<Desc/Clms Page number 1>
PERFECTIONNEMENTS RELATIFS AUX SYSTEMES A COMBUSTIBLE POUR MOTEURS A
TURBINE A GAZ.,
Cette invention est relative aux systèmes à combustible pour mo- teurs à turbines à gaz et se rapporte plus particulièrement aux systèmes de 1-,espèce (ci-après désigné comme systèmes à combustible de l'espèce spéci- fiée) dans laquelle un dispositif sensible à la pression, soumis à une pres- sion 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 sélectivement afin de faire varier l'écoulement du combustible se produisant par suite de cette différence de pression.
Le terme "pression d'air atmosphérique". employé dans cette spé- cification, signifie la pression atmosphérique ambiante (c'est-à-dire la pression statique), ou la pression atmosphérique ambiante 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 dair du compresseur du moteur à turbine à gaz. Ainsi, par exemple, une connexion du dispositif sensible à la pression peut être établie en un point de pression statique s-ar l'avion, en un point de pression statique ou de pression totale dans l'entrée dair du compres- seur ou en un point de pression totale sur l'avion.
Une forme connue de système à combustible de l'espèce spécifiée telle qu'elle est utilisée avec des moteurs à turbine à gaz, comprend une pompe du type à capacité variable, la capacité étant contrôlée par un servo- mécanisme comprenant un dispositif à cylindre et piston, soumis à la pression d'un servo-fluide provenant d'une source convenable de fluide sous pression, mécanisme contrôlé lui-même par une valve de réglage de l'écoulement du ser- vo-fluide qui détermine l'écoulement du servo-fluide à partir d'une des faces du piston.
La valve de réglage de l'écoulement est actionnée par l'intermé- diaire dun levier de manoeuvre soumis à Inaction de trois charges principa- les.La première charge est appliquée au levier par une capsule dans laquelle on a fait le vide, soumise antérieurement à la pression de lair atmosphérique,
<Desc/Clms Page number 2>
de telle sorte que la charre augmente avec la diminution de cette pression d'une façon sensiblement proportionnelle à la valeur de celle-ci; la deu- xième charge est appliquée au levier dans le même sens que la première, par l'intermédiaire d'un dispositif sensible à la pression qui est sensi- ble à la différence de pression du combustible à contrôler; et la troisiè- me charge est appliquée au levier par un ressort dans un sens opposé à ce- lui de la première et de la deuxième charge.
De cette façon, la somme des moments dûs aux charges exercées par la capsule à vide et par la différen- ce de pression de combustible contrôlée reste sensiblement constante et égale au moment opposé dû à la charge exercée par le ressorto Ainsi, la valeur de la différence de pression de combustible décroît de façon sensi- blement proportionnelle à la diminution de la pression de l'air atmosphéri- que à laquelle la capsule à vide est soumise.
L'un des objets de la présente invention est de prévoir dans des systèmes à combustible de l'espèce spécifiées un agencement perfectionné de dispositif de réglage du débit du combustible du type à orifices qui per- mette d'obtenir certaines caractéristiques désirables lors du fonctionnement du moteur
Selon la présente invention, dans un système à combustible de l'es- pèce spécifiée, le dispositif de réglage du débit du combustible du type à orifices comprend un premier dispositif à orifice, agencé de telle façon que sa surface effective soit sélectivement variable et que pour chacune des surfaces effectives choisies la chute de pression à travers ce dispositif soit sensiblement proportionnelle au carré du débit du combustible qui le traverse;
et un second dispositif d'orifice, relié hydrauliquement en paral- lèle avec le premier dispositif, ledit second dispositif à orifice étant a- gencé de telle façon que le débit du combustible qui le traverse soit, de façon sensible, directement proportionnel à la chute de pression qu'il pro- duit.
Afin de rendre clair, quoique l'on pense qu'il ressortira du contexte,le fait que là où l'expression "directement proportionnel" est em- ployée dans cet ordre.'d'idée on entend une proportionnalité en ligne droite, entre le débit du combustible et la chute de pression, telle qu'elle puisse être exprimée par la relation : FF=K1+K2PD, où FF représente le débit du combustible, PD la chute de pression et K1 et K2 des constantes convenables.
De préférence, on donne au second dispositif à orifice une carac- téristique, débit de combustible/chute de pression telle que lorsque la sur- face effective choisie du premier dispositif à orifice est petite ou nulle et que par conséquent une partie substantielle ou la totalité du combustible est envoyée au moteur à travers le second dispositif à orifice le débit du combustible, défini par chaque valeur prédéterminée de la différence des pressions exercées sur chacune des faces du dispositif de réglage du débit du combustible du type à orifices telle qu'elle est contrôlée par le dispo- sitif sensible à la pression, soit sensiblement égal 4ux besoins en combusti- ble du moteur, durant le fonctionnement à vide ou à basse puissance, à la pression correspondante de l'air atmosphérique.
L'adoption de l'invention permet d'éviter une caractéristique peu désirable de l'agencement connu de dispositif de réglage du débit du combustible du type à orifice qui ne comprend qu'un orifice de surface ré- glableo La caractéristique peu désirable consiste en ce que, avec un réglage à vide ou à basse puissance de 1 orifice à simple surface réglable, le débit du combustible vers le moteur, et ainsi la vitesse de rotation de.ce dernier', augmente avec la diminution de la pression de l'air atmosphérique.
