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BREVET D'INVENTION " Perfectionnements aux systèmes d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance de turbines à gaz, moteurs à réaction, etc. "
La présente invention est relative à un dispositif d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance pour turbines à gaz, moteurs à réaction, et autres sources de puissance qui utilisent l'effort ou l'énergie produits par la combustion d'un mélange d'air comprimé et de carburant et la détente des gaz de combustion ;
elles'applique particulièrement aux sources de puissance à réaction pour aérodynes où l'air est comprimé dans une chambre constituant un élément d'un générateur dans laquelle il est échauffé par la combustion du combustible, puis où l'air et les produits de la combustion passent à travers une turbine qui entraîne un compresseur, et enfin dans une tuyère à réaction pour propulser l'aérodyne, et aux sources de puissance pour aérodynes dans lesquelles une turbine à gaz entraîne l'hélice de ceux-ci et peut en outre entraîner un compresseur qui alimente en air la chambre à combustion
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ou générateur, et dans lesquelles les gaz d'échappement de la turbine peuvent être envoyés dans une tuyère à réaction pour obtenir un effet de propulsion qui vient s'ajouter à celui de l'hélice.
Quand un compresseur centrifuge ou à écoulement axial est relié à une turbine à gaz entraînée par l'énergie des gaz dilatés produits dans une chambre à combustion ou un brûleur dans lequel l'air est comprimé, et tourne en synchronisme avec cette turbine, le poids de l'air débité,pour une densité donnée de l'air entrant, varie approximativement comme le nombre de t/m, la pression de compression comme le carré du nombre de t/m et la puissance requise pour une compression..et un débit donnés varie proportionnellement au cube du nombre de t/m.
Quand la puissance est contrôlée par le réglage de l'alimentation en combustible, le taux d'alimentation requis varie sensiblement comme le cube du nombre de t/m et, par conséquent, si l'on se donne le débit de combustible, la vitesse de la turbine croît ou décroît jusqu'à ce qu'une vitesse correspondant à l'alimentation en combustible choisie soit obtenue.
On peut réaliser un dispositif de contrôle de puissance de turbines à gaz et de moteurs à. réaction extrêmement simple en reliant une manette ou levier de contrôle de puissance à un pointeau ou clapet de dosage qui fait varier la section d'un orifice de dosage ou d'un organe d'étranglement auquel le combustible est fourni sous pression par exemple par l'intermédiaire d'une pompe à combustible entraînée par le moteur. Avec un tel agencement, le pilote déplace le levier ou la manette de contrôle en avant ou en arrière pour obtenir une vitesse choisie et la vitesse du moteur croit ou décroît pour prendre la valeur correspondant au taux d'alimentation en combustible fixé par la position
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du levier ou de la manette.
Un autre agencement relativement simple peut être obtenu en reliant un régulateur entraîné par le moteur au pointeau de dosage de telle manière que le régulateur réalise l'équilibre pour le taux d'alimentation en combustible choisi ou pour la valeur de l'accélération ou du ralentissement déterminé par la position du levier dé contrôle manoeuvré par le pilote. Bien que ces systèmes aient le mérite de la simplicité, ils présentent le danger de pouvoir produire une flamme tellement chaude au cours des accélérations que les tubes des brûleurs risquent d'être détruits et les aubages de'la turbine d'être endommagés par la'chaleur, tandis que durant les ralentissements le rapport combustible/air peut être tellement réduit que le brûleur s'éteint.
Lorsque la section de l'orifice de dosage croit brusquement pour obtenir la vitesse voulue, le moteur ne suit pas immédiatement et le combustible fourni au brûleur est en excès par rapport à la quantité correspondant au volume dair amené au brûleur en fonction de la vi- tesse du moteur ; conséquence il se produit une flamme extrêmement chaude qui non seulement tend à endommager et à réduire la durée du moteur ou source de puissance maiscon- duit également à un gaspillage de combustible.
D'autre part si la section de l'orifice de dosage est brusquement réduite et qu'il en'' soit de même par conséquent du débit de combustible, le'moteur sous l'action de la force vive maintient momentanément sa vitesse, et le rapport combustible/air devient si pauvre que la propagation de la flamme ne peut se produire et que le brûleur s'éteint.
Il est également nécessaire de réaliser des moyens pour compenser les variations de la densité de l'air entrant, indépendamment du type de système de contrôle de puissance, adopté, puisqu'une quantité de combustible moindre est re-
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quise pour entraîner une turbine et un compresseur à une vitesse donnée lorsque la densité décroît, et que si le même taux d'alimentation en combustible est maintenu le rapport du combustible à l'air est encore plus fortement affecté ce qui aggrave la tendance à la surchauffe du système des brûleurs.
Un objet de la présente invention est de réaliser un système d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance pour source motrice du type spécifié dans lequel le taux d'alimentation en combustible peut être contrôlé uniquement par un levier relié directement à un pointeau ou soupape de dosage qui fait varier la section d'un orifice de dosage, sans danger de surchauffe du brûleur durant l'accéléra tion ou d'extinction durant le ralentissement.
