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PERFECTIONNEMENTS RELATIFS A DES SYSTEMES A COMBUSTIBLE DE MOTEURS A
TURBINE A GAZ-
La présente invention a trait à des ;systèmes à combustible de mo- teurs à turbine à gaz et concerne particulièrement le type de systèmes à combus- tible (ci-dessous appelé systèmes à combustible du type spécifié) comprenant une pompe à débit variable, apte à refouler le combustible, 'à travers un dispo- sitif à vanne régulatrice ou un dispositif équivalent de régulation du débit, vers les dispositifs d'injection du combustible situés dans l'appareil de com- bustion du moteur -et où le débit de la pompe est réglé par un dispositif à pis- ton et cylindre ou un dispositif sensible à la pression équivalente agencé de manière à être sensible à la pression d'un servo-fluie.
La présente invention a entre autres pour objets de présenter un dispositif perfectionné destiné à régler la pression du servo-fluide à laquel- le est sensible le dispositif à piston et cylindre ou le dispositif équivalent sensible à la pression et ce, dans le but de contrôler le moteur d'une manière désirable
Selon la présente invention, un système à combustible de moteur à turbine à gaz du type spécifié comprend la combinaison d'un dispositif destiné à effectuer un premier apport de servo-fluide, sous une pression contrôlée, à un espace à pression dudit dispositif à piston et cylindre ou du-dit dispositif sensible à la pression équivalent, et d'un dispositif à soupape contrôlable, destiné à admettre un second apport de servo-fluide audit espace à pression,
afin d'augmenter la servo-pression agissant dans l'espace à pression jusqu'à une valeur dépassant la pression contrôlée. Le dispositif à soupape contrôla- ble peut être contrôlé à la main ou=peut être actionné automatiquement, lorsque une condition choisie, liée à la marche du moteur, se trouve réalisée.
Le dispositif à soupape contrôlable peut être actionné d'après di- verses conditions, lesquelles sont, de préférence, des conditions prédéterminées, liées à la marche du moteur. Par exemple, dans un arrangement préféré, le dis- positif à soupape contrôlable est actionné de manière à admettre un supplément de fluide sous pression dans l'espace à pression, afin d'augmenter ainsi la ser- vo-pression et à tendre à augmenter la course de la pompe, de façon à maintenir
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un débit minimum prédéterminé du combustible vers le moteur.
Une application de l'invention concerne les systèmes à combustible des moteurs à turbine à gaz du type spécifiée où ledit dispositif comprend, pour effectuer le premier apport de servo-fluide, un dispositif à orifice étranglé relié à l'orifice de refoulement de la pompe à combustible, un dispositif de mesure du débit de sortie, disposé en série avec ledit dispositif à orifice é- tranglé, de manière que le combustible s'écoulant depuis l'orifice de refoule- ment de la pompe, par ledit dispositif à orifice étranglée s'écoule également par ledit dispositif de mesure du de'bit de sortie et une commande destinée à régler ledit dispositif de mesure du débit de sortie,
de manière que la pression régnant entre ledit dispositif à orifice étranglé et ledit dispositif de mesure du débit de sortie soit inférieure à la pression de refoulement du combustible et dépende des étranglements relatifs présentés par lesdits dispositif à orifi- ce étranglé et dispositif de mesure du débit., ledit espaceà pression étant branché entre lesdits dispositif à orifice étrangle et dispositif de mesure du débit de sortie.
En appliquant l'invention à un tel système à combustible, le dispositif à soupape contrôlable peut être agencé. de manière à relier ledit es- pace à pression à une source de combustible sous pression dont la pression soit supérieure à la pression régnant entre lesdits dispositif-à orifice étranglé et dispositif de mesure du débit de sortie, afin d'accroître ainsi la servo pression régnant dans ledit espace à pression.
Dans une telle application de l'invention, si un accroissement de la servo-pression régnant dans ledit espa- ce à pression entraine l'accroissement du refoulement de la pompe à combusti- ble, l'introduction du fluide sous pression supplémentaire par le dispositif à soupape contrôlable dans l'espace à pression fait croître le refoulement de la pompe, pour une vitesse de rotation donnée de la pompe, jusqu'à ce qu'il at- teigne une valeur supérieure à celle qui aurait été admise en fonctionnement normal par lesdits dispositif à orifice étrangle et dispositif de mesure de débit de sortie.
Quelques agencements selon la présente invention seront maintenant décrits dans leur application à un système à combustible de moteur à turbine à gaz simple de propulsion par réaction.
La description se réfère aux dessins schématiques annexés, où : la figure 1 illustre schématiquement un moteur à turbine à gaz sim- ple et son système à combustible ; la figure 2 illustre, de façon plus détaillée une réalisation de système à combustible; la figure 3 illustre une variante du système à combustible ; la figure 4 illustre une autre réalisation du système à combustible et la figure 5 illustre une autre variante encore du système à combus- tible.
En se référant à la figure 1, on y voit, illustré, un moteur à tur- bine à gaz 10 convenant à la propulsion d'un avion par réaction et comprenant un compresseur 11, illustré comme un compresseur axial, un appareil de combus- tion, comprenant un certain nombre de chambres de combustion séparées 12, les- quelles chambres de combustion sont branchées de manière à recevoir l'air com- primé du compresseur 11, une turbine 13 branchée de manière à recevoir les gaz chauds venant des chambres de combustion 12 et agencée de manière à mener le compresseur 11, et un assemblage d'échappement 14, auquel peut être relié un tube de jet muni d'un bec de jet de propulsion (non représentés).