Cette ca- ractéristique indésirable est due au fait qu'avec l'agencement connu le débit du combustible est à peu près proportionnel à la racine carrée de la diffé- rence prédéterminée des pressions s'exerçant sur chaque face du dispositif de réglage du débit du combustible du type à orifice (et ainsi à la racine carrée de la pression de lair atmosphérique à laquelle le dispositif sen- sible à la pression est soumis) et au fait que les besoins en combustible du moteur sont pratiquement en proportion directe de la pression de l'air atmos- phériqueo D'une façon évidente cette caractéristique peu désirable peut être
<Desc/Clms Page number 3>
évitée par l'adoption de l'invention, étant donné que le second dispositif à orifice présente une caractéristique,
débit de combustible/chute de pression linéaire et que cette caractéristique peut aisément être choisie pour appro- cher la caractéristique pression de lair atmosphérique/besoin du moteur.
Pour la marche à vide ou à basse puissance du moteur, le premier dispositif à orifice est de préférence établi pour avoir une surface effec- tive nulle,, de telle façon que la totalité du combustible, pour la marche à vide ou à basse puissance ne passe que par le second dispositif à orificeo Toutefois, il peut être désirable, dans certaines circonstances, de faire en sorte que, pour le fonctionnement à vide ou à basse puissance, le premier dispositif à orifice ait une petite surface effective, de telle façon qu'une partie des besoins en combustible du moteur, pour la marche à vide ou à basse puissance, passe par le permier dispositif à orifice, le reste passant par le second dispositif à orifice-, placé en parallèle..
La présente invention peut être utilisée en combinaison avec un autre dispositif à orifice supplémentaire tel que.décrit dans la demande conjointe, dispositif à orifice qui présente également une caractéristique débit de combustible/chute de pression, linéaire et qui est placé hydrauli- quement en série avec le premier et le deuxième dispositif à orificeo
Un dispositif à orifice, ayant une caractéristique telle que la chute de pression soit de façon sensible directement proportionnelle à l'é- coulement du combustible qui le traverse est désigné ci-après comme "une valve de débit linéaire!! et peut, avec avantage, comporter un élément de valve conique convenablement proportionné afin de définir, en liaison avec un orifice de valve et avec un ressort agissant sur l'élément de valve,
une surface d'orifice effective donnant la caractéristique linéaire, débit du combustible/chute de pression, désirée.
Une forme de réalisation de l'invention va maintenant être décri- te comme appliquée dans un système à combustible connu pour moteur à turbine à gazo La description est faite avec référence aux dessins annexés dans les- quels :
La figure 1 représente 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 détaillée; la figure 3 est un graphique illustrant leffet de l'invention.
En se référant à la figure 1, on voit illustré un moteur à tur- bine à gaz simple convenant à la propulsion par réaction d'un avion et com- prenant un compresseur 10, illustré comme étant du type à débit axial ; unéquipement de combustion, illustré comme comprenant un certain nombre de cham= bres de combustion 11 reliées à la sortie du compresseur 10 pour en recevoir l'air' comprimé; une turbine 12, pour 1 entraînement du compresseur, reliée de . façon à recevoir les gaz chauds provenant des chambres de combustion 11, et une unité d'échappement 13.
Un tube à réaction,, présentant une tuyère de propulsion (non montrée), peut être reliéà l'extrémité de l'ensemble d'échap- pement 130
Du combustible est brûlé dans les chambres de combustion 11 pour réchauffer l'air envoyé dans celles=ci et le combustible est envoyé dans les chambres de combustion par les dispositifs d'injection du combustible 14 re- liés à une tubulure commune 15 reliée au système d'alimentation en combusti- ble du moteur.
Le système d'alimentation en combustible du moteur est illustré aux figures 1 et 2 et comprend une pompe à combustible 16 entraînée par le moteur/ illustrée comme étant du type à débit variable, qui pompe le combus- tible d'un réservoir à combustible (non montré), par un tuyau d'aspiration 17, et envoie le combustible sous pression dans une conduite 18 reliée à la tubulure 15 qui mené aux dispositifs 14 d'injection du combustibleo
<Desc/Clms Page number 4>
Dans la conduite d'amenée du combustible 18 se trouve un dispo- sitif de réglage du débit du combustible du type à orifices 19 et une soupa- pe d'arrét 20.
La soupape d'arrêt est entièrement ouverte lorsque le moteur est en marche et entièrement fermée lorsque le moteur est au reposo
Le système à combustible comprend également un dispositif 21, désigné ci-après comme dispositif de contrôle barométrique du débit, ce dis- positif étant agencé pour contrôler la différence des pressions dans la con- duite 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 type à orifices 190
La pompe à combustible 16 qui, comme il a été établi, est du ty- pe à débit variable comprend : un rotor de pompe 23 présentant :une série dalésages sensiblement radiaux ; série de plongeurs 24 placés dans les alésages du rotor de pompe 23;
un mécanisme à plateau oscillant 26 coopé- rant avec l'extrémité extérieure des plongeurs de telle façon que, .lors de la rotation du rotor de pompe 23, les plongeurs 24 soient mûs d'un mou- vement alternatif dans les alésages du rotor de pompe 23 par le mécanisme à plateau oscillant 26, à l'encontre de l'action des ressorts 250
La course des plongeurs de pompe 24, et ainsi le débit en com- bustible de la pompe 16, est contrôlée par l'inclinaison du mécanisme à plateau oscillant 26 sur l'axe de rotation du rotor de pompe 23, et il est prévu un servo-mécanisme afin de régler l'angle d'inclinaison du mécanisme à plateau oscillant sur l'axe du rotor de pompe.
Le.servo-mécanisme comprend un piston 27 travaillant dans un cy- lindre divisé en deux chambres 28 et 29, un ressort30 étant logé dans la chambre 29 pour charger le piston 27 en tendant à déplacer ce dernier de fa- çon à augmenter l'angle d'inclinaison du mécanisme à plateau oscillant 26 et ainsi à augmenter la course des plongeurs de pompe 24 et le débit en combus- tible de la pompe. La chambre 28 est reliée par un conduit 28a à l'orifice de décharge du combustible 18a de la pompe 16 de telle sorte que la pression régnant dans la chambre 28 soit la pression du combustible délivré. La cham- bre 29 est également reliée à l'orifice de décharge de la pompe 18a par l'intermédiaire du conduit 28a, mais il est prévu un orifice d'entrée res-' treint 31 vers l'espace 29.
