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La présente invention se rapporte aux systèmes de com- mande de combustible pour moteurs à turbines à gaz. Elle concerne particulièrement une commande pour un moteur tel qu'un moteur d'aviation à turbopropulseur, qui sert à limiter la Puissance développée par le moteur pour empêcher une surcharge mécanique de celui-ci ou du démultiplicateur.
Différents modes de commande de moteur à. turbine à hélice d'aviation sont connus. Le mode de commande qui s'est révélé le plus satisfaisant comprend la commande de la puissance développée par le moteur en réglant la quantité de combustible débitée au moteur,. et en commandant la vitesse du moteur par une ' hélice régulatrice de vitesse. Ce genre de commande est employé pour le décollage normale en vol de croisière et à l'atterrissage = de l'appareil d'aviation.
Les commandes de combustible qui sont
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utilisées dans de tels systèmes peuvent être de différents types dont un préféré est une commande qui est sensible à certaines conditions de réglage telles Que la vitesse de rotation du mo- teur, la température de l'air entrànt dans le moteur, et la .pression de l'air entrant dans le moteur ou quittant le compres- seur et qui, pour ces conditions de réglage, détermine un taux de débit de combustible au moteur qui maintient approximativement une température désirée d'admission à la turbine. Ces commandes de combustible comprennent souvent des dispositifs sensibles à la température d'admission à la turbine pour une commande plus précise de cette température.
En d'autresmots, le débit de com- bustible sous certaines conditions est varié directement en fonc- .tion de la température d'admission à la turbine pour maintenir cette température à une valeur désirée ou pour l'empêcher d'excé- der une limite de sécurité. Les commandes de combustible d'une turbine à gaz comprennent généralement presque toujours un régu- lateur pour limiter la vitesse de la turbine à une valeur de sé- curité.
Dans les commandes de combustible connues, le moteur est ainsi protégé efficacement contre une température excessive et une vitesse excessive. Les commandes comprennent des mécanis- mes qui commandent le moteur pendant le démarrage, l'accélération et la décélération, pour empêcher l'extinction de la combustion ou des.poussées de pression.du compresseur. La principale fai- blesse de ces commandes est qu'elles ne limitent pas le déve- loppement de puissance du moteur, ni ne commandent efficacement la puissance développée. Le mode de commande essentiel est de maintenir la température du moteur à un niveau désirée et la puissance développée par le moteur peut varier assez'largement à n'importe quelle température donnée se produisant à la turbine.
La puissance développée par le moteur dépend non seulement de la température .à la turbine mais également de la pression 'altitude, la température de l'air ambiante et la vitesse de progression de l' appareil d'aviation. Pour une température d'admission de turbine
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donnée, lorsque la pression ambiante augmente, lorsque la vi- tesse de progression de l'appareil d'aviation augmentée la pres- sion d'admission au moteur augmente, et lorsque la température ambiante diminuée la puissance développée augmente.
Ainsi, un. moteur calculé pour développer par exemple 4000 CV dans des con- ditions ordinaires à,une altitude normale de vol de 25.000 pieds (7000 m) peut développer environ 6000 CV à pleine vitesse de pro- gression en vol au niveau de la mer avec une température ambiante de moins 65 F.(-54 C). Il n'est pas souhaitable de prévoir une ré- sistance de construction dù réducteur de vitesse et d'autres par- ties du moteur pour faire face à ce développement.possible de 6000 CV. Un tel développement de puissance excessive peut'éga- 'lemeat dépasser les limites de sécurité de l'appareil d'aviation.
On a paré à cette situation en prévoyant un indicateur de couple ou de puissance développée par le moteur, et en comptant sur le pilote pour diminuer la puissance du moteur si celle-ci excède un maximum souhaité.
Le but de la présente invention est de procurer un dis- positif simple; efficace et saur pour limiter automatiquement la puissance développée par le moteur à un maximum désiré lorsque' les conditions ambiantes et la'situation de vol sont telles qu'une puissance ,excessive peut être développée par le moteur.
, Dans une forme de réalisation préférée, l'invention est basée principalement sur le fait que le développement de puissance du moteur est approximativement une fonction directe du débit de combustible au moteur. En d'autres termes, la consommation spé- cifique de combustible du moteur ne varie pas fortement, et par conséquente le'développement de puissance pour un taux donné de débit de combustible ne varie guère. Par conséquent, le moteur. dé- veloppe une puissance maximum si il est alimenté d'une quantité variable de combustible, mais variable seulement dans certaines limites..- " ' .
Une forme de réalisation de l'invention sera décrite ci-après avec référence au dessin annexé qui-est une représenta-
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tion schématique d'un moteur et d'un système de commande suivant la présente invention.
