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BREVET D'INVENTION " Perfectionnements aux systèmes d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance de turbines à gaz, moteurs à réaction, etc. "
La présente invention est relative à un dispositif d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance pour turbines à gaz, moteurs à réaction, et autres sources de puissance qui utilisent l'effort ou l'énergie produits par la combustion d'un mélange d'air comprimé et de carburant et la détente des gaz de combustion ;
elles'applique particulièrement aux sources de puissance à réaction pour aérodynes où l'air est comprimé dans une chambre constituant un élément d'un générateur dans laquelle il est échauffé par la combustion du combustible, puis où l'air et les produits de la combustion passent à travers une turbine qui entraîne un compresseur, et enfin dans une tuyère à réaction pour propulser l'aérodyne, et aux sources de puissance pour aérodynes dans lesquelles une turbine à gaz entraîne l'hélice de ceux-ci et peut en outre entraîner un compresseur qui alimente en air la chambre à combustion
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ou générateur, et dans lesquelles les gaz d'échappement de la turbine peuvent être envoyés dans une tuyère à réaction pour obtenir un effet de propulsion qui vient s'ajouter à celui de l'hélice.
Quand un compresseur centrifuge ou à écoulement axial est relié à une turbine à gaz entraînée par l'énergie des gaz dilatés produits dans une chambre à combustion ou un brûleur dans lequel l'air est comprimé, et tourne en synchronisme avec cette turbine, le poids de l'air débité,pour une densité donnée de l'air entrant, varie approximativement comme le nombre de t/m, la pression de compression comme le carré du nombre de t/m et la puissance requise pour une compression..et un débit donnés varie proportionnellement au cube du nombre de t/m.
Quand la puissance est contrôlée par le réglage de l'alimentation en combustible, le taux d'alimentation requis varie sensiblement comme le cube du nombre de t/m et, par conséquent, si l'on se donne le débit de combustible, la vitesse de la turbine croît ou décroît jusqu'à ce qu'une vitesse correspondant à l'alimentation en combustible choisie soit obtenue.
On peut réaliser un dispositif de contrôle de puissance de turbines à gaz et de moteurs à. réaction extrêmement simple en reliant une manette ou levier de contrôle de puissance à un pointeau ou clapet de dosage qui fait varier la section d'un orifice de dosage ou d'un organe d'étranglement auquel le combustible est fourni sous pression par exemple par l'intermédiaire d'une pompe à combustible entraînée par le moteur. Avec un tel agencement, le pilote déplace le levier ou la manette de contrôle en avant ou en arrière pour obtenir une vitesse choisie et la vitesse du moteur croit ou décroît pour prendre la valeur correspondant au taux d'alimentation en combustible fixé par la position
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du levier ou de la manette.
Un autre agencement relativement simple peut être obtenu en reliant un régulateur entraîné par le moteur au pointeau de dosage de telle manière que le régulateur réalise l'équilibre pour le taux d'alimentation en combustible choisi ou pour la valeur de l'accélération ou du ralentissement déterminé par la position du levier dé contrôle manoeuvré par le pilote. Bien que ces systèmes aient le mérite de la simplicité, ils présentent le danger de pouvoir produire une flamme tellement chaude au cours des accélérations que les tubes des brûleurs risquent d'être détruits et les aubages de'la turbine d'être endommagés par la'chaleur, tandis que durant les ralentissements le rapport combustible/air peut être tellement réduit que le brûleur s'éteint.
Lorsque la section de l'orifice de dosage croit brusquement pour obtenir la vitesse voulue, le moteur ne suit pas immédiatement et le combustible fourni au brûleur est en excès par rapport à la quantité correspondant au volume dair amené au brûleur en fonction de la vi- tesse du moteur ; conséquence il se produit une flamme extrêmement chaude qui non seulement tend à endommager et à réduire la durée du moteur ou source de puissance maiscon- duit également à un gaspillage de combustible.
D'autre part si la section de l'orifice de dosage est brusquement réduite et qu'il en'' soit de même par conséquent du débit de combustible, le'moteur sous l'action de la force vive maintient momentanément sa vitesse, et le rapport combustible/air devient si pauvre que la propagation de la flamme ne peut se produire et que le brûleur s'éteint.
Il est également nécessaire de réaliser des moyens pour compenser les variations de la densité de l'air entrant, indépendamment du type de système de contrôle de puissance, adopté, puisqu'une quantité de combustible moindre est re-
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quise pour entraîner une turbine et un compresseur à une vitesse donnée lorsque la densité décroît, et que si le même taux d'alimentation en combustible est maintenu le rapport du combustible à l'air est encore plus fortement affecté ce qui aggrave la tendance à la surchauffe du système des brûleurs.