A la chambre 29 sont également reliés un conduit d'écoulement 44 ' et un passage d'écoulement 32. Il est visible que s'il n'existait aucun écou- lement à partir de la chambre 29, les pressions de fluide dans les deux cham- bres 28 et 29 seraient alors égales et le piston 27 serait poussé vers la gau- che (comme représenté aux dessins) pour déplacer le mécanisme à plateau oscil- lant vers la position de course maximum des plongeurs de pompe 240
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 venant de la chambre 29 par le passa- ge 32,
la soupape à demi-bille 33 étant portée par un levier pivotant 36 soumis à l'action d'un ressort 37 agissant dans un sens propre'à appliquer la soupape à demi-bille sur la sortie du passage 32. Le fluide d'écoulement venant du passage 32 passe dans une chambre 34 et de là, par 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 diaphra- gme flexible 39 portant un poussoir 38 qui, dans certaines conditions de fonc- tionnement de la pompe 16, engage le levier 36 pour le faire pivoter dans le sens de levée de la soupape à demi-bille 33. Le diaphragme est relié à un ressort de tension 40 présentant une butée réglable 41 et tendant à maintenir le poussoir 38 hors d'engagement avec le levier 36. La chambre 42 est pressu- risée 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 extrémité à une série d'alésages sensiblement radiaux 43a s'ou vrant dans la chambre 42.
<Desc/Clms Page number 5>
Lorsque la vitesse du moteur,, et par conséquent la vitesse de ro- tation du rotor de pompe 23, augmente la pression régnant dans la chambre 42 croity cette-pression étant établie de telle manière que lorsque la vites- se de rotation du moteur atteint sa valeur maximum permise, la charge de pression du fluide sur le diaphragme 39 soit suffisante pour surpa.sser la force du ressort 40 et permettre au poussoir 38 d'engager le levier 36 a- fin de produire un écoulement du servo-fluide à partir de la chambre 29 et de causer., de ce fait, une diminution de pression dans la chambre 29 et une diminution de la course des plongeurs de pompe.
L'écoulement du servo-fluide, à partir de la chambre 29, par le conduit 44, est réglé par le dispositif de contrôle barométrique 21 de façon à contrôler la différence des pressions existante 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 com- bustible du type à orifices 19, de façon à la rendre sensiblement propor- tionnelle à une pression atmosphérique qui peut être soit la pression atmos- phérique ambiante, soit la pression atmosphérique ambiante telle qu'elle est modifiée par le vol d'un avion, soit encore la pression atmosphérique ambian- te 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 vi- tesse de vol et par les conditions prévalant dans l'entrée d'air du compres- seur 10.
Le dispositif de contrôle barométrique du débit 21 comprend un élément de soupape à demi-bille 45 porté par un levier 46 supporté par un diaphragme flexible 47 séparant le dispositif barométrique de contrôle de la pression en deux chambres 48 et 49. Le servo-fluide sécoulant par le conduit 44 entre dans la chambre 48, sous le contrôle de la soupape à demi- bille 45, et de là, retourne, par un conduit de retour 50, au tuyau d'aspi- ration 170La chambre 49 est reliée par un conduit 52 à un point de pression atmosphérique convenable, sur l'avion ou dans le moteur.
'' Le levier 46 est agencé afin de pouvoir pivoter sous le contrôle de trois charges principales qui sont a) Une charge qui varie en accord avec les variations de la près- sion de l'air atmosphériqueo Cette charge est appliquée au levier par l'inter- médiaire dune'capsule expansible 51 logée dans la chambre 49;
il est visi- ble que, lorsque la pression de l'air atmosphérique décroît, la charge appli- quée au levier 46 par la capsule 51 augmente,, et que,,, lorsque la pression de l'air atmosphérique croit, la charge appliquée par la capsule 51 diminue. La charge appliquée par-la capsule 51 est dirigée de telle sorte qu'elle tende à faire basculer le levier 46 de fagon à soulever la soupape à demi-bille 45.
b) Une charge dépendant de la différence des pressions du combus- tible entre l'aval' et l'amont du dispositif de réglage de l'écoulement du com- bustible du type à orifices 19.*Cette charge est appliquée au levier 46 pla- cé sous le contrôle d'un diaphragme flexible 53 séparant deux 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 de l'écou- lement du combustible du type à orifices 19, et dont la seconde est reliée par un conduit 56, au conduit d'amenée du combustible 18 immédiatement à l'aval du dispositif 19,
Le diaphragme 53 port'e une butée 53a destinée à limiter son mouvement dans le sens tendant à l'écarter du levier 46. La char- ge 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 produite 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 due au ressort est appliquée au levier par l'intermédiaire d'un poussoir 64 portant à son extrémité extérieure une bu- tée 65 coopérant avec un ressort de compression 57 logé dans une chambre 58 séparée de la chambre 48. L'autre butée 66 coopérant avec le ressort 57 est
<Desc/Clms Page number 6>
réglable au moyen d'une vis de réglage 59.
La chambre 58 est reliée par un conduit 60 au conduit 56, de telle façon que les pression régnant dans les. chambres 58 et 62 soient égales ; disposition compense la différence des surfaces effectives du diaphragme 53 due à la présence du poussoir 540
Au cours du fonctionnement du dispositif de contrôle barométri- que de l'écoulement, les moments des charges appliquées au levier 46 par la capsule 51 et par le diaphragme 53 sont, dans des conditions de marche régulière du moteur, équilibrés par le moment de la charge appliquée par le ressort 57.
