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BREVET D' INTENTION " Perfectionnements aux systèmes d'alimen- tation en combustible et'de contrôle de
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Cette invention a trait à un système d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance pour des turbines à gaz, moteurs à récat/ion et autres sources de puissance si-
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milaires utilisant l'énergie produite par 1'.écha¯uffemen-t et la détente d'air pré-comprimé ;
elle vise particulièrement des installations motrices à réaction pour aérodynes où l'air est comprimé dans une chambre constituant un élément d'un gé- nérateur, dans laquelle il est échauffépar la combustion du ' combustible et d'où l'air et les produits de la combustion passent dans une turbine pour entrainer un compresseur, puis
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dans une tuyère à réaction pour déterminer la propulsion de 1'aérodyne, et des installations motrices pour aérodynes où une turbine à gaz entraine l'hélice de 1'aérodyne et peut également entraîner un compresseur pour fournir l'air à la chambre de combustion ou générateur.
Un objet de l'invention est de réaliser un système perfectionné d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance pour installations motrices et sources de puissance du type spécifié.
D'autres objets de l'invention visent :
La réalisation d'un système d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance où une limite supérieure est automatiquement imposée au débit du combustible suivant unecourbe d'accélération pour maintenir la tempéra.ture des gaz dilatés dans les limites de sécurité déterminées et où une limite inférieure est fixée de façon similaire suivant une courbe de décélération pour éviter un appauvrissement qui empêcherait la propagation de la. flamme ou entrainerait l'extinction du brûleur.
Un système réalisant le but spécifié qui assure une alimentation continue déterminée de combustible liquide à, un brûleur dans un rapport convenable avec l'air comprimé dans celui-ci et en fonction des demandes de puissance ou pour toutes les positions d'un levier de contrôle de puissance ;
Un système du type spécifié dans lequel le combustible liquide fourni à un bràleur est dosé en fonction des demandes de puissance du moteur sans gaspillage, tout en assurant un débit de combustible suffisant pour maintenir la propagation de la flamme pour les positions d'un levier de commande correspondant aux faibles puissances et à la vitesse de ralenti.
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Un système d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance qui convienne particulièrement aux moteurs ou sources motrices à réaction du type à turbine à gaz dans lequel le contrôlE de la puissance peut être obtenu par le réglage de l'alimentation en combustible liquide sans nécessiter le réglage de l'alimentatioi des en air/gaz d'échappement ou/d'autres facteurs qui pourrait déterminer une perte de puissance temporaire ;
Un système d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance pour moteurs à réaction ou turbines à gaz destiné aux aérodynes,qui maintient un rapport combustible/air déterminé dans le brûleur pour des valeurs variables de la densité de l'air et par conséquent,pour des conditions variables d'altitude et de tem- pérature ;
Un système du type spécifié qui soit de construction et de fonctionnement relativement simples.
L'invention a encore pour objet d'améliorer par d'autres mo- yens les caractéristiques d'alimentation en combustible de sources de puissance utilisant l'énergie des gaz dilatés par l'addition de combustible et la combustion dans un brûleur ou chambre de combus- tion.
Les objets et avantages précédents et d'autres encore appa- raitront de la description suivante et des dessins annexés,sur le squelle s :
La figure I est une coupe longitudinale axiale d'une source de puissance ou moteur à réaction comportant le système d'alimente tion en combustible et de contrôle de puissance,objet de la pré- sente invention; la figure 2 est une coupe,et dans une certaine mesure,un schéma du système d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance;
La figure 5 est une coupe longitudinale axiale de l'un des brûleurs;
La figure 4 est une coupe analoque de l'un des injecteurs de combustible;
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Les figures 4a et 4b sont respectivement une élévation et une vue en bout de la soupape de l'injecteur de la figure 4;
La figure5est une vue analogue à. la figure 4 d'une variante de cet injecteur;
La figure 5a, est une coupa à plus grande échelle de la partie terminale de l'injecteur de la figure 5;
La figure 5b est une coupe suivant le ligne 5b-5b de la figure 5a, et
La figure 6 est un diagramme des courbes représentatives du fonctionnement du système.
La source de puissance représentée sur la figure I est montée dans un logement approprié, tel que le fuseau moteur d'un avion indiqué en N et comporte un carter extérieur 5 qui s'épanouit à son extrémité avant pour définir une entrée d'air 5a et dont l'extrémité arrière est profilée de façon à constituer une tuyère à réaction 5b, ce carter contenant un compresseur d'air 6 du type rotatif qui comprime l'air dans une chambre 7 contenant plusieurs brûleurs 7a. disposés de façon à diriger l'air chaud et les produits de la combustion sur les aubages 8a d'un rotor de turbine 8. Le motor de la turbine et le compresseur d'air sont montés sur un arbre commun 9 qui tourillonne dans le palier 9a.
L'air entrant par l'admission 5a pénètre dans le compresseur qui le comprime dans une chambre 7,puis dans les chambres de combustion 7a,dans lesquelles il s'échauffe du fait de la combustion de combustible. L'air dilaté tombe ensuite sur les aubages du rotor de la turbine pour entrainer le compresseur et est ensuite délivré à l'atmosphère à travers la tuyère à, réaction 5b pour effectuer la propulsion de 1(aérodyne.
En se référant maintenant à la figure 2, le système de dosage du combustible et de contrôle de puissance 10 comporte un carter approprié dans lequel est montée une pompe à combustible II qui prend le combustible dans une source telle qu'un réservoir, non représenté, au moyen d'un conduit
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12, et qui le débite dans une chambre de combustible non dosé D, par l'intermédiaire d'un orifice 13 contrôlé par une soupape 14, dont la tige 14' est reliée aux plaquettes centrales des diaphragmes 15 et 16.
Une soupape de décompression 17 contrôle l'orifice 18 d'un by-pass 18' qui aboutit dans l'entrée du conduit 12.
Cette soupape est'montée sur un diaphragme 19 qui ferme une chambre 20 reliée à la chambre D par un conduit 21,la soupape 17 étant sollicitée vers la position de fermeture par un ressort 22.la surface effective du diaphragme 19 est sensiblement le même que celle de la soupape 17 et de ce fait, la perte de charge à travers l'orifice 13 qui est déterminée par la force du ressort 22, reste toujours sensiblement constante.Comme la perte de charge à travers l'orifice 13 est maintenùe sensiblement constante,l'effort appliqué à la tige 14' du fait de la différence des pressions de part et d'autre de la soupape 14 peut être équilibré ou sensiblement équili- bré, par excès ou par défaut,
par des moyens mécaniques tels qu'un ressort 22' à l'arrière duquel se trouve une vis de réglage 23. le combustible non dosé passe de la chambre D dans une chambre de dosage 25 par l'intermédiaire d'un orifice 24 de section relativement grande,puis à travers un orifice de dosage 26 contrôlé par un pointeau 27 qui est relié à un diaphragme 28 et sollicité vers la position de fermeture par un ressort 29 monté dans la chambre 30.Si on le désire,on peut prévoir une butée pour empêcher la fermeture complète de l'orifice 26 par la soupape 27,qui pàurrait entraîner le collage de ladite soupape.
La différence de pression aui s'exerce sur le diaphragme 28 varie en fonotion de la densité de l'air,grâce
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à une soupape ou tiroir SI relié à une capsule 32 oui est sensible eux variations de pression et de température et est montée dans une chambre 33 qui peut être en communica- tion avec l'atmosphère par l'évent 54,ou si on le désire, avec toute autre capacité où regne une pression de référence,
telle que l'entrée d'air de la source de puissance.Le tiroir 31 commande l'orifice 35 oui fait communiquer le passage 36 venant de la chambre 25 avec le conduit 37 aboutissant à la chambre 30.La chambre 30 communique avec la chambre C au moyen d'un conduit 38 dans lequel est monté un étranglement calibré 38'de dimensions déterminées.
Pour les pressions barométriques et les températures qui régnent au niveau du sol,la section de l'orifice 35 par rapport à l'orifice calibré 38'est telle que l'action de ce dernier soit maximum;mais lorsque la densité de l'air décroît, la. capsule 32 se dilate,la section de l'orifice 35 croît,et par suite,l'effet de l'orifice calibré 58'est moindre.La répercussion de cette action sur le réglage du débit de combustible en fonction de la densité de l'air sera expliquée plus complètement dans le description du fonctionnement du système.