Le moteur à turbopropulseur représenté schématiquement comprend un moteur à turbine à gaz E comportant un arbre de sor- tie de puissance S relié par l'intermédiaire d'un réducteur de vitesse G à une hélice régulatrice de vitesse P. Du combustible est débité au moteur et à un conduit 10 par une pompe 11,entraî- née par le moteur par l'intermédiaire d'engrenages 12 et 13. Le combustible débité par la pompe passe par un conduit 14 vers une commande principale de combustible 16, dont le réglage, de puis- sance (c'est-à-dire la température à la turbine) peut être varié par le pilote de l'appareil d'aviation au moyen d'un levier de 'commande 17 et d'une tringlerie 18.
La commande principale de combustible est influencée par la vitesse du moteur au moyen de l'arbre 19, par la température d'admission du moteur au moyen d'un bulbe de température 20 du conduit de liaison 21, par la pression d'admission d'air du moteur due à la progression de l'appareil au moyen d'un dispositif23 et d'un conduit 24, et par la température à la turbine au moyen de thermo-couples 26 reliés à la commande de combustible par des conducteurs 27 et 28.
A l'aide d'un mécanisme sans importance pour la pré- sente invention, la commande principale de combustible détermine un débit de combustible au moteur sur la base de la vites.se du moteur, de la température et de la pression, et de la températu- re d'admission de la turbine. La quantité de combustible débitée par la commande est propre à maintenir une température désirée d'admission à la turbine déterminée par le réglage du levier de commande 17. L'excès de combustible débité par la pompe est ra- mené à l'admission de la pompe par un bypass 31.
Le combustible dosé débité par la commande de combustible au moteur est débité par un conduit 32 et, après être passé par la commande de com- bustible limitant la puissance suivant l'invention, passe au mo- teur par un conduit 33 relié aux ajutages de combustible 34.
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Le mécanisme de commande du moteur et du. combustible décrits jusqu'à présent sont connus et l'invention concerne la combinaison de ceux-ci à une commande de limitation de débit de combustible décrite ci-après.
La commande de limitation de débit de combustible uti- lise également un appareil de mesure de puissance ou de couple qui est seulement représenté schématiquement. L'appareil de me- sure du .couple comprend un pignon denté 41 calé sur l'arbre de sortie du moteur S et un pignon d'enté 42 calé sur un arbre 43 relié positivement.à l'arbre du moteur.. Le couple exercé par le moteur imprime une torsion à l'arbre S et crée par conséquent un déplacement de phase entre les dents des pignons 41 et 42.
'Les pignons 41 et'42 forment les armatures de génératrices à induction et induisent du courant alternatif dans des bobines 44 et 46 reliées àun ' détecteur de phase 47. Le détecteur de phase est un dispositif électronique qui engendre un. courant ' proportionnel au couple de l'arbre S .Le courant produit par le détecteur de phase actionne un servo de couple pouvant être d'un genre connu qui fait tourner un arbre 49 proportionnelle- ment au courant produit par 'le détecteur de phase 47, et par con- séquent. proportionnellement au couple. La façon dont cette mesure de' couple est utilisée sera décrite ci-après.
' Le conduit de combustible dosé 32 de la commande prin- cipale de combustible est relié au conduit de combustible du mo- teur 33 par l'intermédiaire d'un venturi 51. La chute de pression dans l'étranglement du venturi est une mesure du taux d'écoulement ou de débit du combustible, et est utilisée pour actionner une valve de bypass 52 qui limite le débit de combustible au moteur%
La valve 52 comprend un plongeur 53 normalement en contact avec' un' piège 54, Un embranchement 56 du conduit de combustible dosé
32 mène au siège 54, et la chambre de valve 57 est reliée par un conduit de bypass 58 au conduit 31 de retour de combustible,
Le plongeur 53 peut coulisser dans un guide 59 et est relié à un diaphragme 61 formant la paroi entre les chambres de
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commande 62 et 63.
La. chambre 62 est reliée par un conduit de pression 64 au conduit 32, en amont du venturi, et la chambre 63 est reliée par un conduit de pression 66 à l'étranglement du venturi. La chute de pression dans l'étranglement du venturi, qui. est proportionnelle au carré du débit, tend ainsi à lever le plongeur 53 de son siège pour laisser passer une partie du com- bustible èosé vers l'admission de la pompe. Le plongeur...53 est ramené vers sa position fermée par une tige 67 sollicitée par un ressort 68, qui vient en prise .avec une butée mobile consti- tuée par un piston 69 pouvant être animé d'un déplacement al- ternatif, monté dans un cylindre 71 dans.lequel le ressort 68 est monté.