Si la pression de l'air atmosphérique reste constante, le dis- positif de contrôle barométrique agit pour maintenir la différence de pres- sion à une valeur donnée et si une augmentation non désirée de la différen- ce de pression se produit, la soupape à demi-bille est soulevée en permet- tant ainsi un écoulement à partir de la chambre 29 et une diminution de l'a- limentation en combustible, si une diminution non voulue de la différence de pression se produit, la soupape à demi-bille 45 est fermée plus ferme- ment, de telle sorte que la course de la pompe augmente et que la fourni- ture du combustible, dans le conduit d'amenée du combustible,augmente é- galement.
Lors d'une augmentation de la pression de l'air atmosphérique, la capsule 51 se contracte, diminuant ainsi la charge qu'elle applique sur le levier 46 et augmentant par ce fait la charge, due à la différence de pression du combustible, nécessaire pour équilibrer la charge due au res- sort 47. Donc, lorsque la pression de l'air atmosphérique augmente, la four- niture de combustible augmente. Réciproquement, si la pression de l'air at- mosphérique diminue, la charge due à la capsule augmente et le débit en com- bustible de la pompe 16 diminue afin de réduire la différence des pressions régnant de chaque côté du dispositif 190
La différence des pressions.du combustible est, de façon sensi- ble, directement proportionnelle à la pression de l'air atmosphérique.
Le dispositif de réglage du débit de combustible du type à o- rifices 19 comporte une soupape à étranglement comprenant 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 au moyen d'un levier de contrôle manuel 73, par l'intermédi- aire d'un mécanisme convenable quelconque 72, représenté comme étant un mé- canisme à pignon et crémaillèreo
On a trouvé que si le dispositif.19 ne comprend que l'orifice à surface variable 70, la chute de pression à travers celui-ci est sensible- ment proportionnelle au carré du débit du combustible qui le traverse pour toute valeur donnée du réglage de l'élément de soupape 71, par conséquent, pour toute surface choisie de l'orifice,
la vitesse de rotation du moteur augmente en même temps que la pression atmosphérique diminue par le fait que la quantité de combustible atteignant le moteur excède, en altitude, la quan- tité requise pour maintenir une vitesse de rotation constante.
Cette difficulté est surmontée, pour des réglages de l'orifice à surface variable correspondant au fonctionnement à,haute puissance du mo- teur, par la prévision, comme décrit dans la demande connexe, d'une valve à débit linéaire, hydrauliquement en série avec l'orifice à surface variable 70, et par le fait de rendre la différence controlée des pressions égale à la somme des chutes de pression se produisant à travers la valve à débit li- néaire et à travers l'orifice à surface variable 70. La valve à débit liné- aire comprend un orifice 74 dont la surface effective est agencée pour pou- voir varier par l'intermédiaire d'un élément de soupape 75 soumis à l'action d'un ressort tendant à réduire la surface effective de l'orifice 74.
La par- tie 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 façon, par exem- ple est faite de forme conique, et la valeur du ressort 76 est choisie de tel- le sorte qu'une caractéristique linéaire, débit de combustible/chute de pres- sion, soit obtenue.
<Desc/Clms Page number 7>
Dans des conditions de marche à vide ou à basse puissance d'un moteur à turbine à. gazle combustible demandé par le moteur est sensible- ment en proportion directe de la pression de lair atmosphérique, et la dif- ficulté mentionnée ci-dessus est éliminée, selon la présente invention, pour la marche à vide ou à basse puissance du moteur par l'agencement selon lequel, lorsque le levier de contrôle 73 est réglé pour choisir la marche à vide ou à basse puissance du moteur,, lorifice 70 est entièrement fermé par Isolément de soupape 71, et par la disposition, hydrauliquement en parallèle avec l'o- rifice 70, du dispositif à orifice 77 présentant une caractéristique, débit de combustible/chute de pression,
linéaire. Ainsi avec l'agencement montré, le débit de combustible vers le moteur passe entièrement par le dispositif à orifice 77 et est directement proportionnel à la pression de l'air atmos- phérique puisque, à la fois le dispositif à orifice 77 et le dispositif à o- rifice 74 à 76 ont des caractéristiques débit de combustible/chute de pres- sion, linéaires, et par le fait que la différence des pressions du combusti- ble de part et dautre du dispositif 19 est contrôlée de façon à être pro- portionnelle à la pression de lair atmosphérique par l'intermédiaire du dis- positif de contrôle barométrique de la pression 21.
Le dispositif à orifice 77 comprend un élément de soupape 78 pré- sentant une partie façonnée 78a coopérant avec un orifice 79 afin de régler la surface effective de ce dernier et une paire de ressorts 82 et 83, char- geant Isolément de soupape 78 d'une façon tendant à réduire la surface effec- tive de l'orifice 79o Lorsque le combustible s'écoule par l'orifice 79, la pression du combustible tend à déplacer la soupape 78 dans un sens propre à augmenter la surface effective de l'orifice et il est évident que pour un dé- bit donné de combustible,
l'élément de soupape prendra une position déqui- libre dans laquelle la pression du combustible sur Isolément de soupape 78 est équilibrée par la pression des ressorts 82 et 83.Par un choix convenable de la forme de la partie 78a de l'élément de soupape 78, et par un choix con- venable des valeurs des ressorts 82 et 83, on peut arriver à obtenir que le débit du combustible, à travers l'orifice 79, soit proportionnel à la chute de pression se produisant dans cet orifice.
