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PERFECTIONNEMENTS AUX SYSTEMES A COMBUSTIBLE DE MOTEURS A TURBINE A GAZ.
La présente invention a trait aux systèmes à combustible de mo- teurs à turbine à gaz et elle comprend de tels systèmes installés dans un avion dans le but d'effectuer l'alimentation principale ou auxiliaire en com- bustible, terme qui englobe des liquides additionnels, tels que le mélange eau-méthanol, fournis au moteur en fonctionnement.
Un moteur à turbine à gaz comprend normalement un système à com- presseur mené par un système à turbine, lequel système à compresseur refoule l'air dans l'appareil de combustion principal,, dans lequel on fait brûler du combustible liquide;, ce dernier étant fourni par un système appelé ci-dessous '?système principal d'alimentation en combustible!!. Outre le combustible four- ni par le système principal d'alimentation en combustible, une alimentation additionnelle en combustible liquide ou des alimentations additionnelles en combustible liquide peuvent être nécessaires à des fins spéciales.
Par exem- ple, dans le cas d'un moteur à turbine à gaz employé pour la propulsion d'un avion par réaction, un combustible additionnel peut être brûlé dans le con- duit d'échappement pour augmenter la poussée propulsive; en générale le com- bustible fourni au conduit d'échappement est le même que celui dont est ali- menté le système principal d'alimentation en combustible. Toutefois, dans certains moteurs à turbine à gaz d'aviation, un liquide additionnel, c'est-à- dire un liquide différent de celui qui circule dans le système principal d'alimentation en combustible, est introduit dans le compresseur du moteur, par exemple dans le but d'augmenter le débit de masse qui y passe ; des liquides convenant à cette fin comprend un mélange d'eau et de méthanol.
En outre, dans les moteurs à turbine à gaz compound, c'est-à-dire dans des mo- teurs ayant un compresseur à deux ou plusieurs étages de compression mené par une turbine à deux ou plusieurs étages, un appareil de combustion de réchauf- fage peut être prévu pour réchauffer le fluide de travail après qu'il a quitté un étage de la turbine et avant qu'il ne pénètre dans un autre étage de la turbine ; en général, le combustible fourni à l'appareil de combustion de ré- chauffage est le même que le combustible qui circule dans le système principal
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d'alimentation en combustible. Les systèmes d'alimentation en combustible destinés à alimenter le moteur en combustible additionnel, tels qu'ils ont été esquissés ci-dessus, sont appelés ci-dessous "systèmes auxiliaires d'ali- mentation en combustible"..
Il est d'usage, dans certaines installations à turbine à gaz, de prévoir une pompe de surcharge destinée à mettre sous pression le combustible à l'entrée d'une pompe à combustible du système principal ou auxiliaire d'ali- mentation en combustible. Jusqu'ici, les pompes de surcharge ont été menées électriquement et, dans le cas d'installations d'aviation, elles étaient pla- cées dans une position contiguë à celle des réservoirs à combustible de l'a- vion ou étaient montées à l'intérieur de ceux-ci.
Dans le cas d'installations à turbine à gaz productrices d'énergie, destinées aux avions à grande puissan- ce,une installation ayant des pompes de surcharge menées électriquement a un poids et un encombrement excessifs, par suite de la nécessité de pourvoir à des débits élevés de combustible; par exemple, dans un moteur à turbine à gaz de l'espèce à propulsion par réaction, muni d'un système de réchauffage des gaz d'échappement, il peut être nécessaire d'assurer un débit de 20000 à 30000 gallons par heure depuis le réservoir de combustible vers le moteur, dans les conditions de débit maximum; et une installation ayant des pompes menées électriquement capable d'assurer un tel débit de combustible aurait un poids et des dimensions prohibitifs.
Un objet de la présente invention est de fournir des systèmes d'alimentation en combustible, principaux ou auxiliaires, destinés à une ins- tallation de moteur à turbine à gaz, dans lesquels l'installation et la com- mande soient facilitées, particulièrement lorsque le ou les moteurs sont em- ployés aux fins de propulsion d'avions.
