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PERFECTIONNEMENTS RELATIFS AUX SYSTEMES A COMBUSTIBLE POUR MOTEURS A
TURBINE A GAZo
Cette invention concerne les- systèmes à combustible pour moteurs à turbine à gaz et se rapporte particulièrement aux systèmes de l'espèce (dé- signés ci-après comme systèmes à combustible de l'espèce spécifiée) dans.. laquelle un dispositif sensible à la pression, soumis à une pression.d'air atmosphérique, agit pour maintenir une différence de pression de combustible prédéterminée à travers un dispositif de réglage du débit du combustible du type à orifices dont la surface effective des orifices est variable sélecti- vement pour faire varier l'écoulement du combustible se produisant à travers l'orifice, par suite de ladite différence de pression,
et dans laquelle ladi- te différence de pression de combustible prédéterminée est contrôlée par le dispositif sensible à la pression afin d'obtenir un rapport pratiquement en proportion directe de la pression-de 1'air atmosphérique à laquelle le dispo- sitif sensible à la pression est soumis.
Le terme "pression de l'air atmosphérique" employé dans cette spécification, signifie la pression atmosphérique ambiante (c'est-à-dire la pression statique), ou la pression atmosphérique ambiants telle qu'elle est modifiée par le vol d'un avion, et/ou telle qu'elle est modifiée par les con- ditions prévalant'dans-l'entrée d'air vers.le compresseur du moteur à turbi- ne à gaz.
Ainsi, par exemple, une connexion du dispositif sensible à la pres- sion peut être établie vers un point de pression statique sur l'avion, vers un point de pression statique ou un point de pression totale dans l'entrée d'air du compresseur ou vers un point de pression totale sur l'aviono
Une forme connue de système de combustible de l'espèce spécifiée tel qu'elle est utilisée en liaison avec des moteurs à turbine à gaz,, compor- te une pompe du type à capactié variable, la capacité étant contrôlée par un servo-mécanisme comprenant un dispositif à cylindre et piston qui est soumis à une pression de servo-fluide provenant d'une course de pression de fluide convenable et qui est lui-même contrôlé par une valve de réglage de l'écoule- ment du servo-fluide,
laquelle détermine l'écoulement du servo-fluide à partir d'un des côtés du piston. La valve de réglage de l'écoulement est actionnée
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par l'intermédiaire d'un levier de manoeuvre soumis à trois charges principa- les. La première charge est appliquée au levier par une capsule à vide., sou- mise extérieurement à la pression de l'air atmosphérique, telle que la charge augmente avec la diminution de cette pression de façon sensiblement proportion- nelle à la valeur de la pression ;
deuxième charge est appliquée au levier dans le même sens que la première à travers un dispositif sensible à la pres- sion qui est sensible à la différence de pression du combustible à contrôler, et la troisième charge est appliquée au levier par un ressort, dans un sens opposé à celui des première et deuxième charges. De cette façon, la somme des moments produits par les forces exercées par la capsule à vide et par la dif- férence de pression du combustible contrôlée reste sensiblement constante et égale au moment opposé produit par la charge du ressort. Ainsi, la valeur de la différence de pression de combustible diminue, sensiblement en proportion de la diminution de la pression de l'air atmosphérique à laquelle la capsule à vide est soumise.
La présente invention a pour objet de présenter, dans des système s à combustible de l'espèce spécifiée, un agencement perfectionné de dispositif de réglage du débit du combustible du type à orifices, qui donne lieu à certai- nes caractéristiques désirables dans le fonctionnement du moteur.
Selon la présente invention, dans un système de combustible de l'es- pèce spécifiée, le dispositif de réglage du débit du combustible du type à ori- fices comprend : un premier dispositif à orifice agencé de telle sorte que sa surface effective soit variable sélectivement et de telle sorte que, pour tou- te surface effective choisie, la chute de pression produite à travers ce dis- positif soit sensiblement proportionnelle au carré du débit du combustible le traversant, et un second dispositif à orifice, relié hydrauliquement en série avec le premier, ledit second dispositif à orifice étant agencé de telle maniè- re que la chute de pression qu'il produit soit sensiblement proportionnelle au débit du combustible qui le traverse.
Avec un tel agencement du dispositif de réglage du débit du combustible du type à orifice, qui est contrôlée par le dispositif sensible à la pression, est la somme des chutes de pression se produisant à travers lesdits premier et second dispositifs à orifice.
Comme il sera expliqué ci-après, de façon plus détaillée, la dif- férence de pression du combustible contrôlée, dans les arrangements connus jusqu'à présent, est simplement la chute de pression à travers la surface sé- lectivement variable d'un orifice et a pour résultat que l'on obtient une caractéristique de débit du combustible peu désirable. La caractéristique peu désirable consiste habituellement en ce qu'une quantité excessive de combustible est fournie au moteur à haute altitude, pour un réglage donné de la surface de l'orifice, variable pré-sélectivement.
L'adoption de l'invention permet le choix d'une caractéristique, débit de combustible/chute de pression,pour le dispositif de réglage du dé- bit du combustible du type à orifices, telle que l'alimentation en combusti- ble du moteur, pour un réglage donné du premier dispositif à orifice, appro- che de plus près les besoins du moteur.
