Brevet FR2931885A1 — publié le 20091204

L'invention concerne un circuit de carburant de turbomachine. Elle se destine à tout type de turbomachine, terrestre ou aéronautique, et plus particulièrement aux turboréacteurs d'avion. Plus précisément, l'invention concerne un circuit de carburant de turbomachine comprenant : - un circuit principal avec une pompe basse pression et une pompe haute pression; - une unité de dosage de carburant (ou FMU pour "Flow Metering Unit") permettant de contrôler le débit de carburant injecté dans la chambre de io combustion de la turbomachine, en renvoyant le carburant en excès dans le circuit principal en amont de la pompe haute pression, via une boucle de recirculation; - au moins un organe de contrôle électrohydraulique et au moins un actionneur hydraulique alimenté par l'organe de contrôle électrohydraulique. is Dans la présente demande, on utilise le terme "organe de contrôle électrohydraulique" pour désigner un organe à commande électrique et à puissance hydraulique, permettant d'alimenter et de contrôler l'actionneur hydraulique. Typiquement, cet organe de contrôle électrohydraulique est une servovalve, une servovanne, un électrorobinet, une électrovalve ou une 20 électrovanne. Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du carburant dans le circuit. La figure 1 représente un exemple connu de circuit de carburant 10 de turboréacteur d'avion du type précité. Ce circuit 10 a été simplifié à l'extrême 25 de façon à ne faire apparaître que les composants principaux du circuit et ceux concernés par l'invention, en omettant des composants intermédiaires tels que, par exemple, des filtres, des échangeurs thermiques, des courts-circuits (by-pass) qui, de façon connue, sont utilisés dans les circuits de carburant. 30 Le circuit 10 comprend un circuit principal 12 et une boucle de recirculation 21. Le circuit principal 12 comprend, dans le sens d'écoulement du carburant : une pompe basse pression 16, une pompe haute pression 18. La pompe basse pression 16 est reliée en amont au système de carburant de l'avion 11 (ou "Aircraft Fuel System") qui comprend le réservoir de carburant 35 14 de l'avion. En aval de la pompe haute pression 18, le circuit se sépare en deux branches 12a et 12b. La première branche 12a comprend une unité de dosage de carburant 19 (ou FMU pour "Flow Metering Unit") permettant de contrôler le débit de carburant injecté dans la chambre de combustion 20 du turboréacteur, en renvoyant le carburant en excès dans le circuit principal 12, entre la pompe basse pression 16 et la pompe haute pression 18, via une boucle de re-circulation 21. Entre autres composants, l'unité de dosage de carburant 19 comprend une soupape de pressurisation et de coupure 17 (HPSOV) ayant la double fonction de maintenir un niveau de pression io supérieur à une valeur minimale pendant le fonctionnement de la turbomachine et de fermer le circuit carburant à l'arrêt de la turbomachine. La deuxième branche 12b comprend un système de géométries variables 40. En particulier, le système de géométries variables 40 optimise le fonctionnement du turboréacteur dans les différentes phases de 15 fonctionnement. Le système de géométries variables 40 comprend un ou plusieurs actionneurs hydrauliques notés Al à AN, N représentant un nombre entier supérieur ou égal à 1. Ces actionneurs sont, par exemple, des vérins actionnant des vannes de décharge d'air, comme la vanne de prélèvement transitoire (ou TBV pour "Transient Bleed Valve") ou des vérins permettant 20 d'adapter la géométrie du compresseur du turboréacteur, comme le vérin commandant le mouvement des aubes de stator à calage variable (ou vérin VSV pour "Variable Stator Vane"). Dans l'exemple, seuls deux actionneurs Al et A2 ont été représentés. Ces deux actionneurs Al et A2 renferment chacun un piston P1, P2. Le système de géométries variables 40 comprend 25 généralement plusieurs servovalves électrohydrauliques, notées S1 à SP, P représentant un nombre entier supérieur ou égal à 1 et inférieur ou égal à N, une servovalve pouvant alimenter plusieurs actionneurs. Dans l'exemple, seuls deux servovalves S1, S2, ont été représentées, chaque actionneur Al, A2 étant alimenté en carburant par l'intermédiaire