Le combustible est brûlé dans l'air comprimé refoulé dans les cham- bres de combustion 12 et le combustible est introduit dans les chambres de com- bustion par les dispositifs d'injection 15, qui peuvent être de toute espèce convenable et qui peuvent être, comme il est montré, alimentés en combustible par un collecteur 16.
Le système à combustible destiné à alimenter en combustible le col- lecteur 16 est du type comprenant une pompe 17, débit variable, menée par le moteur et agencée de manière à aspirer le combustible par un tuyau d'aspiration
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18, d'un réservoir (non représenté) età le refouler dans une conduite 19, me- nant à une vanne régulatrice 20. Le côté sortie de la vanne régulatrice 20 est relié, par une conduite, à un robinet 22, dont le côté sortie est branché au collecteur 16. Le robinet 22 est entièrement ouvert pendant la marche du moteur et est fermé lorsque le moteur ne marche pas.
En se référant à la figure 2, on voit que la pompe à débit variable y est représentée comme une pompe du type de pompes comprenant un rotor 23, com- portant une série de trous cylindriques 23a, sensiblement axiaux, dans lesquels des plongeurs 24 exécutent un mouvement alternatif, a l'encontre de l'action de ressorts 25, gràce à un mécanisme 26 à plateau incliné.
La course des plon- geurs 24 dans les trous 23a et, par suite, la capacité volumétrique de la pom- pe sont déterminées par l'inclinaison du mécanisme à plateau, incliné sur l'axe de rotation du rotor 23 et, dans l'arrangement illustré, l'inclinaison du méca- nisme à plateau incliné 26 est contrôlée par un servo-mécanisme dont le fonction- nement est contrôlé par un dispositif 27, connu sous le nom de "commande baro- métrique du débita qui sert à modifier l'apport du combustible au moteur., de la manière voulue, selon les variations de la pression atmosphérique de l'air et fonctionnant également pour une pression de l'air atmosphérique donnée pour maintenir la différence des pressions de fluide des deux côtés de la vanne ré- gulatrice 20,à une valeur prédéterminée.
Le servo-mécanisme est¯également contrôlé par un mécanisme 128, qui fonctionne pour empêcher que la vitesse de rotation du moteur ne dépasse une valeur prédéterminée. La construction et le fonctionnement de ce mécanisme 128 sont bien connus et ne constituent pas une partie essentielle du mécanisme de contrôle selon la présente invention.
Le servo-mécanisme, destiné à contrôler l'angle d'inclinaison du mécanisme à plateau incliné 26, comprend un piston 28 divisant un cylindre en deux chambres 29 et 30. La chambre 29 est reliée, par une conduite 31, au cô- té refoulement de la pompe 17, si bien que la pression régnant dans la chambre 29 est la pression de refoulement du combustible régnant dans la conduite 19.
La chambre 30 est aussi reliée au refoulement de la pompe à combustible 17,par une conduite 31; toutefois, entre la conduite 31 et la chambre 30, il est pré- vu un étranglement 32 de l'écoulement. Un ressort 33 est logé dans la chambre 30 et sollicite le piston 28 dans le sens d'un déplacement vers la gauche, com- me on le voit aux dessins, c'est-à-dire dans le sens de l'augmentation de la course des plongeurs 24 et, par suite, de la capacité volumétrique de la pompe à combustible 17. La chambre 30 est également reliée à une conduite de souti- rage 34, par laquelle le fluide peut s'écouler hors de la chambre 30.
Gomme on le sait lorsque le fluide s'écoule de la chambre 30, par la conduite de sou- tirage 34, la pression du fluide dans la chambre 30 tombe (par suite de la pré- sence de l'étranglement d'écoulement 32) au-dessous de la pression régnant dans la chambre 29, si bien que le piston tend à se déplacer vers la droite, comme on le voit aux dessins, sous l'action de la pression de fluide régnant dans la chambre 29. Lorsqu'il n'y a pas écoulement de soutirage par la conduite de sou- tirage 34, les pressions de fluide régnant dans les chambres 29 et 30 tendent à s'égaliser et le piston 28 tend à se déplacer, sous l'action du ressort 33, vers la position de course maximum des plongeurs 24,
L'écoulement du fluide de la chambre 30, par la conduite de souti- rage 34, est contrôlé par la commande barométrique du débit 27.
La commande barométrique du débit comprend, dans'l'agencement illus- tré, un corps 35, divisé en deux chambres 36, 37 au moyen d'un diaphragme sou- ple 38, portant un levier basculant 39, dont les extrémités s'étendent respec- tivement dans les deux chambres 36 et 37. L'extrémité du levier 39 saillissant dans la chambre 36 porte un élément de soupape à demi-bille 40,agencé de maniè- re à venir en prise avec un siège entourant la sortie de la conduite de souti- rage 34 dans la chambre 36, laquelle chambre est reliée, par une conduite 41, au tuyau d'aspiration 18 de la pompe à combustible 17.