Le combustible liquide qui passe à travers l'orifice de dosage 26 arrive dans le conduit 39 (qui constitue un prolongement du conduit 12) du circuit menant aux injecteurs des brûleurs;il remplit également la chambre C,puis la chambre B, cette dernière étant en communication avec le conduit 39 par le conduit 4:0,, qui comporte une série de ramifications s'ouvrant dans la chambre 41 d'une soupape et dans lesquelles sont montés les orifices calibrés 42,45 et 44 de caractéristiques d'écoulement déterminées.Les orifices 45 et 46 et le conduit ou passage 47 font communiquer la chambre 41 avec le conduit
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39.
Une soupape en forme de piston ou tiroir 48 est montée de façon à pouvoir coulisser dans la chambre 41 et présente des collerettes 49 et 50 destinées à obturer ou découvrir les orifices 43 et 44. Le piston ou tdroir 48 est actionné d'une façon qui va être décrite par la suit e .
Un conduit 51 réunit la chambre C à la chambre 52 d'une pompe centrifuge, cette chambre communiquant avec). la chambre A par l'intermédiaire de l'orifice calibré 53. La roue 54 de la pompe est montée dans la chambre 52 sur un arbre 55 ayant une liaison mécanique avec l'arbre 9 de la turbine et du compresseur représenté sur la figure I.
Ainsi, l'entraînement de la roue 54 est fonction de la vitesse de la turbine et du compresseur et détermine l'établissement, entre la chambre c et la périphérie 52' de la chambre 52, d'une différence de pression proportionnelle au carré de cette vitesse, c'est à dire au carré de la vitesse du moteur, le mot " moteur étant utilisé ici pour désigner la source motrice comportant la turbine et le compresseur ; et du fait que l'installation est telle que les pressions dans les chambres A et D sont égales ou proportionnelles, la différence de pression entre les chambres D et c varie comme le carré de la vitesse du moteur.
Un régulateur 56 est fixé sur l'arbre 55 et entrainé par lui, et comporte les masses 56a qui agissent sur des equerres 56b pour contrôler la position d'un manchon 57 monté glissant sur ledit arbre. Un levier 58 est articulé en 59 sur un pivot et se termine, à l'une de ses extrémités, par une rotule 60 qui s'engage dans un logement prévu dans l'extrémité du. tiroir 48 qui sort de l'appareil ; à son autre
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extrémité, le levier 58 présente une fourchette qui s'engage dans la gorge 61 définie par des colliers espaces du manchon 57.
Un levier unique de contrôle de la puissance 62 vient agir sur une extrémité du manchon 57 par l'intermédiaire de la tringlerie 63 de l'équerre 64 et d'un ressort 65 qui porte à son extrémité intérieure contre ledit manchon 57.
Le combustible dosé amené par le conduit 39 est in- troduit dans les chambres individuelles des brûleurs (figure 3) par des injecteurs 66 qui sont tous de construction identique et dont des exemples sont représentés d'une façon détaillée sur les figures 4 et 5. L'injecteur représenté sur les figures 4,
4a et 4b comporte un corps 67 formant support qui est fixé de façon appropriée au brûleur et présente un nez 68 dans lequel est ménagé l'orifice de sortie 69. Un organe de soupape 70 est monté de façon coulissante dans le corps 67 et est sollicité normalement vers la position d'application sur son siège par un ressort 71 dont la tension peut être réglée par un écrou de retenue 72. la soupape 70 présente une extrémité conique 73 qui vient s'appliquer contre l'orifice 69 et sur laquelle sont ménagées des rainures en hélice 73a ; en arrière de cette extrémité 73 se trouve un anneau 74 sur lequel sont également ménagées des rainures en hélice 74a qui coopè- rent avec les rainures 73a, mais ont une plus grande capacité d'écoulement.
Une chambre d'admission 75 est définie par l'anneau 74 et l'épanouissement 76 situé à l'arrière de cet anneau et le combustible est amené à cette chambre par un passage 77 prévu dans un épanouissement du corps 67 et qui reçoit un raccord fileté 78 auauel vient se fixer un conduit 79, ce dernier étant relié à une nourrice torique 80 nui est commune
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à tous les injecteurs (voir figure I) et Qui, à son tour, reçoit le combustible du conduit 39 par un conduit 80a.
Pour les faibles pressions du combustible, la sou- pape 70 reste appliquée sur son siège et l'écoulement du combustible a lieu par les extrémités des rainures 73a ; comme ces rainures. sont relativement fines, le combustible sort à plus grande vitesse sous forme d'un jet tourbil- lonnaire. Quand la pression du combustible augmente, la soupape se déplace en arrière, et l'écoulement se produit par les rainures hélicoïdales 74a et l'orifice 69, l'action de tourbillon étant encore maintenue, mais l'action de dif- fusion par l'extrémité conique de l'injecteur variant. la capacité d'écoulement des rainures 74a définit la capacité de décharge de l'injecteur à moins qu'un jeu n'existe entre l'anneau 74 et la paroi adjacente de la chambre de l'injecteur.
Les principaux avantages de cet injecteur sont qu'il permet d'obtenir une meilleure atomisation pour toutes les pressions, un angle de diffusion variable et l'élimination des injecteurs spéciaux prévus pour les basses pressions ainsi Que des con- nexions correspondantes.
L'injecteur représenté sur les figures 5,5a et 5b consiste en un corps 81 comportant une tête d'atomisation 82 dans laquelle est montée une tige 82' entourée d'un ressort
83 Qui sollicite la tête vers la position de fermeture, l'ex- trémité épanouie ou partie terminale de ladite tête s'enga- geant dans l'orifice ou gicleur 84 de profil correspondant.
Un chapeau 85 est vissé à l'arrière du corps 81 et, entre ce chapeau et une collerette ménagée sur le corps de l'injecteur, se trouve une pièce de raccordement 86 taraudée en 87 et dans laauelle vient s'adapter l'un des tubes d'alimentation 79.
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Le combustible arrive dans la chambre 88 par les orifices 89 et pour les basses pressions passe à travers des canaux 90 pratiqués dans la tête d'atomisation, voir figure 5b, tangentiellement à, une cavité centrale 91 dans laauelle se trouve un organe 92 où est prévu un petit orifice de décharge à basse pression 93. L'action du ressort 83 sur la tige 82' est réglée par un écrou 94 et le contre-écrou 95. La disposition tangentielle des canaux 90 communique au jet sortant par l'orifice à basse pression sous un angle déterminé par les sections relatives des passages 90 et 93 un mouvement tourbillonnaire.
La tension du ressort 83 peut être réglée de façon nue pour une faible pression déterminée la tête 82 reste appliquée sur son siège et que la décharge de combustible se produise à travers les canaux 90 et l'orifice à basse pression 93 ;mais lorsque la pression augmente, la déchprge a lieu principalement par l'orifice à haute pression 84 avec une décharge supplémentaire par l'orifice 93, le jet à haute pession produisant un brouillard contenu à l'inté- rieur d'un cône dont l'angle au sommet est déterminé par l'angle de la. tête coniaue 82.
Ainsi, aux basses pressions de combustible, lorsaue la pression de l'air a également sa valeur minimum, la vitesse d'écoulement du comoustible est accrue parle passage à travers les canaux 90 etle gicleur 93 tandis que pour les pressions supérieures, l'action de l'orifice de décharge en forme de cône est prépondérante, produisant un jet bien diffusé dans toutes les directions.
Comme les têtes d'atomisation sont réglables, on peut réaliser une synchronisation précise de tout un jeu de gicleurs de brûleurs.
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Afin d'aider à la compréhension du mode de fonctionnement, on exposera ce qui suit :
Quand un compresseur centrifuge est relié à une turbine à gaz entrainée par l'énergie résultant de la détente des gaz produits dans une chambre de combustion, ou brûleur, dans laquelle l'air est comprimé et que ce compressuer est entraîné en synchronisme' -avec ladite turbine, il existe certaines relations fondamentales. Ainsi pour une densité donnée de l'air entrant, le poids de l'air oui s'écoule varie approximativement comme le nombre de tours/minute, la pression de compression varie approximativement comme le carré du nombre de tours/minute, et la puissance reauise pour la compression et l'écoulement de l'air varie approximativement comme le cube du nombre de tours/minute.
