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COMMANDE DE DOSAGE A DEUX LOIS DE RÉGULATION DISSOCIÉES
POUR RÉGULATEUR DE SECOURS
Domaine de l'invention
La présente invention se rapporte de façon générale aux systèmes
d'injection de carburant dans les turbomachines et elle concerne plus
particulièrement un régulateur hydromécanique du type à balance de force
avec asservissement hydraulique à buse/palette.
Art antérieur
Un régulateur hydromécanique conventionnel du type précité
destiné à un système d'injection de carburant dans une turbomachine est
illustré de façon schématique à la figure 9. Il s'organise autour d'un
doseur de carburant 10 dont le conduit d'entrée 12a est relié à une pompe
haute pression 14 et le conduit de sortie 12b à une pluralité d'injecteurs
de carburant d'une chambre de combustion de la turbomachine 16 et dont
le contrôle du débit de carburant devant s'écouler dans les injecteurs
depuis la pompe haute pression est assuré par une balance de force (ou
balance tachymètrique 20).
La balance, mobile autour d'un axe d'articulation 22 traversant une
cloison étanche, comporte classiquement un fléau à deux bras 24, 26 qui,
en régime permanent, est en équilibre sous l'action des trois forces qui lui
sont appliquées (voir la figure 10). Une première force F1 (descendante
sur la figure) est appliquée, à une distance Ld de l'axe d'articulation, à un
point fixe de son premier bras 24 par la tige 18 du doseur de carburant,
par l'intermédiaire d'un premier organe élastique du type ressort
comprimé 28 ; une deuxième force F2, antagoniste de la première, est
appliquée par une buse 30 qui projette contre le premier bras de levier
(formant palette), en un point fixe à une distance Lb de l'axe
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la
d'articulation, un jet de carburant sous pression ; et une troisième force F3
(également descendante sur la figure) est appliquée, à une distance Ls de
l'axe d'articulation, à point fixe de son second bras 26. Cette dernière
force descendante résulte de l'application sur un soufflet d'air 32 d'un
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différentiel de pression f3P3-P1, P3 étant la pression en sortie du
compresseur haute pression (non représenté) de la turbomachine, p un
facteur multiplicateur dépendant du régime de fonctionnement de la
turbomachine et spécifié par le motoriste pour réaliser la loi dite de
butée d'accélération protégeant du décrochage le compresseur basse
pression (non représenté) de la turbomachine et P1 la pression en entrée
de ce compresseur basse pression. Un clapet de protection du soufflet 34
complète l'architecture de ce régulateur qui comporte également bien
entendu des entrées et sorties pour les alimentations hydrauliques haute
io HP et basse pression BP.
Si l'on écrit l'équilibre des forces s'appliquant sur le fléau de la
balance 20, on constate qu'un tel régulateur permet de commander
simplement la position d'ouverture du doseur de carburant en fonction du
différentiel de pression (3P3-P1 dont elle est une fonction linéaire. En
effet,
on peut montrer que cette position Xd est donnée par la formule
suivante :
Xd = A ((3P3-P1) + B (1)
A et B étant des constantes.
Ainsi, à une loi d'accélération moteur donnée de la turbomachine,
laquelle loi offre la particularité dans l'exemple illustré de présenter une
équation géométrique simple (linéaire 50 ou parabolique 52 par exemple)
dans un plan débit injecté fonction de PP3-P1, comme la montre la figure
11, correspond une loi de débit doseur linéaire 54 ou parabolique 56,
comme le montre la figure 12.
Cette simplicité de réalisation du régulateur n'est toutefois
envisageable que si la loi d'accélération est unique. En effet, si l'on
souhaite mettre en oeuvre deux lois d'accélération différentes, comme
celles de la figure 11, on s'aperçoit rapidement que les deux courbes
représentant la loi de débit doseur correspondant se chevauchent suivant
l'échelle des abscisses (voir la figure 12), ce qui rend impossible la
réalisation d'une lumière unique pour le doseur et donc rend obligatoire le
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recours à deux doseurs de carburant. Il en résulte de nombreux
inconvénients tant en matière de masse que de coût, de fiabilité ou encore
de précision de dosage.
Objet et définition de linvention
Aussi, la présente invention a pour objet un régulateur
hydromécanique qui pallie les inconvénients précités et permette donc
avec un seul et unique doseur de carburant la mise en oeuvre de deux lois
d'accélération différentes. Un but de l'invention est aussi d'assurer une
commutation entrer les deux lois d'accélération sans risque de sur ou de
io sous débit de carburant.