Le ressort 82 présente une butée 80,réglable au moyen dune vis de réglage 81, afin de régler les caracté- ristiques du dispositif à orifice 770
Si l'on désire simplement rectifier le débit de combustible vers le moteur, afin d'éviter une augmentation de la vitesse avec laltitude pour le réglage à vide et à basse puissance du levier de contrôle 73, la valve 74 à 76 de débit linéaire peut être supprimée et, dans ces circonstances, lors de la marche à vide ou à basse puissance, la différence des pressions, de part et d'autre du dispositif 19, est la chute de pression à travers le dispositif à orifice 77.
En se référant maintenant à la figure 3 qui est un graphique il- lustrant l'effet de l'invention et dans laquelle les débits de combustible FF sont portés en ordonnées et les chutes de pression PD (qui sont propor- tionnelles à la pression de l'air atmosphérique) en abcisses, on voit que la courbe A indique le combustible effectivement demandé par un moteur à propulsion par réaction simple, tel qu'illustré à la figure 1, pour mainte- nir une vitesse de rotation constante à vide ou à basse puissance, pour dif- férentes valeurs de la différence contrôlée des pressions de combustible.
Les lignes verticales Po et P40 indiquent les valeurs auxquelles la diffé- rence de pression, dans le système à combustible, de part et d'autre du dis- positif 19, est réglée, respectivement au niveau du sol et à 40.000 pieds; il est visible que dans ces limites la courbe A est très plate et est appro- ximativement une droiteo En d'autresmots, le combustible demandé par le moteur pour conserver une vitesse constante à vide ou à basse puissance est, de façon sensible directement proportionnel à la pression de l'air atmos- phérique P1.
La courbe B illustre les débits de combustible obtenus avec un orifice unique, tel que le dispositif à orifice 70, ayant une surface effec- tive, à une différence de pression déterminée Po, donnant le débit de combus- tible nécessaire pour maintenir la vitesse à vide choisie au préalable au
<Desc/Clms Page number 8>
niveau du solo Il est visible que pour des valeurs de la différence de pres- sion contrôlée inférieures à Po la courbe B1 s'écarte de la courbe A et que pour toute valeur de la différence de pression autre que la valeur Po, le débit réel de combustible envoyé au moteur excède les besoins de celui-ci.
En d'autres mots, avec un orifice uniqueg tels que l'orifice 70, choisi pour donner le débit de combustible requis, avec la différence de pression déterminée Po, la vitesse de rotation du moteur augmente lorsque la valeur de la différence de pression contrôlée diminue.
La courbe C est une ligne droite et représente les débits de combustible qui sont obtenus avec le dis- positif 19, l'orifice 70 étant entièrement fermé, et il est visible que, par un choix convenable des caractéristiques, débit de combustible/chute de pression, du dispositif à orifice 74 à 76 et du dispositif à orifice 77, ou par un choix convenable des caractéristiques, débit de combustible/chute de pression, du dispositif à orifice 77 seul, là où le dispositif à orifice 74 à 76 est supprimé, le débit du combustible vers le moteur peut être contrôlé pour être sensiblement égal aux besoins en combustible pour cha- cune des pressions de l'air atmosphérique comprise dans la gamme de fonc- tionnemento Autrement dit,
l'agencement du dispositif de réglage du débit du combustible du type à orifices de la présente invention permet de main- tenir une vitesse de rotation du moteur sensiblement constante, dans des conditions de marche à vide ou faible-puissance, indépendamment de l'alti- tude et sans réglage de la surface de l'orifice 70.
Si on le désire, on peut obtenir, lorsque le levier de con- trôle 73 est réglé pour choisir le fonctionnement à vide ou à basse puis- sance du moteur, que l'orifice 70 soit ouvert d'une petite quantité telle qu'une partie du combustible fourni au moteur passe par l'orifice 70 et une partie par l'orifice 79. Dans ces conditions la caractéristique, débit de combustible/chute de pression, d'un dispositif comprenant l'orifice 70 et le dispositif à orifice 77 est une courbe aplatie.
<Desc / Clms Page number 1>
IMPROVEMENTS RELATING TO FUEL SYSTEMS FOR A ENGINES
GAS TURBINE.,
This invention relates to fuel systems for gas turbine engines and relates more particularly to systems of 1-, species (hereinafter referred to as fuel systems of the specified species) in which a sensitive device under pressure, subjected to atmospheric air pressure, acts to maintain a predetermined fuel pressure difference across an orifice type fuel flow control device whose effective orifice area is selectively variable in order to to vary the flow of fuel occurring as a result of this pressure difference.
The term "atmospheric air pressure". used in this specification, means ambient atmospheric pressure (i.e. static pressure), or ambient atmospheric pressure as modified by the flight of an airplane and / or as is affected by the conditions in the air inlet of the compressor of the gas turbine engine. Thus, for example, a connection of the pressure sensitive device can be established at a point of static pressure outside the aircraft, at a point of static pressure or of total pressure in the air inlet of the compressor or at a point of static pressure. a point of total pressure on the plane.
A known form of fuel system of the specified species as used with gas turbine engines comprises a pump of the variable capacity type, the capacity being controlled by a servo mechanism comprising a cylinder device and piston, pressurized by a servo-fluid from a suitable source of pressurized fluid, a mechanism itself controlled by a servo-fluid flow control valve which determines the flow of the servo -fluid from one side of the piston.
The flow control valve is actuated by the intermediary of an operating lever subjected to the Inaction of three main loads. The first load is applied to the lever by a capsule in which a vacuum has been made, previously subjected at atmospheric air pressure,
<Desc / Clms Page number 2>
so that the charre increases with the reduction of this pressure in a manner substantially proportional to the value thereof; the second load is applied to the lever in the same direction as the first, by means of 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 direction opposite to that of the first and second loads.
