 litre par heure, - le débit Q2 de l'orifice 24b est de 2 litres par heure, - le débit Q3 de l'orifice 24c est de 4 litres par heure, - le débit Q4 de l'orifice 24d est de 8 litres par heure, - le débit Q5 de l'orifice 24e est de 16 litres par heure, - le débit Q6 de l'orifice 24f est de 32 litres par heure, - le débit Q7 de l'orifice 24g est de 64 litres par heure, et - le débit Q8 de l'orifice 24h est de 128 litres par heure. On comprend donc que si uniquement l'orifice 24g est ouvert, les autres étant obturés, alors le doseur fixe le débit à 64 litres par heure. De même, si les orifices 24g et 24c sont ouverts, alors le doseur fixe le débit 25 à 68 litres par heure, et ainsi de suite. Il s'ensuit que, dans cet exemple, la plage de débits dosables par le doseur s'étend entre 0 litre par heure (tous les orifices sont obturés) et 255 litres par heure (tous les orifices sont ouverts), avec un incrément de 1 litre par heure. On comprend donc que l'on sélectionne chacun des 30 débits de cette plage en actionnant les pointeaux de commande appropriés. A l'aide des figures 5 à 7, on va maintenant décrire plus en détail le système de régulation 20 et le doseur 22 selon l'invention. Sur ces figures, par souci de simplicité, on a représenté un seul des pointeaux de 35 commande 26a..26h. Il est appelé dans la suite : pointeau de commande 20 26. Comme on le voit sur ces figures, chaque pointeau de commande 26 est également associé à un capteur de position 36, en l'espèce une cellule à effet Hall permettant de détecter la position du pointeau de commande 26. En se référant à la figure 5, on constate que le doseur 22 est logé dans une première chambre 38 du système de régulation 20, laquelle première chambre 38 est destinée à être remplie de carburant. La première chambre 38 est alimentée en carburant par le biais d'une conduite d'entrée 40 connectée à la sortie de la pompe 14. En outre, le disque 28 comprenant les orifices 24 sépare la première chambre 38 d'une seconde chambre 42 débouchant sur une conduite de sortie 44 de carburant du système de régulation, étant précisé que ladite conduite de sortie 44 est reliée à la roue d'injection 16. Sur la figure 5, on a représenté le pointeau de commande 26 en position ouverte, position dans laquelle le carburant peut s'écouler de la première chambre 38 vers la seconde chambre 42 avant de sortir par la sortie 44 selon un débit régulé Q. L'électroaimant déplace donc le pointeau de commande 26 dans une direction opposée à l'orifice 24 à l'encontre de la force exercée par le ressort 33. Dans cet exemple, on voit que le capteur de position 36 est fixée sur une paroi 46 du système de régulation 20 dans le prolongement axial de l'extrémité du pointeau de commande 26 opposée à la pointe 30. Qui plus est, le ressort 32 est monté de manière coaxiale par rapport au pointeau de commande 26 en prenant appui sur ladite paroi 46 du système de régulation 20. Le ressort 32 s'étend donc orthogonalement depuis la paroi 46. On constate donc dans cet exemple que le capteur 36, le ressort 33 et la butée 32 sont également logés dans la première chambre 38 donc baignent également dans le carburant. Par ailleurs, tant l'électroaimant 34 que le capteur de position 36 sont reliés à l'organe électronique de commande 37 dont la fonction est de piloter les pointeaux de commande en fonction d'une consigne de débit C. En se référant à la figure 6, on va maintenant décrire une variante avantageuse de l'invention. Dans cette variante, le doseur de débit 20 comporte en outre un orifice de secours 50 associé à un pointeau de secours 52 présentant une position ouverte dans laquelle l'orifice 50 est ouvert et une position fermée dans laquelle l'orifice de secours est obturé par le pointeau de secours. Le pointeau de secours 52 porte à l'une de ses extrémités une pointe 54 de forme conique apte à obturer l'orifice 50. Cependant, contrairement à la pointe 30 des pointeaux de commande 26, celle du pointeau de secours 52 est disposée sur un côté du disque 28 opposé à celui contre lequel les pointes 30 des pointeaux de commande 26 sont destinées à venir en appui. Par ailleurs, l'extrémité du pointeau de secours 52 opposée à la pointe 54 porte également une butée 56 fixée à un ressort de secours 58. Ce ressort de secours 58 prend appui sur la paroi 46 de sorte qu'il tend à déplacer le pointeau de commande 52 axialement vers la seconde chambre 42. Ainsi le ressort de secours 58 tend, par son action propre, à amener le pointeau de secours dans sa position ouverte. Le pointeau de secours 52 est en l'espèce actionné par un électroaimant de secours 60 similaire aux électroaimants 34 qui sont destinés à actionner les pointeaux de commande 26. Ainsi, lorsqu'il est activé, l'électroaimant de secours 60 tend à déplacer axialement le pointeau de secours 52 vers la paroi 46. Autrement dit, l'électroaimant de secours, par son action propre, tend à amener le pointeau de secours 52 dans sa position fermée. L'électroaimant 60 est choisi