Un autre objet de l'invention est de réaliser un méca- nisme d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance extrêmement simple, pour sources motrices du type spécifié, où le taux d'alimentation en combustible est maintenu sensiblement proportionnel à la vitesse du moteur pour toutes les positions du levier de contrôle de puissance.
Un autre objet de l'invention est de perfectionner et de simplifier les systèmes d'alimentation en combustible pour sources motrices du type spécifié.
Les objets et avantages précédents ainsi que d'autres encore apparaîtront à la lecture de la description suivante et en se référant aux dessins annexés sur lesquels:
La figure 1 est une coupe longitudinale, par l'axe, d'un moteur à réaction comportant un système d'alimentation en combustible et de contrôle de puissance suivant la présente invention;
La figure 2 est une vue de détail schématique, en coupe, du système de dosage de combustible et de contrôle de puissance;
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La figure 3 est un graphique montrant comment le système fonctionne;
et
La figure 4 est un graphique à comparer avec celui de la figure 3 afin de saisir la différence de fonctionnement entre le système décrit ici et les systèmes connus dans lesquels la puissance est contrôlée lo) par une liaison directe à la main avec une soupape de contrôle du débit de combustible sans correction barométrique et 20) par le réajustement d'un régulateur relié à la soupape de contrôle du combustible, également sans correction barométrique.
Sur la figure 1 est représenté un fuseau-moteur d'aérodyne, indiqué en 10, qui supporte au moyen d'un anneau 11 et des consoles 12, un moteur à réaction indiqué dans son ensemble en 13 et comportant un carter extérieur 14 profilé à son extrémité antérieure pour définir une entrée, d'air 15 et à son extrémité arrière pour définir une tuyère à réaction 16. Un compresseur d'air rotatif 17 refoule l'air dans une capacité torique 18 d'où il passe dans une série de générateurs cylindriques ou chambres de brûleurs 19 répartis circulairement autour de l'axe du moteur et contenant des brûleurs 20 dont les parois externes comportent des orifices d'admission d'air 20'.
Les brûleurs,20 s'ouvrent dans uné bague collectrice 21 qui délivre l'air chaud et les produits de la combustion à travers un jeu d'aubages directeurs fixes 22, sur les aubages 23' d'un rotor de turbine 23. La turbine 23 et le compresseur d'air 17 sont montés sur un axe commun 24 qui tourillonne dans un palier 24'. L'air qui pénètre dans l'entrée 15 est aspiré par le compresseur qui le dirige dans la capacité 18 et les générateurs 19 puis dans les brûleurs 20 par les orifices 20' où il reçoit de la chaleur supplémentaire du fait de la combustion du combustible.
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L'air et les produits de la combustion sont dirigés sur les aubages 23' de la turbine 23 pour entraîner le compresseur et s'échappent ensuite dans l'atmosphère par l'intermédiaire de la tuyère de réaction 16 pour assurer la propulsion de l'aérodyne. Si on le désire, la propulsion de 1'aérodyne peut également être assurée par une hélice entraînée par un prolongement antérieur de l'arbre 24, de préférence par l'intermédiaire d'une transmission réductrice appropriée.
Le dispositif de dosage du combustible et de contrôle de puissance est indiqué en 25 sur la figure 2 et contrôle l'alimentation en combustible des brûleurs 20; il comprend un carter 25' dans lequel est ménagé un conduit 26 d'admission de combustible. Une pompe 27 entraînée par le moteur est montée dans ce conduitet aspire le combustible à partir d'une source d'alimentation appropriée telle qu'un réservoir non représenté pour le débiter sous pression dans la chambre 28. Une soupape tarée 29 contrôle l'orifice 30 et le conduit 30' d'un by-pass qui aboutit à l'entrée de la pompe, cette soupape étant montée sur un diaphragme 31 qui ferme la chambre 32 et étant appliquée sur son siège par un ressort 33.
La chambre 32 est en communication avec la sortie du système de dosage ou avec la pression de combustible dosé ou pression de débit de l'injecteur par un conduit 34. La surface utile du diaphragme 31 est de préférence sensiblement la même que celle de la soupape 29, et, par conséquent, la pression d'alimentation dans la chambre 28 est maintenue à une valeur qui dépasse la pression du combustible dosé d'une quantité constante représentée par la force du ressort 33.
Le combustible passe de la chambre 28 dans une chambre D de combustible non dosé par l'orifice 35, puis dans un
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conduit 36, àtravers l'orifice de dosage 37, pour arriver dans le conduit 38 qui en.fait prolonge le conduit 26;1'0- rifice 35 est contrôlé par une soupape 39 dont la tige 39' est reliée aux diaphragmes 40 et 41 qui constituent les parois. mobiles de la chambre de combustible dosé C, de la chambre de contrôle différentiel A, et de la chambre de combustible non dosé D. La section de l'orifice de dosage 37 est réglée par un pointeau 42 commandé d'une façon,qui sera décrite ultérieurement.
