Brevet FR2986272A1 — publié le 20130802

Dispositif fluidique avec vanne de retour de carburant pour moteurs d'aéronefs, et procédé d'obtention d'un tel dispositif DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne la régulation de pression à l'entrée d'une vanne dosant un débit de fluide, en présence d'une alimentation en fluide de pression variable. L'invention concerne particulièrement le domaine des valves de retour de carburant dans les moteurs d'avion ou aéronef. Les définitions ci-dessous s'appliquent par défaut pour le présent document: « connecté » est défini par : en contact hydraulique « amont et aval » sont définis de la façon suivante: pour un premier point et un second point situés dans un fluide en mouvement, on appellera « point aval » le point atteint en partant d'un des deux points et en se déplaçant dans le sens du courant et on appellera « point amont » le point atteint en partant d'un des deux points et en se déplaçant dans le sens inverse du courant. Certains moteurs pour aéronef, intègrent une vanne de retour de carburant (VRC) dans leur circuit de carburant du moteur. Cette vanne a pour fonction de retourner à un réservoir de carburant de l'avion une certaine quantité de carburant excédentaire chaud, parce qu'il a transité par la partie haute pression du moteur afin de faciliter la gestion de la thermique du moteur ou système. La présence d'une VRC n'est pas obligatoire sur un moteur car la thermique peut être également gérée intégralement par des échangeurs huile/carburant ou air/carburant. De plus, le retour de carburant chaud dans le réservoir d'un avion peut, s'il est fait à température trop importante, provoquer des problèmes d'ébullition ou de vaporisation du carburant ou du fluide utilisé comme carburant du moteur. Cependant, une VRC est appréciée pour son efficacité et son faible encombrement. Dans une VRC, afin d'éviter les problèmes d'ébullition mentionnés précédemment, la température du débit de carburant fluide retourné au réservoir est diminuée par un mélange du carburant chaud prélevé en aval des sources de chaleur du circuit carburant avec du carburant froid prélevé en amont du prélèvement chaud et des sources de chaleur présentes dans le moteur, dans le circuit de carburant. La technologie des VRC reste simple et efficace tant que l'écart de pression entre les deux prélèvements chaud et froid reste relativement constant dans l'enveloppe de vol ou utilisation du moteur. En effet, une VRC est une vanne, dosant un débit constant de liquide ou fluide vers le réservoir, dont les composantes chaude et froide sont réglées par des restrictions fixes. La structure d'une VRC est ainsi usuellement constituée de deux voies : sur la voie froide dont la pression est stable, une restriction fixe froide dose un débit constant; sur la voie chaude, dont la pression d'alimentation est variable dans une faible mesure dans l'art antérieur, une restriction , fixe également, permet de doser un débit, variant légèrement selon la variation de la pression du prélèvement chaud. Ces deux restrictions fixes permettent de doser du fluide car la pression hydraulique en aval de ces restrictions est maintenue constante par un régulateur de pression. Ainsi, le différentiel de pression aux bornes (amont : les pressions d'alimentation- aval : la pression régulée constante) de ces deux restrictions est maintenu constant (dans une certaine mesure seulement pour la voie chaude), les restrictions sont de plus fixes, les débits chaud et froid sont donc constants. Pour des moteurs de l'art antérieur pour lesquels l'écart de pression entre les prélèvements froid et chaud reste essentiellement constant, la vanne est ainsi un doseur de débit précis, à la fois sur les voies froide et chaude de ses alimentations en carburant qu'elle mélange au final à sa sortie, donc un doseur relatif précis du mélange qu'elle délivre, assurant ainsi une température stable de ce mélange. Ces propriétés des VRC de l'art antérieur, obtenues avec un petit nombre d'éléments, expliquent leur fiabilité et leur large utilisation dans la conception des moteurs d'aéronefs. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Les circuits hydrauliques dans lesquels sont intégrées les VRC peuvent générer des perturbations de la pression du prélèvement chaud. La pression chaude qui est dans l'art antérieur inférieure à la pression du prélèvement froid d'une VRC ou pression froide, peut devenir supérieure à la pression froide et ce avec une amplitude de variation rendant inefficace l'asservissement de débit présent dans les VRC. En conséquence, pour les moteurs d'aéronef modernes présentant des circuits hydrauliques complexes générant des fluctuations de pression, les pressions des deux prélèvements d'une VRC peuvent varier indépendamment et le débit total retourné par la VRC au réservoir s'en trouve modifié, de même que le rapport du débit froid et du débit chaud, ce qui rend inutile une VRC pour ces moteurs. Un exemple de nouveau développement d'un moteur faisant échec aux VRC est un composant de récupération d'énergie situé entre le prélèvement froid et le prélèvement chaud d'une VRC qui est une pompe à jet. Une telle pompe permet d'entraîner le débit de carburant basse pression dans le moteur, grâce à un débit haute pression excédentaire issu du dosage du carburant avant injection de ce carburant dans une chambre de combustion d'un moteur. Cette augmentation de vitesse est ensuite retransformée en pression grâce à un diffuseur présent dans la pompe à jet. Cette pompe pouvant être activée ou non selon les points de vol, il en résulte une pression au niveau du prélèvement chaud pouvant fortement varier et ce, indépendamment de la pression du prélèvement froid, ce phénomène rendant la VRC inutilisable pour le dosage du carburant et le maintien de la température de ce dosage. L'utilisation d'une VRC dans les moteurs d'aéronefs modernes est donc soumise au problème technique de retourner un débit précisément spécifié à travers une VRC, au réservoir d'un avion, en présence de prélèvements chaud et froid pouvant fortement varier dans leur écart, suivant les cas d'activation de la vanne dans l'enveloppe de vol. Afin de se soustraire aux problèmes de précision du dosage du débit chaud et température du mélange retourné au réservoir, on pourrait mettre sur les voies chaude et froide deux régulateurs de pression distincts, issus de l'art antérieur, analogues au régulateur de pression en aval des restrictions. Seulement, tous les avantages d'une VRC seraient perdus. En effet, à la fois l'encombrement et la masse seraient accrus. De plus, en augmentant ainsi considérablement le nombre de pièces, la fiabilité de l'ensemble serait grandement réduite. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION L'objet de l'invention offre une solution au problème qui vient d'être exposé. Dans ce contexte, l'invention est un dispositif fluidique comprenant une vanne, la vanne comprenant une entrée de vanne et une sortie de vanne, la vanne dosant un premier débit constant d'un fluide, entre l'entrée de vanne et la sortie de vanne, qui comprend une restriction et un clapet régulateur de débit, dans lequel la restriction comprend une entrée de restriction et une sortie de restriction, dans lequel la restriction force une perte de charge du fluide, entre l'entrée de restriction et la sortie de restriction, dans lequel la sortie de restriction est connectée à l'entrée de vanne, dans lequel le clapet comprend une entrée de clapet, une sortie de clapet, une première entrée de commande en pression et une seconde entrée de commande en pression, dans lequel la première entrée de commande en pression est connectée à l'entrée de clapet, dans lequel le clapet comprend un moyen de régulation d'un second débit de fluide entre l'entrée de clapet et la sortie de clapet, pour une différence entre une première pression sur la première entrée de commande et une seconde pression sur la seconde entrée de commande, et dans lequel le moyen de régulation augmente le second débit en réponse à une augmentation de ladite différence. Dans des variantes de l'invention : - ledit moyen de régulation comprend une chemise, un piston et un ressort, le piston coulissant dans la chemise, rappelé par le ressort, le piston étant muni d'un premier conduit, entre ladite entrée de clapet et ladite sortie de clapet, le premier conduit étant d'une ouverture variable avec la position du piston, le piston étant muni d'un second conduit entre l'entrée de clapet et ladite première commande en pression, le piston