d'une servovalve S1, S2. Le 30 carburant sortant des servovalves S1, S2, rejoint le circuit principal 12 entre les pompes basse pression 16 et haute pression 18. Au lieu d'être commandé par une servovalve, chaque actionneur Al et A2 pourrait être commandé par une servovanne, un électrorobinet, une électrovalve ou une électrovanne. Dans le domaine des turbomachines, et plus particulièrement celui des 35 turbomachines aéronautiques, la réduction de taille et/ou de masse des composants utilisés est une préoccupation constante et l'invention a pour but de permettre de réduire la taille et/ou la masse de certains composants du circuit de carburant de la turbomachine. Dans leurs recherches ayant conduit à l'invention, les inventeurs ont observé que, dans un circuit de carburant de turbomachine du type précité, la pression d'entrée Pe dudit organe de contrôle électrohydraulique était dépendante de la pression d'entrée Pr du circuit de re-circulation pour certains régimes de fonctionnement de la turbomachine. Dans la présente demande, on appelle pression d'entrée de l'organe de io contrôle électrohydraulique, notée Pe, la pression du carburant qui arrive dans cet organe, en provenance d'une zone de haute pression du circuit principal. De même, on appelle pression de sortie de l'organe de contrôle électrohydraulique, notée Ps, la pression du carburant qui sort de cet organe, pour retourner vers une zone de basse pression du circuit principal. Par 15 ailleurs, la pression d'entrée du circuit de re-circulation, notée Pr, correspond à la pression du carburant qui arrive dans le circuit de re-circulation, en provenance de l'unité de dosage de carburant (FMU). La dépendance observée entre les pressions Pe et Pr est liée au fonctionnement de l'unité de dosage de carburant (FMU) et, plus 20 particulièrement, de la soupape de pressurisation et de coupure (HPSOV). La relation de dépendance entre ces pressions est telle que : plus Pr est élevée, plus Pe est élevée. Généralement, dans un turboréacteur, cette relation de dépendance est vérifiée pour tous les régimes de fonctionnement (i.e. démarrage, ralenti, croisière) sauf pour le régime plein gaz, car, au régime 25 plein gaz, la soupape de pressurisation et de coupure (HPSOV) est en butée et ne régule plus les pressions. Au régime plein gaz, Pe n'est donc généralement plus dépendante de Pr. Le but de l'invention est atteint grâce à un circuit de carburant du type précité dans lequel la pression d'entrée de l'organe de contrôle 30 électrohydraulique Pe est dépendante, pour certains régimes de fonctionnement de la turbomachine, de la pression d'entrée du circuit de recirculation Pr, et dans lequel un organe d'étranglement est placé dans la boucle de re-circulation, cet organe créant une diminution de section de passage de carburant et, par voie de conséquence, pouvant créer une perte 35 de charge et un différentiel de pression significatif de part et d'autre de cet organe d'étranglement (i.e. une baisse de pression significative entre son entrée et sa sortie). On obtient ainsi une pression d'entrée de la boucle de re-circulation Pr plus élevée et donc, pour certains régimes de fonctionnement de la turbomachine (i.e. les régimes pour lesquels Pe est dépendante de Pr), une pression d'entrée de l'organe de contrôle électrohydraulique Pe plus élevée, sans augmenter la pression de sortie de l'organe de contrôle électrohydraulique Ps. Par conséquent, pour ces régimes de fonctionnement, on obtient une différence de pression OP (OP=Pe-Ps) aux bornes de l'organe io de contrôle électrohydraulique, plus élevée qu'avec un circuit classique. La pression disponible pour l'actionneur est donc plus grande et, grâce à ce gain de pression, on peut diminuer la section du piston de l'actionneur sans affecter la force d'actionnement exercée par ce piston. A force d'actionnement égale, l'invention permet donc de diminuer la taille et/ou la is masse de l'actionneur. En outre, au lieu d'utiliser l'invention pour augmenter la différence de pression aux bornes de l'actionneur, on peut l'utiliser pour réduire la différence de pression créée par l'unité de dosage de carburant (FMU), tout en maintenant la différence de pression de l'actionneur. Dans ce 20 