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PERFECTIONNEMENTS AUX SYSTEMES A COMBUSTIBLE POUR MOTEURS A TURBINE
A GAZ OU ANALOGUES,
L'invention se rapporte aux systèmes à combustible de l'espèce comprenant un dispositif de pompage pour mettre le combustible liquide sous pression, des dispositifs à brûleurs ou à injecteurs (nommés ci-dessous in- jecteurs) situés dans le dispositif de combustion du moteur, et des disposi- tifs de contrôle destinés à modifier de la manière désirée l'alimentation en combustible liquide des injecteurs, par le système de pompage.
Un système à combustible connu de cette espèce comprend une pom- pe de l'espèce volumétrique et à capacité sensiblement constante pour mettre le combustible sous pression, laquelle pompe est entraînée par le moteur, et le débit du combustible vers les injecteurs est contrôlé par un dispositif étrangleur, le combustible en excès, non fourni à l'appareil de combustion, étant rendu à ladmission de la pompe, sous le contrôle d'une soupape de dé- tente, par une conduite partant d'un point intermédiaire entrer la pompe et le dispositif étrangleur; la conduite de retour est nécessaire, dans certai- nes conditions de marche, pour laisser passer le combustible avec un grand débit.
Afin d'éviter l'emploi d'une telle conduite de retour partant de la soupape de détente, un autre système bien connu de l'espèce susmentionnée comprend une pompe volumétrique à capacité volumétrique réglable et un dis- positif étrangleur ou équivalent pour contrôler le débit du combustible vers les dispositifs injecteurs, la capacité volumétrique de la pompe étant modi-- fiée pour la rendre conforme aux besoins en combustible du moteur; de cette manière, l'emploi d'une conduite de retour de by-pass, apte à laisser passer de grands débits de combustible, peut être évité.
Le principal objet de la présente invention est de procurer un système à combustible ayant les caractéristiques désirables de ce dernier système, tout en évitant l'emploi de pompes volumétriques à capacité varia- ble, le dessin et la construction desquelles impliquent l'emploi de mécanismes
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compliqués, destinés au contrôle de la capacité volumétrique.
Selon la présente invention, un système à combustible pour moteur à turbine à gaz de l'espèce susmentionnée comprend un système de pompage pour mettre le combustible sous pression, comprenant la combinaison avec une pompe centrifuge entraînée par le moteur, d'une pompe volumétrique refoulant le com- bustible en parallèle avec la pompe centrifuge.
L'emploi d'une pompe centrifuge pour mettre le combustible sous pression présente l'avantage important de simplifier le système à combustible en supprimant la nécessité du mécanisme relativement compliqué d'une pompe volumétrique à capacité variable. Toutefois, une pompe centrifuge a une ca- ractéristique de débit qui rend généralement ce type de pompe non satisfai- sant dans un système à combustible de turbine à gaz, dans les conditions de démarrage et de marche à faible puissance, c'est-à-dire lorsque la vitesse de rotation du moteur, et donc la vitesse à laquelle la pmpe est menée, est petite.
Pour vaincre cette difficulté, l'invention donne une pompe du type volumétrique, destinée à fonctionner en parallèle avec la pompe centrifuge entraînée par le moteur, la capacité de la pompe volumétrique étant choisie de manière'à avoir des caractéristiques de débit appropriées dans les con- ditions de marche à faible puissance du moteur, pour faire face aux besoins en comubstible dans de telles conditions.
L'invention trouve une application importante dans les sytèmes à combustible de l'espèce connue dans lesquels l'agencement de l'appareil d'injection comprend à la fois des injecteurs secondaires de combustible et des injecteurs de combustible principaux. Dans un tel agencement, le combus- tible pour le démarrage et pour la marche à faible puissance du moteur est fourni au moteur par l'intermédiaire des injecteurs secondaires et le combus- tible pour la marche à grande puissance du moteur est fourni au moteur par l'intermédiaire des injecteurs principaux, l'apport de combustible par les injecteurs secondaires étant, au choix, discontinu ou non.
Les injecteurs secondaires sont construits de manière à avoir des caractéristiques efficaces d'atomisation ou de débit pour de petits dé- bits de combustible, et les injecteurs de combustible principaux sont cons- truits de manière à avoir de telles caractéristiques intéressantes pour des débits de combustible élevés, sans nécessiter des pressions de refoulement de combustible excessivement élevées, de la part du système de pompage, met- tant le combustible sous pression.
Ainsi, selon une particularité de la présente invention, un sys- tème à combustible de l'espèce susmentionnée et comprenant des injecteurs de combustible secondaires et principaux, comprend une pompe centrifuge, en- traînée par le moteur, refoulant le combustible vers les injecteurs princi- paux, et une pompe volumétrique, entraînée par le moteur, refoulant le com- bustible vers les injecteurs secondaires.
Dans un système à combustible selon l'invention, la pompe volumé- trique est de préférence du type à capacité fixe, et une soupape de détente peut être prévue du côté refoulement de la pompe, pour maintenir une pression de refoulement maximum prédéterminée du combustible de cette pompe, et comme la pompe volumétrique ne fournit qu'une faible partie du maximum de combusti- ble, exigé par le moteur, le débit passant par la soupape de détente sera faible par comparaison au débit total vers le moteur.
La pompe volumétrique peut être, par exemple, une pompe de type à palettes excentriques, une pompe du type à piston et.cylindre, ou une pom- pe du type à engrenages.
Dans une forme de réalisation avantageuse de l'objet de l'inven- tion appliqué à un système à combustible de moteur à turbine à gaz, ayant des injecteurs principaux et secondaires,la pompe centrifuge et son système de refoulement vers les injecteurs principaux sont hydrauliquement séparés de la pompe volumétrique et de son système de refoulement vers les injecteurs secondaires, de manière qu'en fait, les pompes refoulent en parallèle vers le moteur. Les admissions de la pompe centrifuge et de la pompe à capacité
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fixe peuvent être branchées sur une conduite d'aspiration de combustible com- mune.
Selon une particularité importante de la présente invention, des dispositions peuvent être prises pour filtrer le combustible entrant dans la pompe à capacité fixe dans un filtre à mailles fines. Cette mesure présente l'avantage que la pompe à capacité fixe, qui a des surfaces d'étanchéité à faible jeu, en mouvement relatif, est protégée des dommages par la crasse et que les orifices relativement petits des becs des brûleurs ou injecteurs se- condaires sont protégés contre l'obstruction par la crasse, tandis que les fortes pertes de pression du côté admission de la pompe centrifuge, dues au passage de grandes quantités de combustible par un filtre fin, sont évitées.