Quand la puissance est contrôlée par le réglage du débit du combustible, la valeur de celui-oi varie approximativement comme le cube du nombre de tours/minute ; en d'autres termes, pour un débit de combustible déterminé, la vitesse de la turbine augmente,ou diminue jusqu'à ce que la vitesse correspondant au débit choisi soit obtenue. Des considérations sensiblement analogues se présentent lorsq'une turbine à gaz entraine une hélice d'aérodyne et que le brûleur de la turbine reçoit l'air entrant par un orifice frontal.
Le contrôle de la puissance par le réglage du combustible est relativement simple mais certaines limitations doivent néanmoins être observées. Ainsi, la vitesse du système rotatif constitué par la turbine et le compresseur ne doit pas excéder une valeur pour laquelle il s'ensuivrait des efforts centrifuges exagérés et des avaries. Le mélange combustible doit être maintenu à une richesse pour laquelle la température résultant de la flamme n'endommage pas les aubages de la tur-
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bine et les parties qui se trouvent sur le parcours des gaz dilatés chauds. Inversement, la richesse ne doit pas être réduite à tel point qu'il ne puisse y avoir propagation de la flamme et par suite non-fonctionnement du. brûleur.
Le mode de fonctionnement du système d'alimentation en combustible et de contrôle de la, puissance décrit ici va maintenant être exposé. le moteur ou source de puissance peut être démarré d'une façon appropriée quelconque, par exemple au moyen d'un moteur électriaue ayant une liaison cinématique appropriée avec l'arbre principal pour mettre le brûleur en action et amener la turbine à, une vitesse ouù elle peut accérer sans secours extérieur.
Le système de dosage est généralement plein de combustible, mais si l'on suppose qu'il est vide, la différence de pression qui s'exerce sur les diaphragmes 15 et 16 est nulle et quand la pompe à, combustible II démarre, les chambres D, C et A se remplissent successivement dons l'ordre indiqué ; le combustible passe également dans le conduit 39 et la nourrice 80, arrive aux injecteurs respectifs 66, puis dans le brûleur. Pour les puissances de ralenti, la différence de pression qui s'exerce sur le diaphragme 15 est minimum et la pression de décharge est donc telle que juste assez de combustible soit délivré pour maintenir la propagation de la flamme dans le brûleur.
La charge initiale du combustible peut être enflammée par un circuit d'allumage, une flamme pilote ou par tout autre procédé approprié.
La pompe centrifuge 54 fonctionne à une vitesse déterminée par rapport à celle de la turbine et du compresseur, et par suite elle produit une différence de pression entre la chambre C et la chambre périphériaue 52' Qui est sensiblement
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proportionnelle au carré de; la vitesse de la turbine ou du moteur ; et si la pression dans la chambre A est égale à celle régnant en 52', la différence des pressions entre les chambres A et C, qui est appliquée au diaphragme 16, agit sur la soupape 14 de façon telle que la différence des pressions entre les chambres et C est sensiblement proportionnelle au carré de la vitesse du moteur.
Les diaphragmes 15 et 16 sont, de préférence, d'égale surface effective, la pression dansla chambre C sera donc équilibrée par les pressions dans les chambres D et A, et toute variation de pression'dans la chambre A fera varier la différence de pression qui s'exerce sur ces diaphragmes et de ce fait fera croitre ou décroitre la perte de charge à travers l'orifice de la soupape 14. Si la pression dans la chambre A augmente, la soupape 14 se déplace dans le sens de l'ouverture, ce qui augmente le débit de combustible, et su cettepression diminue, la soupape se déplace dans le sens de le, fermeture, ce qui réduit l'écoulement de combustible.
La différence de pression entre les chambres D et C est appliquée à l'orifice de dosage 26 et comme cette diffé- rence est proportionnelle au carré de la vitesse du moteur, la vitesse d'écoulement à travers cet orifice est proportionnelle à la racine carré de cette différence, c'est-à-dire à la vitesse.
On peut faire varier la section de l'orifice de dosage 26, grâce au pointeau 27 dont la position est déterminée par la différence des pressions s'exerçant sur le diaphragme 28 ; comme cette différence est proportionnelle à celle qui existe engre les chambres 7) et C, c'est-à-dire à celle qui
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agit sur le diaphragme 15, la position du pointeau et par conséquent la section de l'orifice et le débit du combustible spnt des fonctions de la vitesse du moteur. En profilant d'une façon appropriée le pointeau 27, le débit à. travers l'orifice 26 peut être rendu proportionnel au cube de la vitesse du moteur ou de la turbine, et en fait le pointeau peut être profilé de façon à obtenir tout autre type de courbe de débit en fonction de la vitesse.
De préférence. son profil est tel qu'on obtienne une courbe pour laquelle le débit est proportionnel au cube de la vitesse du moteur.
Pour accélérer le màteur. ou en d'autres termes, pour accroitre la vitesse de la turbine, et par suite la puissance de propulsion de la tuyère de réaction de l'aérodyne, on déplace le levier de commande dans le sens correspondant à la compression du ressort 65 et au déplacement vers le haut du manchon 57 en regardant la figure 2, ce qui a, pour effet un déplacement vers le bas du tôroir 48 et la fermeture ou la réduction de la section de l'orifice 43. Il en résulte un accroissement de la pression dans la chambre A et par conséauent en D, ce qui accroît la, hauteur de charge et le débit de combustible admis au brûleur.
Quand la vitesse de le. turbine atteint une valeur suffisante pour que l'effort exercé par les masses 56a équilibre l'action du ressort 65 pour la nouvelle position de réglage, le tiroir 48 se déplace vers le haut et découvre l'orifice 43. Toute tendance de la turbine à s'écarter d'une vitesse donnée correspondant à. une position de réglage déterminée du ressort 65 et, par conséquent, du levier de commande de la puissance, entraine une correction immédiate par l'intermédiaire du tiroir 48.
Pour ralentir, le levier de contrôle de la puissance est déplacé dans le sens pour lequel la, compression du ressort 65 est réduite, le manchon 57 se déplace donc vers le bas, le
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tiroir 48 vers le haut, ce qui découvre l'orifice 44 ; la pression dans la chambre A est donc réduite, ce qui diminue la différence de pression de contrôle, et le débit du combustible est trop faible pour fournir la puissance requise pour faire tourner le moteur dans les conditions du réglage précédent ;
la vitesse est donc réduite jusqu'à ce que l'action des masses du régulateur équilibre le nouveau réglage du ressort et que le tiroir 48 se déplace vers le bas en obturant l'orifice 44. n On remarquera que tandis que toute modification de la surface totale des orifices 42, 43 et 44 réduit la valeur de la pertede charge à travers l'orifice de la soupape 14, la différence de pression entre les chambres A et C reste une font ction du carré de la vitesse de la pompe 54 et par conséquent de la vitesse de la turbine ou du moteur.En choisissant des sections déterminées pour les orifices 42,43,44 et 53, on peut obtenir des courbes de débit du combustible déterminées, et convenablement établies par rapport au débit d'air,
pour les accélérations et les ralentissements afin de définir ine limite supérieure de la température de la flamme et de la vitesse
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et une limite inférieure d'appauvrissement,indépendemnent de la vitesse avec laquellele levier de contrôle de la puissance est manoeuvré.
Sur la figure 6,on a représenté schématiquement les caractéristiques des débits d'air et de combustible d'un moteu: à réaction équipé d'un système d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance suivant la présente invention. La courbe supérieure E représente le poids d'air/refoule par le com -presseur à une certaine altitude (par exemple pour la pression barométrique et la température au niveau de la mer)pour une marge de vitesses comprises entre 0 à 10.000 t/m.On peut con-
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sidérer que cette courbe est fixe,l'air qui est pompé à une altitude donnée étant bien déterminé pour chatue vitesse du moteur.La courbe F représentele poids horaire de combustible
Qui est nécessaire pour faire marcher le moteur à différentes vitesses.
Cette courbe est aussi une caractéristique du moteur, et le choix d'un débit donné de combustible entraine l'accélé- ration ou le ralentissement du moteur jusqu'à ce que la vitesse correspondant à, ce débit soit atteinte, le débit d'air admis dans le moteur étant déterminé de façon correspondante. Pour touute opération normale à vitesse constante la consom/ation d'air est très supérieure à celle qui est nécessaire pour pro- duire la combustion du combustible fourni et la température des gaz brûlés suit le taux de l'alimentation en combustible.