cas, l'invention permet, pour une différence de pression de l'actionneur fixée, de réduire les fuites à l'intérieur de l'unité de dosage de carburant (FMU) et, par conséquent, de choisir une pompe haute pression ayant une plus petite cylindrée et donc une taille et/ou une masse plus faible. Bien entendu, on peut également "partager" les avantages de 25 l'invention en utilisant l'invention en partie pour augmenter la différence de pression du ou des actionneurs et réduire la taille et/ou la masse de ces actionneurs, et en partie pour réduire la différence de pression de l'unité de dosage de carburant (FMU) et, ainsi, réduire les fuites et la cylindrée de la pompe. 30 De plus, le différentiel de pression généré par l'organe d'étranglement est faible lorsque le débit de carburant circulant dans la boucle de recirculation est faible, comme c'est le cas au régime de démarrage. Ainsi, au régime de démarrage, l'organe d'étranglement ne modifie pas, ou peu, les pressions dans le circuit, ce qui s'avère être un avantage car la pression 35 disponible pour les actionneurs n'a pas besoin d'être importante à ce régime et car on évite d'augmenter les débits consommés par les asservissements pendant le démarrage. La pompe haute pression du circuit étant souvent dimensionnée en fonction des débits consommés au démarrage, l'invention n'oblige donc pas à surdimmensionner la pompe. Enfin, dans le cas d'un turboréacteur d'avion, c'est au régime plein gaz que les pressions dans le circuit sont maximum. Or, comme précédemment mentionné, au régime plein gaz, les pressions dans le circuit (dont la pression d'entrée Pe de l'organe de contrôle électrohydraulique) ne sont généralement plus dépendantes de la pression d'entrée Pr dans la boucle de re-circulation. io Ainsi, malgré la présence de l'organe d'étranglement, les pressions maximum dans le circuit restent généralement les mêmes que dans un circuit classique. Il est ainsi possible d'utiliser des composants classiques dans un circuit selon l'invention, car ces composants résisteront aux pressions maximum. Un autre avantage de l'invention tient au fait qu'elle peut être mise en is oeuvre facilement sur un circuit de carburant existant, la pose d'un organe d'étranglement dans la boucle de recirculation ne présentant pas de difficulté pratique. Selon un mode de réalisation de l'invention, une boucle de dérivation est connectée de part et d'autre de l'organe d'étranglement, cette boucle de 20 dérivation comprenant un clapet qui s'ouvre lorsque l'écart de pression entre les bornes de l'organe d'étranglement atteint une valeur seuil. Ainsi, la pression en amont de l'organe d'étranglement, et donc la pression d'entrée de la boucle de re-circulation Pr ne dépassent pas une certaine valeur seuil. Ceci a pour avantage de limiter l'augmentation de la pression Pr au besoin 25 d'augmentation de la différence de pression OP (OP=Pe-Ps), sans pénaliser ou perturber le fonctionnement de la turbomachine par une augmentation excessive de Pr pour certains points de fonctionnement. D'une manière générale, l'organe d'étranglement située dans la boucle de re-circulation présente une section de passage de carburant étroite, 30 significativement plus petite que celle de la canalisation de la boucle de recirculation située en amont de cet organe d'étranglement. Selon un mode de réalisation de l'invention, cet organe d'étranglement est un diaphragme, c'est-à-dire, par exemple, une cloison s'étendant à l'intérieur de la canalisation de la boucle et percée d'un trou de diamètre 35 inférieur à celui de la canalisation, ce qui crée une pression différentielle de part et d'autre de la cloison. Il s'agit d'un mode de réalisation particulièrement simple, et il est facile d'adapter un circuit de carburant existant selon ce mode de réalisation. Selon un autre mode de réalisation cet organe d'étranglement est un venturi. Selon un mode de réalisation, ledit organe de contrôle électrohydraulique présente au moins trois bornes de connexions, la première borne étant connectée au circuit principal de carburant, la deuxième borne étant connectée au col du venturi, et la ou les autres bornes étant connectées io audit actionneur. Le fait de connecter ladite deuxième borne de la