Un filtre grossier peut, toute.fois, être prévu pour filtrer la totalité de l'alimentation en combustible du moteur.
La manière dont l'invention peut être employée en pratique sera décrite ci-dessous, avec référence aux dessins annexés.
La figure 1 est une vue schématique d'une forme de moteur à tur- bine à gaz, dans le système à combustible duquel l'invention peut être employée.
La figure 2 est une vue de détail, partiellement en section, et illustre un agencement des injecteurs de combustible, modifié par rapport à celui qui est illustré à la figure 1.
La figure 3 est une vue de détail et illustre un autre agence- ment d'injecteurs de combustible, convenant à l'emploi avec le moteur à tur- bine à gaz de la figure 1.
La figure 4 illustre schématiquement un agencement de système à combustible selon la présente invention.
La figure 5 illustre un autre agencement de système à combusti- ble selon la présente invention.
La figure 6 illustre un agencement de système à combustible sem- blable à celui de la figure 5, mais montrant en détail un appareil de con- trôle destiné à l'alimentation principale en combustible.
Dans chacune des figures des dessins, les mêmes nombres de ré- férence sont employés pour indiquer les parties correspondantes.
A la figure 1 est représenté un moteur à turbine à gaz typique, comprenant -un compresseur d'air 10, un certain nombre de chambres de combus- tion 11, agencées de manière à recevoir l'air comprimé du compresseur et de façon que du combustible y soit brûlé pour chauffer l'air, une turbine 13 recevant les gaz chauffés des chambres de combustion et agencée de manière à entraîner le rotor du compresseur 10a par l'intermédiaire d'un arbre 15, et un assemblage d'échappement 14 recevant les gaz d'échappement qui sortent de la turbine 13.
Le nombre de chambres de combustion 11, dont deux seule-' ment sont représentées, peut être variable et les chambres de combustion sont disposées en anneau autour d'une enveloppe profilée 12 qui s'étend à l'intérieur de l'anneau des chambres de combustion 11, du compresseur 10 à la turbine 13. La turbine 13 est aussi agencée de manière à entraîner di- vers appareils auxiliaires, tels que les pompes à huile et à combustible, en prévoyant, sur l'arbre 15, une commande dérivée appropriée, indiquée en 16.
Le combustible est injecté dans les chambres de combustion 11 par des dispositifs d'injection de combustible et l'invention concerne le système à combustible associé aux dispositifs d'injection de combustible, de l'espèce dans lequel une alimentation principale en combustible est destinée à fournir le combustible au moteur pendant la marche à grande puis- sance et une alimentation secondaire en combustible est destinée à fournir le combustible au moteur pendant le démarrage et la marche à faible puissan- ce du moteur.
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Avec le système à combustible selon la présente invention, l'ali- mentation secondaire en combustible et l'alimentation principale en combusti- ble peuvent toutes deux être introduites dans les chambres de combustion par les mêmes injecteurs de combustible ou, dans une variante, elles peuvent ê- tre introduites dans les chambres de combustion par des injecteurs de com- bustible séparés ou par des injecteurs de combustible ayant des tuyères sé- parées pour l'alimentation secondaire et l'alimentation principale en com- bustible.
A la figure 1 est illustré un agencement dans lequel les alimen- tations secondaires et principale en combustible sont introduites dans les chambres de combustion 11 par des injecteurs séparés et l'agencement des in- jecteurs de combustible secondaire et principal comprend une tubulure prin- cipale à combustible 17, agencée de manière à être alimentée en combustible par une conduite d'alimentation 24 et pourvue d'une série de conduites déri- vées 18 menant aux injecteurs principaux 22, et une tubulure à combustible secondaire 19, agencée de manière à être alimentée en combustible par une conduite d'alimentation 25 et pourvue d'une série de conduites dérivées 20 menant aux injecteurs secondaires 23. On voit que dans cet agencement, deux injecteurs, un injecteur secondaire 23 et un injecteur principal 22, sont prévus pour chaque chambre de combustion 11.
Dans l'agencement illustré à la figure 2, les alimentations en combustible secondaire et principale sont injectées dans les chambres de combustion 11 par un dispositif injecteur unique, ayant deux tuyères sépa- rées pour les alimentations en combustible secondaire et principale. Le combustible principal s'écoule de la conduite dérivée appropriée 18 dans un passage d'alimentation 27a de l'injecteur de combustible 27 et, ensuite, du passage d'alimentation 27a, dans une chambre annulaire 28a ayant un ori- fice de sortie de la forme d'une tuyère principale d'injection de combustible 29a. Le combustible secondaire s'écoule de la conduite dérivée 20 dans un passage 27b de l'injecteur de combustible 27 et, ensuite, dans une chambre centrale 28b ayant un orifice de sortie 29b formant la tuyère d'injection du combustible secondaire.
L'injecteur de combustible 27 peut être construit de façon à imprimer un tourbillonnement au combustible quittant les chambres 28a, 28b, avant son passage à travers les tuyères 29a et 29b.
Au lieu de prévoir un injecteur unique ayant deux tuyères, comme l'illustre la figure 2, ou de prévoir deux injecteurs de combustible, l'un pour le combustible secondaire et l'autre pour le combustible principal, comme l'illustre la figure 1, trois injecteurs de combustible peuvent être prévus pour chaque chambre de combustion 11 et un tel agencement est illustré à la figure 3.
Dans cet agencement, comme dans l'agencement de la figure 1, il y a un injecteur secondaire 23, alimenté en combustible par la tubulure secondaire 19 et deux injecteurs de combustible principaux- 22, 22a dont l'in- jecteur 22 est alimenté en combustible par la tubulure de combustible princi- pale 17 comme dans l'agencement de la figure 1, et dont l'injecteur de com- bustible principal 22a est alimenté en combustible par une tubulure 17a par l'intermédiaire d'une conduite dérivée 18a, la tubulure 17a étant alimentée en combustible par une conduite d'alimentation 24a, reliée à la conduite d'alimentation 24, et dans laquelle se trouve disposée une soupape de mise sous pression 26. Dans un tel agencement, le combustible est fourni à la chambre de combustion 11 pendant le démarrage et la marche à faible puissan- ce par l'injecteur secondaire 23.