Selon une caractéristique de l'invention, on donne par conséquent au premier et au second dispositif à orifices des caractéristiques, débit de combustible/chute de pression, telles que, pour une surface effective choisie du premier dispositif à orifice, correspondant à une puissance élevée ou maxi- ma, l'écoulement du combustible à travers le dispositif de réglage du débit du combustible du type à orifices, comme déterminé par chacune des valeurs pré- déterminées de la comme des chutes de pression,
soit sensiblement égal aux be- soins en combustible du moteur à la pression de l'air atmosphérique correspon- danteo
Le dispositif à orifices ayant une caractéristique telle que la chute de pression soit sensiblement proportionnelle au débit du combustible à travers ce dispositif est désigné ci-après comme une "valve d'écoulement linéaire" et peut, de façon appropriée, comprendre un élément de valve conique proportionné de façon convenable afin de former, en rapport avec un orifice de valve et avec un ressort de charge, placé sur l'élément de valve, une sur-
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face d'orifice effective donnant la caractéristique proportionnelle ou liné- aire désirée,
La présente invention peut être utilisée en combinaison avec cel- le décrite dans la- demande conjointe où,
une seconde valve à écoulement linéai- re est disposée hydrauliquement en parallèle avec le dispositif à orifices de surface variable, ladite seconde valve d'écoulement linéaire étant, de pré- férence, agencée pour faire passer la totalité du combustible, exigé dans des conditions de marche à vide ou à basse puissance du moteur.
Une forme de réalisation de l'invention va être maintenant décri- te, appliquée à un système connu à combustible pour un moteur à turbine à gaz.
La description est faite avec référence aux dessins annexés dans lesquels..-
La figure 1 illustre schématiquement un moteur à turbine à gaz et le système à combustible de celui-ci.
La figure 2 représente le système à combustible de façon plus dé- taillée.
Les figures 3 et 4 sont des graphiques illustrant l'effet de l'in- vention
En se référant à la figure l, on voit représenté un moteur à turbi- ne à gaz simple, convenant à la propulsion d'un avion par réaction, et compie- nant -. un compresseur 10 représenté comme étant du type à écoulement axial; un équipement de combustion illustré somme comprenant un certain nombre de cham- bres de combustion 11 reliées à la sortie du compresseur 10 pour en recevoir Pair comprimé; une turbine 12, destinée à entraîner le compresseur, reliée a- fin de recevoir les. gaz chauds provenant des chambres de combustion 11, et une unité d'échappement 13.
Un tube à réaction ayant une tuyère de propulsion (non montrée} peut être relié à l'extrémité de l'ensemble d'échappement 13.
Du combustible est brûlé dans les chambres de combustion 11 pour chauffer Pair qui leur est fourni et le combustible est envoyé dans les cham- bres de combustion par les dispositifs d'injection de combustible 14 qui sont reliés à une tubulure 15, à partir du système d'alimentation en combustible du moteur.
Le système d'alimentation en combustible du moteur est illustré aux figures 1 et 2 et comprend une pompe a'combustible 16,entraînée par le moteur et illustrée comme étant du type à débit variable¯, qui pompe le combus- tible à partir d'un réservoir de combustible (non montré) par un tuyau d'as- piration 17 et le délivre sous pression par un conduit 18, relié à la tubulure 15 conduisant aux dispositifs d'injection du combustible 14.
Un dispositif 19 de réglage de l'écoulement du combustible du ty- pe à orifices et une soupape d'arrêt 20 sont logés dans le conduit d'amenée du combustible 18. La soupape d'arrêt est entièrement ouverte lorsque le moteur fonctionne et entièrement fermée lorsque le moteur est au repos.
Le système de combustible comporte également un dispositif 21, dé- signé ci-après comme dispositif de contrôle barométrique du débit, agencé pour contrôler la différence des pressions dans le- conduit 18 immédiatement à l'a- val et immédiatement à l'amont du dispositif de-réglage du débit du type à ori- fices 19.
La pompe à combustible 16 qui, comme il a été établi., est du type à débit variable, comprend . un rotor de pompe 23 comportant une série d'alé- sages sensiblement axiaux; une série de plongeurs 24 placés dans les alésages du rotor de pompe- 23; un mécanisme à plateau oscillant 26 coopérant avec l'ex- trémité extérieure des plongeurs:-de telles façon que, lors de la rotation du rotor de pompe 23, les plongeurs 24 soient mûs d'un mouvement alternatif dans les alésages du rotor de pompe- 23, par le mécanisme à plateau oscillant 26, à l'encontre de Inaction de ressorts 25.
La course des plongeurs de pompe 24, et ainsi le débit en combus- tible de la pompe 16, est contrôlée par l'inclinaison,sur l'axe de rotation du rotor de pompe 23, du mécanisme à plateau oscillant 26,un servo-mécanisme
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étant prévu pour régler l'angle d'inclinaison du mécanisme à plateau oscillait sur l'axe du rotor de pompe.
Le servo-mécanisme comporte un piston 27 coulissant dans un cylin- dre divisé en deux chambres 28 et 29, un ressort 30 étant logé dans la cham- bre 29 afin de charger le piston 27 en tendant à le déplacer de façon à augmen- ter l'angle d'inclinaison du mécanisme à plateau oscillant 26 et à accroître ainsi la course des plongeurs de pompe 24 et le débit en combustible de la pompe. La chambre 28 est reliée, par un conduit 28a, à l'orifice de déchar- ge du combustible 18a de la pompe 16, de telle sorte que la pression dans la chambre 28 soit la pression de déchage du combustible. La chambre 29 est également reliée à l'orifice .de décharge 18a de la pompe par l'intermédiaire du conduit 28a,mais elle présente en outre un orifice d'entrée étroit 31 vers l'espace 29.
Un conduit d'écoulement 44 et un passage d'écoulement 32 sont également reliés à la chambre 29. Il est visible que, s'il ne se produit au- cun écoulement à partir de la chambre 29 les pressions de fluide sont, dans ce cas, égalee dans les deux chambres 28 et 29 et que le piston 27 est pous- sé vers la gauche (comme représenté aux dessins), de façon à déplacer le mécanisme à plateau oscillant vers la position de course maximum des plongeurs de pompe 24.