La courbe G représente la caractéristique de dosage du système de contrôle de la, figure 2, en fonction de la, vi- tesse du moteur, quand le tiroir 48 est dans une position suf- fisamment basse pour fermer les orifices 43 et 44. Cette courbe peut être désignée par l'expression " courbe d'accélération " puisqu'elle réalise,pour toute la gamme des vitesses,une carac- téristique de débit de combustible légèrement supérieure à celle qui correspond au débit assurant le fonctionnement de ré- gime du moteur et détermine par suite une accélération de celui- ci. Dans ces conditions de fonctionnement, le débit de combus- tible admis au brûleur est astreint par le régulateur à suivre la courbe G.
Ceci empêche le mélange de devenir trop riche à, une vitesse quelconque, condition qui augmenterait beaucoup la température des gaz passant dans les aubages de la turbine du fait de l'insuffisance du débit d'air pendant la, période d'accé- lération qui suit la brusque augmentation du débit de combusti- ble .
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La courbe H représente les caractéristiques du système de commande de la figure I en fonction de la vitesse du moteur lorsque le tiroir 48 est suffisamment ha.ut pour ouvrir les orifices 43 et 44. Cette courbe, pour des raisons de commodité, peut être désignée par l'expression " courbe de décélération " puisqu'elle réalise pour toute la gamme des vitesses une caractéristique de débit de combustible légèrement au-dessous de celle correspondant au fonctionnement de régime du moteur et détermine, par conséquent, le ralen- tissement du moteur. Dans ces conditions de fonctionnement, le débit de combustible admis au brûleur est astreint, par le régulateur, à suivre la courbe H.
Ceci empêche le mélange de devenir trop pauvre pour maintenir la propagation de la flamme au cours du ralentissement, comme cela se produit durant le ralentissement de la turbine qui suit la brusque réduction du débit de combustible.
Pendant le fonctionnement de régime, le régulateur 56 amène le tiroir 44 dans une position intermédiaire entre celle pour laquelle les orifices 43 et 44 sont fermés et celle pour laquelle ces orifices sont ouverts et détermine ainsi le débit de combustible pour réaliser ce fonctionnement.
Afin de mieux illustrer les avantages qui résultent d'une accélération et d'un ralentissement contrôlés, on fera une comparaison avec un système dans lequel l'alimentation en combustible n'est réglée que par un pointeau ou un organe d'étranglement actionné par l'opérateur. Avec un tel type de contrôle, si le moteur fonctionne à un régime constant de 4000 t/m, le débit du combustible correspond au point r et celui de l'air au point s.
Si l'on déplace maintenant le pointeau pour obtenir un débit de combustible correspondant au fonctionnement à 9000 t/m, le débit de combustible augmente immédiatement pour prendre la valeur représentée par le point t et reste constant
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tant que le moteur accélère, ,jusqu'à, ce que le fonctionnement soit représenté par le point figuratif u . la vitesse du moteur augmentant, le débit d'air décrit la courbe E de .!:!. à v.
Durant cette période, l'excès d'air mélangé aux produits de la combustion dans la chambre de combustion est très faible, en sorte que la température des gaz qui atteignent les aubages de la turbine 8 est supérieure à la limite maximum de sécurité et que ces aubages se corrodent.
D'autre part, si le moteur fonctionne dans des condi- tions figurées par le point u et qu'on ferme le pointeau du combustible afin de ralentir et de venir en r, le débit du combustible diminue presqu'instantanément pour venir en w mais le grand débit d'air est maintenu jusqu'à, ce que l'inertie et le frottement permettent le ralentissement du moteur. Ainsi, le mélange est extrêmement pauvre et il est à présumer que la flamme du brûleur s'éteindra.
Avec le type de système d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance décrit ici, l'alimentation en combustible est réglée en fonction de la vitesse et comme le poids d'air varie avec la vitesse, cette alimentation n'est jamais supérieure ou inférieure à la valeur correspondant au fonctionnement de régime que d'une quantité déterminée, en sorte que le mélange combustible/air ne peut devenir ni excessivement riche, ni excessivement pauvre. Ainsi, si au cours du fonctionnement à 4000 t/m le levier 62 est déplacé vers la droite pour venir dans la position correspondant à 9000 t/m., le ressort 65 est comprimé ce qui fait tourner le levier 58 dans le sans inverse des aiguilles d'une montre et déplace le tiroir 48 vers le bas pour fermer les orifices 45 et 44.
Le point figuratif r du débit de combustible se déplace vers le haut pour
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venir sur la courbe G puis, quand le moteur accélère, le long de la courbe G. Le moteur approchant de la vitesse de 9000 t/m, l'action des masses 56a du régulateur commence à dépasser l'action du ressort 65. Le tiroir 48 se déplace progressivement vers le haut, découvrant une fraction suffisante des orifices 43 et 44 pour réduire le débit de la courbe G au point u lorsque la vitesse de 9000 t/m est atteinte.
Si le levier 62 est alors ramené à la position correspondant à 4000 t/m, l'action réduite du. ressort 65 permet aux masses du régulateur de s'écarter vers l'extérieur en dépla- çant le tiroir 48 vers le haut pour découvrir les orifices 43 et 44. Ceci réduit le débit du combustible du point u à un point juste au-dessous de lui sur la courbe H après quoi le point figuratif du débit de combustible se déplace sur la courbe H au fur et à mesure du ralentissement du moteur.
Quand on approche de la vitesse de 4000 t/m, les masses 56a s'abaissent, déplaçant le tiroir 48 vers le bas et obturant une fraction suffisante des orifices 44 et 43 pour oue l'on arrive au débit de combustible figuré au point r quand la vitesse de 4000 t/m est atteinte. Il est évident qu'un peut utiliser un seul orifice au lieu des orifices 43 et 44.
De ce qui précède, il résulte que le dispositif de contrôle suivant l'invention permet d'obtenir pour l'accélé- . ration et pour le ralentissement des courbes de débit de combustible en fonction de la vitesse, qui encadrent la courbe caractéristique propre à la source de puissance et fixant le débit de combustible en fonction de la vitesse pour assurer le fonctionnement de régime, ce contrôle comportant un dispositif régi par la vitesse et/ou une commande à main pour fixer soit la courbe d'accélération soit celle de ralentissement,
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soit encore toute condition intermédiaire de débit de combustible, afin de réaliser l'accélération ou la décélération aussi bien que le fonctionnement de régime.
Comme dans le dispositif objet de l'invention, la différence de pression de part et d'autre de l'orifice 26 est définie et contrôle la section de l'orifice en fonction de la vitesse, toute caractéristique voulue du débit de combustible en fonction de la vitesse peut être obtenue pour les courbes d'accélération et de ralentissement. Elles peuvent, par exemple, être telles que le débit varie comme le carré, le cube ou tout autre puissance de la vitesse ou encore suivent une fonction irrégulière. Ainsi les conditions optima du rapport combustible/air pour obtenir la meilleure accélération et la meilleure décélération peuvent être choisies pour toute source de puissance ayant, lors du fonctionnement me régime, une carac- téristique déterminée débit de combustible/vitesse.
On rema,rauera Que le régulateur ne doit fonctionner aue dans une marge relativement faible de vitesse, ce Qui permet de le rendre plus sensible et précis pour jouer son rôle Que dans le cas où un régulateur est astreint à fonctionner dans une large marge de vitesses.
Si l'ensemble est utilisé sur un moteur ou source de puissance dans leauel la densité de l'air varie, le débit du combustible devient aussi une fonction du poids de l'air.
Dans la position de la capsule représentée sur la figure 2, on suppose aue la densité est celle Qui existe au niveau de la mer, l'orifice 35 étant réduit en sorte que l'orifice 38' a le rôle majeur. Toutefois, Quand la densité de l'air diminue et aue la capsule s'allonge, l'orifice 35 s'élargit et le rôle de l'orifice 38 diminue, en sorte aue la pression dans
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la chambre 30 augmente et que la différence de pression qui s'exerce sur le diaphragme 28 diminue ce qui réduit la sec- tion de l'orifice 26 et appauvrit le mélange. En choisissant convenablement la section de l'orifice 38' et le profil du tiroir SI, on peut obtenir toute relation voulue entre le dé- bit de combustible et la variation de la densité de l'air.