étant disposé entre la première commande en pression et ladite seconde commande en pression de façon que ladite différence provoque le coulissement du piston à une position correspondant audit second débit, le piston et la chemise étant configurés pour qu'une augmentation de la différence provoque une augmentation de l'ouverture du premier conduit. - ladite vanne comprend une vanne de retour de carburant pour aéronef -ladite restriction de débit comprend un diaphragme. - ledit fluide est un carburant d'un moteur d'aéronef. - ladite vanne comprend un premier dispositif de commande d'ouverture, dans lequel ledit clapet régulateur comprend un second dispositif de commande d'ouverture de la sortie du clapet, le premier dispositif de commande d'ouverture et le second dispositif de commande d'ouverture ouvrant simultanément la vanne et la sortie du clapet. L'invention concerne aussi un procédé d'obtention d'un dispositif selon l'invention comprenant les étapes de connecter ladite entrée de ladite vanne à ladite sortie de ladite restriction, de connecter ladite entrée dudit clapet régulateur à la sortie de la restriction, de faire traverser la restriction par ledit fluide entre ladite entrée de la restriction et la sortie de la restriction, de faire admettre le fluide dans la vanne par l'entrée de la vanne, de faire circuler le fluide dans le clapet entre l'entrée du clapet et ladite sortie du clapet, de remplir de fluide la connexion entre l'entrée du clapet et ladite première commande en pression du clapet, d'appliquer une pression de référence à ladite seconde commande en pression du clapet et de faire s'échapper le fluide du clapet par ladite sortie du clapet. L'invention concerne aussi un procédé d'utilisation d'un dispositif selon l'invention dans un circuit de carburant fluide d'un moteur d'un aéronef, ledit circuit comprenant un moyen de prélèvement de carburant chaud à une pression variable, ledit circuit comprenant un moyen de prélèvement de carburant froid à une pression stable, ledit circuit comprenant un moyen de fuite du carburant et ledit circuit comprenant un moyen de retour du carburant à un réservoir de carburant de l'aéronef, qui comprend les étapes de connecter le moyen de prélèvement de carburant chaud à ladite entrée de ladite restriction, de connecter le moyen de prélèvement de carburant froid à ladite seconde commande en pression dudit clapet régulateur , de connecter le moyen de fuite du carburant à ladite sortie du clapet régulateur et de connecter le moyen de retour du carburant à ladite sortie de ladite vanne. Les caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description d'un de ses modes de réalisation ci-dessous en référence pour les numéros entre parenthèses à la figure unique : BREVE DESCRIPTION DE LA FIGURE La figure unique 1 illustre de manière schématique un exemple de mode de réalisation selon l'invention. En référence à la figure 1, les numéros désignent en correspondance avec les mêmes désignations en lettres dans la description: - Pour 1, une vanne VRC ou régulateur de débit constant de l'art antérieur. Le débit constant est obtenu par une régulation d'une pression constante en aval d'une restriction fixe. - Pour 2, une restriction fixe - Pour 3, un régulateur de débit variable dans ladite restriction 2, le régulateur de débit étant représenté par une restriction variable - Pour 4, un circuit de fuite (ouvert par un dispositif d'ouverture, de type clapet hydraulique non représenté, commandé simultanément avec la vanne VRC). La pression au point 4 est imposée à la pression de référence Pc, de la même manière qu'au point 5. - Pour 5, une pression de référence Pc - Pour 6, un débit Qt - Pour 7, un débit 01 - Pour 8, un débit Q2 - Pour 9, une pression P1 - Pour 10, une pression P2 DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION La figure 1 représente en notation symbolique un mode de réalisation de l'invention dans lequel une première alimentation en fluide alimente une restriction (2) , connectée en série sur un régulateur de débit constant (1) symbolisant une vanne de retour carburant classique dans l'art antérieur, lui même connecté en parallèle à un régulateur de débit variable (3) débouchant sur un surplus, symbolisant un clapet régulateur selon l'invention. Le