Le passage d'écoulement 32 est associé à un mécanisme régulateur de vitesse maxima comprenant un élément de soupape à demi-bille 33 agencé pour .contrôler l'écoulement du fluide, à partir de la chambre 29, à travers le passage 32, la soupape à demi-bille 33 étant portée par un levier monté à pivotement 36 chargé par un ressort 37 dans un sens tendant à appuyer la sou- pape à demi-bille sur la sortie du passage 32. Le fluide, s'écoulant du pas- sage 32, passe dans une chambre 34, et, de là, à travers un conduit 35 vers le côté aspiration de la pompe à combustible 16.
La chambre 34 est séparée d'une autre chambre 42 par un diaphrag- me flexible 39 portant un poussoir 38, qui, dans certaines conditions de fonc- tionnement de la pompe 16, engage le levier 36 pour- le faire basculer dans un sens propre à soulever la soupape à demi-bille 33. Le diaphragme est relié à un ressort de tension 40 présentant une butée ajustable 41, ce ressort 40 tendant à maintenir le poussoir 38 hors d'engagement avec le levier 36. La chambre 42 est pressurisée par une pompe centrifuge formée dans le rotor 23 par un alésage axial central 43 relié, à l'une' de ses extrémités, au côté aspiration de la pompe 16 et, à l'autre de ses extrémités, à une série d'a- lésages sensiblement radiaux 43a s'ouvrant dans la chambre 42.
Lorsque la vitesse du moteur, et par conséquent la vitesse de rotation du rotor de pompe 23, augmente, la pression dans la chambre 42, augmente, et il est prévu.que, lorsque la vitesse de rotation du moteur atteint sa valeur maxima admissible, la charge de pression du fluide sur le diaphragme 39, soit suffisante pour surpasser la force du ressort 40 et pour permettre au poussoir 38 d'engager le levier 36 afin de faire s'écouler le servo-fluide de la chambre 29, occasionnant ainsi une diminution de la pression dans la chambre 29 et une diminution de la course de la pompe.
L'écoulement du servo-fluide, à partir de la chambre 29, à tra- vers le conduit 44, est réglé par le.dispositif de contrôle barométrique du débit 21, de façon à contrôler la différence des pressions dans le conduit d'amenée du combustible 18 entre deux points situés, l'un immédiatement en a- mont et l'autre immédiatement en aval du dispositif de réglage du débit du combustible, du type à orifices 19, afin de la rendre sensiblement proportion- nelle à une pression atmosphérique qui peut être, soit la pression atmosphéri- que ambiante, soit la pression atmosphérique ambiante telle qu'elle est modi- fiée par le vol d'un avion, soit encore la pression atmosphérique ambiante telle qu'elle est modifiée par les conditions prévalant dans l'entrée d'air du compresseur 10 ou telle qu'elle est modifiée, à la fois,
par la vitesse de vol et par les conditions prévalant dans l'entrée d'air du compresseur 10.
Le dispositif de contrôle barométrique du débit 21 comprend une soupape à demi-bille 45 portée par un levier 46 supporté par un diaphragme
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flexible 47 séparant le dispositif de contrôle barométrique de la pression en deux chambres 48 et 49.
Le servo-fluide,s'écoulant à travers le conduit 44, entre dans la chambre 48 sous le contrôle de la soupape à demi-bille 45 et, de là, re- tourne par un conduit de retour 50 vers le tuyau d'aspiration 17. La cham- bre 49 est reliée par un conduit 52 à un point de pression atmosphérique con- venable, sur l'avion, ou dans le moteur.
Le levier 46 est agencé de façon à pivoter sous le contrôle de trois charges principales qui sont : a) Une charge variant selon les variations de la pression de l'air atmosphérique. Cette charge est appliquée au levier par l'intermédiaire d'une capsule expansible 5 1 logée dans la chambre 49; il est visible- que, lorsque la pression atmosphérique décroît, la charge appliquée- au levier 46 par la , capsule 51 augmente et que, lorsque la pression atmosphérique croît, la charge appliquée par la capsule 51. diminue.
La charge appliquée par la capsule 51 agit dans un sens tendant à faire basculer le levier 46 de façon à soulever la soupape à demi-bille 45. b) Une charge dépendant de la différence des pressions de combus- tible dans le conduit d'amenée du combustible 18, entre deux points situés, l'un immédiatement à l'amont et l'autre- immédiatement à l'aval du dispositif de réglage du débit du combustible du type à orifices 19.
Cette charge est appliquée au levier 46 par l'intermédiaire d'un poussoir 54 placé sous le con- trôle d'un diaphragme flexible 53 séparant une paire de chambres 61 et 62 dont la première est reliée par un conduit 55 au conduit d'amenée du combustible 18, immédiatement à l'amont du dispositif de réglage du débit du combustible du type à orifices 19 et dont la seconde est reliée par un conduit 56 au con- duit d'amenée du combustible immédiatement à l'aval du dispositif 19. Le dia- phragme 53 porte une butée 53a afin de limiter ses mouvements dans un sens l' é- car-tant du levier 46.
La charge qui dépend de cette différence de pression dans le conduit d'amenée du combustible 18 est appliquée au levier 46 dans le même sens que la charge due à la capsule 51. c) Une charge, créée par un ressort, appliquée au levier 46 dans un sens opposé aux charges appliquées au levier 46 par la capsule 51 et par le diaphragme 53. La charge du ressort est appliquée au levier par l'inter- médiaire d'un poussoir 64 portant, à son extrémité extérieure, un élément de butée 65 destiné à un'ressort de compression 57 placé dans une chambre 58 séparée de la chambre 48. L'autre butée 66 coopérant avec le ressort 57 est réglable au moyen d'une vis de réglage 59.