Selon une particularité de la présente invention, il est prévu de combiner, dans un système principal ou auxiliaire d'alimentation en com- bustible d'une installation de moteur à turbine à gaz, une pompe à combusti- ble, éloignée du moteur et située dans une position contiguë à celle d'un ré- servoir d'alimentation en combustible ou y incorporée, et un moteur à air, tel qu'une turbine, agencé de manière à recevoir de l'air comprimé par le système à compresseur du moteur à turbine à gaz, pour être actionné par ledit air comprimé, et relié à ladite pompe à combustible, de manière à la mener.
Selon une autre particularité de l'invention, il est prévu de combiner, dans un système principal ou auxiliaire l'alimentation en combus- tible d'une installation de moteur à turbine à ga, une pompe d'alimentation en combustible, éloignée du moteur et située dans une position contiguë à cel- le d'un réservoir d'alimentation en combustible ou y incorporée, un moteur à air, tel qu'une turbine actionnée par de l'air, branché de manière à recevoir de l'air comprimé par le système à compresseur du moteur à turbine à gaz, et une autre pompe, hydrauliquement en série avec ladite pompe à combustible, ladite autre pompe étant menée par moteur ou menée depuis une source exté- rieure d'énergie.
Selon une autre caractéristique encore de l'invention, il est prévu, dans un système principal ou auxiliaire d'alimentation en combustible d'une installation de moteur à turbine à gaz, deux ou plusieurs pompes à com- bustible hydrauliquement en série, dont chacune est agencée de manière à être menée par un moteur à air, tel qu'une turbine actionnée par de l'air, relié au système à compresseur d'un moteur à turbine à gaz, de manière à en recevoir de l'air comprimé.
De préférence, l'air employé à mener le moteur à air est prélevé directement au système à compresseur d'un motqur ou au conduit de refoulee- ment du compresseur en amont de l'appareil de combustion. Toutefois, dans certains cas, il peut être désirable, dans le but de réduire la possibilité de givrage du café de l'échappement du moteur à air, givrage dû à lffet de réfrigération accompagnant la dilatation de l'air dans le moteur, de pré- chauffer l'air jusqu'à une température modérée, par exemple à une tempéra- ture de 300 à 400 C, en prélevant l'air à l'appareil principal de combustion.
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Dans une des applications de l'invention, une pompe de surcharge est prévue pour surhharger l'entrée d'une pompe menée par moteur et la pompe de surcharge est menée par une turbine à air ou un autre moteur à air; dans un tel système, il peut être désirable de prévoir, en outre, une pompe de sur- charge de petite capacité, menée électriquement, afin de faciliter le démar- ragé lorsqu'on ne peut disposer d'air sous pression pour alimenter le moteur ou la turbine à air. La pompe de surcharge menée par le moteur à air est, de préférence, logée dans un réservoir à combustible, la turbine ou l'autre mo- teur à air étant monté à l'extérieur du réservoir, son arbre de transmission passant à travers la paroi du réservoir.
Dans une autre application de l'invention, une pompe à combusti- ble-destinée à l'alimentation auxiliaire en combustible est menée par une turbine à air ou un autre moteur à air, la pompe étant logée dans un réser- voir d'alimentation et son orifice de refoulement étant relié directement aux dispositifs injecteurs de combustible du moteur, par exemple aux injecteurs de combustible d'un système de réchauffage des gaz d'échappement d'un moteur d'aviation. Dans certains cas, la pompe peut comprendre deux ou plusieurs étages lesquels sont, de préférence, menés par des moteurs ou des turbines à air indépendants,alimentés en air, en parallèle ou en série.
Le moteur à air employé selon l'invention comprend, de préférence, une roue à impulsion mais il peut être un moteur à ailettes ou à piston.
Les pompes à combustible menées par moteur à air sont, de préférence, de l'espèce à roue à ailettes centrifuge ou hélicoïdale, bien que les pompes à engrenage ou alternatives à piston puissent être employées.
Un certain nombre d'arrangements de systèmes à combustible selon la présente invention seront maintenant décrits avec référence aux dessins . annexés,ou : la figo 1 illustre schématiquement un arrangement; la figo 2 illustre schématiquement une variante de la fige 1; la fig. 3 illustre schématiquement un perfectionnement de l'ar- rangement montré à la fig. 2 ; la fige 4 illustre schématiquement un autre arrangement; la fig. 5 illustre schématiquement un autre arrangement encore, et la fig. 6 illustre une forme de pompe menée par moteur à air con- venant à l'emploi dans les arrangements montrés aux fig. 1 à 5.