L'un des brûleurs ou chambres de combustion 7a qui constitue une partie du générateur 7 est représenté en coupe sur la figure S. Il comprend une paroi cylindrique externe indiquée en 7a sur la figure I et dans laquelle sont ménagés plusieurs orifices d'entrée d'air 100 A l'intérieur de cette paroi externe se trouve un cylindre plus court 101 comportant uhe paroi conique 102 dans laquelle sont ménagés des orifices calibrés d'entrée d'air 103; et à l'intérieur du cylindre 101 se trouve un troisième cylindre encore plus court 104 présentant une paroi terminale 105 dans laquelle sont également ménagés de s orifices d'entrée d'air 106.
L'extrémité de la chambre de com- bustion qui reçoit l'impact de l'air comporte une paroi 107 dan ss laquelle sont ménagés des orifices d'entrée d'air calibrés 108,
109 et 110 disposés suivant des circonférences, et dont la sec- tion est d'autant plus faible qu'on se rapproche davantage du centre de cette paroi 107, lesdits orifices s'ouvrant dans des chambres d'égalisation de pression 108', 109' et 110' définies par les cylindres 101, 104, le cylindre principal 7a, les parois terminales 103, 105 et une paroi centrale III dans laquelle sont, ménagés des orifices d'entrée d'air calibrés II2.
Un organe d'allumage 113 qui peut être du type à étincelles électriques alimenté en courant par une source appropriée, non représentée, fait saillie dans le cylindre du brûleur près de l'extrémité de l'injecteur.
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Une chambre de combustion ainsi construite coopère avec le dispositif de dosage de combustible et de contrôle de puis- sance pour assurer localement l'obtention d'un rapport combus- tible/air aproprié et la propagation de la flamme pour toute la gamme d'accélérations et de décélérations, et pour permettre les alimentations pauvres en combustible pour les faibles dé- bits d'air et les basses puissances sans risque de mauvais fon- ctionnement du brûleur. A titre d'exemple, on peut désirer en- voyer dans les brûleurs de 550 gr de combustible à l'heure pour les débits d'air minimum et les conditions de faible puis- sances à 12000 gr/heure pour les débits d'air maximum et la ple ine puissance.
Un jet de 550 gr à l'heure produit une flamme fragile oui peut être rapidement éteinte par la brusaue injec- tion d'air au-dessus d'une certaine vitesse,ou par une alimen- tation excessive en air dans la région de la flamme.De même,une certaine puissance étant réalisée, si le levier de contrôle du pilote est brusquement déplacé dans le sens correspondant à un accroissement de puissance, la vitesse de l'air peut être telle] localement ou dans la région de l'injecteur du brûleur, au elle souffle la flamme bien que le système principal de contrôle et de dosage de combustible maintienne un rapport global combusti- ble/air déterminé le long de la courbe d'accélération; une ch- ambre de combustion du type décrit ici empêche cette éventuali- té.
En calibrant de façon appropriée les orifices d'entrée d'- air, la vitesse de l'air pénétrant dans la chambre de combus- peut être réglée tion,/de façon à assurer une propagation convenable et efficace de la flamme pour toutes les vitesses d'écoulement de l'air ou condition de puissance.Ainsi,la vitesse à l'intérieur de la zone centrale, dans la région entourant immédiatement l'injec- teur peut être mpintenue dans une marge allant de 2,75 à 9 mé- tres par seconde.
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Dans la zône intermédiaire, cette vitesse peut être maintenue dans une marge allant de 2,75 à 9 mètres par seconde. Dans la zône intermédiaire, cette vitesse peut être maintenue dans une marge allant'de 5,5 à 18 m/sec. et dans la zône extérieure de 8,25 à 27 m/sec.. La capacité totale d'admission d'air de tous les orifices qui déterminent les zônes respectives devra donner la quantité d'air nécessaire pour assurer dans les conditions de pleine puissance la combustion complète de, par exemple, 12.000 gr. de combustible à l'heure. Les orifices d'air 100 correspondent à des vitesses de l'excès d'air de II à 36 m/sec. pour les vitesses du moteur comprises entre 3.000 et 10.000 t/m.
Par excès d'air, on veut entendre l'air en surplus de la quantité nécessaire pour produire la combustion complète.
Il est important également que l'injecteur assure une diffusion appropriée du jet du combustible atomisé dans les diverses zônes de vitesses. Celui qui est représenté sur les figures 5,5a, 5b fournit un jet comportant une section centraleà basse pression et dont l'angle de divergence augmente au fur et à mesure de l'accroissement du débit et coupe ainsi les couches d'air successives de vitesses étagées, ce qui augmente le rendement de la chambre de combustion.
Afin de diffuser l'air plus efficacement lorsqu'il passe dans la chambre du brûleur, une substance de diffusion telle que de la laine d'acier ou l'équivalent peut être prévue dans les chambres 110', 109' et 108'.
Il est évident que le nombre des zônes peut être augmenté ou diminué pour s'adapter aux conditions d'emploi et pareillement, on peut donner aux orifices de diffusion des contours et des angles de diffusion divers pour doser et diriger l'air d'une manière conduisant à une propagation efficace de la flans
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On remarquera qu'on ne s'est pas proposé ici de définir toutes les caractéristiques de dosage dont est capable de dispositif d'alimentation en combustible et de contrôle,et il est évident également que les dessins ne sont donnés qu'à titre d'indication,des modifications à la à, disposition et la construction des éléments étant nécessaires dans la pratique pour adapter le dispositif aux diverses installations.
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PATENT OF INTENT "Improvements to fuel supply and fuel control systems.
EMI1.1
pùissailcépôù'tüxbïnes, gàztt ... ¯
This invention relates to a fuel supply and power control system for gas turbines, recat / ion engines and other similar power sources.
EMI1.2
milaires using the energy produced by 1'.échāuffemen-t and the expansion of pre-compressed air;
it is particularly aimed at jet power plants for aerodynes in which the air is compressed in a chamber constituting an element of a generator, in which it is heated by the combustion of the fuel and from which the air and the products of combustion pass through a turbine to drive a compressor, then
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in a jet nozzle to determine the propulsion of the aerodyne, and power plants for aerodynes where a gas turbine drives the propeller of the aerodyne and can also drive a compressor to supply air to the combustion chamber or generator.
An object of the invention is to provide an improved fuel supply and power control system for power plants and power sources of the type specified.
Other subjects of the invention are aimed at:
The realization of a fuel supply and power control system where an upper limit is automatically imposed on the fuel flow following an acceleration curve to keep the temperature of the expanded gases within the determined safety limits and where a lower limit is set similarly following a deceleration curve to avoid a depletion which would prevent the propagation of. flame or cause the burner to go out.
A system achieving the specified purpose which ensures a determined continuous supply of liquid fuel to a burner in a suitable ratio with the compressed air therein and according to power demands or for all positions of a control lever power ;
A system of the type specified in which liquid fuel supplied to a burner is metered according to engine power demands without wastage, while providing sufficient fuel flow to maintain flame spread for the positions of a throttle lever. control corresponding to low power and idling speed.
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A fuel supply and power control system which is particularly suited to gas turbine type jet engines or power sources in which power control can be achieved by adjusting the liquid fuel supply without requiring the adjustment of the air / exhaust gas supply or / or other factors which could determine a temporary loss of power;
A fuel supply and power control system for jet engines or gas turbines intended for aerodynes, which maintains a determined fuel / air ratio in the burner for varying values of air density and therefore, for varying conditions of altitude and temperature;
A system of the type specified which is relatively simple in construction and operation.
A further object of the invention is to improve by other means the characteristics of the fuel supply of power sources using the energy of the expanded gases by the addition of fuel and the combustion in a burner or combustion chamber. combustion.
The foregoing objects and advantages and others still will become apparent from the following description and the accompanying drawings, on the basis of:
FIG. I is an axial longitudinal section of a power source or jet engine comprising the fuel supply and power control system, object of the present invention; Figure 2 is a sectional, and to some extent, a schematic of the fuel supply and power control system;
Figure 5 is an axial longitudinal section of one of the burners;
Figure 4 is a similar section of one of the fuel injectors;
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Figures 4a and 4b are an elevation and an end view of the valve of the injector of Figure 4, respectively;
FIG. 5 is a view similar to. FIG. 4 of a variant of this injector;
Figure 5a is a sectional view on a larger scale of the end part of the injector of Figure 5;
Figure 5b is a section taken along line 5b-5b of Figure 5a, and
FIG. 6 is a diagram of representative curves of the operation of the system.