La chambre 58 est reliée par un conduit 60 au conduit 56, de telle sorte que les pressions, dans les chambres 58 et 62, soient égales; cet agen- cement compense la différence de surface effective des faces du diaphragme 5 3 due à la présence-du poussoir 54.
Au cours du fonctionnement du dispositif de contrôle barométrique du débit, les'moments des charges appliquées au levier 46 par la capsule 51 et par le diaphragme '53 sont, dans des conditions de marche régulière, équi- librés par le moment de la charge appliquée par le ressort 57, Si la.
pres- sion de l'air atmosphérique reste constante, le dispositif de contrôle baromé- trique du débit agit alors pour garder la différence de pression à une valeur donnée et, si une augmentation non désirée de la différence de pression se produit, la soupape à demi-bille est soulevée., permettant ainsi un écoulement, à partir de la chambre 29,et une réduction du débit du combustible si une diminution non désirée de la différence de pression se produite la soupape à demi-bille 45 est fermée plus fermement}) de telle sorte que la course des plongeurs de pompe augmente et que le débit du combustible dans le conduit d'a- menée du combustible 18 augmente également,,
Lors d'une augmentation de la pres- sion de l'air atmosphérique la capsule 51 se contracte, diminuant la charge qu'elle applique au levier 46 et augmentant ainsi la charge, due à la diffé- rence de pression du combustible, nécessaire pour équilibrer la charge due- au ressort 57. Ainsi, lorsque la pression de l'air atmosphérique augmente, le dé-
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bit du combustible augmenteo Réciproquement, si la pression de l'air atmosphé- rique décroît, la charge due à la capsule augmente et le débit en combustible de la pompe 16 diminue afin de réduire la différence des pressions régnant de part et.d'autre du dispositif 19. La différence des pressions de combustible est sensiblement en proportion directe de la pression de l'air atmosphérique.
Le dispositif de réglage du débit du combustible du type à orifi- ces 19 comprend une soupape à étranglement comportant un orifice 70 dont la surface effective est déterminée par un élément de soupape 71 coopérant avec l'orifice 70, la position de l'élément de soupape 71, dans l'orifice 70, étant réglable., par un levier de contrôle manuel 73, par l'intermédiaire d'un méca- nisme convenable quelconque 72, illustré comme étan+ un mécanisme à pignon et crémaillère.
On a trouvé que, si le dispositif 19 ne comprend que l'orifice à section variable 70, la chute de pression qu'il produit est sensiblement pro- portionnelle au carré du débit du combustible qui le traversepour toute va- leur donnée du réglage de l'élément de soupape 71, par conséquent, pour cer- tains réglages de l'orifice d'écoulement du combustible, soit pour un réglage à haute puissance du levier de contrôle manuel 73, la quantité de combustible fournie au moteur est en excès aux hautes altitudes, de telle sorte que le mo- teur tend à s'emballer.
Pour surmonter cette difficulté il est prévu, dans cette forme de réalisation de l'invention, un dispositif supplémentaire à orifice, placé hy- drauliquement en série avec l'orifice 70, de telle sorte que le combustible s'écoulant par l'orifice 70 s'écoule également par l'autre dispositif à ori- fice.
Le dispositif supplémentaire à orifice comporte un orifice 74 dont la surface effective est agencée pour pouvoir varier sous l'effet d'un élément de soupape 75 chargé par un ressort 76, dans un sens tendant à réduire la sur- face effective de l'orifice 74 La partie 75a de l'élément de soupape 75, c'est-à-dire la partie de l'élément de soupape qui coopère avec l'orifice 74, est conformée de telle manière, par exemple est faite de forme conique, et la valeur du ressort 76 est choisie de telle façon que la chute de pression., à travers l'orifice 74, soit sensiblement proportionnelle au débit du combus- tible passant par l'orifice.
En d'autre mots-., le dispositif supplémentaire à orifice présente une caractéristique de débit dans laquelle la relation en- tre le débit du dispositif à orifice et la chute de pression à travers le dis- positif est une relation linéaire.
La différence de pression, qui est contrôlée par le dispositif de contrôle barométrique de la pression 21, de façon à être sensiblement propor- tionnelle à la pression de L'air atmosphérique, est par conséquent la somme des chutes de pression se produisant à travers les orifices 74 et 70.
L'effet sur l'alimentation en combustible de la prévision d'un dis- positif dé réglage du débit du combustible du type à orifices 19, selon l'in- vention, va être maintenant-décrit avec référence aux graphiques montrés aux figures 3 et 4.
En se référant à la figure 3, dans laquelle les débits de combus- tible FF sont portés en ordonnées et les chutes de pression PD, qui sont pro- portionnelles à une pression de l'air atmosphérique Pl, sont portées en abcis- seson voit que la coube A illustre les besoins réels-en combustible néces- saires pour maintenir une vitesse de rotation maxima constante dans un moteur à réaction simple, tel qu'illustré à la figure 1, pour différentes valeurs de la pression de l'air atmosphérique Pl, et que les lignes Po et P40 indiquent la valeur à laquelle la différence de pression., dans le dispositif 19, est ré- glée respectivement au niveau du sol et à 40.000 pieds.
Il est à remarquer que, comme indiqué, la courbe A passe théorique- nent par l'origine 0.
La courbe B représente les débits de combustible qui peuvent être obtenus,avec une forme connue du dispositif 19 qui comprend simplement l'ori- fice à surface réglable 70, pour un réglage donné de l'élément de soupane 71 tel que la surface de l'orifice 70 donne un débit de combustible égal aux be-
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soins du moteur à la pression atmosphérique Po. Puisque les débits en combus- tiblé sont sensiblement proportionnels à PD, pour le réglage donné de l'élé- ment de soupape 71, la courbe B s'écarte de la courbe A qui est relativement plate, sur l'étendue de la gamme de fonctionnement, c'est-à-dire la gamme des valeurs de PD entre Po et P 40.