Dans toutes les figures des dessins, les mêmes numéros de réfé- rence sont employés pour désigner des éléments pareils.
A la fig. 1 est illustré un moteur à turbine à gaz 10, du type à propulsion par réaction, convenant à l'aviationo Le moteur comprend un com- presseur 11, illustré comme un compresseur axial, un appareil de combustion
12, illustré.comme comprenant une série de chambres de combustion séparées, une turbine 13 et un assemblage d'échappement 14 conduisant vers une tuyère à jet 15.
L'air est comprimé dans le compresseur 10 et refoulé dans l'appa- reil de combustion 11, où du combustible est brûlé ; l'airchauffé passe de l'appareil de combustion dans la turbine 13 pour mener cette dernière et, de là, dans l'assemblage d'échappement 14 et la tuyère à jet 15. La turbine mené le compresseur par l'intermédiaire d'un arbre (non représenté), s'éten- dant centralement à travers l'appareil de combustion.
Le combustible est introduit dans l'appareil de ..combustion 12 par les injecteurs de combustible 16 raccordés à un collecteur d'alimenta- tion 17.
Dans cette réalisation de l'invention, le système principal d'alimentation en combustible destiné à fournir le combustible aux injec- teurs 16 comprend un certain nombre de réservoirs à combustible 18, dont l'un est représenté. Le combustible est tiré de chaque réservoir par une pompe, illustrée comme une pompe centrifuge 19, pour être refoulé, par l'in-
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termédiaire d'une conduite 20, directement dans le collecteur 17. La pompe 19 est située loin du moteur et est, de préférence, logée dans le réservoir 18, bien que, pour plus de commodité, elle soit représentée comme étant ex- térieure à celui-ci. L'alimentation du moteur en combustible est contrôlée par la vanne régulatrice 20A.
La pompe 19 est menée par un moteur à air, représenté comme une turbine 21, par l'intermédiaire d'un arbre 22, lequel passe à travers la paroi du réservoir 18 lorsque la pompe est logée dans celui-ci.
L'air comprimé destiné à actionner le moteur 21 est prélevé en un point convenable quelconque du moteur et l'illustration représente le prélè- vement comme ayant lieu à l'extrémité de refoulement du compresseur 11, d'où l'air est conduit au moteur par la conduite 23.
En se rapportant maintenant à la fige 2, on voit que 1?arrange- ment illustré est le même que celui qui est illustré à la fig. 1, excepté en ce que la pompe 19 menée par moteur à air est agencée de manière à agir comme une pompe de surcharge servant à une autre pompe 24, qui peut être de tout type convenable et est représentée comme une pompe du type à engrenage et qui est menée par moteur, par l'intermédiaire d'une transmission indiquée en 24A.
En outre, une pompe de réservoir de petite capacité 19A, menée par un moteur électrique indiqué en 2IA, est représentée.- La fonction de cette pompe 19A, de petite capacité, est de surcharger la pompe principale 24 pendant le démar- rage, lorsqu'on ne peut disposer d'air comprimé pour alimenter le moteur à air 21. La pompe 19A refoule le combustible dans la conduite d'alimentation 20, par l'intermédiaire de la conduite 20B, et une soupape de retenue 20C est prévue afin d'empêcher le retour du combustible à travers la pompe 19.
En se référant maintenant à la fig. 3, on voit qu'il y est illus- tré un arrangement dont l'emploi convient bien lorsque du combustible est brûlé dans la tuyère è jet 15, afin d'augmenter la poussée propulsive. Le combustible est introduit dans la tuyère à jet par les injecteurs 25, alimen- tés par une conduite 26 depuis la pompe 27, qui peut être de tout type conve- nable et est illustrée comme une pompe du type à engrenage et qui est menée par moteur, par l'intermédiaire d'une transmission indiquée en 27A.
L'ori- fice d'entrée de la pompe. 27 est raccordé par la conduite 28 à la conduite 20, si bien que la pompe 19 agit non seulement comme une pompe de surcharge ser- vant à la pompe 24 du système à combustible principal, mais aussi comme une pompe de surcharge servant à la pompe 27 du système auxiliaire à combustible.