La présente invention vise un régulateur hydromécanique pour commander
le débit de carburant injecté dans une turbomachine par l'intermédiaire d'un
doseur
de carburant 10, comportant une balance tachymétrique 20 ayant un fléau à deux
bras mobile autour d'un axe d'articulation 22 sous l'action d'une première
force F1
appliquée sur le premier bras 24, par l'intermédiaire d'un premier organe
élastique
28, par une tige de commande 18 du doseur de carburant, d'une deuxième force
F2, antagoniste de la première, appliquée sur ledit premier bras de levier par
un jet
de carburant sortant d'une buse 30 et d'une troisième force F3, antagoniste de
la
première, appliquée sur le second bras 26 par un soufflet d'air 32,
caractérisé en ce
20 qu'il comporte en outre une tige 36 associée à un piston de commande 38
pour
appliquer sur ledit premier bras de levier, par l'intermédiaire d'un second
organe
élastique 40, une quatrième force F4 antagoniste à ladite première force, de
sorte à
provoquer une ouverture supplémentaire du doseur de carburant lors du passage
d'une première loi d'accélération moteur à une seconde loi d'accélération
moteur et
en ce que ladite tige du piston de commande est en outre accouplée à une vanne
pneumatique tout ou rien 44 assurant la commutation entre ladite première loi
d'accélération moteur et ladite seconde loi d'accélération moteur et reliée
d'une
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part à une pression de référence PO et d'autre part via des orifices d'air SO
et Si à
une pression P3 en sortie d'un compresseur haute pression de la turbomachine.
Ainsi, avec cette configuration le passage d'une loi d'accélération
moteur à l'autre se fait de façon progressive sans rupture de débit et en
ayant recours à un seul doseur.
De préférence, ladite première force est appliquée sur un point fixe
du premier bras de levier à une distance Ld dudit axe d'articulation et en
ce que ladite force antagoniste est appliquée sur un autre point fixe dudit
premier bras de levier à une distance Lc dudit axe d'articulation.
Avantageusement, ladite tige du piston de commande est en outre
accouplée à une vanne pneumatique tout ou rien assurant la commutation
entre ladite première loi d'accélération moteur et ladite seconde loi
d'accélération moteur et reliée d'une part à une pression de référence PO
et d'autre part via des orifices d'air S0, S1 à une pression P3 en sortie du
compresseur haute pression de la turbomachine.
De préférence, pour une loi d'accélération moteur donnée, ladite pression PO
correspond à la pression en entrée du compresseur haute pression, ou à
l'atmosphère. De préférence, l'un desdits orifices d'air est ajustable pour
permettre un réglage de ladite seconde loi d'accélération.
L'invention concerne également le doseur de carburant mis en
oeuvre dans le régulateur hydromécanique précité et la turbomachine
comportant ce régulateur. Ainsi, le doseur comporte une lumière de
dosage unique assurant au débit de carburant injecté dans la
turbomachine une évolution continue lors du passage de la première à la
seconde loi d'accélération moteur.
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4a
Brève description des dessins
Les caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non
limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un régulateur hydromécanique
selon l'invention dans une première position correspondant à la mise en
io oeuvre d'une première loi d'accélération moteur,
- la figure 2 est une vue schématique d'un régulateur hydromécanique
selon l'invention dans une seconde position correspondant à la mise en
oeuvre d'une seconde loi d'accélération moteur,
- la figure 3 illustre l'équilibre des forces existant au sein du régulateur
des
figures 1 et 2,
i
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- les figures 4 et 6 sont des diagrammes montrant deux exemples deux
lois d'accélération moteur différentes pour deux régimes de
fonctionnement distincts du moteur de la turbomachine,
- les figures 5 et 7 sont des diagrammes montrant deux exemples de lois
5 d'évolution de la section doseur pour les deux régimes de fonctionnement
moteur des figures 4 et 6 respectivement,
- la figure 8 illustre l'évolution de la section de la lumière de dosage en
fonction de la position du doseur au sein du régulateur des figures 1 et 2,
- la figure 9 est une vue schématique d'un régulateur hydromécanique de
io l'art antérieur,
- la figure 10 illustre l'équilibre des forces existant au sein du régulateur
de la figure 9,
- la figure 11 est un diagramme montrant deux exemples types de lois
d'accélération moteur pour deux régimes de fonctionnement différents
is d'un moteur de turbomachine, et
- la figure 12 est un diagramme montrant deux exemples de lois de débit
doseur pour les deux régimes de fonctionnement moteur de la figure 11.
Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel
20 Un régulateur hydromécanique conforme à l'invention destiné à être
mis en oeuvre dans une turbomachine est illustré de façon schématique
aux figures 1 et 2. Ce régulateur est destiné à régler le débit de carburant
injecté dans la turbomachine en modifiant la section d'un orifice de dosage
du doseur de carburant. Cette modification vise à respecter deux lois de
25 fonctionnement correspondant au besoin de carburant pour l'accélération
de la turbomachine et à permettre une commutation entre ces deux lois.
La première loi correspond au régime de démarrage et la seconde au
régime d'utilisation, du ralenti au plein gaz, dépendant de la vitesse de
rotation de la turbomachine et de la position de la manette de pilotage.
30 La figure 1 illustre le régulateur dans une première position
correspondant au régime de fonctionnement du moteur de la
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turbomachine répondant à une première loi d'accélération ((i = 1) et la
figure 2 illustre ce même régulateur dans une seconde position
correspondant à un régime de fonctionnement du moteur de la
turbomachine répondant à une seconde loi d'accélération ([i = 0,5).
s Comme dans la structure de l'art antérieur, on retrouve une pompe
de carburant haute pression 14 qui soutire du carburant d'un réservoir de
carburant (non représenté) pour l'amener via un doseur de carburant 10 à
des injecteurs d'une chambre de combustion 16 de la turbomachine. La
modification de la section de l'orifice de dosage est obtenue par le
io déplacement de la tige 18 du doseur commandée au travers d'un ressort
comprimé 28 par la balance de force 20 mobile autour de son axe
d'articulation 22 et comportant un fléau à deux bras 24, 26.
Comme l'illustre la figure 3, ce fléau est soumis à la force
descendante Fi appliquée par la tige 18 du doseur de carburant, par
15 l'intermédiaire du premier organe élastique 28, sur un point fixe du
premier bras de levier 24, à une distance Ld de l'axe d'articulation, ainsi
qu'à la force ascendante F2 appliquée par une buse 30 qui projette un jet
de carburant sous pression contre ce premier bras de levier, en un point
fixe à une distance Lb de l'axe d'articulation, et à la force descendante F3
20 résultant de l'application dans un soufflet d'air 32 d'un différentiel de
pression [P3-P1, à une distance Ls de l'axe d'articulation, à point fixe du
second bras 26. Comme précédemment, un clapet de protection du
soufflet 34 complète l'architecture de ce régulateur qui comporte
également bien entendu des entrées et sorties pour les alimentations
25 hydrauliques haute et basse pression.
Toutefois, selon l'invention, le fléau de la balance de force 20 est de
plus soumis à une force additionnelle ascendante F4 qui est appliquée sur
un point fixe du premier bras de levier 24 à une distance Lc de l'axe
d'articulation (inférieure à la distance Ld dans l'exemple illustré), par une
30 tige 36 associée à un piston de commande 38, par l'intermédiaire d'un
second organe élastique du type ressort comprimé 40 de raideur Kc et de
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force au repos Fco. Le piston qui coulisse dans un cylindre 42 sur une
course Xc est piloté par une pression de commande Pc alimentant une
entrée 42A de ce cylindre dont une sortie 42B est reliée à l'alimentation
haute pression HP. L'application de cette pression de commande et donc
corrélativement de la force F4 sur le levier de la balance 20 a pour
conséquence d'imposer un déplacement supplémentaire (dans le sens de
l'ouverture) du doseur 10 dont l'effet est d'assurer une continuité dans le
débit injecté par le doseur en fonction de sa position lors du passage de la
première à la seconde loi d'accélération, comme il sera explicité plus avant
1o au regard des figures 4 à 8.
En outre, la tige est accouplée à une vanne pneumatique tout ou
rien 44 formant commutateur à deux positions : en position fermé
(figure 1), l'entrée du soufflet d'air 32 est isolée d'une pression de
référence PO et est donc reliée directement à la pression P3 et en position
. ouvert (figure 2), l'entrée du soufflet d'air 32 est reliée à cette
pression PO et à la pression P3 via un potentiomètre pneumatique formé
de deux orifices, un orifice d'échappement SO monté dans la ligne
d'alimentation de la pression PO et un orifice d'admission Si monté dans la
ligne d'alimentation de la pression P3. La pression PO correspondant
avantageusement à la pression en entrée du compresseur haute pression,
ou à l'atmosphère et les orifices d'air SO et Si étant identiques, on obtient
pour le rapport f3 respectivement la valeur 1 et la valeur 0,5 correspondant
aux deux lois d'accélération recherchées. Ce rapport est constant dès lors
que l'écoulement dans l'orifice SO est sonique (ce qui est obtenu lorsque (3
P3/P0>1,89 environ). De préférence, l'un des orifices d'air
(avantageusement l'orifice d'échappement SO) est ajustable (au moyen
d'une vis pointeau par exemple) pour un réglage précis de la seconde loi
d'accélération.