En considérant les courbes A et B,il est vi- sible que, pour une augmentation d'altitude et par conséquent pour une diminu- tion de la pression de l'air atmosphérique, le combustible fourni au moteur, avec l'agencement connu, excède considérablement les besoins du moteur pour la vitesse de rotation donnée;, de telle sorte que la vitesse du moteur, avec 1-'agencement connu, augmente avec 1-'altitude pour un réglage constant du le- vier de contrôle manuel 730 Cette augmentation de vitesse est connue comme "poussée barométrique- positive'! et constitue une- particularité indésirable pour les réglages à haute puissance du levier de contrôle de la puissance 73.
En se référant maintenant à la figure 4, on voit, illustrés, des graphiques montrant la relation entre les débits du combustible passant parles dispositifs à orifices tels que l'orifice 70 et l'orifice 74, et les chutes de pression créées par ces orifices.
A la figure 4, la courbe D illustre les chutes de pression obtenues à travers l'orifice à section variable 70 pour des débits de- combustible variés- et pour un réglage choisi de,-l'élément de soupa- pe 71 et la ligne droite E illustre- les chutes de-pression obtenues pour dif- férents débits de combustible, à travers une soupape à débit linéaire formée par l'orifice 74 et l'élément de soupape 75.
La courbe C illustre la somme de ces chutes de pression,, somme qui représente les- chutes de pression totales obtenues pour différents débits de combustible avec un orifice de surface varia- ble tel que l'orifice 70 placé hydrauliquement en série avec une valve de débit linéaire telle que la valve de débit linéaire 74 à 75. La courbe ,0 illustre donc la relation existant entre le débit du combustible à travers le disposi- tif de réglage du débit du combustible du type à orifices 19, comme illustré à la figure 2 des dessins annexés, et la chute de prssion à travers le dis- positif. Il est visible que la courbe C est une courba aplatie analogue à la Tourbe A.
La courbe C est également représentée à la figure 3, par laquelle on peut voir que, par un choix convenable des caractéristiques des deux orifi- ces du dispositif 19, selon l'inventions on pourra obtenir, lorsque, la chute de pression à travers le dispositif .* 19 est contrôlée par le dispositif de con- trôle barométrique de l'écoulement 21, des débita de combustible propres à maintenir une vitesse de rotation du moteur sensiblement constante pour un ré- glage donné du levier de contrôle 73,indépendamment des variations de la pres- sion de l'air atmosphérique.
@ Des courbes analogues sont obtenues pour chaque réglage de l'ori- fice à surface-variable 70.
Le dispositif 19 peut également comprendre un second agencement de valve à débit linéaire 77, tel que décrit et revendiqué dans la demande conjointe. Cette seconde valve à débit linéaire est disposée hydrauliquement en parallèle avec 1?orifice 70 et il est prévu que,, pour le réglage à vide ou à basse puissance du levier de contrôle 73, l'orifice 70 soit entièrement fermée de telle sorte que la totalité du combustible-passe par la valve de dé- bit linéaire 77ou de telle sorte que, pour. un réglage avide ou à basse puis- sance du levier 73, une partie du combustible passe par l'orifice 70 et une partie par la valve de débit linéaire placée en parallèle 77.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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IMPROVEMENTS RELATING TO FUEL SYSTEMS FOR A ENGINES
GAS TURBINE
This invention relates to fuel systems for gas turbine engines and particularly relates to systems of the species (hereinafter referred to as fuel systems of the species specified) in which a device responsive to gas pressure, subjected to atmospheric air pressure, acts to maintain a predetermined fuel pressure difference across an orifice type fuel flow adjuster whose effective orifice area is selectively variable to vary the flow of fuel occurring through the orifice as a result of said pressure difference,
and wherein said predetermined fuel pressure difference is controlled by the pressure sensitive device to obtain a ratio substantially in direct proportion to the pressure of the atmospheric air at which the pressure sensitive device is submitted.
The term "atmospheric air pressure" as used in this specification means ambient atmospheric pressure (i.e., static pressure), or ambient atmospheric pressure as modified by the flight of a aircraft, and / or as modified by conditions prevailing in the air inlet to the compressor of the gas turbine engine.
Thus, for example, a connection of the pressure sensitive device can be made to a static pressure point on the aircraft, to a static pressure point or to a full pressure point in the air inlet of the compressor. or to a point of total pressure on the airplane
A known form of fuel system of the specified species as used in connection with gas turbine engines has a variable-capacity type pump, the capacity being controlled by a servo-mechanism comprising a cylinder and piston device which is subjected to a servo-fluid pressure from a suitable fluid pressure stroke and which is itself controlled by a servo-fluid flow control valve,
which determines the flow of servo-fluid from one side of the piston. Flow control valve is actuated
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via an operating lever subjected to three main loads. The first load is applied to the lever by a vacuum capsule, subjected externally to the pressure of atmospheric air, such that the load increases with the decrease of this pressure in a manner substantially proportional to the value of the pressure. ;
second load is applied to the lever in the same direction as the first through a pressure sensitive device which is sensitive to the pressure difference of the fuel to be controlled, and the third load is applied to the lever by a spring, in a opposite direction to that of the first and second charges. In this way, the sum of the moments produced by the forces exerted by the vacuum capsule and by the controlled fuel pressure difference remains substantially constant and equal to the opposite moment produced by the spring load. Thus, the value of the fuel pressure difference decreases, substantially in proportion to the decrease in atmospheric air pressure to which the vacuum capsule is subjected.