In this way, the sum of the moments due to the loads exerted by the vacuum capsule and by the controlled fuel pressure difference remains substantially constant and equal to the opposite moment due to the load exerted by the spring. Thus, the value of the The difference in fuel pressure decreases substantially in proportion to the decrease in atmospheric air pressure to which the vacuum capsule is subjected.
It is an object of the present invention to provide in fuel systems of the species specified an improved arrangement of orifice type fuel flow control device which allows certain desirable characteristics to be obtained in operation. of the motor
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 so that its effective area is selectively variable and that for each of the effective surfaces chosen, the pressure drop 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 parallel with the first device, said second orifice device being so arranged that the flow rate of fuel passing therethrough is substantially directly proportional to the head. of pressure that it produces.
In order to make it clear, although one thinks it will emerge from the context, that where the expression "directly proportional" is used in this order. Of idea is meant straight-line proportionality, between the fuel flow rate and the pressure drop, as expressed by the relation: FF = K1 + K2PD, where FF represents the fuel flow rate, PD the pressure drop and K1 and K2 suitable constants.
Preferably, the second orifice device is given a characteristic, fuel flow rate / pressure drop such that when the selected effective area of the first orifice device is small or zero and therefore a substantial part or all of it. of the fuel is sent to the engine through the second orifice device the fuel flow rate, defined by each predetermined value of the difference of the pressures exerted on each of the faces of the orifice type fuel flow adjustment device as it is controlled by the pressure sensitive device, or substantially equal to the fuel requirements of the engine, during idle or low power operation, at the corresponding pressure of atmospheric air.
Adoption of the invention obviates an undesirable feature of the known orifice type fuel flow adjustment device arrangement which includes only an adjustable surface orifice. The undesirable feature is that, with a no-load or low-power setting of 1 orifice with a single adjustable surface, the flow of fuel to the engine, and thus the speed of rotation of the latter, increases with the decrease in the pressure of the engine. atmospheric air.
This undesirable feature is due to the fact that with the known arrangement the fuel flow rate is roughly proportional to the square root of the predetermined difference in pressures exerted on each face of the fuel flow control device. orifice type fuel (and thus to the square root of the atmospheric air pressure to which the pressure sensitive device is subjected) and the fact that the fuel requirements of the engine are substantially in direct proportion to the pressure of the orifice. atmospheric air o Obviously this undesirable characteristic can be
<Desc / Clms Page number 3>
avoided by the adoption of the invention, since the second orifice device has a characteristic,
linear fuel flow / pressure drop and that this characteristic can easily be chosen to approximate the atmospheric air pressure / engine demand characteristic.
For idle or low power operation of the engine, the first orifice device is preferably set up to have zero effective area, such that all of the fuel, for idle or low power operation does not occur. passes only through the second orifice device o However, it may be desirable in certain circumstances to provide that, for idle or low power operation, the first orifice device has a small effective area, so that 'part of the fuel requirements of the engine, for idling or low power, goes through the first orifice device, the rest passing through the second orifice device, placed in parallel.
The present invention can be used in combination with another additional orifice device as described in the joint application, which orifice device also exhibits a fuel flow / pressure drop characteristic, linear and which is hydraulically placed in series. with the first and the second orifice device
An orifice device, having such a characteristic that the pressure drop is substantially directly proportional to the flow of fuel passing through it is hereinafter referred to as "a linear flow valve !! and may with advantage , have a conical valve element suitably proportioned to define, in conjunction with a valve orifice and with a spring acting on the valve element,
an effective orifice area giving the linear characteristic, fuel flow rate / pressure drop, desired.
An embodiment of the invention will now be described as applied in a known fuel system for a gas turbine engine. The description is made with reference to the accompanying drawings in which:
Fig. 1 schematically shows a gas turbine engine and the fuel system thereof; Figure 2 shows the fuel system in more detail; Figure 3 is a graph illustrating the effect of the invention.
Referring to Figure 1, there is illustrated a single gas turbine engine suitable for jet propulsion of an airplane and comprising a compressor 10, illustrated as being of the axial flow type; combustion equipment, illustrated as comprising a number of combustion chambers 11 connected to the outlet of compressor 10 to receive compressed air therefrom; a turbine 12, for 1 compressor drive, connected to. so as to receive the hot gases coming from the combustion chambers 11, and an exhaust unit 13.
A reaction tube, having a propulsion nozzle (not shown), may be connected to the end of the exhaust assembly 130
Fuel is burned in the combustion chambers 11 to heat the air sent therein and the fuel is sent to the combustion chambers by the fuel injection devices 14 connected to a common pipe 15 connected to the system. fuel supply to the engine.
The engine fuel system is illustrated in Figures 1 and 2 and includes an engine driven fuel pump 16 / shown as a variable flow type which pumps fuel from a fuel tank ( not shown), by a suction pipe 17, and sends the fuel under pressure in a pipe 18 connected to the pipe 15 which leads to the fuel injection devices 14.
<Desc / Clms Page number 4>
In the fuel supply line 18 there is an orifice type fuel flow adjustment device 19 and a shut-off valve 20.
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, this device being arranged to control the pressure difference in the duct 18 between two points located one immediately at the same time. 'upstream and the other immediately downstream of the orifice type flow control device 190
The fuel pump 16 which, as has been established, is of the variable flow type comprises: a pump rotor 23 having: a series of substantially radial bores; 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 such that, upon rotation of the pump rotor 23, the plungers 24 are reciprocally moved through the bores of the pump rotor. pump 23 by the swash plate mechanism 26, against the action of the springs 250
The stroke of the pump plungers 24, and thus the fuel flow of the pump 16, is controlled by the inclination of the swash plate mechanism 26 on the axis of rotation of the pump rotor 23, and there is provided a servo mechanism to adjust the tilt angle of the swash plate mechanism on the axis of the pump rotor.