Un conduit 43 réunit la chambre C à une chambre 44 qui communique avec la chambre A par le conduit 45, l'orifice 46 de section variable et un conduit 47. Une pompe centrifuge 48 est montée dans la chambre 44 sur un arbre 49 qui est relié à l'arbre 21 du compresseur et de la turbine par une 'transmission appropriée comme représenté sur la figure 1. Ainsi la pompe 48 est entraînée en fonction directe de la vitesse de la turbine et du compresseur et, pour une section donnée de l'orifice 46, produit une différence de pression entre les chambres C et A qui est proportionnelle au carré de cette vitesse, c'est-à-dire au carré de la vitesse du moteur, le mot " moteur " désignant la source de puissance comportant la turbine et le compresseur.
Un conduit 50 dans lequel est monté un étranglement ou orifice calibré 51 fait communiquer la chambre A avec le conduit de combustible dosé ou conduit de décharge 38.
Les diaphragmes 40 et 41 peuvent être de même surface et'un ressort 52, s'appuyant contre une vis de réglage 53, porte sur l'extrémité arrière de la tige 59 de la soupape et sert à régler la pression différentielle effective appliquée sur le diaphragme 40, et par suite sur l'orifice de
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dosage 37, entre certaines limites par rapport à la pression différentielle s'exerçant sur le diaphragme 41. Ce ressort représente une constante qui peut varier suivant les conditions de ralenti ou de basses vitesses des différents types de moteurs ou turbines à gaz; il peut servir à modifier la pression différentielle effective produite par la pompe ou rotor 48.
La pression différentielle de dosage peut être corrigée en fonction des variations d'altitude ou de la densité d'air au moyen d'une capsule 54 sensible aux variations de pression et de température et placée en un point ou elle est exposée à la pression de l'air admis dans le moteur ou à la pression atmosphérique. Elle est de préférence placée en un point où elle est soumise à l'effet dynamique résultant du mouvement d'avancement de l'aérodyne pendant le vol.
Un pointeau 55 est relié à l'extrémité mobile de la capsule 54 et pénètre dans l'orifice 46 pour faire varier la section utile de ce dernier et par suite la pression différentielle effective appliquée au diaphragme 41 et la pression différentielle appliquée au diaphragme 40 et sur l'orifice de dosage 37.
Un régulateur centrifuge 56 comportant des masselot- tes 56' est fixé sur l'arbre 49 et tourne avec lui; ce régulateur contrôle la position d'un manchon 57 qui glisse sur la partie de diamètre réduit du dit arbre. Un levier 58 pivote en 59 et une de ses extrémités est en forme de fourchette 60 qui s'engage dans une gorge prévue à l'extrêmité extérieure du pointeau 42 tandis que son autre extrémité se termine par une autre fourchette 61 qui s'engage dans une gorge analogue prévue dans une surépaisseur du manchon 57.
Un levier de contrôle de puissance unique 62 est relié
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par la tringlerie 63 et l'équerre 64 à l'extrémité libre du ressort 65 qui à son autre extrémité porte contre l'extrémité adjacente du manchon 57. Lespositions,extrêmes du levier 62, et par conséquent du pointeau 42, peuvent'être définies par un secteur 62' et il en est de même des positions intermédiaires de ce levier et de ce pointeau.
Le combustible dosé passe du conduit 38 dans la nourrice 69 par l'intermédiaire de la canalisation 68 puis est amené dans les brûleurs individuels par la canalisation 70 ( figure 1 ) et les injecteurs 71:
Le mode de fonctionnement est le suivant : le moteur ou la source motrice peuvent être démarrés d'une façon appropriée quelconque par exemple au moyen d'un moteur électrique de démarrage ayant une liaison d'entraînement avec l'arbre principal afin d'allumer le brûleur et d'amener la turbine à une vitesse où elle puisse accélérer par son propre fonctionnement. Le système de dosage est habituellement rempli de combustible mais s'il est vide, la pression différentielle appliquée aux diaphragmes 40 et 41 est nulle et la soupape 39 se trouve ouverte sous l'action du ressort 52.
Quand la pompe à combustible 27 se met à tourner les chambres D, C, A se remplissent successivement et le combustible passe également par les conduits 38 et 68 dans la nourrice 69, puis, par la canalisation 70, dans les in- jedteurs 71. Pour la vitesse de ralenti la pression différentielle s'exerçant sur les diaphragmes 40 et 41 a une faible valeur et le pointeau 42 est suffisamment.ouvert pour que le combustible puisse assurer la propagation de la flamme dans les brûleurs 19.
La pompe centrifuge 48 tourne à une vitesse déterminée par rapport à la vitesse de la turbine et du compresseur; et pour des sections données de l'orifice de dosage
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37 et de l'orifice 46 contrôlé en fonction de l'altitude ou de la densité, elle produit une pression différentielle entre les chambres C et A qui est proportionnelle au carré de la vitesse du moteur et qui tend à ouvrir la soupape 39.