Lorsque la puissance fournie par le moteur augmente, le combustible est d'abord fourni par l'injecteur principal 22 et lorsque la pression de refoulement de combustible dans la conduite d'alimen- tation 24 atteint une valeur donnée, la soupape 26 s'ouvre et le combustible est alors aussi fourni à la chambre de combustion par l'autre injecteur prin- cipal 22 a.
Dans'les agencements illustrés aux figures 2 et 3, les chambres de combustion 11 sont représentées comme étant pourvues d'un tube brûleur ou chemise lla qui protège l'enveloppe extérieure de la chambre de combustion.
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La présente invention concerne les systèmes à combustible dans lesquels des pompes séparées sont prévues pour comprimer les alimentations en combustible secondaire et principale et présente un système à combustible dans lequel on peut éviter de faire usage des appareils de contrôle délicats et compliqués, destinés à l'alimentation principale en combustible.
L'agencement de système de combustible simplifié, selon l'inven- tion, est réalisé en employant une pompe centrifuge pour effectuer l'alimen- tation principale en combustible et une pompe volumétrique pour effectuer l'alimentation secondaire en combustible, les pompes étant agencées de ma- nière à refouler en parallèle vers le moteur.
Un tel agencement de pompes est illustré à la figure 4. Dans cet agencement est prévue une conduite d'aspiration commune 30, venant du réservoir à combustible (non représenté) et,dans la conduite 30, un filtre grossier à combustible 31. La conduite d'aspiration commune 30 se divise, en aval du filtre grossier 31, en deux conduites d'aspiration dérivées 30a et 30b, dont la conduite d'aspiration dérivée 30a mène à Inouïe d'admission d'u- ne pompe centrifuge 32, constituant la pompe pour la mise sous pression de l'alimentation principale en combustible, et dont la conduite d'aspiration dérivée 30b mène à l'admission d'une pompe volumétrique 38 à capacité fixe, constituant la pompe pour la mise sous pression du combustible de l'alimen- tation secondaire.
La pompe centrifuge 32 présente une roue à aubes 32a, commandée par une transmission appropriée 33 à partir de la commande dérivée 16. La pompe centrifuge refoule le combustible dans une conduite 34 menant au mé- canisme de contrôle 35 de l'alimentation principale en combustible, duquel le combustible s'écoule dans la conduite principale d'alimentation 24, vers la tubulure principale de combustible 17.
Un robinet d'arrêt 36 est prévu sur la conduite principale d'a- limentation 24.et ce robinet d'arrêt est entièrement ouvert pendant le fonc- tionnement du moteur et entièrement fermé lorsque le moteur ne fonctionne pas.
L'alimentation secondaire en combustible provenant de la pompe volumétrique 38 à capacité fixe, laquelle est représentée comme une pompe à engrenages, et laquelle est représentée comme étant commandée par la com- mande dérivée 16, s'écoule à partir de la pompe 38 dans la conduite d'ali- mentation secondaire 25 et vers la tubulure- secondaire 19.
Un robinet d'arrêt 39, semblable au robinet d'arrêt 36, est pré- vu sur la conduite d'alimentation en combustible secondaire 25, et le robi- net d'arrêt 39 est de préférence accouplé, comme indiqué en 42, avec le robinet d'arrêt 36, pour un fonctionnement simultané.
Une conduite de by-pass 40 est prévue du côté refoulement de la pompe 38 vers son côté aspiration, et le débit passant par la conduite de by-pass 40 est contrôlé par une soupape de détente 41 qui fonctionne pour maintenir une pression de refoulement constante dans la conduite d'alimen- tation secondaire 25, de manière que la pression de l'alimentation secon- daire en combustible ne soit pas affectée par les variations des condi- tions de marche du moteur.
Un filtre fin à combustible 37 est prévu dans la conduite d'as- piration dérivée 30b pour empêcher que les particules de crasse qui auraient pu passer par le filtre grossier 31, n'entrent dans le système d'alimenta- tion en combustible secondaire et n'obturent ainsi les injecteurs secondai- res qui sont branchés sur les conduites dérivées 20 venant de la tubulure 19. C'est un avantage de l'agencement du système à combustible selon la pré- sente invention qu'il ne nécessite pas un filtre fin pour le combustible qui pénètre dans le système à combustible principal, du fait qu'il n'y a pas de surfaces d'étanchéité en mouvement relatif,à faible jeu, dans la pompe à combustible principale.
Ainsi, comme la plus grande partie du combustible, fourni au moteur, passe par le système à combustible sans être filtré, les pertes de pression dans le système à combustible sont sensiblement réduites
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par comparaison avec les agencements connus. Une petite partie seulement du combustible s'écoule vers le moteur par la conduite aspirante dérivée 30b et ce combustible peut passer par le filtre fin 37 sans entraîner de perte de pression élevée.
L'emploi de la pompe centrifuge 32 pour mettre sous pression l'alimentation principale en combustible, a pour résultat un système à com- bustible beaucoup plus simple qu'il ne fut réalisé jusqu'ici, et l'utilisa- tion de la pompe volumétrique 38 à capacité fixe, destinée à mettre sous pression l'alimentation secondaire en combustible,assure que l'alimenta- tion en combustible à des petites vitesses de marche et pendant le démarra- ge est à même de satisfaire les besoins du moteur à ces vitesses.
Une variante d'agencement d'alimentation en combustible est il- lustrée à la figure 5, et l'emploi de cet agencement convient lorsque les alimentations principale et secondaire en combustible sont introduites dans les chambres de combustion 11 du moteur par un injecteur de combustible com- mun.
Dans cet agencement, le combustible qui quitte le mécanisme de contrôle 35, passe dans une conduite principale d'alimentation 24b, dans la- quelle est situé un robinet d'arrêt 36 et qui comprend aussi une soupape de retenue 46. La conduite principale d'alimentation 24b est reliée à une con- duite d'alimentation 43, menant à.une tubulure 44 ayant une série de condui- tes dérivées 45, dont chacune est reliée à un injecteur à combustible simple (non représenté).