Lorsque les charges a- gissant sur le levier sont telles que l'élément de soupape à demi-bille 40 soit fermement appuyé sur son siège, il n'y a pas de fuite de combustible par la con- duite de soutirage 34 et la course de la pompe 17 augmente, et, lorsque les chargés agissant sur le levier 39 tendent à soulever l'élément de soupape à de- mi-bille 41 de son siège, le fluide s'écoule de la chambre 30, par la conduite
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de soutirage 34, réduisant ainsi la course des plongeurs 24 de la pompe à com- bustible 17. '
Le levier 39 est agencé de manière à être contrôlé par trois char- ges principales, comme suit :
a) Une charge dépendant de la pression atmosphérique de l'air et qui est appliquée au levier 39 au moyen d'une capsule à vide 42, logée dans la chambre 37, laquelle est reliée par une conduite 43 à un point d'air quelconque de l'avion. Lorsque la pression atmosphérique de l'air diminue, la capsule se dilate et accroît la charge qu'elle exerce sur le levier 39. La charge appli- quée par la capsule 42 l'est dans le sens où l'élément de soupape à demi-bille 40 tend à être soulevé de son siège. b) Une charge dépendant de la différence des pressions du combusti- ble régnant dans les conduites 19 et 21, de part et d'autre de la vanne régula- trice 20.
Cette charge est appliquée au levier 39 dans le même sens que la charge appliquée par la capsule 42 et l'est par l'intermédiaire d'un taquet 44, porté par un diaphragme 45, séparant une paire de chambres 46 et 47, la chambre 46 étant reliée, par une conduite 48, à la conduite 21, entre la vanne régula- trice 20 et le robinet 22, et la chambre 47 étant reliée, par une conduite 49, à la conduite de refoulement 19, juste en amont de la vanne régulatrice 20, de sorte que le diaphragme est chargé selon la chute de pression entre les deux côtés de la vanne régulatrice 20. c) Une charge par ressort., qui s'oppose aux charges dues à la cap- sule 42 et au diaphragme 44.
Cette charge de ressort est appliquée au levier 39 par l'intermédiaire d'un taquet 50-, dont une extrémité s'étend dans la cham- bre 36 et dont l'autre extrémité s'étend dans une chambre 51, logeant un ressort 52, dont une extrémité 52a s'appuie sur le taquet 50 et dont l'autre extrémité 52 b s'appuie sur une vis de pression de réglage 53. La chambre 51 est reliée par une conduite 48a à la conduite 48, cet agencement étant adopté afin de com- penser la différence des aires effectives des côtés du diaphragme 45.
Le fonctionnement de la commande barométrique du débit 27 est bien compréhensible et peut-être décrit brièvement comme suit. Dans des conditions de pression atmosphérique stables, une augmentation de la chute de pression en- tre les deux côtés de la vanne régulatrice 20 provoque une augmentation de la charge appliquée au levier 39 par le taquet 44, soulevant par là la soupape à demi-bille 40 de son siège, pour permettre au fluide de s'écouler, par la con- duite de soutirage 334, hors de la chambre 30 ce qui provoque une réduction de la course de la pompe et de la quantité du fluide refoulé vers le moteur. La réduction du débit du combustible est telle que la chute de pression entre les deux côtés de la vanne régulatrice 20 décroît jusqu'à ce que les influences des charges agissant sur le levier 39 s'équilibrent.
Réciproquement, lors d'une diminution de la chute de pression entre les deux côtés de la vanne régulatri- ce 20, la charge appliquée par le taquet 44 sur le levier 39 diminue, permettant que l'élément de soupape à demi-bille 40 soit appliqué plus fermement contre son siège et empêchant l'écoulement du fluide hors de la chambre 30 de sorte que la course de la pompe augmente jusqu'à ce que la chute de pression entre les deux côtés de la vanne régulatrice 20 soit de nouveau telle que les influen- ces des charges agissant sur le levier 39 s'équilibrent.
Lors d'une diminution de la pression atmosphérique de l'air, la char- ge exercée sur le levier 39 par la capsule 42 augmente, soulevant l'élément de soupape à demi-bille 40 de son siège et produisant une réduction de la course de la pompe à combustible. Réciproquement, une augmentation de la pression at- mosphérique provoque une réduction de la charge appliquée sur le levier 39 par la capsule 42 et une augmentation de la course de la pompe à combustible et du débit du combustible vers le moteur.
Avec un système à combustible de la classe qui vient d'être décri- te, il peut être désirable, dans certaines conditions de fonctionnement, de do- miner l'effet de commande de la commande barométrique du débit 27 et, dans ce but, il est prévu, selon la présente invention, que lorsque certaines conditions existent ou lorsqu'on désire dominer l'effet de la commande barométrique du dé- bit, la chambre 30 reçoit un apport de fluide à une pression plus élevée que
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la pression existant dans la chambre 30 grâce à l'apport de fluide sous pres- sion par la conduite 3le l'étranglement d'écoulement 32 et la conduite de sou- tirage 34.
Par exemple, dans certains circonstances, il est désirable de domi- ner l'effet de la commande barométrique du débit 27 afin d'éviter que le débit du combustible vers le moteur soit réduit à une valeur inférieure à une valeur minimum prédéterminée, de manière que la possibilité de l'extinction de la flam- me dans les chambres de combustion du moteur, spécialement à une certaine alti- tude, soit évitée. En d'autres termes;, dans certaines circonstances, il est désirable d'empêcher la pression du servo-fluide régnant dans la chambre 30 de descendre au niveau auquel elle serait autrement réduite par la commande baro- métrique du débit 27.