Du fait de l'ouverture de la soupape 39, la pression dans la chambre D augmente jusqu'à ce que la pression différentielle s'exerçant sur le diaphragme 40 équilibre l'effort appliqué au diaphragme 41. Si l'on suppose que les diaphragmes 40 et 41 ont la même surface effective, la pression dans la, chambre C s'élimine et toute variation dans la chambre A fait varier la pression différentielle sur le diaphragme 41 et augmente ou réduit de façon correspondante la pression dans la chambre D.
La pression différentielle entre les chambres D et C est appliquée à l'orifice de dosage 37 et comme cette pres- sion différentielle est sensiblement proportionnelle au carré de la vitesse du moteur, pour une position donnée quelconque du pointeau 42 la vitesse d'écoulement du combustible à travers cet orifice et par conséquent le poids de combustible débité, est proportionnelle à la racine carrée de cette différence de pression, c'est à dire à. la vitesse.
La pression différentielle appliquée à l'orifice de dosage 37 exerce sur le diaphragme 40 une force qui tend à fermer la soupa.pe 39 tandis que la pompe centrifuge 48 applique au diaphragme 40 une force qui tend à ouvrir la dite soupape; et pour une position donnée quelconque du pointeau 42 ces forces opposées s'équilibrent, en sorte que l'alimentation en combustible est proportionnelle à la vitesse du moteur.
Si le pointeau 42 est écarté de l'orifice 37, la pression différentielle appliquée au diaphragme 40 tend à diminuer; la soupape 39 se déplace vers la position d'ouverture pour rétablir la pression différentielle et le débit de combustible au brûleur augmente ce qui fait que la vitesse
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du moteur ou de la turbine croît, augmentant encore la pression différentielle de dosage et le débit de combustible.
Ceci continue jusqu'à ce qu'une vitesse d'équilibre soit obtenue ce qui apparaîtra clairement ci-après lors de la' des- cription de la figure 3. Le déplacement du pointeau 42 dans le sens de la réduction de la section de l'orifice 37, accroît momentanément la pression différentielle s'exerçant sur le dit diaphragme; la soupape 39 se déplace vers la position de fermeture pour réduire l'écoulement du combustible, et la vitesse de la turbine ou du moteur est réduite jusqu'à ce qu'une position d'équilibre soit atteinte.
Pour accélérer le moteur, on déplace le levier de contrôle de puissance 62 dans un sens correspondant à la compression du ressort 65 et au déplacement du manchon 57 vers le haut sur l'arbre 49 ; le pointeau 42 augmente ainsi la section de l'orifice de dosage 37, un nouveau réglage du régulateur est réalisé et la,nouvelle valeur de l'écartement des masselottes 56' de celui-ci est momentanément réduite. Le débit du combustible au brûleur est ainsi accru et le moteur accélère jusqu'à ce que le régulateur atteigne une condition.d'équilibre compatible avec sa nouvelle position de réglage ; mais durant cette période d'accélération, la pression différentielle de dosage et par conséquent le taux d'alimentation en combustible augmente sensiblement en fonction de la vitesse du moteur et il en est de même de la quantité d'air admis au brûleur.
Le graphique de la figure 3 représente les caractéristiques d'accélération et de décélération du dispositif représenté sur .la- figure 2. Sur 'cette figure la courbe a représente le débit de combustible nécessaire pour une vitesse de régime, c'est à dire le taux d'alimentation en combustible nécessaire pour maintenir le moteur à une vitesse maximum ou à une vitesse déterminée pour une densité
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d'air donnée. La courbe en tirets b représente le débit maximum de la pompe à combustible.
Les courbes en traits mixtes représentent les caractéristiques de débit de combustible en fonction de la vitesse du dispositif de la figure 2, pour différents réglages du pointeau 42, la valeur approximative du rapport air/combustible qui en résulte ayant été indiquée,par exemple pour la densité au niveau du sol, et les températures approximatives produites pour le rapport combustible/air considéré ayant également été portées sur les courbes.
Si l'on suppose que le moteur tourne à la vitesse c et que le pilote dégage le pointeau 42 jusqu'en un point correspondant à la vitesse d; l'ali- mentation en combustible pendant cette période d'accélération suit les flèches e de c à d .L'accroissement initial de débit représenté par les flèches verticales résulte de l'accroissement de la section effective de l'orifice de dosage 37 pour la vitesse existant alors. Lorsque la vitesse augmente, le débit de combustible croît en fonction linéaire de la vitesse jusqu'à ce que le fonctionnement de régime soit atteint en d. Durant cette période d'accélération le débit de combustible n'atteint pas une valeur suffisante pour produire des températures préjudiciables.
Si maintenant le pilote ramène le levier de contrôle de puissance à sa position initiale, le débit de combustible suit les flèches f de d à c. Durant ce ralentissement le débit de combustible est maintenu suffisamment élevé pour empêcher les défaillances du brûleur.
Si la densité de l'air admis dans le moteur décroît, il faut moins de combustible pour entraîner la turbine et le compresseur à une vitesse donnée et,, à moins qu'une correction ne soit faite, le rapport air/combustible au cours de l'accélération sera encore plus faible et des températures plus élevées seront obtenues aux grandes altitu-
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des que pour les conditions normales au niveau de la mer.