Le piston 69 peut se déplacer sur un trajet restreint . entre un premier arrêt offert par un anneau à ressort 72 logé dans la paroi du cylindre et un second arrêt défini par une vis 73 dans la tête du cylindre.
On voit que le ressort 68 tend à maintenir fermée la valve 52 en opposition à la force d'ouverture agissant sur le diaphragme 61 et engendrée par l'écoulement dans le. venturi. La force du ressort 68 est déterminée par la position du piston 69.
Cette force varie dans une gamme relativement étroite, de manière qu'il y ait une gamme relativement étroite de valeurs critiques d'écoulement de combustible auxquelles la pression différentielle agissant sur le diaphragme ouvre la valve 52. Si l'écoulement dépasse la valeur critioue, la valve 53 s'ouvre suffisamment pour laisser passer assez de combustible dans le conduit 58 pour réduire le débit au moteur à une valeur à laquelle la force du ressort 68 équilibre la pression différentielle induite sur le diaphragme 61 par l'écoulement.
La position ou'piston 69 est commandée par le servo de couple 48. L'arbre de sortie 49 de ce servo entraîne le cur- seur mobile 76 d'un. potentiomètre 77 par l'intermédiaire du train d'engrenage± 78. La position du curseur est par conséquent influen- cée directement par le couple développé par le moteur. Le po- tentiomètre 77 et un second potentiomètre 79 sont reliés en cir-
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cuit parallèle entre une source de courant 81 et la terre. Le curseur 76 est relié par un conducteur 82 à un amplificateur de commande 83 du moteur. Cet amplificateur reçoit également une tension d'un curseur 84, réglable à la main, du potentiomètre
79, par un conducteur 86.
L'amplificateur produit une sortie qui est sensible à la différence de potentiel des conducteurs 82 et
86. Le curseur 84 peut être réglé sur une tension,correspondant au couple maximum désiré. Le curseur 76 détecte une tension cor- respondant au couple réel. La sortie de 1''amplificateur est ali- mentée par des conducteurs 87 et 88 à un moteur de couple 89 dont l'armature mobile 91 est reliée par une biellette 92 à un culbu- teur 93 dont l'autre. extrémité chevauche l'organe mobile 94 de .
:la servo-valve. Cet organe 94 de valve, lorsque sa position varie, 'change l'ouverture effective de la sortie 96 d'une servo-chambre 97 dans le cylindre 71. La chambre 97 est alimentée de fluide moteur sous pression d'une source convenable, qui peut être la pompe 11. Comme représenté, un conduit d'alimentation 98 mène de la sortie de la pompe 14 à la chambre 97 par l'intermédiaire d'une valve de' réglage de pression 99 et d'un conduit 100, qui comprend un étranglement 101. La pression dans la chambre 97 est une fonction des étranglements relatifs d'écoulement produits par l'étranglement 101 et l'organe de valve mobile 94.
'. Aussi longtemps que le couple est inférieur à la valeur limite prédéterminée, le moteur de couple ferme la sortie 96 et le piston 69 est maintenu contre l'arrêt 72 par la pression de fluide. Si le couple développé atteint la valeur limite, le mo- teur de couple ouvre la sortie 96, réduisant la pression dans la chambre 92, et le piston 69 se déplace vers la droite, réduisant la force du ressort 68. A un certain point du trajet du pis'ton, la force du ressort est suffisamment réduite pour permettre au diaphragme 61 d'ouvrir la valve 53, laissant ainsi passer du com- bustible et"rédùisant le couple développé-par le moteur.
Le dé- placement du piston 69 est suffisant pour que la valeur du débit le plus faible qui peut faire atteindre au moteur la limite de
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couple soit'capable d'ouvrir la valve 52 lorsque le piston 69 atteint l'arrêt 73. L'arrêt est réglable à cette fin. Un conduit
103 permet l'échappement de la valve 94 et la vidange du cylindre dans le conduit de bypass.
Pour stabiliser la valve de commande 52 par l'appareil de mesure de couple,'un feed-back est prévu à l'amplificateur 83.
Ceci est effectué par un potentiomètre 106 comportant un curseur 107 relié mécaniquement à un plongeur 67 par une liaison conve- nable indiquée par la ligne pointillée 108. Le potentiomètre 106 est relié d'un côté à la terre et de l'autre à l'amplificateur 83.par un conducteur 109. Le curseur est relié à l'amplificateur par un conducteur 111. Un déplacement du plongeur change ainsi le potentiel entre les conducteurs 109 et 111, donnant un feed- back à 1-'amplificateur qui peut être utilisé de façon connue pour stabiliser le fonctionnement de la commande de couple de la valve de bypass 52.