Afin d'écarter la difficulté mentionnée ci-dessus, l'agencement sui- vant est adopté. Un dispositif 55 est prévu, au moyen duquel, lorsque le débit du combustible provenant de la pompe 17 et se dirigeant, par la conduite 19, vers la vanne régulatrice 20, tombe à une valeur prédéterminée, une soupape est ouverte afin d'admettre le fluide sous pression par la conduite de soutirage.
34 vers la chambre 30, fluide dont la pression dépasse celle qui existerait au- trement dans la chambre 30 par suite de la présence de la commande barométrique du débit 27.
Le dispositif 55 comprend un élément de soupape 56, coopérant avec un orifice 57 et agencé de manière à être chargé contre la charge due à la pres- sion du fluide qui agit sur lui, par un ressort 58 qui tend à déplacer l'élément de soupape 56 de manière qu'il ferme l'orifice 57. La tête 56a de l'élément de soupape 56 a une forme telle et le ressort 58 a un coefficient tel que la différence des pressions régnant dans la conduite 19, des deux côtés du dispo- sitif 55, soit proportionnelle au débit du combustible à travers le dispositif.
Le dispositif 55 comprend aussi un élément de soupape 59 contrôlant le débit du fluide sous pression passant d'une chambre 61 (laquelle est reliée, par une conduite 60,à la conduite de refoulement du combustible 19, en amont du dispositif 55), par un orifice 63, dans une chambre 62, faisant partie de la conduite de soutirage 34. L'élément de soupape 59 est porté par un diaphrag- me souple 64 qui sépare la chambre 61 d'une autre chambre 65 reliée par une . conduite 66 à la conduite 49 et, par conséquent, à la conduite de refoulement du combustible 19, juste en aval du dispositif 55.
Le diaphragme est chargé par un ressort 67, dans le sens où l'élément de soupape 59 tend à se déplacer, de manière à permettre que le fluide sous pression s'écoule par l'orifice 63, de la conduite de refoulement 19, dans la chambre 62, à l'effet d'augmenter la pression existant dans la chambre 30.
On voit que le diaphragme 64 est soumis à une charge dépendant du débit du combustible dans la conduite 19 et un choix convenable de là force du ressort 67 peut assurer que l'élément de soupape 59 ferme normalement l'orifice 63 mais que, lorsque le débit du combustible dans la conduite de refoulement 19 tombe à une valeur prédéterminée, la soupape 63 s'ouvre pour admettre le fluide sous pression dans la chambre 30, directement depuis la conduite de refoulement 19 (dominant ainsi l'effet de la commande barométrique du débit) et provoquant une augmentation du refoulement du combus- tible.
Ainsi;, avec l'agencement qui vient d'être décrit, dans des condi- tions de marche normales, le débit du combustible dans la conduite de refoule- ment 19 sera tel que la charge appliquée au diaphragme 64 soit suffisante pour vaincre la résistance du ressort 67 et maintenir la soupape 59 dans une position où l'orifice 63 est fermé, si bien que la commande barométrique du débit 27 fonc- tionne pour contrôler le refoulement de la pompe 17.
Toutefois;, lorsque le re- foulement du combustible tombe à une valeur prédéterminée, par exemple dans les conditions régnant pendant une marche au ralenti, spécialement à une certaine altitude, la chute de pression entre les deux côtés du dispositif 55 au point que l'élément de soupape 59 soit déplacé sous la commande du ressort 67 pour ouvrir l'orifice 63 et admettre le fluide sous pression dans la chambre 30, sur- chargeant ainsi, en fait, la pression régnant dans cette chambre. Lorsque cela arrive, le piston 28 se déplace vers la gauche,comme on le voit au dessin, aug- mentant la course des plongeurs 24 de la pompe 17, augmentant le refoulement
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de la pompe 17 et augmentant la chute de pression entre les deux côtés du dis- positif 55.
De cette manière, le débit du combustible vers le moteur tend à se stabiliser à la valeur minimum prédéterminée.
Puisque, dans le cas où l'effet de la commande barométrique du dé- bit se trouve dominé, la chute de pression entre les deux côtés du diaphragme
45 charge le levier 39 de manière à lui faire ouvrir la soupape 40, il est né- cessaire, si la commande destinée à dominer l'effet de la commande barométrique du débit doit fonctionner comme il est décrit, que l'aire effective de la sou- pape 40 soit limitée pour qu'il ne s'écoule pas, hors du servo-système, par la soupape 40, plus de combustible qu'il n'en peut pénétrer dans le servo-système par l'orifice 63.
En se référant maintenant à la figure 3, on y voit, représenté, un agencement dans lequel du fluide supplémentaire sous pression est admis dans la chambre 62 du dispositif 55 au moyen d'un élément de soupape 359, lequel est commandé à la main. Dans cet agencement, l'élément de soupape 359 est porté par un organe 70, qu'une came 71 peut déplacer contre l'action d'un ressort 72.
La came 71 est portée par un arbre 73, commandé à la main.