Sur la figure'2 les corrections correspondant aux variations de la densité de l'air sont obtenues en faisant varier la section de l'orifice 46, une réduction de la densité déterminant l'allongement de la capsule 54 et la réduction de la section de cet orifice et par suite la réduction de la pression dans la chambre A pour une vitesse donnée du moteur et une section donnée de l'orifice de dosage 37; la soupape 39 tend ''donc à se fermer ce qui réduit de façon correspondante la pression différentielle de dosage en sorte qu'une quantité de combustible moindre est fournie aux brûleurs.
Ainsi avec le dispositif de dosage de la figure 2, l'élévation de température qui résulte d'une accélération n'est pas aggravée par l'accroissement d'altitude où une réduction de la densité de l'air puisque l'alimentation en combustible est réduite proportionnellement au poids de'l'air aspiré par le compresseur.
La figure 4 montre comment la courbe a ( courbe de débit du combustible requis pour assurer une vitesse de régime ) est abaissée aux altitudes élevées par exemple à 14.000 mètres d'altitude. Si aucune correction en fonction de la densité n'est prévue, on risque encore plus les élévations de température excessives du fait'que l'accroissement du débit de combustible -sans augmentation correspondante de la vitesse du moteur ou en l'absence de coordination entre la vitesse du moteur et la position du levier de contrôlé de puissance.
Cette figure montre également des courbes indiquées par des flèches qui correspondent aux accélérations lorsque le contrôle par régulateur connu antérieurement est seul utilisé ou lorsqu'une liaison directe est prévue entre le levier de contrôle et la soupape de dosage avec ou sans régulateur pour maintenir le régime de marche pour un taux d'alimentation en combustible donné. La courbe é' montre,
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comment, dans le cas où un régulateur de vitesse contrôlant la soupape de combustible est réajusté pour produire une accélération dec à d, la capacité maxima de la pompe de combustible est entièrement débitée au moteur et comment le combustible est en grand excès par rapport à la quantité d'air soufflée ce qui détermine une chaleur intense dans les brûleurs.
La courbe e" indique le taux d'alimentation en combustible lors d'une accélération dans le cas d'un levier à liaison directe: le rapport combustible/ air n'est pas aussi exagéré qu'avec le contrôle par régulateur seul mais il est encore suffisant pour produire une chaleur intense dans les brûleurs, particulièrement au début de la période d'accélération. Dans les deux types de contrôle de la figure 4, la courbe de ralentissement tombe au-dessous du taux normal d'alimentation en combustible pour les vitesses de régime et il en résulte un danger d'extinction des brûleurs.
Il est évident que tous les avantages, applications et caractéristiques de l'appareil faisant l'objet de la présente invention n'ont pas été exposés ci-dessus et il est bien entendu également que les dessins ne sont donnés qu'à titre d'exemple et que dans la pratiqué actuile il est généralement nécessaire de redisposer et modifier les différents éléments pour adapter le système de contrôle aux diverses installations.
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PATENT OF INVENTION "Improvements in fuel supply and power control systems for gas turbines, jet engines, etc."
The present invention relates to a fuel supply and power control device for gas turbines, jet engines, and other power sources which use the effort or energy produced by the combustion of a mixture of gas. compressed air and fuel and the expansion of combustion gases;
it is particularly applicable to jet power sources for aerodynes where the air is compressed in a chamber constituting an element of a generator in which it is heated by the combustion of the fuel, then where the air and the products of combustion pass through a turbine which drives a compressor, and finally into a reaction nozzle to propel the aerodyne, and to power sources for aerodynes in which a gas turbine drives the propeller thereof and can further drive a compressor which supplies air to the combustion chamber
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or generator, and in which the exhaust gases from the turbine can be sent into a reaction nozzle to obtain a propulsion effect which is added to that of the propeller.
When a centrifugal or axial flow compressor is connected to a gas turbine driven by the energy of the expanded gases produced in a combustion chamber or a burner in which the air is compressed, and rotates in synchronism with that turbine, the weight of the air supplied, for a given density of the incoming air, varies approximately as the number of t / m, the compression pressure as the square of the number of t / m and the power required for a compression ... and a given flow rate varies proportionally to the cube of the number of t / m.
When the power is controlled by the fuel feed adjustment, the required feed rate varies substantially as the cube of the number of rpm and, therefore, given the fuel flow rate, the speed of the turbine increases or decreases until a speed corresponding to the selected fuel supply is obtained.
It is possible to realize a device for controlling the power of gas turbines and engines. extremely simple reaction by connecting a handle or power control lever to a needle or metering valve which varies the section of a metering orifice or a throttle member to which fuel is supplied under pressure, for example by the 'via a fuel pump driven by the engine. With such an arrangement, the pilot moves the lever or the control stick forward or backward to obtain a selected speed and the engine speed increases or decreases to take the value corresponding to the fuel feed rate set by the position.