clapet régulateur comprend, aux fins de faire varier son débit, une ligne de pilotage en pointillé joignant l'entrée du régulateur à une première entrée de commande en pression, la ligne est en série avec un ressort de réglage du débit et le régulateur est commandé en pression par une seconde alimentation en fluide. Le principe général de l'invention est de réguler la pression en entrée d'un élément fluidique ou vanne (1) traversé par un premier débit constant de fluide en raccordant cette entrée à un élément induisant une perte de charge forcée du fluide ou restriction(2) et en raccordant cette entrée à un élément régulateur de débit ou clapet régulateur (3) commandé en débit par une différence entre une pression à l'entrée de l'élément régulateur et une pression de référence appliquée sur une entrée de commande de l'élément régulateur, le clapet présentant une variation de débit pour une variation de la différence. Afin de mettre en équation de manière simplifiée un tel ensemble, il est possible de définir quelques paramètres, avec des hypothèses sur leurs constances. Si le débit de fluide traversant une restriction (2) est appelé « Qt », le débit dosé par la vanne (1) est appelé « 01 » et le débit régulé par l'élément régulateur (3) est appelé « Q2 », la relation 1 suivante est vérifiée dans l'invention, ces éléments étant raccordés à l'entrée de la vanne: Qt = 01 + Q2 où 01 est une constante dans la gamme de précision de la vanne, par hypothèse. De plus, si l'on appelle P1 la pression du fluide en amont de la restriction et P2 la pression du fluide en aval de la restriction, à l'entrée de la vanne, la relation 2 suivante, entre la perte de charge et le carré du débit est vérifiée : (P1 -P2) =a.Qt.Qt où a est une constante positive On en déduit donc que pour une augmentation différentielle en entrée de P1 donnée et égale à dP1, dans une situation initiale de paramètres Qt, P2 et Pc: d(P1 -P2)/d0 = d(a.Qt.Qt)/dQ Or, 01 étant dosé constant, dQ = dQ2=dQt donc dP1 -dP2= 2.a.Qt. dQ2 Io soit dP2 = dP1 - 2.a.Qt.dQ2 L'invention maintient un dP2 nul grâce à la création d'un dQ2 dans le régulateur de débit variable 3. L'écart de débit Q2 est fonction de la différence de P2 avec une pression de référence Pc, la relation 3 suivante est donc aussi vérifiée : 15 Q2 = f(P2-Pc) avec f la relation entre pression et débit, et Pc la pression soit Q2=K*(P2-Pc)^0.5 avec K un coefficient dépendant de la géométrie de l'écoulement de liquide dans la section variable du régulateur de débit variable 3 soit dQ2 = dK.(P2-Pc)^(1 /2) On en déduit donc, avec la relation 2 sous forme différentielle et la relation 3 20 sous forme différentielle, dP2 = 0 est équivalent à dP1 = 2.a.Qt.dK.(P2-Pc)^(1/2) la relation 4 Pour un régulateur de débit variable 3 à loi linéaire, dK = b.(P2-Pc), avec b une constante positive On en déduit que l'invention permet de maintenir une pression P2 stable en 25 amont de la VRC de l'art antérieur pour une variation de P1 en l'absence d'autres phénomènes en satisfaisant l'égalité suivante : dP1= 2.a.b.Qt.(P2-Pc)^(3/2) Pour être capable de passer le débit maximum possible dans la restriction 2, la valeur de a égale à (P1 ma-P1 mi)/(Q1ma.Q1ma), avec P1 ma la valeur maximum possible de P1, avec P1 mi la valeur minimum possible de P1, avec Q1 ma la valeur maximum possible du débit Q1, selon les spécifications techniques de la vanne, selon la relation 2, permettra de dimensionner ladite restriction Pour être capable de passer le débit maximum possible dans le régulateur de débit variable 3, la valeur de b satisfaisant la relation 4 P1maP1mi=2.a.b.Q1mi.(P1mi-Pcma), avec Q1 mi la valeur minimum possible du débit Ql, avec Pcma la valeur maximum possible de Pc, selon les spécifications techniques de la vanne, permettra de dimensionner la restriction dudit régulateur. Il est donc possible par de simples opérations d'exécution, de dimensionner la restriction en fonction des cas d'application de l'invention. Pour une pression P2 qui augmente derrière la restriction (2), suite à une variation de P1, la première commande en pression du clapet (3) est égale à P2 et augmente, la deuxième commande en pression étant stable, il en résulte dans ce cas que le débit augmente car le clapet (3) voit sa section de passage augmenter, Q2 augmente