Dans cet agencement, le système secondaire à combustible comprend la conduite d'aspiration dérivée 30b dàns laquelle est situé un filtre 37, la pompe volumétrique 38 à capacité fixe, entraînée par le moteur, et une conduite de refoulement de combustible secondaire 25a, reliée au côté refou- lement de la pompe 38 et comprenant le robinet d'arrêt 39 et la soupape de retenue 47. L'extrémité de sortie de la conduite de refoulement de combus- tible secondaire 25a est reliée à la conduite d'alimentation 43, menant à la tubulure 44 et à des injecteurs de combustibles simples (non représentés).
Un by-pass 48 s'étend de la conduite 25a (entre la pompe 38 et le robinet 39) à l'admission de la pompe principale à combustible 32, le dé- bit passant par le by-pass étant contrôlé par une soupape de détente 49 de manière à maintenir une pression constante dans la conduite 25a.
La soupape de retenue 46 empêche le combustible refoulé par la pompe 38, dans les conditions de la marche au ralenti du moteur, de retour- ner au côté aspiration de la pompe, à travers la pompe centrifuge 32, et la soupape de retenue 47 empêche le combustible, refoulé par la pompe 32, de retourner à l'admission de la pompe 32 à travers la soupape de détente 49.
A la figure 6 est représenté un système à combustible semblable à celui qui est illustré à la figure 4, mais dans lequel une forme appropriée de mécanisme de contrôle, destiné à l'alimentation principale en combustible, est montrée en détail. Le mécanisme de contrôle 35 peut aussi être utilisé avec le système à combustible illustré à la figure 5.
Le mécanisme de contrôle 35 comprend un dispositif étrangleur 50 qu'un organe de contrôle 51 peut actionner, pour régler l'alimentation prin- cipale en combustible à une valeur choisie pour déterminer la vitesse voulue du moteur, et un mécanisme régulateur pour maintenir le débit de combustible à une valeur telle qu'elle maintient la vitesse de marche voulue du moteur, déterminée par l'étrangleur, et pour faire varier le débit du combustible d'après les variations de la pression atmosphérique ambiante.
Le mécanisme régulateur comprend un orifice 52, situé entre l'é- trangleur 50 et la pompe 32, la section efficace de cet orifice étant contrô- lée par un élément 53, ayant la forme d'une plaque de vanne, porté par un piston 54 se déplaçant dans un cylindre 55, contre l'action d'un ressort 56, sous le contrôle des pressions du fluide. Le piston 54 est agencé de manière
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à être soumis à une pression de fluide constante et, à cet effet, le cylin- dre 55 est relié à la conduite d'alimentation secondaire 25, où la pression est maintenue constante par la soupape de détentè 41, par la conduite dérivée 55a, menant à l'extrémité supérieure du cylindre 55.
L'extrémité inférieure du cylindre 55 est reliée à l'extrémité supérieure du cylindre 55 par une conduite 57 comprenant, à l'intérieur, un orifice étranglé fixe 58, et une conduite d'échappement 59 est prévue à l'extrémité inférieure du cylindre 55.
Lorsqu'il n'y a pas d'écoulement dans la conduite d'échappement 59, les pressions de fluide des deux côtés du piston 54 seront égales et le piston 54 monte sous l'action du ressort 56, relevant de ce fait l'élément 53 et portant la section de l'orifice 52 à sa valeur maximum.
Toutefois, lorsqu'un écoulement d'échappement a lieu dans la conduite d'échappement 59, la pres- sion du fluide dans la moitié inférieure du cylindre 55 est inférieure à la pression de fluide dans la moitié supérieure du cylindre 55, et le piston 54 prend une position dans laquelle la charge, due à la pression de fluide, sur le côté supérieur du piston 54, équilibre les charges combinées sur le côté inférieur du piston 54, dues à la pression du fluidedans la partie in- férieure du cylindre 55 et au ressort 56, abaissant de ce fait la plaque 53 et réduisant la section efficace de lorifice 52.
Ainsi, lorsque le débit d'é- chappement passant par la conduite 59 est diminué, la section efficace de l'orifice 52 est augmentée et le refoulement du combustible vers le moteur augmente et, lorsque l'échappement est augmenté, la section efficace de l'o- rifice 52 est diminué et le refoulement du combustible vers le moteur diminue.
Le débit du fluide d'échappement, venant de la conduite d'échap- pement 59, est contrôlé par un élément de soupape hémisphérique 60, porté par une extrémité d'un levier 61 porté par un diaphragme 62, séparant deux chambres 63, 64 prévues dans un corps de soupape'65.
La chambre 63 est reliée par une conduite de retour 66 à la con- duite d'aspiration dérivée 30a de manière que le fluide d'échappement, ve- nant de la conduite d'échappement 59, retourne au côté aspiration de la pom- pe centrifuge 32.
La chambre 64 est ouverte à l'atmosphère et une capsule à vide 67 ayant une butée réglable 68 y est logée, la capsule 67 étant agencée de manière à appuyer sur le levier 61 pour le charger. Lors d'une diminution de la pression atmosphérique ambiante, due par exemple à un accroissement de l'altitude d'un avion entraîné par un moteur à turbine à gaz, muni d'un système à combustible selon la présente invention, la capsule 67 se dilate et la charge qu'elle applique sur le levier 61,'de manière à tendre à soule- ver l'élément de soupape hémisphérique 60, augmente. Lors d'une augmentation de la pression atmosphérique ambiante , la charge exercée par la capsule 67 sur le levier 61 diminue .
Le levier 61 est aussi chargé par un ressort 69, ayant une butée réglable 70, la charge-appliquée par le ressort 69 tendant à appliquer l'é- lément de soupape hémisphérique 60 sur 3'orifice de sortie de la conduite d'échappement 59.
Le levier 61 est aussi agencé de manière à être chargé par la différence des pressions régnant dans la conduite d'alimentation 24, des deux côtés de l'étrangleur 50. A cet effet, une conduite dérivée 71 mène de la conduite d'alimentation 24 à un espace cylindrique 72, séparé par un diaphragme 73 de l'espace 79, relié par une conduite 80 à la conduite d'a- limentation 24 en aval de l'étrangleur 50. Le diaphragme 73 actionne un doigt 74 qui appuie sur le levier 61 de manière à lui appliquer une charge tendant à lever l'élément de soupape hémisphérique 60 de son siège, lequel entoure l'orifice de sortie de la conduite d'échappe,ment 59.
On voit donc que les charges appliquées au levier 61 par le doigt 74 et par la capsule 67, sont opposées à la charge appliquée au levier 61 par le ressort 69 et, dans des conditions de marche stables, ces charges s'é- quilibrent.