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lever or joystick.
Another relatively simple arrangement can be achieved by connecting a motor driven regulator to the metering needle such that the regulator balances for the chosen fuel feed rate or for the amount of acceleration or deceleration. determined by the position of the control lever operated by the pilot. Although these systems have the merit of simplicity, they present the danger of being able to produce a flame so hot during acceleration that the tubes of the burners risk being destroyed and the blades of the 'turbine of being damaged by the'. heat, while during slowdowns the fuel / air ratio can be reduced so much that the burner goes out.
When the section of the metering orifice increases suddenly to obtain the desired speed, the motor does not follow immediately and the fuel supplied to the burner is in excess of the quantity corresponding to the volume of air supplied to the burner according to the pressure. engine speed; As a result, an extremely hot flame is produced which not only tends to damage and shorten the life of the engine or power source but also results in wasted fuel.
On the other hand, if the section of the metering orifice is suddenly reduced and the same therefore applies to the fuel flow, the engine under the action of the live force momentarily maintains its speed, and the fuel / air ratio becomes so lean that flame propagation cannot occur and the burner goes out.
It is also necessary to provide means to compensate for variations in the density of the incoming air, regardless of the type of power control system adopted, since a smaller quantity of fuel is re-
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which is required to drive a turbine and compressor at a given speed as the density decreases, and if the same fuel feed rate is maintained the fuel to air ratio is even more strongly affected which worsens the tendency to overheating of the burner system.
It is an object of the present invention to provide a power supply and power control system for a power source of the specified type in which the rate of fuel supply can be controlled only by a lever connected directly to a needle or valve. metering device which varies the cross section of a metering orifice, without danger of the burner overheating during acceleration or extinction during deceleration.
Another object of the invention is to provide an extremely simple fuel supply and power control mechanism for power sources of the specified type, where the rate of fuel supply is kept substantially proportional to the speed of the engine. engine for all positions of the power control lever.
Another object of the invention is to improve and simplify fuel supply systems for power sources of the type specified.
The foregoing objects and advantages as well as others will become apparent on reading the following description and with reference to the appended drawings in which:
FIG. 1 is a longitudinal section, by the axis, of a jet engine comprising a fuel supply and power control system according to the present invention;
FIG. 2 is a schematic detail view, in section, of the fuel metering and power control system;
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Figure 3 is a graph showing how the system works;
and
Figure 4 is a graph to compare with that of Figure 3 in order to capture the difference in operation between the system described here and the known systems in which the power is controlled lo) by a direct connection by hand with a control valve fuel flow rate without barometric correction and 20) by readjusting a regulator connected to the fuel control valve, also without barometric correction.
In Figure 1 is shown an aerodyne engine spindle, indicated at 10, which supports by means of a ring 11 and brackets 12, a jet engine indicated as a whole at 13 and comprising an outer casing 14 profiled to its front end to define an inlet, air 15 and at its rear end to define a reaction nozzle 16. A rotary air compressor 17 delivers the air into a toroidal capacity 18 from where it passes in a series of cylindrical generators or burner chambers 19 distributed circularly around the axis of the engine and containing burners 20, the outer walls of which have air intake openings 20 '.
The burners, 20 open into a slip ring 21 which delivers the hot air and the products of combustion through a set of fixed guide vanes 22, onto the vanes 23 'of a turbine rotor 23. The turbine 23 and the air compressor 17 are mounted on a common axle 24 which pivots in a bearing 24 '. The air which enters the inlet 15 is sucked by the compressor which directs it into the capacity 18 and the generators 19 then into the burners 20 through the orifices 20 'where it receives additional heat due to the combustion of the fuel .
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The air and the combustion products are directed to the blades 23 'of the turbine 23 to drive the compressor and then escape into the atmosphere through the reaction nozzle 16 to provide propulsion of the air. aerodyne. If desired, propulsion of the aerodyne can also be provided by a propeller driven by a forward extension of shaft 24, preferably via a suitable reduction transmission.
The fuel metering and power control device is indicated at 25 in FIG. 2 and controls the fuel supply to the burners 20; it comprises a casing 25 'in which is formed a conduit 26 for the fuel intake. A pump 27 driven by the engine is mounted in this duct and sucks the fuel from a suitable supply source such as a reservoir not shown to deliver it under pressure into the chamber 28. A calibrated valve 29 controls the orifice. 30 and the conduit 30 'of a bypass which ends at the inlet of the pump, this valve being mounted on a diaphragm 31 which closes the chamber 32 and being applied to its seat by a spring 33.
The chamber 32 is in communication with the outlet of the metering system or with the metered fuel pressure or flow pressure of the injector through a duct 34. The useful area of the diaphragm 31 is preferably substantially the same as that of the valve. 29, and, therefore, the supply pressure in chamber 28 is maintained at a value which exceeds the pressure of the metered fuel by a constant amount represented by the force of the spring 33.