Un tel agencement peut être utile pour maintenir une servo-pression active dans la chambre 30, en dépit de la défaillance de quelque autre partie de l'appareil à servo-pression normal, par exemple, lors d'un engorgement de l'étranglement d'écoulement 32.
Avec un tel agencement,le mécanisme à soupapes 56, 56a, 57 et 58 peut être supprimé.
Un autre agencement est montré à la figure 4 et dans cet agencement, le dispositif 55 est prévu de manière à maintenir la servo-pression dans la cham- bre 30, de façon à empêcher la pression régnant dans le collecteur 16 de tomber au-dessous d'une valeur prédéterminée. A cet effet, le dispositif 55 comprend un élément de soupape 459 contrôlant l'écoulement du fluide sous pression hors d'une chambre 75,par l'orifice 63, vers la chambre 62. L'élément de soupape
459 est porté par une capsule à vide 76 et la chambre 75 est reliée, par -une conduite 77, soit au collecteur à combustible 16, soit à la conduite de combus- ' tible 21 reliant la vanne régulatrice 20 au robinet 22, la pression régnant dans cette conduite 21 étant sensiblement égale à la pression régnant dans le collec- teur 16.
En fonctionnement, lorsque la pression du fluide se trouvant dans la chambre 75, c'est-à-dire la pression régnant dans les brûleurs de combusti- ble, dépasse une valeur minimum prédéterminée dépendant du taux de la capsule 76, la soupape 459 est fermée, mais lorsque la pression des brûleurs de com- bustible tend à tomber au-dessous de la valeur prédéterminée, la capsule 76 se dilate, ce qui provoque l'ouverture de l'orifice 63 par l'élément de soupape
459 et permet que le fluide sous pression pénètre dans la chambre 62 et domine l'effet de la commande barométrique du débit 27.
En se reportant maintenant à la figure 5, on y voit, illustré, un agencement dans lequel le dispositif 55, chargé de dominer l'effet de la comman- de barométrique du débit 27, est agencé de manière à fonctionner lorsque la vi- tesse de rotation du moteur tend à tomber au-dessous d'une valeur prédéterminée.
Dans cette construction, le dispositif 55 comprend un élément de soupape 559, commandant l'orifice 63, reliant les chambres 61 et 62, et l'élé- ment de soupape 559 est contrôlé par un régulateur centrifuge 78, agencé de ma- nière à être mené depuis le moteur par l'arbre 79 et de manière à déplacer l'é- lément de soupape 559 contre l'action d'un ressort 80, dans un sens où il ferme l'orifice 63, lorsque la vitesse du moteur augmente.- Lorsque la vitesse du mo- teur atteint une valeur prédéterminée, l'orifice 63 est entièrement fermé par l'élément de soupape 559, si bien que la commande barométrique du débit fonc- tionne normalement.
Lorsque, toutefois, la vitesse de rotation du moteur a tendance à tomber au-dessous de la valeur prédéterminée,, l'élément de soupape
559 ouvre l'orifice 63 et permet que le fluide sous pression s'écoule depuis la conduite 19, par la conduite 60 et la chambre 6le dans la chambre 62 et do- mine ainsi l'effet de la commande barométrique du débit 27.
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IMPROVEMENTS RELATING TO FUEL SYSTEMS OF ENGINES
GAS TURBINE-
The present invention relates to fuel systems of gas turbine engines and particularly relates to the type of fuel systems (hereinafter referred to as fuel systems of the specified type) comprising a variable flow pump suitable for to deliver the fuel, through a device with a regulating valve or an equivalent flow regulating device, to the fuel injection devices situated in the combustion apparatus of the engine - and where the flow of the fuel The pump is controlled by a piston and cylinder device or equivalent pressure sensitive device arranged to be responsive to the pressure of a servo fluid.
One of the objects of the present invention is, among other things, to present an improved device intended to regulate the pressure of the servo-fluid to which the piston-cylinder device or the equivalent pressure-sensitive device is sensitive, with the aim of controlling the engine in a desirable way
According to the present invention, a gas turbine engine fuel system of the specified type comprises the combination of a device for effecting a first supply of servo-fluid, under controlled pressure, to a pressure space of said piston device. and cylinder or said equivalent pressure sensitive device, and a controllable valve device, for admitting a second servo-fluid supply to said pressure space,
in order to increase the servo-pressure acting in the pressure space up to a value exceeding the controlled pressure. The controllable valve device can be controlled by hand or = can be actuated automatically, when a selected condition related to the running of the engine is found.
The controllable valve device can be actuated under various conditions, which are preferably predetermined conditions, related to the operation of the engine. For example, in a preferred arrangement, the controllable valve device is actuated to admit additional pressurized fluid into the pressure space, thereby to increase the ser-pressure and tend to increase. the stroke of the pump, so as to maintain
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a predetermined minimum flow of fuel to the engine.
An application of the invention relates to fuel systems of gas turbine engines of the type specified where said device comprises, to perform the first servo-fluid supply, a throttled orifice device connected to the delivery orifice of the pump. fuel, a device for measuring the output flow, arranged in series with said throttled orifice device, so that the fuel flowing from the discharge port of the pump, through said throttled orifice device also flows through said outlet flow measuring device and a control for adjusting said outlet flow measuring device,
so that the pressure prevailing between said throttled orifice device and said outlet flow measuring device is less than the discharge pressure of the fuel and depends on the relative constrictions presented by said throttled orifice device and flow measuring device ., said pressure space being connected between said throttle orifice device and outlet flow measuring device.