de manière à être apte à générer une force d'intensité supérieure à celle générée par le ressort 58 en conséquence de quoi, lorsqu'il est activé, l'électroaimant de secours contrecarre la force générée par le ressort 58 et amène le pointeau de secours 52 en position fermée. A l'inverse, lorsqu'il n'est pas activé, le ressort de secours amène le pointeau de secours 52 en position ouverte. De manière avantageuse, l'électroaimant de secours 60 est activé lors du fonctionnement normal des pointeaux de commande 24a..24h, de sorte qu'en fonctionnement normal du doseur, l'orifice de secours 50 est obturé. A l'inverse, dans le cas d'une panne du doseur, par exemple en cas de panne de courant électrique, les électroaimants 34 des pointeaux de commande 26 et l'électroaimant du pointeau de secours 52 sont désactivés si bien que tous les pointeaux de commande 26a..26h sont amenés en position fermée par l'action de leurs ressorts associés et, à l'inverse, le pointeau de secours 52 est amené en position ouverte par l'action du ressort de secours 58. Dès lors, on comprend qu'en cas de panne, un débit de carburant Q' est avantageusement assuré quand bien même le doseur 22 est hors service. Cela permet notamment de maintenir le moteur allumé, certes dans un mode dégradé, malgré une panne de courant électrique se produisant à bord de l'aéronef. A l'aide de la figure 7 on va maintenant décrire une variante avantageuse du système de régulation. Dans cette variante, l'organe électronique de commande 37 est disposé contre la paroi 46 tout en étant traversé par la conduite d'entrée 40 permettant l'alimentation en carburant de la première chambre 38. Grâce à ce montage, le flux de carburant frais refroidit avantageusement l'organe électronique de commande 37 qui, comme tout appareil électronique, tend à s'échauffer lors de son utilisation. REVENDICATIONS1. Doseur (22) de débit de carburant caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'orifices (24, 24a...24h) et une pluralité de pointeaux de commande (26, 26a...26h) aptes à obturer lesdits orifices, et en ce que chacun des pointeaux de commande est déplaçable indépendamment des autres pointeaux de commande entre une position ouverte dans laquelle l'orifice associé est ouvert et une position fermée dans laquelle l'orifice associé est obturé. 2. Doseur de débit de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces des orifices (24, 24a...24h) suivent une loi de variation croissante. 3. Doseur de débit de carburant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les orifices (24, 24a...24h) sont dimensionnés de telle sorte que le débit de carburant destiné à s'écouler au travers de chacun des orifices est proportionnel à une puissance de 2. 4. Doseur de débit de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chacun des pointeaux de commande (26, 26a...26h) est mû par un électroaimant (34) dudit doseur (22). 5. Doseur de débit de carburant selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pluralité de ressorts (33) coopérant avec les pointeaux de commande (26) de telle sorte que chacun desdits pointeaux de commande tend à être amené en position fermée lorsque l'electroaimant (34) associé audit pointeau de commande n'est pas activé. 6. Doseur de débit de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un capteur de position (36) pour détecter la position de l'un des pointeaux de commande (26a...26h). 7. Doseur de débit de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les orifices (24a...24h) sont ménagés en forme de barillet. 8. Doseur de débit de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un orifice de secours (50) associé à un pointeau de secours (52) de telle façon que l'orifice de secours est obturé par le pointeau de secours lors du fonctionnement normal du doseur (22) alors que l'orifice de secours est ouvert en cas de panne totale. 9. Doseur de débit de carburant selon la revendication 8, caractérisé en ce que le pointeau de secours (52) est actionné par un électroaimant (60) de secours, et en ce que le doseur comporte en outre un ressort de secours (58) fixé au pointeau de secours afin de l'amener en position ouverte lorsque l'électroaimant de secours n'est pas activé. 10. Système de régulation de l'alimentation en carburant (20) comportant un doseur (22) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, un organe électronique de commande (37) du doseur (22) ainsi qu'une conduite d'entrée (40) pour l'alimentation du doseur en carburant. 11. Système de régulation de l'alimentation en carburant selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'organe électronique de commande (37) est arrangé de manière à être refroidi par le flux de carburant s'écoulant à travers ladite conduite d'entrée (40). 12. Circuit d'alimentation (10) en carburant d'une turbomachine comportant un système de régulation (20) selon la revendication 10 ou 11. 13. Turbomachine comportant un circuit d'alimentation (10) en carburant selon la revendication 12.