The servo-mechanism comprises a piston 27 working in a cylinder divided into two chambers 28 and 29, a spring 30 being housed in the chamber 29 to charge the piston 27 by tending to move the latter so as to increase the pressure. tilt angle of the swash plate mechanism 26 and thereby increase the stroke of the pump plungers 24 and the fuel flow rate of 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 prevailing in the chamber 28 is the pressure of the fuel delivered. Chamber 29 is also connected to pump discharge port 18a via conduit 28a, but there is a small inlet port 31 to space 29.
Also connected to chamber 29 are a flow conduit 44 'and a flow passage 32. It will be seen that if there was no flow from chamber 29, the fluid pressures in both. chambers 28 and 29 would then be equal and piston 27 would be pushed to the left (as shown in the drawings) to move the swing-plate mechanism to the maximum stroke position of the pump plungers 240
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 half-ball valve 33 being carried by a pivoting lever 36 subjected to the action of a spring 37 acting in a proper direction to apply the half-ball valve to the outlet of the passage 32. The flowing fluid coming from passage 32 passes into a chamber 34 and from there, through a duct 35, to the suction side of the fuel pump 16.
-The chamber 34 is separated from another chamber 42 by a flexible diaphram 39 carrying a pusher 38 which, under certain operating conditions of the pump 16, engages the lever 36 to make it pivot in the lifting direction. of the half-ball valve 33. The diaphragm is connected to a tension spring 40 having an adjustable stopper 41 and tending to keep the pusher 38 out of engagement with the lever 36. The chamber 42 is pressurized by a pump centrifugal 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 end to a series of substantially radial bores 43a opening into the room 42.
<Desc / Clms Page number 5>
When the speed of the motor, and consequently the speed of rotation of the pump rotor 23, increases the pressure prevailing in the chamber 42 increases this pressure being established in such a way 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 override the force of the spring 40 and allow the pusher 38 to engage the lever 36 in order to produce a flow of servo-fluid from it. of the chamber 29 and thereby cause a decrease in pressure in the chamber 29 and a decrease in the stroke of the pump plungers.
The flow of the servo-fluid, from the chamber 29, through the duct 44, is regulated by the barometric control device 21 so as to control the pressure difference existing in the fuel supply duct 18, between two points:
., located one immediately upstream and the other immediately downstream of the orifice type fuel flow adjustment device 19, so as to make it substantially proportional to an atmospheric pressure which can be either the ambient atmospheric pressure, or the ambient atmospheric pressure as modified by the flight of an airplane, or alternatively the ambient atmospheric pressure as modified by the conditions prevailing in the air. air inlet of the compressor 10 or as it. is modified both by the speed of flight and by the conditions prevailing in the air inlet of the compressor 10.
The barometric flow control device 21 comprises a half-ball valve element 45 carried by a lever 46 supported by a flexible diaphragm 47 separating the barometric pressure control device into two chambers 48 and 49. The flowing servo-fluid through duct 44 enters chamber 48, under the control of half-ball valve 45, and from there returns, through return duct 50, to suction pipe 170 Chamber 49 is connected by duct 52 at a suitable atmospheric pressure point, on the airplane or in the engine.
The lever 46 is arranged so as to be able to pivot under the control of three main loads which are a) A load which varies in accordance with the variations in the pressure of the atmospheric air This load is applied to the lever by the intermediate of an expandable capsule 51 housed in chamber 49;
it is visible that, when the pressure of atmospheric air decreases, the load applied to the lever 46 by the capsule 51 increases ,, and that ,,, when the pressure of the atmospheric air increases, the load applied by the capsule 51 decreases. The load applied by the capsule 51 is directed such that it tends to tilt the lever 46 so as to lift the half-ball valve 45.
b) A load depending on the difference in fuel pressures between the downstream and upstream side of the orifice type fuel flow adjuster 19. * This load is applied to lever 46 pla - cé under the control of a flexible diaphragm 53 separating two chambers 61 and 62, the first of which is connected, by a pipe 55, to the fuel supply pipe 18, immediately upstream of the device for adjusting the nut - fuel element of the type with orifices 19, the second of which is connected by a conduit 56, to the fuel supply conduit 18 immediately downstream of the device 19,
The diaphragm 53 carries a stopper 53a intended to limit its movement in the direction tending to move it away from 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 produced 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 due to the spring is applied to the lever by means of a pusher 64 carrying at its outer end a stop 65 cooperating with a compression spring 57 housed in a chamber 58 separate from the chamber 48. The other stopper 66 cooperating with the spring 57 is
<Desc / Clms Page number 6>
adjustable by means of an adjusting screw 59.
The chamber 58 is connected by a conduit 60 to the conduit 56, such that the pressures prevailing in them. rooms 58 and 62 are equal; arrangement compensates for the difference in the effective surfaces of the diaphragm 53 due to the presence of the pusher 540
During the 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 engine running conditions, balanced by the moment of pressure. load applied by spring 57.
If the atmospheric air pressure remains constant, the barometric control device acts to maintain the pressure difference at a given value and if an unwanted increase in the pressure difference occurs, the pressure relief valve. half-ball is raised thereby allowing flow from chamber 29 and decrease in fuel supply, if an unwanted decrease in pressure difference occurs the half-ball valve 45 is closed more firmly, so that the pump stroke increases and the supply of fuel to the fuel supply duct also increases.
When the atmospheric air pressure increases, the capsule 51 contracts, thus reducing the load which it applies to the lever 46 and thereby increasing the load, due to the difference in fuel pressure, required. to balance the load due to the spring 47. Thus, as the atmospheric air pressure increases, the fuel supply 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 each side of the device 190
The difference in fuel pressures is substantially directly proportional to atmospheric air pressure.