Un objet de la présente invention est de réaliser un système d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance pour source motrice du type spécifié dans lequel le taux d'alimentation en combustible peut être contrôlé uniquement par un levier relié directement à un pointeau ou soupape de dosage qui fait varier la section d'un orifice de dosage, sans danger de surchauffe du brûleur durant l'accéléra tion ou d'extinction durant le ralentissement.
Un autre objet de l'invention est de réaliser un méca- nisme d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance extrêmement simple, pour sources motrices du type spécifié, où le taux d'alimentation en combustible est maintenu sensiblement proportionnel à la vitesse du moteur pour toutes les positions du levier de contrôle de puissance.
Un autre objet de l'invention est de perfectionner et de simplifier les systèmes d'alimentation en combustible pour sources motrices du type spécifié.
Les objets et avantages précédents ainsi que d'autres encore apparaîtront à la lecture de la description suivante et en se référant aux dessins annexés sur lesquels:
La figure 1 est une coupe longitudinale, par l'axe, d'un moteur à réaction comportant un système d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance suivant la présente invention;
La figure 2 est une vue de détail schématique, en coupe, du système de dosage de combustible et de contrôle de puissance;
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La figure 3 est un graphique montrant comment le système fonctionne;
et
La figure 4 est un graphique à comparer avec celui de la figure 3 afin de saisir la différence de fonctionnement entre le système décrit ici et les systèmes connus dans lesquels la puissance est contrôlée lo) par une liaison directe à la main avec une soupape de contrôle du débit de combustible sans correction barométrique et 20) par le réajustement d'un régulateur relié à la soupape de contrôle du combustible, également sans correction barométrique.
Sur la figure 1 est représenté un fuseau-moteur d'aérodyne, indiqué en 10, qui supporte au moyen d'un anneau 11 et des consoles 12, un moteur à réaction indiqué dans son ensemble en 13 et comportant un carter extérieur 14 profilé à son extrémité antérieure pour définir une entrée, d'air 15 et à son extrémité arrière pour définir une tuyère à réaction 16. Un compresseur d'air rotatif 17 refoule l'air dans une capacité torique 18 d'où il passe dans une série de générateurs cylindriques ou chambres de brûleurs 19 répartis circulairement autour de l'axe du moteur et contenant des brûleurs 20 dont les parois externes comportent des orifices d'admission d'air 20'.
Les brûleurs,20 s'ouvrent dans uné bague collectrice 21 qui délivre l'air chaud et les produits de la combustion à travers un jeu d'aubages directeurs fixes 22, sur les aubages 23' d'un rotor de turbine 23. La turbine 23 et le compresseur d'air 17 sont montés sur un axe commun 24 qui tourillonne dans un palier 24'. L'air qui pénètre dans l'entrée 15 est aspiré par le compresseur qui le dirige dans la capacité 18 et les générateurs 19 puis dans les brûleurs 20 par les orifices 20' où il reçoit de la chaleur supplémentaire du fait de la combustion du combustible.
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L'air et les produits de la combustion sont dirigés sur les aubages 23' de la turbine 23 pour entraîner le compresseur et s'échappent ensuite dans l'atmosphère par l'intermédiaire de la tuyère de réaction 16 pour assurer la propulsion de l'aérodyne. Si on le désire, la propulsion de 1'aérodyne peut également être assurée par une hélice entraînée par un prolongement antérieur de l'arbre 24, de préférence par l'intermédiaire d'une transmission réductrice appropriée.
Le dispositif de dosage du combustible et de contrôle de puissance est indiqué en 25 sur la figure 2 et contrôle l'alimentation en combustible des brûleurs 20; il comprend un carter 25' dans lequel est ménagé un conduit 26 d'admission de combustible. Une pompe 27 entraînée par le moteur est montée dans ce conduitet aspire le combustible à partir d'une source d'alimentation appropriée telle qu'un réservoir non représenté pour le débiter sous pression dans la chambre 28. Une soupape tarée 29 contrôle l'orifice 30 et le conduit 30' d'un by-pass qui aboutit à l'entrée de la pompe, cette soupape étant montée sur un diaphragme 31 qui ferme la chambre 32 et étant appliquée sur son siège par un ressort 33.
La chambre 32 est en communication avec la sortie du système de dosage ou avec la pression de combustible dosé ou pression de débit de l'injecteur par un conduit 34. La surface utile du diaphragme 31 est de préférence sensiblement la même que celle de la soupape 29, et, par conséquent, la pression d'alimentation dans la chambre 28 est maintenue à une valeur qui dépasse la pression du combustible dosé d'une quantité constante représentée par la force du ressort 33.