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Dans les conditions de marche stables, toute augmentation non dé- sirée de l'alimentation en combustible donne lieu à une augmentation de la différence des pressions régnant dans la conduite d'alimentation 24 des deux côtés de l'étrangleur 50. La charge appliquée au levier 61 par le doigt 74 augmente donc, soulevant la soupape hémisphérique 60 et permettant un écou- lement d'échappement augmenté hors de la conduite d'échappement 59, par sui- te de quoi, le piston 54 se déplace pour réduire la section efficace de l'o- rifice 52, réduisant l'alimentation du moteur en combustible.
Toute diminu- tion non désirée de l'alimentation en combustible provoque une diminution de la différence des pressions régnant dans la conduite 24 des deux côtés de l'étrangleur 50, et une réduction de la charge appliquée au levier 61 par le doigt 74; la soupape hémisphérique 60 tendra donc à diminuer le débit d'é- chappement venant de la conduite d'échappement 59 et le piston se déplacera pour augmenter la section efficace de l'orifice 52 augmentant ainsi l'alimen- tation du moteur .en combustible. La diminution ou l'augmentation de l'alimen- tation du moteur en combustible dans ces conditions est donc de nature à rétablir le refoulement du combustible vers le moteur à la valeur nécessaire pour maintenir la vitesse du moteur à la valeur déterminée par le réglage de l'étrangleur 50 par l'organe de contrôle 51.
Lors du réglage de l'organe de contrôle 51 pour accélérer le mo- teur, la charge appliquée au levier 61 par le doigt 74 diminuera, augmentant ainsi la section efficace de l'orifice 52 et augmentant l'alimentation du moteur en combustible, qui augmente jusqu'à ce que les charges qui s'exercent sur le levier 61 s'équilibrent à nouveau. Lors du réglage de l'organe de con- trôle 51 pour ralentir le moteur, la charge appliquée au levier 61 par le doigt 74 augmente, provoquant ainsi le déplacement du piston 54 pour diminuer la section efficace de l'orifice 52 et pour diminuer l'alimentation du mo-- teur en combustible. La diminution de l'alimentation en combustible continue- ra jusqu'à ce que les charges qui s'exercent sur le levier 61 s'équilibreront à nouveau.
La capsule 67 se dilate; comme il est dit plus haut, lors d'une décroissance de la pression atmosphérique ambiante et se contracte lors de l'augmentation de la pression atmosphérique ambiante, pour respectivement augmenter et diminuer les charges qu'elle exerce sur le levier 61. De ce fait, lors de l'augmentation de l'altitude et de la diminution de la pression at- mosphérique ambiante, l'alimentation du moteur en combustible est diminée, et lors de la diminution de l'altitudé et de l'augmentation de la pression atmosphérique ambiante, l'alimentation du moteur en combustible est augmen- tée.
Il convient bien que l'agencement soit tel que la modification de l'a- limentation en combustible, causée par la dilatation et la contraction de la capsule, soit telle que, pour une position de réglage donnée de l'étrangleur 50, l'alimentation du moteur en combustible soit toujours de nature à main- tenir la vitesse de rotation du moteur constante, indépendamment de l'alti- tude .
La construction du. mécanisme de contrôle 35 qui vient d'être dé- crite ne constitue pas une partie essentielle de la présente invention et peut être remplacée par tout autre dispositif de contrôle approprié. Par exemple, comme il est décrit dans la demande de brevet de la demanderesse, numéro pro- visoire 389026, déposée le 23 octobre 1950, le débit de refoulement de la pompe à capacité fixe 38 peut être amené à passer par un dispositif d'étran- glement du débit, dont la section est sélectivement variable, et un dispo- sitif sensible à la pression, branché de manière à répondre à la différence des pressions régnant des deux côtés du dispositif d'étranglement du débit, et agencé de manière à contrôler le refoulement du combustible vers le mo- teur par la pompe centrifuge, peut être prévu.
Il faut remarquer'que du fait que la pompe à capacité fixe est entraînée à la vitesse du moteur, la dif- férence des pressions est une fonction prédéterminée de la vitesse du moteur et peut donc être utilisée en tant que signal sensible à la vitesse pour le système de contrôle de la pompe centrifuge.
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IMPROVEMENTS TO FUEL SYSTEMS FOR TURBINE ENGINES
GAS OR SIMILAR,
The invention relates to fuel systems of the kind comprising a pumping device for putting the liquid fuel under pressure, burner or injector devices (hereinafter referred to as injectors) located in the combustion device of the engine. , and control devices for modifying the supply of liquid fuel to the injectors by the pumping system as desired.
A known fuel system of this kind comprises a pump of the volumetric type and of substantially constant capacity for pressurizing the fuel, which pump is driven by the engine, and the flow of fuel to the injectors is controlled by a throttling device, the excess fuel, not supplied to the combustion apparatus, being returned to the inlet of the pump, under the control of a pressure relief valve, by a pipe starting from an intermediate point, entering the pump and the choke device; the return line is necessary, under certain operating conditions, to allow the fuel to pass at a high rate.
In order to avoid the use of such a return line from the expansion valve, another well-known system of the aforementioned kind comprises a positive displacement pump with adjustable positive displacement and a throttle device or the like for controlling the pressure. fuel flow rate to the injector devices, the volumetric capacity of the pump being modified to conform to the fuel requirements of the engine; in this way, the use of a bypass return line, capable of allowing large fuel flows through, can be avoided.
The main object of the present invention is to provide a fuel system having the desirable characteristics of the latter system, while avoiding the use of variable capacity positive displacement pumps, the design and construction of which involve the use of mechanisms.
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complicated, intended for volumetric capacity control.
According to the present invention, a fuel system for a gas turbine engine of the aforementioned species comprises a pumping system for pressurizing the fuel, comprising the combination with a centrifugal pump driven by the engine, a positive displacement pump. the fuel in parallel with the centrifugal pump.
The use of a centrifugal pump to pressurize the fuel has the important advantage of simplifying the fuel system by eliminating the need for the relatively complicated mechanism of a variable capacity positive displacement pump. However, a centrifugal pump has a flow characteristic which generally makes this type of pump unsatisfactory in a gas turbine fuel system, under the starting and running conditions at low power, that is. - say when the speed of rotation of the motor, and therefore the speed at which the pmpe is carried out, is small.