The power source shown in Figure I is mounted in a suitable housing, such as the engine spindle of an aircraft indicated at N and comprises an outer casing 5 which opens out at its front end to define an air inlet 5a and the rear end of which is profiled so as to constitute a reaction nozzle 5b, this casing containing an air compressor 6 of the rotary type which compresses the air in a chamber 7 containing several burners 7a. arranged so as to direct the hot air and the products of combustion onto the blades 8a of a turbine rotor 8. The turbine motor and the air compressor are mounted on a common shaft 9 which pivots in the bearing 9a.
The air entering through the intake 5a enters the compressor which compresses it in a chamber 7, then in the combustion chambers 7a, in which it heats up due to the combustion of fuel. The expanded air then falls onto the turbine rotor blades to drive the compressor and is then delivered to the atmosphere through the reaction nozzle 5b to propel 1 (aerodyne.
Referring now to Figure 2, the fuel metering and power control system 10 comprises a suitable housing in which is mounted a fuel pump II which takes fuel from a source such as a tank, not shown, by means of a conduit
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12, and which delivers it into a non-metered fuel chamber D, via an orifice 13 controlled by a valve 14, the rod 14 'of which is connected to the central plates of the diaphragms 15 and 16.
A decompression valve 17 controls the orifice 18 of a bypass 18 'which ends in the inlet of duct 12.
This valve is mounted on a diaphragm 19 which closes a chamber 20 connected to chamber D by a conduit 21, the valve 17 being biased towards the closed position by a spring 22. The effective area of the diaphragm 19 is substantially the same as that of valve 17 and therefore the pressure drop across port 13 which is determined by the force of spring 22 always remains substantially constant. As the pressure drop across port 13 is kept substantially constant , the force applied to the rod 14 'owing to the difference in pressures on either side of the valve 14 can be balanced or substantially balanced, by excess or by default,
by mechanical means such as a spring 22 'at the rear of which is an adjusting screw 23. the unmetered fuel passes from the chamber D into a metering chamber 25 via an orifice 24 of section relatively large, then through a metering orifice 26 controlled by a needle 27 which is connected to a diaphragm 28 and biased towards the closed position by a spring 29 mounted in the chamber 30. If desired, a stop can be provided to prevent the complete closing of the orifice 26 by the valve 27, which could cause the sticking of said valve.
The pressure difference exerted on the diaphragm 28 varies in function of the density of the air, thanks to
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to a valve or drawer SI connected to a capsule 32 yes is sensitive to them variations in pressure and temperature and is mounted in a chamber 33 which can be in communication with the atmosphere through the vent 54, or if desired , with any other capacity where a reference pressure prevails,
such as the air inlet from the power source. The slide 31 controls the orifice 35 yes communicates the passage 36 coming from the chamber 25 with the duct 37 leading to the chamber 30. The chamber 30 communicates with the chamber C by means of a duct 38 in which is mounted a calibrated constriction 38 ′ of determined dimensions.
For barometric pressures and temperatures prevailing at ground level, the section of the orifice 35 with respect to the calibrated orifice 38 is such that the action of the latter is maximum; but when the density of the air decreases, the. capsule 32 expands, the section of the orifice 35 increases, and consequently, the effect of the calibrated orifice 58 is less. The repercussion of this action on the adjustment of the fuel flow as a function of the density of the The air will be explained more fully in the description of the operation of the system.
The liquid fuel which passes through the metering orifice 26 arrives in the duct 39 (which constitutes an extension of the duct 12) of the circuit leading to the injectors of the burners; it also fills the chamber C, then the chamber B, the latter being in communication with the pipe 39 by the pipe 4: 0 ,, which comprises a series of branches opening into the chamber 41 of a valve and in which are mounted the calibrated orifices 42, 45 and 44 of determined flow characteristics The orifices 45 and 46 and the duct or passage 47 communicate the chamber 41 with the duct
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39.
A valve in the form of a piston or spool 48 is mounted so as to be able to slide in the chamber 41 and has flanges 49 and 50 intended to close or uncover the orifices 43 and 44. The piston or tdroir 48 is actuated in a manner which will be described as follows e.
A conduit 51 joins the chamber C to the chamber 52 of a centrifugal pump, this chamber communicating with). chamber A via the calibrated orifice 53. The impeller 54 of the pump is mounted in the chamber 52 on a shaft 55 having a mechanical connection with the shaft 9 of the turbine and of the compressor shown in FIG. I .
Thus, the drive of the wheel 54 is a function of the speed of the turbine and of the compressor and determines the establishment, between the chamber c and the periphery 52 'of the chamber 52, of a pressure difference proportional to the square of this speed, that is to say to the square of the speed of the engine, the word "engine being used here to designate the motive source comprising the turbine and the compressor; and the fact that the installation is such that the pressures in the chambers A and D are equal or proportional, the pressure difference between the chambers D and c varies as the square of the motor speed.
A regulator 56 is fixed on the shaft 55 and driven by it, and comprises masses 56a which act on brackets 56b to control the position of a sleeve 57 slidably mounted on said shaft. A lever 58 is articulated at 59 on a pivot and ends, at one of its ends, with a ball 60 which engages in a housing provided in the end of. drawer 48 which comes out of the device; to his other
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end, the lever 58 has a fork which engages in the groove 61 defined by space collars of the sleeve 57.
A single power control lever 62 acts on one end of the sleeve 57 by means of the linkage 63 of the square 64 and of a spring 65 which bears at its inner end against said sleeve 57.
The metered fuel supplied by line 39 is introduced into the individual burner chambers (FIG. 3) by injectors 66 which are all of identical construction and examples of which are shown in detail in FIGS. 4 and 5. The injector shown in Figures 4,
4a and 4b comprises a body 67 forming a support which is suitably fixed to the burner and has a nose 68 in which the outlet orifice 69 is formed. A valve member 70 is slidably mounted in the body 67 and is biased. normally towards the position of application on its seat by a spring 71 whose tension can be adjusted by a retaining nut 72. the valve 70 has a conical end 73 which comes to rest against the orifice 69 and on which are formed helical grooves 73a; behind this end 73 is a ring 74 on which are also formed helical grooves 74a which cooperate with the grooves 73a, but have a greater flow capacity.
An intake chamber 75 is defined by the ring 74 and the outlet 76 located at the rear of this ring and the fuel is brought to this chamber through a passage 77 provided in a development of the body 67 and which receives a fitting threaded 78 auauel is fixed a conduit 79, the latter being connected to a toric nurse 80 nui is common
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to all the injectors (see figure I) and Which, in turn, receives fuel from line 39 through line 80a.
For low fuel pressures, valve 70 remains applied to its seat and fuel flow takes place through the ends of grooves 73a; like these grooves. are relatively fine, the fuel comes out at a higher speed in the form of a vortex jet. As the fuel pressure increases, the valve moves back, and flow occurs through the helical grooves 74a and orifice 69, the vortex action still being maintained, but the diffusing action through the tapered end of the variant injector. the flow capacity of the grooves 74a defines the discharge capacity of the injector unless a clearance exists between the ring 74 and the adjacent wall of the injector chamber.
The main advantages of this injector are that it allows to obtain a better atomization for all pressures, a variable angle of diffusion and the elimination of special injectors intended for low pressures as well as the corresponding connections.
The injector shown in Figures 5.5a and 5b consists of a body 81 comprising an atomization head 82 in which is mounted a rod 82 'surrounded by a spring.
83 Which urges the head towards the closed position, the open end or end part of said head engaging in the orifice or nozzle 84 of corresponding profile.
A cap 85 is screwed to the rear of the body 81 and, between this cap and a collar formed on the body of the injector, there is a connecting piece 86 threaded at 87 and in the wedge fits one of the feed tubes 79.
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The fuel arrives in the chamber 88 through the orifices 89 and for low pressures passes through channels 90 formed in the atomization head, see FIG. 5b, tangentially to, a central cavity 91 in the socket is a member 92 where is provided a small low pressure relief orifice 93. The action of the spring 83 on the rod 82 'is regulated by a nut 94 and the lock nut 95. The tangential arrangement of the channels 90 communicates to the jet exiting through the orifice at low pressure at an angle determined by the relative sections of passages 90 and 93 a vortex movement.
The tension of the spring 83 can be set naked for a determined low pressure the head 82 remains applied to its seat and the fuel discharge occurs through the channels 90 and the low pressure port 93; but when the pressure increases, the discharge takes place mainly through the high pressure orifice 84 with an additional discharge through the orifice 93, the high pressure jet producing a mist contained within a cone whose apex angle is determined by the angle of the. conical head 82.