The fuel passes from chamber 28 into a non-dosed fuel chamber D through port 35, then into a
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duct 36, through the metering orifice 37, to arrive in the duct 38 which in fact extends the duct 26; the orifice 35 is controlled by a valve 39 whose rod 39 'is connected to the diaphragms 40 and 41 which constitute the walls. movables of the metered fuel chamber C, of the differential control chamber A, and of the non metered fuel chamber D. The section of the metering orifice 37 is adjusted by a needle 42 controlled in a way, which will be described later.
A duct 43 joins the chamber C to a chamber 44 which communicates with the chamber A through the duct 45, the orifice 46 of variable section and a duct 47. A centrifugal pump 48 is mounted in the chamber 44 on a shaft 49 which is connected to the shaft 21 of the compressor and the turbine by a suitable transmission as shown in Figure 1. Thus the pump 48 is driven as a direct function of the speed of the turbine and the compressor and, for a given section of the 'orifice 46 produces a pressure difference between chambers C and A which is proportional to the square of this speed, that is to say to the square of the speed of the engine, the word "engine" designating the power source comprising the turbine and the compressor.
A conduit 50 in which is mounted a constricted or calibrated orifice 51 communicates the chamber A with the metered fuel conduit or discharge conduit 38.
Diaphragms 40 and 41 may be of the same area and a spring 52, resting against an adjusting screw 53, bears on the rear end of the valve stem 59 and serves to adjust the effective differential pressure applied to the valve. diaphragm 40, and consequently on the orifice of
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metering 37, between certain limits with respect to the differential pressure exerted on the diaphragm 41. This spring represents a constant which can vary according to the conditions of idling or low speeds of the different types of engines or gas turbines; it can be used to modify the effective differential pressure produced by the pump or rotor 48.
The differential dosing pressure can be corrected for variations in altitude or air density by means of a capsule 54 sensitive to variations in pressure and temperature and placed at a point where it is exposed to the pressure of the air admitted into the engine or at atmospheric pressure. It is preferably placed at a point where it is subjected to the dynamic effect resulting from the forward movement of the aerodyne during flight.
A needle 55 is connected to the mobile end of the capsule 54 and penetrates into the orifice 46 to vary the useful section of the latter and consequently the effective differential pressure applied to the diaphragm 41 and the differential pressure applied to the diaphragm 40 and on the dosing port 37.
A centrifugal governor 56 with weights 56 'is attached to shaft 49 and rotates with it; this regulator controls the position of a sleeve 57 which slides on the reduced diameter portion of said shaft. A lever 58 pivots at 59 and one of its ends is in the form of a fork 60 which engages in a groove provided at the outer end of the needle 42 while its other end terminates in another fork 61 which engages in a similar groove provided in an extra thickness of the sleeve 57.
A single power control lever 62 is connected
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by the linkage 63 and the square 64 at the free end of the spring 65 which at its other end bears against the adjacent end of the sleeve 57. The extreme positions of the lever 62, and therefore of the needle 42, can be defined. by a sector 62 'and it is the same for the intermediate positions of this lever and this needle.
The metered fuel passes from pipe 38 to manifold 69 via pipe 68 and is then brought to the individual burners via pipe 70 (figure 1) and injectors 71:
The mode of operation is as follows: the motor or the motive source can be started in any suitable manner, for example by means of an electric starter motor having a drive connection with the main shaft in order to ignite the engine. burner and bring the turbine to a speed where it can accelerate by its own operation. The metering system is usually filled with fuel, but if empty, the differential pressure applied to diaphragms 40 and 41 is zero and valve 39 is opened by the action of spring 52.
When the fuel pump 27 starts to turn, the chambers D, C, A fill up successively and the fuel also passes through the conduits 38 and 68 into the manifold 69, then, through the conduit 70, into the injectors 71. For the idling speed the differential pressure exerted on the diaphragms 40 and 41 has a low value and the needle 42 is sufficiently open so that the fuel can ensure the propagation of the flame in the burners 19.
The centrifugal pump 48 rotates at a speed determined with respect to the speed of the turbine and the compressor; and for given sections of the dosing orifice
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37 and port 46 controlled as a function of altitude or density, it produces a differential pressure between chambers C and A which is proportional to the square of the engine speed and which tends to open valve 39.
Due to the opening of the valve 39, the pressure in the chamber D increases until the differential pressure exerted on the diaphragm 40 balances the force applied to the diaphragm 41. Assuming that the diaphragms 40 and 41 have the same effective area, the pressure in chamber C is eliminated and any variation in chamber A varies the differential pressure across diaphragm 41 and correspondingly increases or decreases the pressure in chamber D.
The differential pressure between chambers D and C is applied to the metering port 37 and since this differential pressure is substantially proportional to the square of the motor speed, for any given position of the needle 42 the flow speed of the motor. fuel through this orifice and therefore the weight of fuel delivered, is proportional to the square root of this pressure difference, ie to. speed.
The differential pressure applied to the metering orifice 37 exerts on the diaphragm 40 a force which tends to close the valve 39 while the centrifugal pump 48 applies to the diaphragm 40 a force which tends to open said valve; and for any given position of needle 42 these opposing forces balance each other out, so that the fuel supply is proportional to the engine speed.