En appliquant l'invention à un système auxiliaire d'alimentation en combustible, par exemple, pour effectuer l'alimentation en combustible de l'appareil de combustion de réchauffage des gaz d'échappement d'un moteur à turbine à gaz d'avion, il est préférable d'utiliser la pompe de surcharge du système principal d'alimentation en combustible, pour surcharger, en surplus, l'entrée d'une pompe auxiliaire de réservoir, qui est menée par un moteur à air, tel qu'une turbine à air. On observera qu'aux fins de réchauffage des gaz d'échappement, le débit du combustible est normalement élevé par rapport au débit d'alimentation du système à combustible principal.
Par exemple, le débit maximum d'alimentation en combustible assuré par le système à combus- tible principal du moteur peut être de l'ordre de 600 gallons par heure ; que du combustible est brûlé dans la tuyère à jet pour réchauffer les gaz d'échappement, le système principal d'alimentation en combustible fonctionne normalement à sa pleine capacité et, en outre, 1400 gallons de combustible par heure approximativement sont fournis aux fins de réchauffage des gaz d'é- chappement ; il s'ensuit qu'un total de 2000 gallons par heure sont refoulés de l'installation à réservoir à combustible, vers le moteur.
Les pompes em- ployées, particulièrement les pompes de réservoir, doivent par conséquent être capables de manier de grandes quantités de combustibleo
L'arrangement employé de préférence lorsque les gaz d'échappe- ment doivent être chauffés est illustré à la fig. 4, dans laquelle le sys- tème à combustible comprend deux pompes de réservoir 30 et 31.
Il convient bien que la pompe 30 soit une pompe centrifuge à petite vitesse et à grande capacité et élis est, de préférence, logée dans le réservoir à combustible
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18; la pompe 30 peut être menée de toute manière convenable et elle est re- présentée comme étant menée par une turbine à air à impulsion 32, par l'in- termédiaire d'un arbre 33, l'alimentation en air étant faite par l'intermé- diaire de la conduite 23. Une vitesse de rotation qui convient bien à la pom- pe 30 est celle de 1000 t.p.m.
La pompe 31 est hydrauliquement raccordée en série avec la pompe 30 par la conduite 34 et est une pompe centrifuge menée par un moteur à air, illustré comme une turbine à air, par l'intermédiaire d'un arbre 36 ; pom- pe 31 refoule le combustible vers les injecteurs 25, par l'intermédiaire de la conduite 26. La pompe 31 est menée à une vitesse plus élevée que celle de la pompe 30, par exemple à une vitesse de 10.000 t.p.m. mais sa roue a une capacité plus petite. L'air destiné à actionner la turbine 35 lui est amené par la conduite auxiliaire 23a, depuis la conduite 23. La pompe 31 est, de préférence, située à l'extérieur du réservoir 18 et il convient bien qu'elle soit montée sur la paroi du réservoir.
Une vanne 37 est prévue sur la conduite 26 et cette vanne est re- liée, pour fonctionnement coordonné, à une vanne de contrôle d'air 38, située sur la conduite 23a, de manière que le combustible ne puisse être refoulé vers les injecteurs 25, sauf lorsque la pompe 31 est actionnée par le moteur à air 350
La pompe 30 agit aussi comme pompe de surcharge du système prin- cipal à combustible, lequel comprend la pompe principale à combustible 24, située sur la conduite de combustible 20, dont l'extrémité d'entrée est rac- cordée à la conduite 34.
L'adoption du système qui vient d'être décrit minimise le danger d'aération ou d'ébullition du combustible dans la roue à ailettes du premier étage et assure, lorsque le combustible n'est pas brûlé dans la tuyère à jet 15, une pression appropriée pour la surcharge de la pompe 24 menée par moteur, appartenant au système principal. En outre, lorsqu'on brûle du combustible dans la tuyère à jet 15,la pompe 30 continue à surcharger la pompe menée par moteur du système principal d'alimentation en combustible et surcharge égale- ment la pompe 31.
A la figo 5 se trouve illustré un autre arrangement de système auxiliaire d'alimentation en combustible, destiné à refouler le combustible vers les injecteurs 25, situés dans la tuyère à jet 15.