Thus, at low fuel pressures, when the air pressure is also at its minimum value, the flow velocity of the edible is increased by passing through the channels 90 and the nozzle 93, while at higher pressures, the action. of the cone-shaped discharge orifice is predominant, producing a well-distributed jet in all directions.
Since the atomizing heads are adjustable, precise synchronization of a whole set of burner jets can be achieved.
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In order to help understand the mode of operation, the following will be explained:
When a centrifugal compressor is connected to a gas turbine driven by the energy resulting from the expansion of the gases produced in a combustion chamber, or burner, in which the air is compressed and this compress is driven in synchronism '-with said turbine, there are some fundamental relationships. Thus for a given density of the incoming air, the weight of the air flowing varies approximately as the number of revolutions / minute, the compression pressure varies approximately as the square of the number of revolutions / minute, and the power Reauise for compression and air flow varies approximately as the cube of the number of revolutions per minute.
When the power is controlled by adjusting the fuel flow rate, the value of the fuel varies approximately as the cube of the number of revolutions / minute; in other words, for a determined fuel flow rate, the speed of the turbine increases, or decreases until the speed corresponding to the chosen flow rate is obtained. Substantially similar considerations arise when a gas turbine drives an aerodyne propeller and the burner of the turbine receives incoming air through a front orifice.
Power control by fuel adjustment is relatively straightforward, but certain limitations must nevertheless be observed. Thus, the speed of the rotary system constituted by the turbine and the compressor must not exceed a value for which exaggerated centrifugal forces and damage would result. The combustible mixture must be maintained at a richness for which the temperature resulting from the flame does not damage the turbine blades.
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bine and the parts which are in the path of the hot expanded gases. Conversely, the richness must not be reduced to such an extent that there cannot be propagation of the flame and consequently non-operation of the. burner.
The mode of operation of the fuel supply and power control system described herein will now be discussed. the motor or power source may be started in any suitable manner, for example by means of an electric motor having a suitable kinematic connection with the main shaft to activate the burner and bring the turbine to a speed or it can gain access without outside help.
The metering system is usually full of fuel, but assuming it is empty, the pressure difference across diaphragms 15 and 16 is zero and when fuel pump II starts up, the chambers D, C and A are filled successively in the order indicated; the fuel also passes through line 39 and feeder 80, arrives at the respective injectors 66, then into the burner. For idle powers, the pressure difference exerted on diaphragm 15 is minimum and the discharge pressure is therefore such that just enough fuel is delivered to maintain flame propagation in the burner.
The initial fuel charge can be ignited by an ignition circuit, a pilot flame or any other suitable method.
The centrifugal pump 54 operates at a speed determined with respect to that of the turbine and the compressor, and as a result it produces a pressure difference between the chamber C and the peripheral chamber 52 'which is substantially
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proportional to the square of; the speed of the turbine or engine; and if the pressure in chamber A is equal to that prevailing at 52 ', the difference in pressures between chambers A and C, which is applied to diaphragm 16, acts on valve 14 such that the difference in pressures between chambers and C is substantially proportional to the square of the motor speed.
Diaphragms 15 and 16 are preferably of equal effective area, so the pressure in chamber C will be balanced by the pressures in chambers D and A, and any variation in pressure in chamber A will cause the pressure difference to vary. which is exerted on these diaphragms and thus will increase or decrease the pressure drop across the orifice of the valve 14. If the pressure in the chamber A increases, the valve 14 moves in the direction of the opening , which increases the fuel flow, and as this pressure decreases, the valve moves in the direction of closing, which reduces the fuel flow.
The pressure difference between chambers D and C is applied to metering port 26 and since this difference is proportional to the square of the motor speed, the flow velocity through this port is proportional to the square root of this difference, that is to say at the speed.
The section of the metering orifice 26 can be varied, thanks to the needle 27, the position of which is determined by the difference in the pressures exerted on the diaphragm 28; as this difference is proportional to that which exists generates the chambers 7) and C, that is to say to that which
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acts on the diaphragm 15, the position of the needle and consequently the cross section of the orifice and the fuel flow rate are functions of the engine speed. By appropriately profiling the needle 27, the flow rate at. through the orifice 26 can be made proportional to the cube of the speed of the engine or the turbine, and in fact the needle can be profiled so as to obtain any other type of flow rate curve as a function of the speed.
Preferably. its profile is such that a curve is obtained for which the flow rate is proportional to the cube of the engine speed.
To speed up the engine. or in other words, to increase the speed of the turbine, and consequently the propulsive power of the reaction nozzle of the aerodyne, the control lever is moved in the direction corresponding to the compression of the spring 65 and to the upward displacement of the sleeve 57 looking at Figure 2, which has the effect of a downward displacement of the sheet metal 48 and the closing or reduction of the section of the orifice 43. This results in an increase in pressure in chamber A and consequently in D, which increases the load height and the flow rate of fuel admitted to the burner.
When the speed of the. turbine reaches a value sufficient for the force exerted by the masses 56a to balance the action of the spring 65 for the new adjustment position, the spool 48 moves upwards and uncovers the orifice 43. Any tendency of the turbine to deviate from a given speed corresponding to. a determined adjustment position of the spring 65 and, consequently, of the power control lever, results in an immediate correction via the spool 48.
To slow down, the power control lever is moved in the direction in which the compression of the spring 65 is reduced, the sleeve 57 therefore moves downwards, the
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drawer 48 upwards, which reveals the orifice 44; the pressure in chamber A is therefore reduced, which reduces the control pressure difference, and the fuel flow rate is too low to provide the power required to run the engine under the conditions of the previous adjustment;
the speed is therefore reduced until the action of the masses of the regulator balances the new adjustment of the spring and the spool 48 moves downwards, closing off the orifice 44. Note that while any modification of the total area of orifices 42, 43 and 44 reduces the value of the pressure drop across the orifice of valve 14, the pressure difference between chambers A and C remains a function of the square of the speed of pump 54 and consequently of the speed of the turbine or of the engine. By choosing sections determined for the orifices 42, 43, 44 and 53, it is possible to obtain determined fuel flow curves, and suitably established with respect to the air flow,
for accelerations and decelerations in order to define an upper limit of the flame temperature and the speed
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and a lower depletion limit, independent of the speed with which the power control lever is operated.
FIG. 6 schematically shows the characteristics of the air and fuel flow rates of a jet engine equipped with a fuel supply and power control system according to the present invention. The upper curve E represents the weight of air / discharge by the compressor at a certain altitude (for example for barometric pressure and temperature at sea level) for a range of speeds between 0 and 10,000 t / m We can con-
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Note that this curve is fixed, the air which is pumped at a given altitude being well determined for this engine speed.The curve F represents the hourly weight of fuel
Which is needed to run the engine at different speeds.
This curve is also a characteristic of the engine, and the choice of a given fuel flow rate causes the engine to accelerate or slow down until the speed corresponding to this flow is reached, the air flow rate. allowed in the engine being determined correspondingly. For all normal operation at constant speed the air consumption is much greater than that required to produce combustion of the fuel supplied and the temperature of the flue gases follows the rate of the fuel feed.
Curve G represents the metering characteristic of the control system of FIG. 2, as a function of the speed of the motor, when the spool 48 is in a sufficiently low position to close the orifices 43 and 44. This curve can be designated by the expression "acceleration curve" since it achieves, for the whole range of speeds, a fuel flow characteristic slightly higher than that which corresponds to the flow ensuring the operation of the engine speed. engine and consequently determines an acceleration thereof. Under these operating conditions, the flow of fuel admitted to the burner is constrained by the regulator to follow curve G.
This prevents the mixture from becoming too rich at any speed, a condition which would greatly increase the temperature of the gases passing through the turbine blades due to insufficient air flow during the acceleration period which would increase the temperature of the gases passing through the turbine blades. follows the sudden increase in fuel flow.
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Curve H represents the characteristics of the control system of Figure I as a function of motor speed when spool 48 is high enough to open ports 43 and 44. This curve, for convenience, may be referred to as by the expression "deceleration curve" since it achieves, for the whole range of speeds, a fuel flow characteristic slightly below that corresponding to the operation at engine speed and consequently determines the slowing down of the engine . Under these operating conditions, the fuel flow admitted to the burner is required by the regulator to follow curve H.
This prevents the mixture from becoming too lean to maintain flame propagation during deceleration, as occurs during turbine deceleration following the sudden reduction in fuel flow.