et Qt augmente aussi, Q1 étant stable par hypothèse. Qt augmentant, les pertes de charges augmentent et P1 -P2 augmente avec P1 n'augmentant plus, d'où P2 diminue, P2 est donc régulée par l'invention. L'invention permet donc d'obtenir une pression P2 stable en entrée de la vanne(1) et donc un fonctionnement optimal de celle-ci. Pour appliquer ce principe à une VRC d'un moteur d'avion, il suffit de relier la pression chaude variable du prélèvement chaud du moteur à l'amont de la restriction, pour égaler cette pression variable à P1, de référencer le clapet à la pression stable du prélèvement froid du moteur pour égaler cette pression à Pc, en reliant le prélèvement froid à l'entrée de référencedu clapet , de relier la sortie du clapet régulateur à un circuit de fuite comme un circuit de fuite de servovalves commandant la VRC, de référencer la pression dudit circuit de fuite à la pression stable du prélèvement froid, en le réglant pour débiter un débit Q2 faible et de relier l'entrée d'une VRC de l'art antérieur dosant un débit 01, à l'entrée ou amont du régulateur et à la sortie ou aval de la restriction. L'invention permet donc pour une VRC classique insérée dans un circuit de carburant entre une pression froide stable et une pression chaude instable ou variable de façon inconnue, de pouvoir insérer en remplacement d'une vanne existante, un dispositif selon l'invention exerçant la même fonction ou de prévoir sur une vanne existante, l'insertion de la restriction et du clapet régulateur en parallèle à l'entrée de la vanne existante , sous réserve de pouvoir aussi relier la sortie du clapet régulateur à un circuit de fuite, l'invention peut donc être insérée dans une architecture de moteur existante en amélioration de cette architecture, indépendamment des composants de récupération d'énergie présents dans le moteur. Il est à noter que l'invention parvient à ces résultats avec un très petit nombre de composants tout en étant susceptible d'applications multiples pour la stabilisation de la pression d'entrée d'un élément parcouru par un débit constant ou dosant un tel débit. Dans le mode de réalisation présenté de l'invention, une première conduite est parcoure par un fluide qui est un carburant d'un moteur d'avion ou carburant fluide. Cette première conduite est parcourue par un débit total Qt de carburant. La première conduite rencontre dans le sens du courant du fluide et en série une restriction(2) formée par exemple d'un diaphragme de diamètre intérieur moins grand que celui de la première conduite. Cette restriction débouche sur une seconde conduite dans laquelle la pression de l'invention est régulée. Cette pression régulée est égale à la première pression dans la première conduite diminuée de la perte de charge occasionnée par la restriction. La seconde conduite est raccordée d'une part à l'entrée de prélèvement chaud d'une vanne(1) qui est une VRC classique ou de l'art antérieur, possédant aussi une entrée de prélèvement froid et une sortie de vanne, l'entrée de prélèvement chaud de la vanne dosant un débit chaud 01, et raccordée d'autre part à un régulateur de débit ou clapet régulateur(3) débitant un débit Q2 dans un circuit de fuite. Ce circuit de fuite peut être une troisième conduite qui peut être utilement obturée par une vanne d'arrêt pilotée par la pression chaude, lorsque la VRC classique ne doit pas être utilisée. Il est en effet nécessaire au n fonctionnement d'asservissement que le débit Q2 de carburant existe pour obtenir une régulation de la pression en entrée de la VRC classique avec l'invention, en fonctionnement normal. Limiter dans le temps ce débit Q2, aux points de vol ou la VRC doit être utilisée est donc souhaitable pour éviter une fuite de carburant permanente. Dans un mode de réalisation, le clapet régulateur ou clapet dans ce mode, comprend un tiroir de distribution constitué d'un piston cylindrique de révolution évoluant dans un étui ajusté au diamètre du piston. Le piston possède une chambre d'écoulement qui est une diminution annulaire de son diamètre sur une hauteur par exemple supérieure au diamètre de la seconde conduite et de la troisième conduite, et suffisante pour pouvoir les mettre en contact hydraulique l'une avec l'autre et permettre un débit entre elles, par un