It is the object of the present invention to provide, in fuel systems of the specified species, an improved orifice type fuel flow control arrangement which gives rise to certain desirable characteristics in the operation of the orifice. engine.
According to the present invention, in a fuel system of the specified species, the orifice type fuel flow control device comprises: a first orifice device arranged such that its effective area is selectively variable. and such that, for any effective area chosen, the pressure drop produced across this device is substantially proportional to the square of the flow rate of the fuel passing through it, and a second orifice device, hydraulically connected in series with the first, said second orifice device being so arranged that the pressure drop which it produces is substantially proportional to the flow rate of the fuel passing through it.
With such an arrangement of the orifice type fuel flow adjusting device, which is controlled by the pressure sensitive device, is the sum of the pressure drops occurring through said first and second orifice devices.
As will be explained in more detail below, the fuel pressure difference controlled, in arrangements known heretofore, is simply the pressure drop across the selectively varying area of an orifice. and results in an undesirable fuel flow characteristic. The undesirable characteristic is usually that an excessive amount of fuel is supplied to the engine at high altitude, for a given setting of the orifice area, which is preselectively variable.
Adoption of the invention allows the choice of a characteristic, fuel flow rate / pressure drop, for the orifice type fuel flow control device, such as the fuel supply to the engine. , for a given setting of the first orifice device, more closely approximates the needs of the engine.
According to one characteristic of the invention, the first and second orifice device are therefore given characteristics, fuel flow rate / pressure drop, such that, for a chosen effective area of the first orifice device, corresponding to a high power or maximum, the flow of fuel through the orifice type fuel flow adjuster, as determined by each of the predetermined values of the such as pressure drops,
is substantially equal to the fuel requirements of the engine at the correspon- ding atmospheric air pressure
The orifice device having a characteristic such that the pressure drop is substantially proportional to the flow of fuel through that device is hereinafter referred to as a "linear flow valve" and may suitably include a valve member. suitably proportioned conical to form, in connection with a valve orifice and with a load spring, placed on the valve element, an over-
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effective orifice face giving the desired proportional or linear characteristic,
The present invention can be used in combination with that described in the joint application where,
a second linear flow valve is hydraulically disposed in parallel with the variable area orifice device, said second linear flow valve preferably being arranged to pass all of the fuel required under conditions of idling or low engine power.
An embodiment of the invention will now be described applied to a known fuel system for a gas turbine engine.
The description is made with reference to the accompanying drawings in which ..-
Figure 1 schematically illustrates a gas turbine engine and the fuel system thereof.
Figure 2 shows the fuel system in more detail.
Figures 3 and 4 are graphs illustrating the effect of the invention
Referring to Figure 1, there is shown a simple gas turbine engine, suitable for jet propulsion of an aircraft, and comprising -. a compressor 10 shown to be of the axial flow type; illustrated combustion equipment comprising a number of combustion chambers 11 connected to the outlet of compressor 10 for receiving compressed air therefrom; a turbine 12, intended to drive the compressor, connected in order to receive them. hot gases from the combustion chambers 11, and an exhaust unit 13.
A reaction tube having a propellant nozzle (not shown} can be connected to the end of the exhaust assembly 13.
Fuel is burned in the combustion chambers 11 to heat the air supplied to them and the fuel is sent to the combustion chambers through the fuel injection devices 14 which are connected to a manifold 15, from the system. fuel supply to the engine.
The engine fuel system is shown in Figures 1 and 2 and includes a fuel pump 16, driven by the engine and shown to be of the variable flow type, which pumps fuel from the engine. a fuel tank (not shown) via a suction pipe 17 and delivers it under pressure via a conduit 18, connected to the pipe 15 leading to the fuel injection devices 14.
A device 19 for adjusting the flow of fuel of the orifice type and a shut-off valve 20 are housed in the fuel supply pipe 18. The shut-off valve is fully open when the engine is running and fully. closed when the engine is at rest.
The fuel system also comprises a device 21, hereinafter referred to as a barometric flow control device, arranged to control the pressure difference in the duct 18 immediately upstream and immediately upstream of the flow. orifice type flow control device 19.
The fuel pump 16 which, as has been established., Is of the variable flow type, comprises. a pump rotor 23 comprising a series of substantially axial bores; a series of plungers 24 placed in the bores of the pump rotor 23; a swash plate mechanism 26 cooperating with the outer end of the plungers: in such a way that, during the rotation of the pump rotor 23, the plungers 24 are moved in a reciprocating motion in the bores of the pump rotor - 23, by the swash plate mechanism 26, against Inaction of springs 25.
The stroke of the pump plungers 24, and thus the fuel flow of the pump 16, is controlled by the inclination, on the axis of rotation of the pump rotor 23, of the swash plate mechanism 26, a servo. mechanism
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being provided to adjust the angle of inclination of the plate mechanism oscillated on the axis of the pump rotor.
The servo-mechanism comprises a piston 27 sliding in a cylinder divided into two chambers 28 and 29, a spring 30 being housed in the chamber 29 in order to load the piston 27 by tending to move it so as to increase. the angle of inclination of the swash plate mechanism 26 and thereby increasing the stroke of the pump plungers 24 and the fuel flow to the pump. The chamber 28 is connected, by a conduit 28a, to the fuel discharge port 18a of the pump 16, so that the pressure in the chamber 28 is the fuel release pressure. The chamber 29 is also connected to the discharge port 18a of the pump via the conduit 28a, but it further has a narrow inlet port 31 to the space 29.