The port-type fuel flow regulator 19 comprises a throttle valve comprising 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 71 in the orifice 70 being adjustable by means of a manual control lever 73, through any suitable mechanism 72, shown as a pinion mechanism and rack
It has been found that if the device 19 includes only the variable area orifice 70, the pressure drop across it 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 any chosen area of the orifice,
the rotational speed of the engine increases as the atmospheric pressure decreases because the amount of fuel reaching the engine exceeds, at altitude, the amount required to maintain a constant rotational speed.
This difficulty is overcome, for variable area orifice settings corresponding to high horsepower operation of the engine, by providing, as described in the related application, a linear flow valve, hydraulically in series with the variable area orifice 70, and by making the controlled difference in pressures equal to the sum of the pressure drops occurring through the linear flow valve and through the variable area orifice 70. The Linear flow valve comprises an orifice 74 the effective area of which is arranged to be varied through a valve member 75 subjected to the action of a spring tending to reduce the effective area of the valve. orifice 74.
The part 75a of the valve element 75, that is to say, 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 spring 76 is chosen such that a linear characteristic, fuel flow rate / pressure drop, is obtained.
<Desc / Clms Page number 7>
Under idle or low power conditions from turbine engine to. Gas the fuel demanded by the engine is substantially in direct proportion to the atmospheric air pressure, and the above-mentioned difficulty is eliminated, according to the present invention, for idling or low power operation of the engine by the Arrangement whereby when the control lever 73 is set to choose idle or low engine power, the port 70 is fully closed by valve isolation 71, and by the arrangement, hydraulically in parallel with the o - orifice 70, of the orifice device 77 having a characteristic, fuel flow rate / pressure drop,
linear. Thus with the arrangement shown, the flow of fuel to the engine passes entirely through the orifice device 77 and is directly proportional to the atmospheric air pressure since both the orifice device 77 and the orifice device. orifice 74 to 76 have linear fuel flow / pressure drop characteristics, and in that the difference in fuel pressures on either side of device 19 is controlled so as to be proportional at atmospheric air pressure through the barometric pressure control device 21.
The orifice device 77 comprises a valve member 78 having a shaped portion 78a co-operating with an orifice 79 to adjust the effective area of the latter and a pair of springs 82 and 83, loading the valve insert 78 with. a way tending to reduce the effective area of the orifice 79o When fuel flows through the orifice 79, the fuel pressure tends to move the valve 78 in a direction such as to increase the effective area of the orifice and it is obvious that for a given flow of fuel,
the valve member will assume an equilibrium position in which the fuel pressure on the valve insert 78 is balanced by the pressure of the springs 82 and 83. By proper selection of the shape of the part 78a of the valve member 78, and by a suitable choice of the values of the springs 82 and 83, it is possible to obtain that the flow of fuel, through the orifice 79, is proportional to the pressure drop occurring in this orifice.
The spring 82 has a stop 80, adjustable by means of an adjusting screw 81, in order to adjust the characteristics of the orifice device 770
If it is simply desired to rectify the flow of fuel to the engine, in order to avoid an increase in speed with the altitude for the no-load and low-power adjustment of the control lever 73, the linear flow valve 74 to 76 can be suppressed and, under these circumstances, when running at no load or at low power, the difference in pressures, on either side of device 19, is the pressure drop across orifice device 77.
Referring now to FIG. 3 which is a graph illustrating the effect of the invention and in which the fuel flow rates FF are plotted on the ordinate and the pressure drops PD (which are proportional to the pressure of atmospheric air) on the abscissa, we see that curve A indicates the fuel actually required by a simple jet propulsion engine, as shown in figure 1, to maintain a constant speed of rotation at no load or at low power, for different values of the controlled difference in fuel pressures.
The vertical lines Po and P40 indicate the values at which the pressure difference, in the fuel system, on either side of the device 19, is set, respectively at ground level and at 40,000 feet; it is visible that within these limits the curve A is very flat and is approximately a straight line o In other words, the fuel required by the engine to maintain a constant speed at no load or at low power is, in a sensitive way directly proportional to the atmospheric air pressure P1.
Curve B illustrates the fuel flow rates obtained with a single orifice, such as the orifice device 70, having an effective surface area, at a determined pressure difference Po, giving the fuel flow rate necessary to maintain the speed at vacuum chosen beforehand
<Desc / Clms Page number 8>
solo level It is visible that for controlled pressure difference values less than Po, curve B1 deviates from curve A and that for any value of the pressure difference other than Po value, the actual flow of fuel sent to the engine exceeds its needs.
In other words, with a single orificeg such as orifice 70, chosen to give the required fuel flow, with the determined pressure difference Po, the rotational speed of the engine increases when the value of the controlled pressure difference. decreases.
Curve C is a straight line and represents the fuel flow rates which are obtained with the device 19, the orifice 70 being completely closed, and it is visible that, by a suitable choice of characteristics, the fuel flow rate / drop of pressure, of orifice device 74-76 and orifice device 77, or by a suitable choice of characteristics, fuel flow rate / pressure drop, of orifice device 77 alone, where orifice device 74-76 is omitted , the fuel flow to the engine can be controlled to be substantially equal to the fuel requirements for each of the atmospheric air pressures included in the operating range o In other words,
the arrangement of the orifice type fuel flow control device of the present invention makes it possible to maintain a substantially constant engine rotational speed, under idle or low power conditions, regardless of altitude. - study and without adjustment of the surface of the orifice 70.
If desired, it can be obtained, when the control lever 73 is set to select no-load or low-power operation of the engine, that the orifice 70 is opened by a small amount such as part of the fuel supplied to the engine passes through the orifice 70 and part through the orifice 79. Under these conditions the characteristic, fuel flow rate / pressure drop, of a device comprising the orifice 70 and the orifice device 77 is a flattened curve.