Le système à combustible comprend deux pompés centrifuges 40 et 41, hydrauliquement reliées en série par la conduite 42, et un seul moteur à air 43, illustré comme une turbine actionnée par de l'air, destiné à mener, les deux pompes, des engrenages de réduction 44 étant prévus dans la trans- mission entre la turbine 43 et la pompe 40. Il convient bien que la pompe 40 soit logée à l'intérieur du réservoir 18.
Une construction convenable de pompe de réservoir est illustrée à la fige 60 Dans cette figure, la paroi du réservoir à combustible est in- diquée en 50. Une ouverture est ménagée dans la paroi et cette ouverture est obturée par une plaque 51.
La plaque 51 comporte, sur sa surface extérieure, une spirale d'échappement 52 d'une turbine à air à impulsion, spirale qui fait corps avec la plaque 51. Le disque 53 du rotor de ladite turbine à air à impulsion est porté par un arbre 54, monté dans le palier 55, logé au centre de la spirale 52, et dans le palier 56, logé dans une saillie creuse interne 57, apparte- nant au couvercle 58 de la turbine.
Une plaque 59 comportant une série de tuyères 60 est située en- tre le couvercle 58 et le disque 53 du rotoro L'espace 61, situé entre la plaque 59 et le couvercle 58, forme une chambre de distribution'd'air dés- servant les tuyères 60.
Monté sur la surface intérieure de la plaque 51, au moyen de pieds 62, se trouve un élément 63a de l'enveloppe d'une pompe centrifuge à deux entrées, dont la roue 64 est du type à joues. L'autre élément 63b de
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l'enveloppe est fixé à l'élément 63a et porte un organe conique 65, formant l'entrée menant à l'orifice supérieur de la roue de la pompe. La roue 64 est fixée sur un prolongement de l'arbre 54 du disque 53 du rotor de la turbine et tourne avec lui.
Une guêtre 66, de métal flexible, du type à soufflet, est logée dans une cavité de la plaque 51 et y est fixée à son extrémité in- férieure. L'extrémité supérieure de la guêtre 66 porte une rondelle s'ap- puyant sur le moyeu de la roue 64. La guêtre 66 sert à empêcher les fuites du combustible le long de l'arbre 54.
Les conduites d'air 23 peuvent être raccordées directement à tout point convenable du compresseur du moteur à turbine à gaz ou en un point du côté du refoulement du compresseur, en amont de l'appareil de combustion 12. Dans certains cas, toutefois, il peut être désirable d'employer de l'air préchauffé à une température modérée, par exemple à 300 à 400 C, pour ac- tionner les moteurs à air, afin d'éviter le givrage des moteurs à air par suite de l'effet de réfrigération dû a l'expansion de l'air dans le moteur à air. Dans ce cas, les conduites d'alimentation en air 23 peuvent être rac- cordées, par exemple, à l'espace qui existe, dans la forme habituelle de l'appareil de combustion, entre le tube brûleur et l'enveloppe à air exté- rieure de chaque chambre de combustion. Un tel raccordement est montré schématiquement à la fig. 1, en 23A.
Toutefois, en général,il est désirable d'éviter l'emploi des produits de combustion ayant une température excessivement élevée, puisque cela entraînerait la nécessité de prévoir une conduite calorifugée ou résis- tant aux températures élevées, vers le moteur à air. Les pertes thermiques qui ont lieu dans la conduite font, toutefois, qu'il est désirable de pré- voir un certain degré de préchauffage en plus de celui qui est dû à l'aug- mentation de la température causée par la compression dans le compresseur, afin d'éviter les difficultés dues au givrage, du côté de l'échappement du moteur à air de la turbine.
REVENDICATIONS.
1. Installation productrice d'énergie, à turbine à gaz, compre- nant un système principal ou auxiliaire d'alimentation en combustible, qui comprend la combinaison d'une pompe à combustible; éloignée d'un moteur de l'installation et située dans une position contiguë à celle d'un réservoir d'alimentation en combustible ou y incorporée, et d'un moteur à air, agencé de manière à recevoir de l'air comprimé dans le système à compresseur d'un moteur qui doit être actionné par ledit air et est agencé de manière à mener la pompe à combustible.