positionnement du piston dans la chemise. Le piston possède une seconde extrémité de commande, définissant entre elle et l'étui ou tube, une seconde chambre ou chambre froide ou seconde commande en pression, reliée à une pression de référence qui est ici la pression froide ou pression de prélèvement froid sur le circuit de carburant de l'avion. Le piston possède une première extrémité de commande fixée à l'étui par un ressort, définissant entre elle et l'étui ou tube, une première chambre ou chambre chaude ou première commande en pression, reliée à la pression d'entrée du régulateur par un conduit de transmission de pression. Le ressort est dimensionné, de préférence, pour qu'un débit Q2 s'écoule entre l'entrée du clapet régulateur, et la sortie du clapet, lorsque la pression d'entrée du clapet est égale à la pression froide et que le ressort est au repos. Dans ces conditions, lorsqu'une pression supérieure à la pression de référence est appliquée à l'entrée du régulateur, le piston étire le ressort en augmentant le volume de la première chambre de commande, sous l'effet de la différence positive de pression entre la pression d'entrée du clapet ou régulateur et la pression de référence. Le déplacement du piston est alors apte à augmenter la section de passage du fluide ou section de la seconde conduite à la troisième conduite, de façon à augmenter le débit dans le clapet, ce qui augmente le débit total et la perte de charge dans la restriction, ce qui diminue la pression d'entrée du régulateur . De même, si la pression d'entrée du clapet devient inférieure à la pression de référence, le piston comprime le ressort et ferme la surface ou l'orifice d'écoulement dans le clapet régulateur, diminuant ainsi Q2 et augmentant la pression d'entrée du clapet régulateur qui est alors bien régulée. La façon de réaliser un tiroir pour ce mode de réalisation est bien connue de l'homme du métier des régulateurs de débit. Une chemise et un piston rappelé par un ressort et coulissant dans la chemise sont des solutions connues de l'art antérieur. Pour faire fonctionner un tel dispositif, il suffit de remplir chacun de ses éléments d'un fluide en mouvement, par exemple en le reliant à un circuit fluidique muni d'une pompe. Un tel circuit pourra être le circuit de carburant d'un avion mais aussi un circuit rempli de tout autre fluide compatible avec le type de conduite, vanne, restriction et clapet régulateur choisis pour réaliser l'invention. Pour utiliser un tel dispositif dans un circuit de carburant d'un moteur d'aéronef, il suffira de remplacer , par un dispositif de l'invention , une VRC classique branchée sur un prélèvement chaud, un prélèvement froid, un retour vers un réservoir de l'aéronef et un circuit de fuite de carburant comme un circuit de fuite pour des servovalves de commande de la VRC, usuellement présentes sur ces valves. Pour cela, on pourra, notamment, connecter l'entrée de la restriction au prélèvement chaud, connecter une sortie de la vanne de l'invention au retour vers le réservoir de l'avion, connecter le prélèvement froid à l'entrée de commande en pression ou entrée de commande, du clapet régulateur de l'invention et connecter la sortie du clapet régulateur au circuit de fuite de carburant. On voit que l'invention peut donc être facilement insérée dans une architecture d'un moteur existant, qui possède une valve de retour de carburant. De façon générale, on voit qu'un ressort selon l'invention fonctionnera en traction et qu'un système de fixation d'un ressort pour l'invention sera de préférence une vis. De plus, la vanne devra être dimensionnée avec des restrictions internes qui soient toutes dans des conditions (ouverture large, différence de pression grande) plus propices au passage du débit que la restriction créée par le passage à travers le clapet régulateur. En effet le débit dans le régulateur doit exister pour que le clapet régule. L'invention permet d'adapter une VRC dans un circuit dont les pressions varient. Tout composant de récupération d'énergie peut donc être utilisé sans impact sur la gestion de la thermique effectuée par la VRC intégrée à l'invention et permettant une gestion plus précise de celle-ci. L'invention est susceptible d'application industrielle dans le domaine des moteurs d'aéronefs.