Le fonctionnement de la commande peut être illustré par un exemple : on supposera que la puissance du moteur doit être limitée à 4000 CV et qu'il est capable de développer 6000 CV à pleine vitesse, en vol à faible altitude par un jour très froid.' On peut également supposer que 4000 CV seront développés pour un débit de combustible de 1600 à 2000 livres (725 à 900 Kg) par heure, dépendant des conditions ambiantes et de vol, et de l'état du moteur; que 4000 CV seront toujours développés si la consommation de combustible dépasse 2000 livres (900 Kg) par heure et ne,,peuvent être développés si la consommation de com- bustible est moindre que 1600 livres (725 Kg) par heure.
Egale- ment, il.est préférable de permettre une certaine surcharge plu- tôt que de risquer de couper la puissance beaucoup plus bas que la limite maximum* On peut supposer que 1800 livres (815 Kg) par heure développeront toujours au moins 3600 CV et ne développe, roht pas plus de 4400 CV. La valve de bypass commence à s'ouvrir à un débit de '1800 livres (815 Kg) par heure lorsque le piston 69
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est contre l'arrêt 73 et elle s'ouvre suffisamment pour laisser passer en bypass un tiers du combustible débité par la commande principale de combustible lorsque l'écoulement atteint 2000 livres (900 Kg) par heure et que le piston est contre l'arrêt 72.
Si l'avion vole à réglage de pleine puissance à haute a.ltitude, la consommation de combustible est moindre. Si on sup- pose que l'avion descend à pleine puissance ou rencontre une zone froide à une altitude modérée, la commande principale de 'combus- tible débite'plus de combustible 'que 2000 livres (900 Kg) par heure, étant donné que le moteur accepte cette situation sans température excessive à la turbine. Tant que le couple est infé- rieur à celui 'correspondant à 4000 CV, le piston reste contre ' l'arrêt 72, tarant au maximum la valve 52.- Si le débit de'com- bustible atteint 2000 livres (900 Kg) par heure, la valve de bypass commence à' s'ouvrir.
Cependant, le couple atteint norma- lement la valeur limite avant que le débit de combustible atteigne
2000 livres (900 Kg) par heure et, auss.itôt que 'cette valeur est atteinte, le serve-système ouvre la valve 94 pour permettre au piston 69 de se déplacer vers la droite. Ce piston continue à se déplac.er vers la droite aussi longtemps que le couple est excessif, jusqu'à ce que la force du ressort 68 soit réduite à un point auquel la.valve 62 s'ouvre pour laisser passer en bypass du combustible et. maintenir la puissance au niveau de 4000 CV..
Ceci conduit à exposer un avantage important de la pré- sente invention. Si l'appareil de mesure de couple et le servo- système, comprenant l'amplificateur et la valve 94, fonctionnent normalement, le couple est maintenu à la limite exacte désirée, étant donné que le ressort 68 peut être taré pour obtenir ce résul- tat sur toute la gamme de consommation spécifique de combustible à 4000 CV. 'Cependant, même s'il y a défaillance de ceux-ci, le combustible sera limité à un maximum de 1800 à 2000 livres (815 à
900 Kg) par heure, selon la position du piston 69.
Ainsi, dans les conditions les plus défavorables de mauvais fonctionnement du serve-système et de consommation spécifique de combustible, le
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limitateur de couple'ne peut réduire le combustible à moins de
90% de la¯quantité correspondant à la valeur de limitation de couple, et ne débite jamais du combustible au mateur à plus de 110% de la quantité nécessaire pour développer le couple limite maximum. Ainsi, on obtient une commande très simple comportant seulement un venturi, un diaphragme, une valve bypass, et un ressort, qui en toutes circonstances limitent la puissance à un point raisonnablement proche de la limite désirée. Si le servo- système commandé électroniquement est actionné convenablement, la limite exacte sera maintenue.
Si on compte uniquement sur le système électronique et que la force du ressort 68 n'était pas limitée par les arrêts 72, 73, une panne du servo-système pourrait provoquer un écoulement en bypass d'un tiers du combustible dé- bité au moteur. Ceci survenant au décollage par exemple, peut être catastrophique.
On remarquera que la description qui précède se réfère au couple et à la puissance comme étant des valeurs se rapportant directement l'.une à l'autre, ce qu'elles sont dans un système de ce genre, si l'hélice est entraînée à vitesse constante. Ce- pendant, la commande comme décrit et comme préféré, est sensible au couple. Même si la vitesse de l'hélice varie dans certaines limites, le couple est la meilleure mesure de surcharge du ré- ducteur et autres mécanismes.
R E V E N D 1 C T I O N S.
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