By applying the invention to such a fuel system, the controllable valve device can be arranged. so as to connect said pressure space to a source of pressurized fuel the pressure of which is greater than the pressure prevailing between said throttled orifice device and outlet flow measuring device, in order thus to increase the servo pressure prevailing in said pressure space.
In such an application of the invention, if an increase in the servo-pressure prevailing in said pressure space causes an increase in the delivery of the fuel pump, the introduction of the additional pressurized fluid by the device. valve which can be controlled in the pressure space increases the discharge of the pump, for a given speed of rotation of the pump, until it reaches a value greater than that which would have been admitted in normal operation by said throttle orifice device and outlet flow measuring device.
Some arrangements according to the present invention will now be described in their application to a simple jet propulsion gas turbine engine fuel system.
The description refers to the accompanying schematic drawings, where: Figure 1 schematically illustrates a single gas turbine engine and its fuel system; FIG. 2 illustrates, in more detail, an embodiment of a fuel system; FIG. 3 illustrates a variant of the fuel system; Figure 4 illustrates another embodiment of the fuel system and Figure 5 illustrates yet another variant of the fuel system.
Referring to Figure 1, there is shown, illustrated, a gas turbine engine 10 suitable for jet propulsion of an airplane and comprising a compressor 11, illustrated as an axial compressor, a combustion apparatus. tion, comprising a number of separate combustion chambers 12, which combustion chambers are connected to receive the compressed air from the compressor 11, a turbine 13 connected to receive the hot gases from the combustion chambers. combustion 12 and arranged to drive the compressor 11, and an exhaust assembly 14, to which can be connected a jet tube provided with a propulsion jet nozzle (not shown).
The fuel is burned in the compressed air delivered to the combustion chambers 12 and the fuel is introduced into the combustion chambers by the injection devices 15, which may be of any suitable kind and which may be, as shown, supplied with fuel by a manifold 16.
The fuel system intended to supply the manifold 16 with fuel is of the type comprising a pump 17, variable flow rate, driven by the engine and arranged so as to suck the fuel through a suction pipe.
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18, from a reservoir (not shown) and to discharge it in a pipe 19, leading to a regulating valve 20. The outlet side of the regulating valve 20 is connected, by a pipe, to a valve 22, the side of which is outlet is connected to manifold 16. The valve 22 is fully open while the engine is running and is closed when the engine is not running.
Referring to Figure 2, it can be seen that the variable displacement pump is shown therein as a pump of the type of pumps comprising a rotor 23, comprising a series of cylindrical holes 23a, substantially axial, in which the plungers 24 perform. a reciprocating movement, against the action of springs 25, thanks to a mechanism 26 with an inclined plate.
The stroke of the plungers 24 in the holes 23a and hence the volumetric capacity of the pump are determined by the inclination of the plate mechanism, inclined on the axis of rotation of the rotor 23 and, in the same way. In the illustrated arrangement, the inclination of the inclined plate mechanism 26 is controlled by a servo-mechanism, the operation of which is controlled by a device 27, known as the barometric flow control which serves to modify the flow rate. 'supplying fuel to the engine., as desired, according to variations in atmospheric air pressure and also operating at a given atmospheric air pressure to maintain the difference in fluid pressures on both sides of the valve regulator 20, to a predetermined value.
The servo-mechanism is also controlled by a mechanism 128, which operates to prevent the rotational speed of the motor from exceeding a predetermined value. The construction and operation of this mechanism 128 are well known and do not constitute an essential part of the control mechanism according to the present invention.
The servo-mechanism, intended to control the angle of inclination of the inclined plate mechanism 26, comprises a piston 28 dividing a cylinder into two chambers 29 and 30. The chamber 29 is connected, by a pipe 31, to the side. delivery of the pump 17, so that the pressure prevailing in the chamber 29 is the delivery pressure of the fuel prevailing in the pipe 19.
The chamber 30 is also connected to the discharge of the fuel pump 17, by a pipe 31; however, between line 31 and chamber 30 there is a restriction 32 of the flow. A spring 33 is housed in the chamber 30 and biases the piston 28 in the direction of displacement to the left, as can be seen in the drawings, that is to say in the direction of increasing the pressure. the stroke of the plungers 24 and hence the volumetric capacity of the fuel pump 17. The chamber 30 is also connected to a withdrawal line 34, through which the fluid can flow out of the chamber 30.
As is known, when the fluid flows from the chamber 30, through the suction line 34, the pressure of the fluid in the chamber 30 drops (due to the presence of the flow restriction 32). below the pressure prevailing in chamber 29, so that the piston tends to move to the right, as can be seen in the drawings, under the action of the fluid pressure prevailing in chamber 29. When there is no withdrawal flow through the withdrawal pipe 34, the fluid pressures prevailing in the chambers 29 and 30 tend to equalize and the piston 28 tends to move, under the action of the spring 33, towards the maximum stroke position of the plungers 24,
The flow of fluid from chamber 30 through withdrawal line 34 is controlled by barometric flow control 27.