To overcome this difficulty, the invention provides a positive displacement type pump, intended to operate in parallel with the centrifugal pump driven by the motor, the capacity of the positive displacement pump being chosen so as to have suitable flow characteristics in the con - running conditions at low engine power, to cope with the need for fuel in such conditions.
The invention finds important application in fuel systems of the known species in which the arrangement of the injection apparatus comprises both secondary fuel injectors and main fuel injectors. In such an arrangement, the fuel for starting and running at low power of the engine is supplied to the engine through the secondary injectors and the fuel for the high power operation of the engine is supplied to the engine by. the intermediary of the main injectors, the supply of fuel by the secondary injectors being, as desired, discontinuous or not.
The secondary injectors are constructed to have efficient atomization or flow characteristics for small fuel flow rates, and the primary fuel injectors are constructed to have such attractive characteristics for low fuel flow rates. high, without requiring excessively high fuel delivery pressures from the pumping system, pressurizing the fuel.
Thus, according to a feature of the present invention, a fuel system of the aforementioned species and comprising secondary and main fuel injectors, comprises a centrifugal pump, driven by the engine, delivering the fuel to the main injectors. - blades, and a positive-displacement pump, driven by the engine, delivering the fuel to the secondary injectors.
In a fuel system according to the invention, the positive displacement pump is preferably of the fixed capacity type, and an expansion valve may be provided on the discharge side of the pump, to maintain a predetermined maximum discharge pressure of the fuel of. this pump, and since the positive displacement pump supplies only a small part of the maximum fuel required by the engine, the flow through the expansion valve will be low compared to the total flow to the engine.
The positive displacement pump can be, for example, an eccentric vane type pump, a piston and cylinder type pump, or a gear type pump.
In an advantageous embodiment of the object of the invention applied to a fuel system of a gas turbine engine, having main and secondary injectors, the centrifugal pump and its delivery system to the main injectors are hydraulically. separate from the positive displacement pump and its delivery system to the secondary injectors, so that in fact, the pumps deliver in parallel to the engine. The inlets of the centrifugal pump and the capacity pump
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stationary can be connected to a common fuel suction line.
According to an important feature of the present invention, arrangements can be made to filter the fuel entering the fixed capacity pump in a fine mesh filter. This measure has the advantage that the fixed capacity pump, which has small clearance sealing surfaces, in relative motion, is protected from dirt damage and that the relatively small orifices of the burner or secondary injector nozzles. are protected against clogging by dirt, while high pressure losses on the inlet side of the centrifugal pump, due to the passage of large quantities of fuel through a fine filter, are avoided.
A coarse filter can, however, be provided to filter the entire fuel supply to the engine.
The manner in which the invention may be employed in practice will be described below, with reference to the accompanying drawings.
Figure 1 is a schematic view of one form of gas turbine engine, in the fuel system of which the invention may be employed.
Figure 2 is a detail view, partially in section, and illustrates an arrangement of the fuel injectors, modified from that illustrated in Figure 1.
Figure 3 is a detail view and illustrates another arrangement of fuel injectors, suitable for use with the gas turbine engine of Figure 1.
Figure 4 schematically illustrates a fuel system arrangement according to the present invention.
Figure 5 illustrates another fuel system arrangement according to the present invention.
Figure 6 illustrates a fuel system arrangement similar to that of Figure 5, but showing in detail a control apparatus for the main fuel supply.
In each of the figures of the drawings, the same reference numbers are used to indicate the corresponding parts.
In Figure 1 is shown a typical gas turbine engine, comprising an air compressor 10, a number of combustion chambers 11, arranged to receive the compressed air from the compressor and so that fuel is burned there to heat the air, a turbine 13 receiving the heated gases from the combustion chambers and arranged so as to drive the rotor of the compressor 10a via a shaft 15, and an exhaust assembly 14 receiving the exhaust gases coming out of the turbine 13.
The number of combustion chambers 11, of which only two are shown, may be variable and the combustion chambers are arranged in a ring around a profiled casing 12 which extends inside the ring of the chambers. 11, from compressor 10 to turbine 13. Turbine 13 is also arranged so as to drive various auxiliary devices, such as oil and fuel pumps, by providing, on the shaft 15, a derivative control appropriate, indicated in 16.
The fuel is injected into the combustion chambers 11 by fuel injection devices and the invention relates to the fuel system associated with the fuel injection devices, of the kind in which a main fuel supply is intended for to supply fuel to the engine during high power operation and a secondary fuel supply is intended to supply fuel to the engine during starting and low power operation of the engine.
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With the fuel system according to the present invention, the secondary fuel supply and the main fuel supply can both be introduced into the combustion chambers by the same fuel injectors or, alternatively, they can be introduced into the combustion chambers. can be introduced into the combustion chambers by separate fuel injectors or by fuel injectors having separate nozzles for the secondary and main fuel supply.
In FIG. 1 is illustrated an arrangement in which the secondary and main fuel supplies are introduced into the combustion chambers 11 by separate injectors and the arrangement of the secondary and main fuel injectors comprises a main manifold. fuel 17, arranged to be supplied with fuel by a supply line 24 and provided with a series of branch lines 18 leading to the main injectors 22, and a secondary fuel pipe 19, arranged so as to be supplied with fuel by a supply line 25 and provided with a series of branch lines 20 leading to the secondary injectors 23. It can be seen that in this arrangement, two injectors, a secondary injector 23 and a main injector 22, are provided for each combustion chamber 11.
In the arrangement illustrated in Figure 2, the secondary and main fuel supplies are injected into the combustion chambers 11 by a single injector device, having two separate nozzles for the secondary and main fuel supplies. The main fuel flows from the appropriate branch line 18 into a supply passage 27a of the fuel injector 27 and, then, from the supply passage 27a, into an annular chamber 28a having an outlet port. the shape of a main fuel injection nozzle 29a. The secondary fuel flows from the branch line 20 into a passage 27b of the fuel injector 27 and, then, into a central chamber 28b having an outlet port 29b forming the nozzle for injecting the secondary fuel.
The fuel injector 27 may be constructed to vortex the fuel leaving the chambers 28a, 28b, before it passes through the nozzles 29a and 29b.
Instead of providing a single injector with two nozzles, as shown in Figure 2, or providing two fuel injectors, one for the secondary fuel and the other for the main fuel, as shown in Figure 1 , three fuel injectors can be provided for each combustion chamber 11 and such an arrangement is illustrated in Figure 3.