servovalve au col du venturi permet d'obtenir une pression de sortie Ps' de la servovalve plus faible et d'augmenter encore la différence de pression OP' (OP=Pe-Ps') aux bornes de cette servovalve. La pression disponible pour l'actionneur est ainsi encore is plus importante de sorte que la taille et/ou la masse de l'actionneur, de même que la cylindrée de la pompe haute pression, peuvent encore être diminuées. L'invention et ses avantages seront encore mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation de l'invention. Cette description fait référence aux figures annexées sur lesquelles : 20 - la figure 1 représente schématiquement un circuit de carburant de turboréacteur d'avion, connu; - la figure 2 représente schématiquement un exemple de circuit de carburant de turboréacteur d'avion, selon l'invention; et - la figure 3 représente schématiquement un autre exemple de circuit 25 de carburant de turboréacteur d'avion, selon l'invention. Le circuit de carburant 10 de la figure 1 a été précédemment décrit et illustre l'art antérieur. On notera que dans ce circuit 10, la pression Pr à l'entrée de la boucle de re-circulation est égale à la pression Ps à la sortie des servovalves S1, S2, si on néglige le différentiel de perte de charge entre leurs 30 canalisations de retour respectives. La figure 2 représente un exemple de circuit de carburant 110 selon l'invention. Les éléments et parties analogues entre ce circuit de carburant 110 et le circuit 10 de la figure 1 sont repérés par les mêmes références numériques augmentées de 100 et ne seront pas décrits une nouvelle fois. 35 Par rapport au circuit de carburant 10 de la figure 1, le circuit de carburant 110 de la figure 2 comprend un diaphragme 150 (en tant qu'organe d'étranglement) placé dans la boucle de re-circulation 121 pour créer un différentiel de pression de part et d'autre du diaphragme, ce qui permet d'obtenir une pression Pr à l'entrée de la boucle de re-circulation plus élevée que dans le circuit de la figure 1. Comme évoqué plus haut, aux différents régimes de fonctionnement du turboréacteur sauf, généralement, au régime plein gaz, la pression Pe à l'entrée de la servovalve S1 est dépendante de la pression Pr, de sorte que la pression Pe est plus élevée que dans le circuit de la figure 1 tandis que la pression Ps est la même que dans le circuit de la figure 1. Ainsi, la différence io de pression AP (OP=Pe-Ps) aux bornes de la servovalve S1 est plus élevée que dans le circuit de la figure 1, et la pression transmise par la servovalve S1 à l'actionneur Al, qui dépend de la différence de pression OP, est également plus élevée. La force d'actionnement exercée par le piston P1 de l'actionneur Al dépend, d'une part, de la pression qu'il reçoit de la servovalve S1 et, is d'autre part, de la section de ce piston P1. Grâce au gain de pression, l'invention permet, à force d'actionnement égale, d'utiliser un actionneur Al ayant un piston P1 de section plus faible et donc une masse et un encombrement plus faibles. La description ci-dessus s'applique également à la servovalve S2 et à 20 l'actionneur A2. Par ailleurs, dans l'exemple de réalisation de la figure 2, une boucle de dérivation 152 (ou court-circuit) est connectée de part et d'autre de l'organe d'étranglement 150. Cette boucle de dérivation comprend un clapet 154 qui s'ouvre lorsque l'écart de pression aux bornes de l'organe d'étranglement 150 25 dépasse une valeur seuil. Ceci permet de limiter la pression en amont et donc la pression d'entrée Pr de la boucle de re-circulation 121. La figure 3 représente un autre exemple de circuit de carburant 210 selon l'invention. Les éléments et parties analogues entre ce circuit de carburant 210 et le circuit 10 de la figure 1 sont repérés par les mêmes 30 références numériques augmentées de 200 et ne seront pas décrits une nouvelle fois. Le circuit de carburant 210 selon l'invention diffère de celui de la figure 2 en ce qu'il comprend un venturi 260 (à la place du diaphragme 150) en tant qu'organe d'étranglement, placé dans la boucle de re-circulation 221 pour 35 créer un différentiel de pression. Comme le diaphragme 150, ce venturi permet d'obtenir une pression Pr à l'entrée de la boucle de re-circulation plus