The barometric flow control comprises, in the illustrated arrangement, a body 35, divided into two chambers 36, 37 by means of a flexible diaphragm 38, carrying a rocking lever 39, the ends of which extend. respectively in the two chambers 36 and 37. The end of the lever 39 projecting into the chamber 36 carries a half-ball valve member 40, arranged to engage with a seat surrounding the outlet of the valve. withdrawal line 34 in chamber 36, which chamber is connected, by line 41, to suction pipe 18 of fuel pump 17.
When the loads on the lever are such that the half-ball valve member 40 is firmly seated in its seat, there is no fuel leakage through the draw-off line 34 and the stroke. of the pump 17 increases, and when the loaders acting on the lever 39 tend to lift the half-ball valve element 41 from its seat, the fluid flows from the chamber 30, through the pipe
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draw-off 34, thus reducing the stroke of the plungers 24 of the fuel pump 17. '
The lever 39 is arranged to be controlled by three main loads, as follows:
a) A load depending on the atmospheric pressure of the air and which is applied to the lever 39 by means of a vacuum capsule 42, housed in the chamber 37, which is connected by a pipe 43 to any air point from the plane. When the atmospheric pressure of the air decreases, the capsule expands and increases the load it exerts on the lever 39. The load applied by the capsule 42 is applied in the direction that the valve element is halfway down. -ball 40 tends to be lifted from its seat. b) A charge depending on the difference in fuel pressures prevailing in pipes 19 and 21, on either side of the regulating valve 20.
This load is applied to the lever 39 in the same direction as the load applied by the capsule 42 and is applied by means of a cleat 44, carried by a diaphragm 45, separating a pair of chambers 46 and 47, the chamber 46 being connected, by a pipe 48, to the pipe 21, between the regulating valve 20 and the tap 22, and the chamber 47 being connected, by a pipe 49, to the delivery pipe 19, just upstream of the valve. regulator valve 20, so that the diaphragm is loaded according to the pressure drop between the two sides of the regulator valve 20. c) A spring load., which opposes the loads due to the capsule 42 and the diaphragm 44.
This spring load is applied to the lever 39 by means of a latch 50-, one end of which extends into the chamber 36 and the other end of which extends into a chamber 51, housing a spring 52. , one end 52a of which rests on the cleat 50 and the other end 52b of which rests on an adjusting pressure screw 53. The chamber 51 is connected by a pipe 48a to the pipe 48, this arrangement being adopted in order to compensate for the difference in the effective areas of the sides of the diaphragm 45.
The operation of barometric flow control 27 is well understood and may be briefly described as follows. Under stable atmospheric pressure conditions, an increase in the pressure drop between the two sides of the regulating valve 20 causes an increase in the load applied to the lever 39 by the tab 44, thereby lifting the half-ball valve. 40 from its seat, to allow the fluid to flow, through the withdrawal line 334, out of the chamber 30, which causes a reduction in the stroke of the pump and in the quantity of fluid delivered to the motor. The reduction in the fuel flow rate is such that the pressure drop between the two sides of the regulating valve 20 decreases until the influences of the loads acting on the lever 39 are balanced.
Conversely, as the pressure drop between the two sides of the control valve 20 decreases, the load applied by the tab 44 to the lever 39 decreases, allowing the half-ball valve member 40 to be. applied more firmly against its seat and preventing the flow of fluid out of chamber 30 so that the pump stroke increases until the pressure drop between the two sides of the regulator valve 20 is again such that the influences of the loads acting on the lever 39 are balanced.
As the atmospheric pressure of air decreases, the load exerted on lever 39 by capsule 42 increases, lifting the half-ball valve member 40 from its seat and producing a reduction in stroke. of the fuel pump. Conversely, an increase in atmospheric pressure causes a reduction in the load applied to the lever 39 by the capsule 42 and an increase in the stroke of the fuel pump and in the flow of fuel to the engine.
With a fuel system of the class just described, it may be desirable, under certain operating conditions, to control the control effect of the barometric flow control 27 and, for this purpose, it is provided in accordance with the present invention that when certain conditions exist or when it is desired to dominate the effect of barometric flow control, chamber 30 receives a supply of fluid at a pressure greater than
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the pressure existing in the chamber 30 by the supply of pressurized fluid through the line 3, the flow restriction 32 and the suction line 34.
For example, in some circumstances it is desirable to dominate the effect of barometric flow control 27 in order to prevent fuel flow to the engine from being reduced to less than a predetermined minimum value, so that the possibility of extinguishing the flame in the combustion chambers of the engine, especially at a certain altitude, be avoided. In other words, in some circumstances it is desirable to prevent the pressure of the servo-fluid in chamber 30 from dropping to the level to which it would otherwise be reduced by barometric flow control 27.
In order to avoid the difficulty mentioned above, the following arrangement is adopted. A device 55 is provided, by means of which, when the flow of fuel from the pump 17 and going through the line 19 to the regulating valve 20 falls to a predetermined value, a valve is opened in order to admit the flow. pressurized fluid through the withdrawal line.
34 to chamber 30, a fluid whose pressure exceeds that which would otherwise exist in chamber 30 as a result of the presence of the barometric flow control 27.
The device 55 comprises a valve element 56, cooperating with an orifice 57 and arranged so as to be loaded against the load due to the pressure of the fluid acting on it, by a spring 58 which tends to displace the valve element. valve 56 so that it closes the orifice 57. The head 56a of the valve element 56 has such a shape and the spring 58 has a coefficient such that the difference in the pressures prevailing in the pipe 19, on both sides of the valve. device 55, or proportional to the flow of fuel through the device.