Ainsi, avec cette architecture particulière, la commande du 0 et
3o celle de la force de commutation F4 sont réalisées par un même et unique
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organe hydromécanique, ce qui permet de garantir une parfaite
synchronisation lors du passage d'une loi d'accélération à l'autre.
Comme initialement, il est possible de déterminer la nouvelle
position doseur Xd à partir de l'équation d'équilibre du levier :
F3xLs=FlxLd-F2xLd-F4xLc
Avec F3 = Ssoufflet x (rP3-P1)
Et F1=XdxKd+Fdo
Ssoufflet étant la section du soufflet 32, Kd et Fdo respectivement
la raideur et la force au repos du ressort 28. Soit donc :
Xd=[(SsouffletxLs)/(KdxLd)]([3P3-P1)+(F2xLd-FdoxLd)/(KdxLd) +
(F4xLc)/(KdxLd) (2)
c'est à dire encore par rapport à l'équation (1) sans F4
Xd = A((3P3-P1) + B + ôXd
ôXd = (F4xLc)/(KdxLd) correspondant à une distance
supplémentaire de déplacement du doseur sous l'action de la force de
commande F4.
Le fonctionnement du régulateur hydromécanique selon l'invention
est maintenant explicité en regard des figures 4 à 8 qui illustrent le
changement de loi d'accélération moteur pour deux points extrêmes de
fonctionnement du moteur (les deux extrêmes du domaine de vol), le
premier correspondant à une altitude maximale et un nombre de Mach
minimal et le second correspondant à une altitude minimale et un nombre
de mach maximal. Sur ces graphiques, on peut voir que le débit dosé Wf
évolue progressivement entre les deux lois d'accélération moteur sans
jamais subir ni de sur-débit ni de sous-débit et donc que, selon l'invention,
ce régulateur permet de changer de loi d'accélération moteur de façon
progressive et continue en utilisant un seul doseur.
Les figures 4 et 6 montrent chacune deux courbes correspondant
l'une 50 à une loi d'accélération linéaire (cas d'un régime de
fonctionnement transitoire entre le rallumage et le ralenti) et l'autre 52 à
une loi d'accélération parabolique (cas d'un régime de fonctionnement
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entre le ralenti et le plein gaz). Ces deux courbes se chevauchent et le
débit maximal de la première loi d'accélération est inférieur au débit
minimal de la seconde loi d'accélération. La figure 4 est une loupe de la
figure 6 au niveau de la zone de chevauchement des deux lois
d'accélération. Les figures 5 et 7 montrent chacune la loi d'évolution du
débit doseur, c'est à dire la variation du débit injecté Wf en fonction de la
position Xd de ce doseur. On peut observer que lorsque, en régime
transitoire, le point de fonctionnement moteur passe du point A sur la
première loi d'accélération au point B sur la seconde (figure 4), le
io déplacement du doseur progresse sur la courbe de débit doseur 58 de
façon continue du point A' au point B' (figure 6). De même, lorsque le
point de fonctionnement moteur passe du point C sur la première loi
d'accélération au point D sur la seconde (figure 5), le déplacement du
doseur progresse de façon continue du point C' au point D' (figure 7).
La fente unique (ou lumière) de dosage du doseur 10 est illustrée à
la figure 8 (pour une meilleure compréhension du dessin la figure n'est
pas à l'échelle). Elle présente une forme déterminée par les deux lois
d'accélération précitées et qui varie linéairement en fonction de M. A la loi
d'accélération linéaire (cas d'un régime de fonctionnement transitoire
entre le rallumage et le ralenti) correspond une partie de fente
rectangulaire 60 et à la loi d'accélération parabolique (cas d'un régime de
fonctionnement entre le ralenti et le plein gaz) correspond une partie de
fente triangulaire 62, l'ajustement des débits initiaux pouvant être effectué
par un orifice disposé avantageusement en parallèle du doseur.
En définitive, la configuration de l Invention est particulièrement
intéressante car avec un seul système de dosage pour réaliser deux lois de
débit on obtient un gain de masse et d'encombrement. En outre, le fait de
n'utiliser qu'un seul système indépendant et non deux augmente la
fiabilité et diminue le nombre de pannes possibles. De plus, ce système
unique de dosage permet une commutation d'une loi vers l'autre sans
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risque de rupture du débit de carburant lors du transitoire et donc sans
problème de flame out ou de survitesse moteur.