Le combustible passe de la chambre 28 dans une chambre D de combustible non dosé par l'orifice 35, puis dans un
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conduit 36, àtravers l'orifice de dosage 37, pour arriver dans le conduit 38 qui en.fait prolonge le conduit 26;1'0- rifice 35 est contrôlé par une soupape 39 dont la tige 39' est reliée aux diaphragmes 40 et 41 qui constituent les parois. mobiles de la chambre de combustible dosé C, de la chambre de contrôle différentiel A, et de la chambre de combustible non dosé D. La section de l'orifice de dosage 37 est réglée par un pointeau 42 commandé d'une façon,qui sera décrite ultérieurement.
Un conduit 43 réunit la chambre C à une chambre 44 qui communique avec la chambre A par le conduit 45, l'orifice 46 de section variable et un conduit 47. Une pompe centrifuge 48 est montée dans la chambre 44 sur un arbre 49 qui est relié à l'arbre 21 du compresseur et de la turbine par une 'transmission appropriée comme représenté sur la figure 1. Ainsi la pompe 48 est entraînée en fonction directe de la vitesse de la turbine et du compresseur et, pour une section donnée de l'orifice 46, produit une différence de pression entre les chambres C et A qui est proportionnelle au carré de cette vitesse, c'est-à-dire au carré de la vitesse du moteur, le mot " moteur " désignant la source de puissance comportant la turbine et le compresseur.
Un conduit 50 dans lequel est monté un étranglement ou orifice calibré 51 fait communiquer la chambre A avec le conduit de combustible dosé ou conduit de décharge 38.
Les diaphragmes 40 et 41 peuvent être de même surface et'un ressort 52, s'appuyant contre une vis de réglage 53, porte sur l'extrémité arrière de la tige 59 de la soupape et sert à régler la pression différentielle effective appliquée sur le diaphragme 40, et par suite sur l'orifice de
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dosage 37, entre certaines limites par rapport à la pression différentielle s'exerçant sur le diaphragme 41. Ce ressort représente une constante qui peut varier suivant les conditions de ralenti ou de basses vitesses des différents types de moteurs ou turbines à gaz; il peut servir à modifier la pression différentielle effective produite par la pompe ou rotor 48.
La pression différentielle de dosage peut être corrigée en fonction des variations d'altitude ou de la densité d'air au moyen d'une capsule 54 sensible aux variations de pression et de température et placée en un point ou elle est exposée à la pression de l'air admis dans le moteur ou à la pression atmosphérique. Elle est de préférence placée en un point où elle est soumise à l'effet dynamique résultant du mouvement d'avancement de l'aérodyne pendant le vol.
Un pointeau 55 est relié à l'extrémité mobile de la capsule 54 et pénètre dans l'orifice 46 pour faire varier la section utile de ce dernier et par suite la pression différentielle effective appliquée au diaphragme 41 et la pression différentielle appliquée au diaphragme 40 et sur l'orifice de dosage 37.
Un régulateur centrifuge 56 comportant des masselot- tes 56' est fixé sur l'arbre 49 et tourne avec lui; ce régulateur contrôle la position d'un manchon 57 qui glisse sur la partie de diamètre réduit du dit arbre. Un levier 58 pivote en 59 et une de ses extrémités est en forme de fourchette 60 qui s'engage dans une gorge prévue à l'extrêmité extérieure du pointeau 42 tandis que son autre extrémité se termine par une autre fourchette 61 qui s'engage dans une gorge analogue prévue dans une surépaisseur du manchon 57.
Un levier de contrôle de puissance unique 62 est relié
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par la tringlerie 63 et l'équerre 64 à l'extrémité libre du ressort 65 qui à son autre extrémité porte contre l'extrémité adjacente du manchon 57. Lespositions,extrêmes du levier 62, et par conséquent du pointeau 42, peuvent'être définies par un secteur 62' et il en est de même des positions intermédiaires de ce levier et de ce pointeau.
Le combustible dosé passe du conduit 38 dans la nourrice 69 par l'intermédiaire de la canalisation 68 puis est amené dans les brûleurs individuels par la canalisation 70 ( figure 1 ) et les injecteurs 71:
Le mode de fonctionnement est le suivant : le moteur ou la source motrice peuvent être démarrés d'une façon appropriée quelconque par exemple au moyen d'un moteur électrique de démarrage ayant une liaison d'entraînement avec l'arbre principal afin d'allumer le brûleur et d'amener la turbine à une vitesse où elle puisse accélérer par son propre fonctionnement. Le système de dosage est habituellement rempli de combustible mais s'il est vide, la pression différentielle appliquée aux diaphragmes 40 et 41 est nulle et la soupape 39 se trouve ouverte sous l'action du ressort 52.