The device 55 also comprises a valve element 59 controlling the flow of pressurized fluid passing from a chamber 61 (which is connected, by a pipe 60, to the fuel delivery pipe 19, upstream of the device 55), by an orifice 63, in a chamber 62, forming part of the withdrawal line 34. The valve element 59 is carried by a flexible diaphragm 64 which separates the chamber 61 from another chamber 65 connected by a. line 66 to line 49 and, consequently, to the fuel delivery line 19, just downstream of device 55.
The diaphragm is loaded by a spring 67, in the direction that the valve element 59 tends to move, so as to allow the pressurized fluid to flow through the orifice 63, of the discharge line 19, into chamber 62, in order to increase the pressure existing in chamber 30.
It will be seen that the diaphragm 64 is subjected to a load dependent on the flow rate of the fuel in the line 19 and a suitable choice of the force of the spring 67 can ensure that the valve element 59 normally closes the orifice 63 but that when the Fuel flow in the discharge line 19 falls to a predetermined value, the valve 63 opens to admit the pressurized fluid into the chamber 30, directly from the discharge line 19 (thus dominating the effect of the barometric control of the flow) and causing an increase in fuel backflow.
Thus, with the arrangement just described, under normal operating conditions, the fuel flow in the discharge line 19 will be such that the load applied to the diaphragm 64 is sufficient to overcome the resistance. spring 67 and hold valve 59 in a position where port 63 is closed so that barometric flow control 27 operates to control discharge from pump 17.
However, when the fuel backflow drops to a predetermined value, for example under the conditions prevailing during idling, especially at a certain altitude, the pressure drop between the two sides of the device 55 so much that the valve member 59 is moved under the control of spring 67 to open port 63 and admit pressurized fluid into chamber 30, thereby in effect overloading the pressure in that chamber. When this happens, the piston 28 moves to the left, as shown in the drawing, increasing the stroke of the plungers 24 of the pump 17, increasing the discharge.
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of the pump 17 and increasing the pressure drop between the two sides of the device 55.
In this way, the flow of fuel to the engine tends to stabilize at the predetermined minimum value.
Since, in the case where the effect of the barometric flow control is dominated, the pressure drop between the two sides of the diaphragm
45 loads the lever 39 so as to cause it to open the valve 40, it is necessary, if the control intended to dominate the effect of the barometric flow control is to operate as described, that the effective area of the flow valve 40 is limited so that more fuel does not flow out of the servo-system through valve 40 than it can enter into the servo-system through orifice 63.
Referring now to Figure 3, there is shown, shown, an arrangement in which additional pressurized fluid is admitted into chamber 62 of device 55 by means of valve member 359, which is manually operated. In this arrangement, the valve element 359 is carried by a member 70, which a cam 71 can move against the action of a spring 72.
The cam 71 is carried by a shaft 73, controlled by hand.
Such an arrangement may be useful in maintaining active servo-pressure in chamber 30, despite the failure of some other part of the normal servo-pressure apparatus, for example, during a bottleneck choke. flow 32.
With such an arrangement, the valve mechanism 56, 56a, 57 and 58 can be omitted.
Another arrangement is shown in Figure 4 and in this arrangement the device 55 is provided so as to maintain the servo-pressure in the chamber 30, so as to prevent the pressure prevailing in the manifold 16 from falling below. of a predetermined value. To this end, the device 55 comprises a valve element 459 controlling the flow of pressurized fluid out of a chamber 75, through the orifice 63, towards the chamber 62. The valve element
459 is carried by a vacuum capsule 76 and the chamber 75 is connected, by a pipe 77, either to the fuel manifold 16, or to the fuel pipe 21 connecting the regulating valve 20 to the tap 22, the pressure prevailing in this pipe 21 being substantially equal to the pressure prevailing in the manifold 16.
In operation, when the pressure of the fluid in the chamber 75, that is to say the pressure prevailing in the fuel burners, exceeds a predetermined minimum value depending on the rate of the capsule 76, the valve 459 is activated. closed, but when the pressure of the fuel burners tends to fall below the predetermined value, the capsule 76 expands causing the orifice 63 to open by the valve member.
459 and allows pressurized fluid to enter chamber 62 and dominate the effect of barometric flow control 27.
Referring now to FIG. 5, there is shown, illustrated, an arrangement in which the device 55, responsible for controlling the effect of the barometric control of the flow rate 27, is arranged so as to operate when the speed motor rotation tends to fall below a predetermined value.
In this construction, the device 55 comprises a valve element 559, controlling the orifice 63, connecting the chambers 61 and 62, and the valve element 559 is controlled by a centrifugal regulator 78, arranged so as to be driven from the engine by the shaft 79 and so as to move the valve element 559 against the action of a spring 80, in a direction that it closes the orifice 63, as the engine speed increases When the engine speed reaches a predetermined value, orifice 63 is fully closed by valve member 559 so that the barometric flow control operates normally.
When, however, the engine rotational speed tends to drop below the predetermined value, the valve member
559 opens port 63 and allows pressurized fluid to flow from line 19, through line 60 and chamber 61 into chamber 62 and thereby dominates the effect of barometric flow control 27.