In this arrangement, as in the arrangement of FIG. 1, there is a secondary injector 23, supplied with fuel by the secondary pipe 19 and two main fuel injectors 22, 22a of which the injector 22 is supplied with fuel. fuel via the main fuel pipe 17 as in the arrangement of FIG. 1, and of which the main fuel injector 22a is supplied with fuel by a pipe 17a via a branch pipe 18a, the pipe 17a being supplied with fuel by a supply line 24a, connected to the supply line 24, and in which there is disposed a pressurizing valve 26. In such an arrangement, the fuel is supplied to the chamber combustion 11 during start-up and operation at low power via the secondary injector 23.
When the power supplied by the engine increases, fuel is first supplied by the main injector 22 and when the fuel delivery pressure in the supply line 24 reaches a given value, the valve 26 opens. and fuel is then also supplied to the combustion chamber by the other main injector 22 a.
In the arrangements illustrated in Figures 2 and 3, the combustion chambers 11 are shown as being provided with a burner tube or jacket 11a which protects the outer casing of the combustion chamber.
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The present invention relates to fuel systems in which separate pumps are provided for compressing the secondary and main fuel supplies and provides a fuel system in which the use of delicate and complicated control apparatuses intended for use can be avoided. main fuel supply.
The simplified fuel system arrangement according to the invention is achieved by employing a centrifugal pump to perform the main fuel supply and a positive displacement pump to perform the secondary fuel supply, the pumps being arranged. so as to discharge in parallel towards the motor.
Such an arrangement of pumps is illustrated in Figure 4. In this arrangement there is provided a common suction line 30, coming from the fuel tank (not shown) and, in line 30, a coarse fuel filter 31. The line common suction 30 is divided, downstream of the coarse filter 31, into two branched suction pipes 30a and 30b, of which the branched suction pipe 30a leads to the inlet hole of a centrifugal pump 32, constituting the pump for pressurizing the main fuel supply, and whose branched suction line 30b leads to the inlet of a positive displacement pump 38 with fixed capacity, constituting the pump for pressurizing the fuel from secondary power.
The centrifugal pump 32 has an impeller 32a, controlled by a suitable transmission 33 from the derivative control 16. The centrifugal pump delivers the fuel in a line 34 leading to the control mechanism 35 of the main fuel supply. , from which the fuel flows in the main supply line 24, to the main fuel pipe 17.
A shut-off valve 36 is provided on the main supply line 24. and this shut-off valve is fully open while the engine is running and fully closed when the engine is not running.
The secondary fuel supply from the fixed capacity positive displacement pump 38, which is shown as a gear pump, and which is shown to be controlled by derivative control 16, flows from pump 38 into the secondary supply line 25 and to the secondary tubing 19.
A shut-off valve 39, similar to shut-off valve 36, is provided on the secondary fuel supply line 25, and the shut-off valve 39 is preferably coupled, as shown at 42, with the shut-off valve 36, for simultaneous operation.
A bypass line 40 is provided from the discharge side of pump 38 to its suction side, and the flow through bypass line 40 is controlled by an expansion valve 41 which operates to maintain a constant discharge pressure. in the secondary supply line 25 so that the pressure of the secondary fuel supply is not affected by variations in engine operating conditions.
A fine fuel filter 37 is provided in the branch suction line 30b to prevent dirt particles which might have passed through the coarse filter 31 from entering the secondary fuel supply system and thus obstruct the secondary injectors which are connected to the branch lines 20 coming from the pipe 19. It is an advantage of the arrangement of the fuel system according to the present invention that it does not require a filter. fine for fuel entering the main fuel system, as there are no relatively moving, low clearance sealing surfaces in the main fuel pump.
Thus, since most of the fuel supplied to the engine passes through the fuel system without being filtered, pressure losses in the fuel system are significantly reduced.
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by comparison with known arrangements. Only a small part of the fuel flows to the engine through the branch suction line 30b and this fuel can pass through the fine filter 37 without causing a high pressure loss.
The use of the centrifugal pump 32 to pressurize the main fuel supply, results in a fuel system much simpler than hitherto realized, and the use of the pump volumetric 38 fixed capacity, intended to pressurize the secondary fuel supply, ensures that the fuel supply at low operating speeds and during starting is able to meet the needs of the engine at these speeds.
An alternative fuel supply arrangement is illustrated in Figure 5, and the use of this arrangement is suitable when the main and secondary fuel supplies are introduced into the combustion chambers 11 of the engine by a fuel injector. common.
In this arrangement, the fuel leaving the control mechanism 35 passes into a main supply line 24b, in which is located a shut-off valve 36 and which also includes a check valve 46. The main supply line d Supply 24b is connected to a supply line 43, leading to a manifold 44 having a series of branch lines 45, each of which is connected to a single fuel injector (not shown).
In this arrangement, the secondary fuel system comprises the branched suction line 30b in which a filter 37 is located, the fixed capacity positive displacement pump 38, driven by the engine, and a secondary fuel delivery line 25a, connected to the motor. discharge side of pump 38 and comprising shut-off valve 39 and check valve 47. The outlet end of the secondary fuel delivery line 25a is connected to supply line 43, leading to the pipe 44 and to simple fuel injectors (not shown).
A bypass 48 extends from line 25a (between pump 38 and valve 39) to the inlet of the main fuel pump 32, the flow passing through the bypass being controlled by a relief valve. expansion 49 so as to maintain constant pressure in the pipe 25a.
Check valve 46 prevents fuel discharged from pump 38, under engine idling conditions, from returning to the suction side of the pump, through centrifugal pump 32, and check valve 47 prevents the fuel, delivered by the pump 32, to return to the inlet of the pump 32 through the expansion valve 49.
In Figure 6 is shown a fuel system similar to that shown in Figure 4, but in which a suitable form of control mechanism, for the main fuel supply, is shown in detail. The control mechanism 35 can also be used with the fuel system shown in Figure 5.
The control mechanism 35 comprises a throttle device 50 that a control member 51 can actuate, to adjust the main fuel supply to a value chosen to determine the desired engine speed, and a regulator mechanism to maintain the flow. of fuel at a value such as to maintain the desired running speed of the engine, determined by the throttle, and to vary the flow of fuel according to variations in ambient atmospheric pressure.