Quand la pompe à combustible 27 se met à tourner les chambres D, C, A se remplissent successivement et le combustible passe également par les conduits 38 et 68 dans la nourrice 69, puis, par la canalisation 70, dans les in- jedteurs 71. Pour la vitesse de ralenti la pression différentielle s'exerçant sur les diaphragmes 40 et 41 a une faible valeur et le pointeau 42 est suffisamment.ouvert pour que le combustible puisse assurer la propagation de la flamme dans les brûleurs 19.
La pompe centrifuge 48 tourne à une vitesse déterminée par rapport à la vitesse de la turbine et du compresseur; et pour des sections données de l'orifice de dosage
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37 et de l'orifice 46 contrôlé en fonction de l'altitude ou de la densité, elle produit une pression différentielle entre les chambres C et A qui est proportionnelle au carré de la vitesse du moteur et qui tend à ouvrir la soupape 39.
Du fait de l'ouverture de la soupape 39, la pression dans la chambre D augmente jusqu'à ce que la pression différentielle s'exerçant sur le diaphragme 40 équilibre l'effort appliqué au diaphragme 41. Si l'on suppose que les diaphragmes 40 et 41 ont la même surface effective, la pression dans la, chambre C s'élimine et toute variation dans la chambre A fait varier la pression différentielle sur le diaphragme 41 et augmente ou réduit de façon correspondante la pression dans la chambre D.
La pression différentielle entre les chambres D et C est appliquée à l'orifice de dosage 37 et comme cette pres- sion différentielle est sensiblement proportionnelle au carré de la vitesse du moteur, pour une position donnée quelconque du pointeau 42 la vitesse d'écoulement du combustible à travers cet orifice et par conséquent le poids de combustible débité, est proportionnelle à la racine carrée de cette différence de pression, c'est à dire à. la vitesse.
La pression différentielle appliquée à l'orifice de dosage 37 exerce sur le diaphragme 40 une force qui tend à fermer la soupa.pe 39 tandis que la pompe centrifuge 48 applique au diaphragme 40 une force qui tend à ouvrir la dite soupape; et pour une position donnée quelconque du pointeau 42 ces forces opposées s'équilibrent, en sorte que l'alimentation en combustible est proportionnelle à la vitesse du moteur.
Si le pointeau 42 est écarté de l'orifice 37, la pression différentielle appliquée au diaphragme 40 tend à diminuer; la soupape 39 se déplace vers la position d'ouverture pour rétablir la pression différentielle et le débit de combustible au brûleur augmente ce qui fait que la vitesse
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du moteur ou de la turbine croît, augmentant encore la pression différentielle de dosage et le débit de combustible.
Ceci continue jusqu'à ce qu'une vitesse d'équilibre soit obtenue ce qui apparaîtra clairement ci-après lors de la' des- cription de la figure 3. Le déplacement du pointeau 42 dans le sens de la réduction de la section de l'orifice 37, accroît momentanément la pression différentielle s'exerçant sur le dit diaphragme; la soupape 39 se déplace vers la position de fermeture pour réduire l'écoulement du combustible, et la vitesse de la turbine ou du moteur est réduite jusqu'à ce qu'une position d'équilibre soit atteinte.
Pour accélérer le moteur, on déplace le levier de contrôle de puissance 62 dans un sens correspondant à la compression du ressort 65 et au déplacement du manchon 57 vers le haut sur l'arbre 49 ; le pointeau 42 augmente ainsi la section de l'orifice de dosage 37, un nouveau réglage du régulateur est réalisé et la,nouvelle valeur de l'écartement des masselottes 56' de celui-ci est momentanément réduite. Le débit du combustible au brûleur est ainsi accru et le moteur accélère jusqu'à ce que le régulateur atteigne une condition.d'équilibre compatible avec sa nouvelle position de réglage ; mais durant cette période d'accélération, la pression différentielle de dosage et par conséquent le taux d'alimentation en combustible augmente sensiblement en fonction de la vitesse du moteur et il en est de même de la quantité d'air admis au brûleur.
Le graphique de la figure 3 représente les caractéristiques d'accélération et de décélération du dispositif représenté sur .la- figure 2. Sur 'cette figure la courbe a représente le débit de combustible nécessaire pour une vitesse de régime, c'est à dire le taux d'alimentation en combustible nécessaire pour maintenir le moteur à une vitesse maximum ou à une vitesse déterminée pour une densité
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d'air donnée. La courbe en tirets b représente le débit maximum de la pompe à combustible.