élevée que dans le circuit de la figure 1, ce qui procure les mêmes effets et avantages. En revanche, par rapport au diaphragme 150, le venturi 260 présente un avantage: il permet de créer une dépression au niveau de son col 262 et cette dépression est exploitée en connectant la borne de sortie de la servovalve S1 au col 262 du venturi. Ainsi, la pression de sortie Ps' de la servovalve S1 est plus faible que dans le circuit des figures 1 et 2. Ainsi, la différence de pression OP' (OP=Pe-Ps') aux bornes de la servovalve S1 est io plus élevée que dans le circuit des figures 1 et 2, et la pression transmise par la servovalve S1 à l'actionneur Al qui dépend de la différence de pression OP' est également plus élevée. L'exemple de circuit de la figure 3, permet donc d'utiliser un actionneur Al ayant un piston P1 de section plus petite et donc une masse et un encombrement plus faibles que ceux de l'actionneur Al des is figures 1 et 2, à force d'actionnement égale. Toutes les servovalves ne sont pas nécessairement connectées au col du venturi. Par exemple, seuls les actionneurs ayant besoin d'une pression importante (c'est généralement le cas du vérin VSV) sont connectés via leur servovalve au col du venturi, les autres actionneurs (par exemple le vérin 20 contrôlant la TBV) étant connectés classiquement via leur servovalve au circuit principal. Pour illustrer ceci, sur la figure 3, seule la servovalve S1 est connectée au col 262 du venturi. Enfin, on notera qu'une boucle de dérivation analogue à la boucle 152 de la figure 2 pourrait être utilisée pour court-circuiter le venturi 260 lorsque 25 l'écart de pression aux bornes de celui-ci devient trop élevée. REVENDICATIONS1) Circuit de carburant de turbomachine comprenant : - un circuit principal (112, 212) avec une pompe basse pression (116, 216) et une pompe haute pression (118, 218); - une unité de dosage de carburant (119, 219) permettant de contrôler le débit de carburant injecté dans la chambre de combustion (120, 220) de la turbomachine, en renvoyant le carburant en excès dans le circuit principal (112, 212) en amont de la pompe haute pression (118, 218), via une boucle de re-circulation (121, 221); - au moins un organe de contrôle électrohydraulique (S1, S2) et au moins un actionneur hydraulique (Al, A2) alimenté par l'organe de contrôle électrohydraulique, la pression d'entrée (Pe) de l'organe de commande électrohydraulique (S1, S2) étant dépendante de la pression d'entrée (Pr) du is circuit de re-circulation (121) pour certains régimes de fonctionnement de la turbomachine, caractérisé en ce qu'un organe d'étranglement (150, 260) est placé dans la boucle de re-circulation (121, 221), cet organe d'étranglement créant une diminution de section de passage du carburant. 20 2) Circuit de carburant de turbomachine selon la revendication 1, dans lequel l'organe d'étranglement est un diaphragme (150). 3) Circuit de carburant de turbomachine selon la revendication 1, 25 dans lequel l'organe d'étranglement est un venturi (260). 4) Circuit de carburant de turbomachine selon la revendication 3, dans lequel l'organe de contrôle électrohydraulique présente au moins trois bornes de connexions, la première borne étant connectée au circuit principal 30 (212) de carburant, la deuxième borne étant connectée au col (262) du venturi (260), et la ou les autres bornes étant connectées audit actionneur (Al, A2). 5) Circuit de carburant de turbomachine selon l'une quelconque des 35 revendications 1 à 4, dans lequel l'organe de contrôle électrohydraulique est 2931885 io une servovalve (Si, S2), une servovanne, un électrorobinet, une électrovalve ou une électrovanne. 6) Circuit de carburant de turbomachine selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 5, dans lequel une boucle de dérivation (152) est connectée de part et d'autre de l'organe d'étranglement (150, 260), cette boucle de dérivation comprenant un clapet (154) qui s'ouvre lorsque l'écart de pression aux bornes de l'organe d'étranglement (150, 260) dépasse une valeur seuil. io 7) Turbomachine comprenant un circuit de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes. 8) Turboréacteur d'avion comprenant un circuit de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.