If the needle 42 is moved away from the orifice 37, the differential pressure applied to the diaphragm 40 tends to decrease; the valve 39 moves to the open position to restore the differential pressure and the flow of fuel to the burner increases so that the speed
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of the engine or turbine increases, further increasing the metering differential pressure and fuel flow.
This continues until an equilibrium speed is obtained which will become clear hereinafter from the description of FIG. 3. The displacement of the needle 42 in the direction of the reduction of the section of the l. port 37, momentarily increases the differential pressure exerted on said diaphragm; the valve 39 moves to the closed position to reduce the flow of fuel, and the speed of the turbine or engine is reduced until an equilibrium position is reached.
To accelerate the engine, the power control lever 62 is moved in a direction corresponding to the compression of the spring 65 and the displacement of the sleeve 57 upward on the shaft 49; the needle 42 thus increases the section of the metering orifice 37, a new adjustment of the regulator is carried out and the new value of the spacing of the weights 56 'thereof is temporarily reduced. The fuel flow to the burner is thus increased and the motor accelerates until the regulator reaches an equilibrium condition compatible with its new adjustment position; but during this period of acceleration, the differential metering pressure and therefore the rate of fuel feed increases substantially as a function of the engine speed and so does the amount of air admitted to the burner.
The graph of FIG. 3 represents the acceleration and deceleration characteristics of the device shown in FIG. 2. In this figure, curve a represents the fuel flow rate necessary for an operating speed, that is to say the rate of fuel feed required to maintain the engine at maximum speed or at a speed determined for a specific gravity
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air given. The dashed curve b represents the maximum flow rate of the fuel pump.
The curves in phantom lines represent the fuel flow characteristics as a function of the speed of the device of FIG. 2, for various settings of the needle 42, the approximate value of the air / fuel ratio which results therefrom having been indicated, for example for the density at ground level, and the approximate temperatures produced for the fuel / air ratio considered have also been plotted on the curves.
If it is assumed that the engine is running at speed c and that the pilot releases the needle 42 to a point corresponding to the speed d; the fuel supply during this acceleration period follows the arrows e from c to d. The initial increase in flow rate represented by the vertical arrows results from the increase in the effective section of the metering orifice 37 for the speed then existing. As the speed increases, the fuel flow increases linearly with the speed until the speed operation is reached in d. During this period of acceleration the fuel flow does not reach a value sufficient to produce harmful temperatures.
If the pilot now returns the power control lever to its initial position, the fuel flow follows the arrows f from d to c. During this slowdown the fuel flow is kept high enough to prevent burner failures.
If the density of the air entering the engine decreases, less fuel is required to drive the turbine and compressor at a given speed and, unless a correction is made, the air / fuel ratio during acceleration will be even lower and higher temperatures will be obtained at high altitudes.
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as soon as for normal conditions at sea level.
In figure '2 the corrections corresponding to the variations in the air density are obtained by varying the section of the orifice 46, a reduction in the density determining the elongation of the capsule 54 and the reduction in the section of this orifice and consequently the reduction of the pressure in the chamber A for a given engine speed and a given section of the metering orifice 37; valve 39 therefore tends to close which correspondingly reduces the differential metering pressure so that less fuel is supplied to the burners.
Thus with the metering device of Figure 2, the temperature rise which results from an acceleration is not aggravated by the increase in altitude or a reduction in the density of the air since the fuel supply is reduced in proportion to the weight of the air drawn in by the compressor.
Figure 4 shows how the curve a (flow rate curve of the fuel required to ensure an operating speed) is lowered at high altitudes, for example at 14,000 meters above sea level. If no density correction is provided for, there is an even greater risk of excessive temperature rises due to increased fuel flow - without a corresponding increase in engine speed or in the absence of coordination between. the engine speed and the position of the power control lever.
This figure also shows curves indicated by arrows which correspond to the accelerations when the control by previously known regulator is only used or when a direct connection is provided between the control lever and the metering valve with or without regulator to maintain the speed. of operation for a given fuel feed rate. The curve é 'shows,
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how, in the event that a speed regulator controlling the fuel valve is readjusted to produce acceleration dec to d, the maximum capacity of the fuel pump is fully delivered to the engine and how the fuel is in large excess over the quantity of air blown which determines an intense heat in the burners.
The curve e "indicates the rate of fuel supply during acceleration in the case of a direct linkage lever: the fuel / air ratio is not as exaggerated as with control by regulator alone, but it is still sufficient to produce intense heat in the burners, particularly at the start of the acceleration period. In both types of control in Figure 4, the deceleration curve falls below the normal rate of fuel feed for the burners. operating speeds and there is a danger of the burners going out.
It is obvious that all the advantages, applications and characteristics of the apparatus which is the object of the present invention have not been explained above and it is of course also understood that the drawings are given only as a guide. example and that in current practice it is generally necessary to rearrange and modify the various elements in order to adapt the control system to the various installations.