During steady-state operation, the regulator 56 brings the spool 44 to an intermediate position between that for which the orifices 43 and 44 are closed and that for which these orifices are open and thus determines the fuel flow rate to carry out this operation.
In order to better illustrate the advantages which result from a controlled acceleration and deceleration, a comparison will be made with a system in which the fuel supply is regulated only by a needle or a throttle actuated by the engine. 'operator. With such a type of control, if the engine is operating at a constant speed of 4000 rpm, the fuel flow corresponds to point r and that of air to point s.
If we now move the needle to obtain a fuel flow corresponding to operation at 9000 rpm, the fuel flow immediately increases to take the value represented by the point t and remains constant
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as long as the motor accelerates,, until, the operation is represented by the figurative point u. as the engine speed increases, the air flow describes the curve E of.!:!. to v.
During this period, the excess air mixed with the combustion products in the combustion chamber is very low, so that the temperature of the gases which reach the blades of the turbine 8 is greater than the maximum safety limit and that these blades corrode.
On the other hand, if the engine operates under the conditions represented by the point u and the fuel needle is closed in order to slow down and come to r, the fuel flow decreases almost instantaneously to come to w but the large air flow is maintained until inertia and friction allow the engine to slow down. Thus, the mixture is extremely lean and it is presumed that the burner flame will go out.
With the type of fuel supply and power control system described here, the fuel supply is adjusted according to speed and as the weight of air varies with speed, this supply is never greater or less than the value corresponding to speed operation than by a determined quantity, so that the fuel / air mixture can neither become excessively rich nor excessively lean. Thus, if during operation at 4000 rpm the lever 62 is moved to the right to come into the position corresponding to 9000 rpm., The spring 65 is compressed which causes the lever 58 to turn in the reverse direction. clockwise and moves the drawer 48 down to close the ports 45 and 44.
The figurative point r of the fuel flow moves upwards to
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come on curve G then, when the engine accelerates, along curve G. As the engine approaches the speed of 9000 rpm, the action of the masses 56a of the governor begins to exceed the action of the spring 65. The spool 48 gradually moves upward, uncovering a sufficient fraction of ports 43 and 44 to reduce the flow rate of curve G to point u when the speed of 9000 rpm is reached.
If the lever 62 is then returned to the position corresponding to 4000 rpm, the reduced action of. spring 65 allows the regulator masses to move outward by moving spool 48 upward to uncover ports 43 and 44. This reduces fuel flow from point u to a point just below him on curve H after which the figurative point of fuel flow moves on curve H as the engine slows down.
When approaching the speed of 4000 rpm, the masses 56a are lowered, moving the slide 48 downwards and blocking a sufficient fraction of the orifices 44 and 43 for the fuel flow rate shown at point r to be reached. when the speed of 4000 rpm is reached. Obviously, one can use a single port instead of ports 43 and 44.
From the above, it follows that the control device according to the invention makes it possible to obtain for the acceleration. ration and for slowing down the fuel flow rate curves as a function of speed, which frame the characteristic curve specific to the power source and fixing the fuel flow rate as a function of speed to ensure operation at speed, this control comprising a device governed by speed and / or a hand control to set either the acceleration or deceleration curve,
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or again any intermediate fuel flow condition, in order to achieve acceleration or deceleration as well as steady operation.
As in the device which is the subject of the invention, the pressure difference on either side of the orifice 26 is defined and controls the section of the orifice as a function of the speed, any desired characteristic of the fuel flow as a function of speed can be obtained for the acceleration and deceleration curves. They can, for example, be such that the flow varies like the square, the cube or any other power of the speed or else follow an irregular function. Thus the optimum fuel / air ratio conditions for obtaining the best acceleration and the best deceleration can be chosen for any power source having, during operation at speed, a determined fuel flow / speed characteristic.
One rema, rauera That the regulator should not operate within a relatively small speed margin, which makes it more sensitive and precise to play its role Than in the case where a regulator is required to operate within a wide speed margin .
If the assembly is used on an engine or power source in water the density of the air varies, the fuel flow also becomes a function of the weight of the air.
In the position of the capsule shown in Figure 2, it is assumed that the density is that which exists at sea level, the orifice 35 being reduced so that the orifice 38 'has the major role. However, when the air density decreases and the capsule lengthens, the orifice 35 widens and the role of the orifice 38 decreases, so that the pressure in
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the chamber 30 increases and the pressure difference exerted on the diaphragm 28 decreases which reduces the cross section of the orifice 26 and impoverishes the mixture. By suitably choosing the section of the orifice 38 'and the profile of the spool S1, any desired relationship can be obtained between the fuel flow rate and the variation in air density.
One of the burners or combustion chambers 7a which constitutes a part of the generator 7 is shown in section in FIG. S. It comprises an outer cylindrical wall indicated at 7a in FIG. I and in which are formed several inlet orifices d. air 100 Inside this outer wall is a shorter cylinder 101 having a conical wall 102 in which calibrated air inlet orifices 103 are formed; and inside cylinder 101 is an even shorter third cylinder 104 having an end wall 105 in which are also provided air inlet ports 106.
The end of the combustion chamber which receives the impact of the air comprises a wall 107 in which calibrated air inlet openings 108 are formed,
109 and 110 arranged according to circumferences, and the cross-section of which is all the smaller as one gets closer to the center of this wall 107, said orifices opening into pressure equalization chambers 108 ', 109 'and 110' defined by the cylinders 101, 104, the main cylinder 7a, the end walls 103, 105 and a central wall III in which are formed calibrated air inlet orifices II2.
An igniter 113 which may be of the electric spark type supplied with current from a suitable source, not shown, protrudes into the burner cylinder near the end of the injector.
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A combustion chamber thus constructed cooperates with the fuel metering and power control device to locally ensure that an appropriate fuel / air ratio is obtained and the flame propagates for the entire range of acceleration. and decelerations, and to allow low fuel supplies for low air flows and low powers without the risk of malfunction of the burner. For example, it may be desired to send into the burners 550 g of fuel per hour for minimum air flow rates and low power conditions at 12000 g / hour for air flow rates. maximum and full power.
A jet of 550 gr per hour produces a fragile flame, which can be quickly extinguished by the sudden injection of air above a certain speed, or by an excessive supply of air in the region of the air. Likewise, with a certain power being achieved, if the pilot control lever is suddenly moved in the direction corresponding to an increase in power, the air speed may be such] locally or in the region of the injector from the burner, to it blows the flame although the main fuel metering and control system maintains an overall fuel / air ratio determined along the acceleration curve; a combustion chamber of the type described here prevents this possibility.
By properly calibrating the air inlet orifices, the velocity of the air entering the combustion chamber can be regulated, / so as to ensure proper and efficient flame propagation for all velocities. air flow or power condition. Thus, the velocity within the central zone, in the region immediately surrounding the injector can be kept within a range of 2.75 to 9 m. very per second.
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In the intermediate zone, this speed can be maintained within a margin ranging from 2.75 to 9 meters per second. In the intermediate zone, this speed can be maintained within a range of 5.5 to 18 m / sec. and in the outer zone from 8.25 to 27 m / sec. The total air intake capacity of all the orifices which determine the respective zones must give the quantity of air necessary to ensure under full power conditions. the complete combustion of, for example, 12,000 gr. of fuel per hour. Air orifices 100 correspond to excess air velocities of II to 36 m / sec. for engine speeds between 3,000 and 10,000 rpm.
By excess air we mean air in excess of the quantity necessary to produce complete combustion.
It is also important that the injector ensures an appropriate distribution of the atomized fuel jet in the various speed zones. That which is represented in FIGS. 5.5a, 5b provides a jet comprising a central section at low pressure and the angle of divergence of which increases as the flow rate increases and thus cuts the successive air layers of stepped speeds, which increases the efficiency of the combustion chamber.
In order to diffuse the air more effectively as it passes through the burner chamber, a diffusing substance such as steel wool or the like may be provided in the chambers 110 ', 109' and 108 '.
It is obvious that the number of zones can be increased or decreased to adapt to the conditions of use and similarly, one can give the orifices of diffusion of the contours and various angles of diffusion to dose and direct the air of a manner leading to efficient propagation of the blanks
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It will be noted that it has not been proposed here to define all the metering characteristics of which a fuel supply and control device is capable, and it is also evident that the drawings are given only as a guide. indication, modifications to the layout and construction of the elements being necessary in practice to adapt the device to the various installations.