The regulating mechanism comprises an orifice 52, located between the throttle 50 and the pump 32, the effective section of this orifice being controlled by an element 53, in the form of a valve plate, carried by a piston. 54 moving in a cylinder 55, against the action of a spring 56, under the control of the pressures of the fluid. The piston 54 is arranged so
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to be subjected to a constant fluid pressure and, for this purpose, the cylinder 55 is connected to the secondary supply line 25, where the pressure is kept constant by the relief valve 41, by the branch line 55a, leading to the upper end of cylinder 55.
The lower end of cylinder 55 is connected to the upper end of cylinder 55 by a pipe 57 comprising, inside, a fixed constricted orifice 58, and an exhaust pipe 59 is provided at the lower end of the cylinder. 55.
When there is no flow in the exhaust line 59, the fluid pressures on both sides of the piston 54 will be equal and the piston 54 rises under the action of the spring 56, thereby relieving the pressure. element 53 and bringing the section of the orifice 52 to its maximum value.
However, when an exhaust flow takes place in the exhaust line 59, the pressure of the fluid in the lower half of the cylinder 55 is less than the fluid pressure in the upper half of the cylinder 55, and the piston 54 assumes a position in which the load, due to the fluid pressure, on the upper side of the piston 54, balances the combined loads on the lower side of the piston 54, due to the pressure of the fluid in the lower part of the cylinder 55 and the spring 56, thereby lowering the plate 53 and reducing the effective area of the orifice 52.
Thus, when the exhaust flow rate passing through the pipe 59 is decreased, the effective section of the orifice 52 is increased and the delivery of fuel to the engine increases and, as the exhaust is increased, the effective section of the engine. port 52 is reduced and fuel delivery to the engine decreases.
The flow of the exhaust fluid, coming from the exhaust pipe 59, is controlled by a hemispherical valve element 60, carried by one end of a lever 61 carried by a diaphragm 62, separating two chambers 63, 64. provided in a valve body '65.
The chamber 63 is connected by a return line 66 to the branch suction line 30a so that the exhaust fluid, coming from the exhaust line 59, returns to the suction side of the pump. centrifugal 32.
The chamber 64 is open to the atmosphere and a vacuum capsule 67 having an adjustable stop 68 is housed therein, the capsule 67 being arranged so as to press the lever 61 to load it. When the ambient atmospheric pressure decreases, due for example to an increase in the altitude of an airplane driven by a gas turbine engine, provided with a fuel system according to the present invention, the capsule 67 is expands and the load it applies to lever 61 so as to tend to lift the hemispherical valve member 60 increases. When the ambient atmospheric pressure increases, the load exerted by the capsule 67 on the lever 61 decreases.
The lever 61 is also loaded by a spring 69, having an adjustable stopper 70, the load applied by the spring 69 tending to apply the hemispherical valve element 60 to the outlet of the exhaust line 59. .
The lever 61 is also arranged so as to be loaded by the difference in the pressures prevailing in the supply line 24, on both sides of the throttle 50. For this purpose, a branch line 71 leads from the supply line 24. to a cylindrical space 72, separated by a diaphragm 73 from the space 79, connected by a pipe 80 to the supply pipe 24 downstream of the restrictor 50. The diaphragm 73 actuates a finger 74 which presses on the lever 61 so as to apply a load to it tending to lift the hemispherical valve element 60 from its seat, which surrounds the outlet of the exhaust pipe, ment 59.
It can therefore be seen that the loads applied to the lever 61 by the finger 74 and by the capsule 67 are opposed to the load applied to the lever 61 by the spring 69 and, under stable operating conditions, these loads are balanced.
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Under stable operating conditions, any unwanted increase in the fuel supply results in an increase in the pressure difference in the supply line 24 on both sides of the throttle 50. The load applied to the throttle. lever 61 by finger 74 therefore increases, lifting hemispherical valve 60 and allowing increased exhaust flow out of exhaust line 59, whereby piston 54 moves to reduce the effective area. port 52, reducing the fuel supply to the engine.
Any unwanted decrease in the fuel supply causes a decrease in the pressure difference in line 24 on both sides of the throttle 50, and a reduction in the load applied to lever 61 by finger 74; the hemispherical valve 60 will therefore tend to decrease the exhaust flow from the exhaust line 59 and the piston will move to increase the effective area of the orifice 52 thus increasing the fuel supply to the engine. . The reduction or increase in the supply of fuel to the engine under these conditions is therefore likely to restore the delivery of fuel to the engine to the value necessary to maintain the engine speed at the value determined by the adjustment of the choke 50 by the control unit 51.
When adjusting the controller 51 to accelerate the engine, the load applied to the lever 61 by the finger 74 will decrease, thereby increasing the effective area of the orifice 52 and increasing the fuel supply to the engine, which increases until the loads exerted on the lever 61 balance again. When adjusting the control member 51 to slow the engine, the load applied to the lever 61 by the finger 74 increases, thus causing the displacement of the piston 54 to decrease the effective area of the orifice 52 and to decrease the load. fuel supply to the engine. Decreasing the fuel supply will continue until the loads on lever 61 balance again.
The capsule 67 expands; as stated above, when the ambient atmospheric pressure decreases and contracts when the ambient atmospheric pressure increases, to respectively increase and decrease the loads which it exerts on the lever 61. , when the altitude increases and the ambient atmospheric pressure decreases, the fuel supply to the engine is reduced, and when the altitude decreases and the atmospheric pressure increases ambient, the fuel supply to the engine is increased.
The arrangement should be such that the modification of the fuel supply, caused by the expansion and contraction of the capsule, is such that, for a given adjustment position of the throttle 50, the supplying the engine with fuel is always such as to keep the engine speed constant, regardless of the altitude.
The construction of the. The control mechanism which has just been described does not constitute an essential part of the present invention and can be replaced by any other suitable control device. For example, as described in Applicant's patent application, provisional number 389026, filed October 23, 1950, the discharge rate of the fixed capacity pump 38 may be caused to pass through a restrictor device. - flow control, the cross section of which is selectively variable, and a pressure sensitive device, connected so as to respond to the difference in pressures prevailing on both sides of the flow restriction device, and arranged to control delivery of the fuel to the engine by the centrifugal pump can be provided.
It should be noted that because the fixed capacity pump is driven at engine speed, the difference in pressures is a predetermined function of engine speed and can therefore be used as a speed sensitive signal for the centrifugal pump control system.