Les courbes en traits mixtes représentent les caractéristiques de débit de combustible en fonction de la vitesse du dispositif de la figure 2, pour différents réglages du pointeau 42, la valeur approximative du rapport air/combustible qui en résulte ayant été indiquée,par exemple pour la densité au niveau du sol, et les températures approximatives produites pour le rapport combustible/air considéré ayant également été portées sur les courbes.
Si l'on suppose que le moteur tourne à la vitesse c et que le pilote dégage le pointeau 42 jusqu'en un point correspondant à la vitesse d; l'ali- mentation en combustible pendant cette période d'accélération suit les flèches e de c à d .L'accroissement initial de débit représenté par les flèches verticales résulte de l'accroissement de la section effective de l'orifice de dosage 37 pour la vitesse existant alors. Lorsque la vitesse augmente, le débit de combustible croît en fonction linéaire de la vitesse jusqu'à ce que le fonctionnement de régime soit atteint en d. Durant cette période d'accélération le débit de combustible n'atteint pas une valeur suffisante pour produire des températures préjudiciables.
Si maintenant le pilote ramène le levier de contrôle de puissance à sa position initiale, le débit de combustible suit les flèches f de d à c. Durant ce ralentissement le débit de combustible est maintenu suffisamment élevé pour empêcher les défaillances du brûleur.
Si la densité de l'air admis dans le moteur décroît, il faut moins de combustible pour entraîner la turbine et le compresseur à une vitesse donnée et,, à moins qu'une correction ne soit faite, le rapport air/combustible au cours de l'accélération sera encore plus faible et des températures plus élevées seront obtenues aux grandes altitu-
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des que pour les conditions normales au niveau de la mer.
Sur la figure'2 les corrections correspondant aux variations de la densité de l'air sont obtenues en faisant varier la section de l'orifice 46, une réduction de la densité déterminant l'allongement de la capsule 54 et la réduction de la section de cet orifice et par suite la réduction de la pression dans la chambre A pour une vitesse donnée du moteur et une section donnée de l'orifice de dosage 37; la soupape 39 tend ''donc à se fermer ce qui réduit de façon correspondante la pression différentielle de dosage en sorte qu'une quantité de combustible moindre est fournie aux brûleurs.
Ainsi avec le dispositif de dosage de la figure 2, l'élévation de température qui résulte d'une accélération n'est pas aggravée par l'accroissement d'altitude où une réduction de la densité de l'air puisque l'alimentation en combustible est réduite proportionnellement au poids de'l'air aspiré par le compresseur.
La figure 4 montre comment la courbe a ( courbe de débit du combustible requis pour assurer une vitesse de régime ) est abaissée aux altitudes élevées par exemple à 14.000 mètres d'altitude. Si aucune correction en fonction de la densité n'est prévue, on risque encore plus les élévations de température excessives du fait'que l'accroissement du débit de combustible -sans augmentation correspondante de la vitesse du moteur ou en l'absence de coordination entre la vitesse du moteur et la position du levier de contrôlé de puissance.
Cette figure montre également des courbes indiquées par des flèches qui correspondent aux accélérations lorsque le contrôle par régulateur connu antérieurement est seul utilisé ou lorsqu'une liaison directe est prévue entre le levier de contrôle et la soupape de dosage avec ou sans régulateur pour maintenir le régime de marche pour un taux d'alimentation en combustible donné. La courbe é' montre,
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comment, dans le cas où un régulateur de vitesse contrôlant la soupape de combustible est réajusté pour produire une accélération dec à d, la capacité maxima de la pompe de combustible est entièrement débitée au moteur et comment le combustible est en grand excès par rapport à la quantité d'air soufflée ce qui détermine une chaleur intense dans les brûleurs.
La courbe e" indique le taux d'alimentation en combustible lors d'une accélération dans le cas d'un levier à liaison directe: le rapport combustible/ air n'est pas aussi exagéré qu'avec le contrôle par régulateur seul mais il est encore suffisant pour produire une chaleur intense dans les brûleurs, particulièrement au début de la période d'accélération. Dans les deux types de contrôle de la figure 4, la courbe de ralentissement tombe au-dessous du taux normal d'alimentation en combustible pour les vitesses de régime et il en résulte un danger d'extinction des brûleurs.
Il est évident que tous les avantages, applications et caractéristiques de l'appareil faisant l'objet de la présente invention n'ont pas été exposés ci-dessus et il est bien entendu également que les dessins ne sont donnés qu'à titre d'exemple et que dans la pratiqué actuile il est généralement nécessaire de redisposer et modifier les différents éléments pour adapter le système de contrôle aux diverses installations.