A flow conduit 44 and a flow passage 32 are also connected to the chamber 29. It will be seen that, if no flow occurs from the chamber 29, the fluid pressures are, in this case. case, equal in the two chambers 28 and 29 and that the piston 27 is pushed to the left (as shown in the drawings), so as to move the swash plate mechanism to the maximum stroke position of the pump plungers 24.
The flow passage 32 is associated with a maximum speed regulating mechanism comprising a half-ball valve member 33 arranged to control the flow of fluid from the chamber 29 through the passage 32, the valve. with a half-ball 33 being carried by a pivotally mounted lever 36 loaded by a spring 37 in a direction tending to press the half-ball valve on the outlet of the passage 32. The fluid, flowing from the passage 32, passes into a chamber 34, and from there through a conduit 35 to the suction side of the fuel pump 16.
The chamber 34 is separated from another chamber 42 by a flexible diaphragm 39 carrying a pusher 38 which, under certain operating conditions of the pump 16, engages the lever 36 to cause it to swing in a proper direction. lifting the half-ball valve 33. The diaphragm is connected to a tension spring 40 having an adjustable stopper 41, this spring 40 tending to keep the pusher 38 out of engagement with the lever 36. The chamber 42 is pressurized by a centrifugal pump formed in the rotor 23 by a central axial bore 43 connected at one of its ends to the suction side of the pump 16 and, at the other of its ends, to a series of holes substantially radial 43a opening into the chamber 42.
When the speed of the motor, and therefore the speed of rotation of the pump rotor 23, increases, the pressure in the chamber 42 increases, and it is expected that when the speed of rotation of the motor reaches its maximum allowable value, the pressure load of the fluid on the diaphragm 39, is sufficient to exceed the force of the spring 40 and to allow the pusher 38 to engage the lever 36 in order to cause the servo-fluid to flow from the chamber 29, thus causing a decrease in pressure in chamber 29 and decrease in pump stroke.
The flow of the servo-fluid, from the chamber 29, through the duct 44, is regulated by the barometric flow control device 21, so as to control the difference in pressures in the supply duct. fuel 18 between two points situated, one immediately upstream and the other immediately downstream of the device for adjusting the fuel flow, of the orifice type 19, in order to make it substantially proportional to atmospheric pressure which can be either ambient atmospheric pressure, or ambient atmospheric pressure as modified by the flight of an airplane, or also ambient atmospheric pressure as modified by the conditions prevailing in the air inlet of the compressor 10 or as modified, both,
by the flight speed and by the conditions prevailing in the air inlet of the compressor 10.
The barometric flow control device 21 comprises a half-ball valve 45 carried by a lever 46 supported by a diaphragm
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flexible 47 separating the barometric pressure monitoring device into two chambers 48 and 49.
The servo-fluid, flowing through the conduit 44, enters the chamber 48 under the control of the half-ball valve 45 and from there returns through a return conduit 50 to the suction pipe. 17. Chamber 49 is connected by conduit 52 to a suitable atmospheric pressure point, on the aircraft, or in the engine.
The lever 46 is arranged so as to pivot under the control of three main loads which are: a) A load varying according to the variations in the pressure of the atmospheric air. This load is applied to the lever by means of an expandable capsule 5 1 housed in the chamber 49; it can be seen that as the atmospheric pressure decreases the load applied to the lever 46 by the capsule 51 increases and that as the atmospheric pressure increases the load applied by the capsule 51 decreases.
The load applied by the capsule 51 acts in a direction tending to tilt the lever 46 so as to lift the half-ball valve 45. b) A load depending on the difference in the fuel pressures in the supply duct. fuel 18, between two points located, one immediately upstream and the other immediately downstream of the orifice type fuel flow adjustment device 19.
This load is applied to the lever 46 by means of a pusher 54 placed under the control of a flexible diaphragm 53 separating a pair of chambers 61 and 62, the first of which is connected by a duct 55 to the supply duct. fuel 18, immediately upstream of the orifice type fuel flow adjustment device 19 and the second of which is connected by a conduit 56 to the fuel supply conduit immediately downstream of the device 19. The diaphragm 53 carries a stopper 53a in order to limit its movements in one direction beyond the lever 46.
The load which depends on this pressure difference in the fuel supply duct 18 is applied to the lever 46 in the same direction as the load due to the capsule 51. c) A load, created by a spring, applied to the lever 46 in a direction opposite to the loads applied to the lever 46 by the capsule 51 and by the diaphragm 53. The load of the spring is applied to the lever by means of a pusher 64 carrying, at its outer end, a stop element 65 intended for a compression spring 57 placed in a chamber 58 separate from the chamber 48. The other stop 66 cooperating with the spring 57 is adjustable by means of an adjusting screw 59.
The chamber 58 is connected by a conduit 60 to the conduit 56, so that the pressures in the chambers 58 and 62 are equal; this arrangement compensates for the difference in effective area of the faces of the diaphragm 5 3 due to the presence of the pusher 54.
During operation of the barometric flow control device, the moments of the loads applied to the lever 46 by the capsule 51 and by the diaphragm '53 are, under regular running conditions, balanced by the moment of the applied load. by the spring 57, If the.
Atmospheric air pressure remains constant, the barometric flow control device then acts to keep the pressure difference at a given value and, if an unwanted increase in the pressure difference occurs, the valve to half-ball is raised., thus allowing flow, from chamber 29, and reduction in fuel flow if an unwanted decrease in pressure difference occurs, half-ball valve 45 is closed more firmly} ) so that the stroke of the pump plungers increases and the fuel flow rate in the fuel feed duct 18 also increases ,,
When the pressure of atmospheric air increases, the capsule 51 contracts, decreasing the load which it applies to the lever 46 and thus increasing the load, due to the difference in fuel pressure, necessary for balance the load due to the spring 57. Thus, when the atmospheric air pressure increases, the de-
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The bit of the fuel increases Conversely, if the pressure of the atmospheric air decreases, the load due to the capsule increases and the fuel flow rate of the pump 16 decreases in order to reduce the difference in the pressures prevailing on either side. of device 19. The difference in fuel pressures is substantially in direct proportion to atmospheric air pressure.
The orifice type fuel flow adjustment device 19 comprises a throttle valve having an orifice 70, the effective area of which is determined by a valve member 71 co-operating with the orifice 70, the position of the valve member. valve 71, in port 70, being adjustable, by a manual control lever 73, through any suitable mechanism 72, shown as being + a rack and pinion mechanism.
It has been found that, if the device 19 comprises only the orifice of variable cross-section 70, the pressure drop which it produces is substantially proportional to the square of the flow rate of the fuel passing through it for any given value of the setting of. the valve element 71, therefore, for certain settings of the fuel flow orifice, i.e. for a high power setting of the manual control lever 73, the amount of fuel supplied to the engine is in excess of the high altitudes, so that the engine tends to run away.
In order to overcome this difficulty, in this embodiment of the invention, an additional orifice device is provided, placed hydraulically in series with the orifice 70, so that the fuel flowing through the orifice 70 also flows through the other orifice device.
The additional orifice device comprises an orifice 74 the effective area of which is arranged to be able to vary under the effect of a valve element 75 loaded by a spring 76, in a direction tending to reduce the effective area of the orifice. 74 The part 75a of the valve element 75, i.e. the part of the valve element which cooperates with the orifice 74, is shaped in such a way, for example is made of conical shape, and the value of the spring 76 is chosen such that the pressure drop across the orifice 74 is substantially proportional to the flow rate of the fuel passing through the orifice.
In other words, the additional orifice device has a flow characteristic in which the relationship between the flow rate of the orifice device and the pressure drop across the device is a linear relationship.
The pressure difference, which is controlled by the barometric pressure monitoring device 21, so as to be substantially proportional to the pressure of atmospheric air, is therefore the sum of the pressure drops occurring across the pressure drops. ports 74 and 70.
The effect on the fuel supply of providing an orifice type fuel flow adjusting device 19 according to the invention will now be described with reference to the graphs shown in Figures 3. and 4.
Referring to FIG. 3, in which the fuel flow rates FF are plotted on the ordinate and the pressure drops PD, which are proportional to an atmospheric air pressure P1, are plotted on the abscission line. that curve A illustrates the actual fuel requirements necessary to maintain a constant maximum rotational speed in a single jet engine, as shown in figure 1, for different values of the atmospheric air pressure Pl , and that the lines Po and P40 indicate the value at which the pressure difference in the device 19 is set respectively at ground level and at 40,000 feet.
It should be noted that, as indicated, the curve A theoretically passes through the origin 0.
Curve B represents the fuel flow rates which can be obtained, with a known form of device 19 which simply comprises the adjustable surface orifice 70, for a given setting of the valve element 71 such as the surface of the valve. orifice 70 gives a fuel flow equal to the needs
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care of the engine at atmospheric pressure Po. Since the fuel flow rates are substantially proportional to PD, for the given setting of the valve element 71, curve B deviates from curve A which is relatively flat. , over the extent of the operating range, i.e. the range of PD values between Po and P 40.
Considering the curves A and B, it can be seen that, for an increase in altitude and consequently for a decrease in the atmospheric air pressure, the fuel supplied to the engine, with the known arrangement, considerably exceeds the requirements of the motor for the given rotational speed ;, so that the speed of the motor, with the known arrangement, increases with 1 -altitude for constant adjustment of the manual control lever 730 This increase speed is known as "positive barometric thrust" and is an undesirable feature for the high power settings of the power control lever 73.
Referring now to Figure 4, there are illustrated graphs showing the relationship between the flow rates of fuel passing through orifice devices such as orifice 70 and orifice 74, and the pressure drops created by these orifices. .
In FIG. 4, curve D illustrates the pressure drops obtained through the variable section orifice 70 for various fuel flow rates and for a chosen setting of, the valve element 71 and the line. Right E illustrates the pressure drops obtained for different fuel flow rates, through a linear flow valve formed by orifice 74 and valve element 75.
Curve C illustrates the sum of these pressure drops, which represents the total pressure drops obtained for different fuel flow rates with an orifice of variable surface such as orifice 70 hydraulically placed in series with a relief valve. linear flow such as the linear flow valve 74 to 75. The curve, 0 therefore illustrates the relationship between the fuel flow through the orifice type fuel flow adjustment device 19, as shown in figure 2 of the accompanying drawings, and the pressure drop through the device. It is visible that curve C is a flattened curve similar to Peat A.
Curve C is also represented in FIG. 3, by which it can be seen that, by a suitable choice of the characteristics of the two ports of the device 19, according to the invention, it will be possible to obtain, when, the pressure drop across the device. * 19 is controlled by the barometric flow control device 21, fuel flow rates suitable for maintaining a substantially constant engine rotation speed for a given setting of the control lever 73, independently of the variations atmospheric air pressure.
@ Similar curves are obtained for each adjustment of the surface-variable orifice 70.
Device 19 may also include a second linear flow valve arrangement 77, as described and claimed in the joint application. This second linear flow valve is hydraulically arranged in parallel with the port 70 and it is provided that, for the vacuum or low power adjustment of the control lever 73, the port 70 is fully closed so that the valve all of the fuel passes through the linear flow valve 77 or so that, for. a greedy or low power adjustment of the lever 73, part of the fuel passes through the orifice 70 and part through the linear flow valve placed in parallel 77.
CLAIMS.
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