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PERFECTIONNEMENTS APPORTES OU RELATIFS A BES SYSTEMES A COMBUSTIBLE POUR
MOTEURS A TURBINES A GAZ.
(Inventeur :D.O. Davies) .
La présente invention est relative à des systèmes à combustible pour des moteurs à turbine à gaz
Un moteur à turbine à gaz comprend habituellement un compres- seur refoulant de l'air dans un appareil de combustion dans lequel du combustible liquide est brûlé avec l'air et duquel les produits de combustion passent vers une turbine qui entraîne le compresseur et peut également être employée pour entraîner un arbre de transmission de puissance.
@ Un système à combustible destiné à débiter du combustible à l'ap= pareil de combustion d'un tel moteur comprend habituellement une pompe pour débiter du combustible liquide sous pression aux injecteurs de combustible, et un dispositif régulateur qui est agencé pour faire varier la pression du combustible au niveau des injecteurs de combustible, et pour ainsi régler le débit du combustible vers les injecteurs de combustible, débit qui dépend de la position dudit dispositif régulateuro Dans un tel système à combustible, il est habituel de prévoir un mécanisme de réglage de base qui est efficace, sous des conditions de fonctionnement régulier,'pour maintenir constante la pression en amont du dispositif régulateur, ou la chute de pression à travers celui-ci, de manière que, de cette façon, pour chaque position du dispositif régulateur,
le débit à travers celui-ci soit maintenu à une valeur correspondante. Le dispositif régulateur forme ainsi le moyen sélecteur du débit de combustible,par lequel le taux auquel le débit de combustible doit être maintenu par le mécanisme de réglage de base, lors d'un fonctionnement régulier, est choisi.
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Avec de tels systèmes à combustible, des difficultés se sont soulevées lorsqu'on opère sous des conditions transitoires de fonctionnement du moteur. Par exemple, lorsque le moteur accélère, l'alimentation de combustible au moteur peut être excessive du fait de la rapidité avec laquelle le dispositif régulateur est ouvert comparativement avec la lenteur relative avec laquelle le moteur peut accélérer. Un tel excès de combustible durant l'accélération peut avoir pour résultat un surchauffage des organes de l'appareil de combustion de la turbine et peut même provoquer l'extinction de la combustion si le mélange combustible air devient trop riche. De plus, avec certains moteurs, une suralimentation durant l'accélération peut donner lieu à des à-coups ou refoulements dans le compresseur.
Lorsqu'un tel système à combustible est utilisé avec un moteur à turbine à gaz d'aviation, le degré de suralimentation peut être plus élevé aux altitudes élevées du fait de la réduction de la puissance disponible qui peut être développée pour l'accélération du rotor du moteur sous des conditions où la densité de l'air ambiant est réduite.
Dans le brevet principal n 490.787, on a décrit et revendiqué un système à combustible pour moteur à turbine à gaz, dans lequel les difficultés ci-avant sont évitées ou d'effet sensiblement réduit ; ce système à combustible comprenait : une pompe à combustible ; des injecteurs de combustible reliés à la pompe à combustible pour recevoir de celle-ci du combustible sous pression ; un moyen de réglage de base pour régler le débit de combustible de la pompe vers les injecteurs de combustible à un régime choisi pour une marche régulière du moteur ; un moyen sélecteur du débit de combustible pour choisir la valeur de régime à maintenir par ledit moyen de réglage de base en marche régulière du moteur ;
et un dispositif de réglage de l'accélération pour régler le débit de combustible de la pompe à combustible vers les injecteurs de combustible durant l'accélération du moteur, ce dispositif comprenant un moyen d'étranglement du débit, disposé dans la conduite où passe le débit réel de combustible vers les injecteurs de combustible, le moyen d'étranglement du débit de combusti,,ble ayant un étranglement effectif qui n'est pas modifié directement par un réglage du mécanisme déterminteur de régime, et des moyens sensibles à une charge dépendant de la chute de pression instantanée à travers le moyen d'étranglement de débit, due au débit effectif instantané de combustible vers les injecteurs de combustible,
et sensibles également à une charge dépendant de la pression instantanée de refoulement du compresseur du moteur, lesdites charges agissant-en opposition, et lesdits moyens sensibles à des charges étant efficaces pour limiter l'écoulement réel de combustible vers les injecteurs de combustible d'après la pression de refou¯ lement instantanée du compresseur.
Puisque sous des conditions atmosphériques ambiantes données, la pression de refoulement du compresseur dépend de la vitesse de rotation du moteur, en limitant le débit de combustible suivant la pression de refoulement du compresseur, une valeur limite du débit de combustible est obtenu pour chaque vitesse de rotation du moteur durant l'accélération.
Dans un agencement décrit dans le brevet belge 490.787, le système à combustible comprend une pompe à combustible à pistons plongeurs multiples, comportant un mécanisme à plateau de butée pour varier la cour- se des plongeurs, et un servo-mécanisme pour le réglage de l'angle du mé- canisme à plateau de butée. Le servo-mécanisme comprend un piston travaillant dans un cylindre sous la commande d'un fluide sous pression délivré, de façon directe, à un côté du piston et par un étranglement à l'autre cô- té dudit piston, et une soupape de soutirage ou de purge par laquelle du fluide sous pression est enlevé depuis le dernier côté ci-dessus du piston pour faire varier la pression de fluide sur ce c8té du piston et régler ainsi la position de ce dernier.
Dans- cet agencement, le moyen de réglage
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de l'accélération est conçu pour régler la soupape de soutirage, la charge qui dépend de la pression de refoulement du compresseur étant conçue pour tendre à fermer la soupape de soutirage, et permettre ainsi au servo-méca- nisme d'augmenter la course des plongeurs de la pompe, et la charge qui dépend du débit réel de combustible vers les injecteurs de combustible est conçue pour tendre à ouvrir la soupape de soutirage, et tendre ainsi à forcer le servo-mécanisme à réduire la course des plongeurs de la pompe. De cette manière, durant l'accélération , une value limite du débit réel de combustible est déterminée pour chaque valeur de la pression de refoulement instantanée du compresseur.
La soupape de soutirage est, par exemple supportée à l'extrémité d'un levier, et les charges sont appliquées audit levier pour agir en opposition l'une à l'autre.
La présente invention comprend des perfectionnements au ou des variantes du système à combustible,, décrit et revendiqué dans le brevet belge n 49007870 Suivant la présente invention, dans un tel système à combustible, il est prévu des moyens pour faire varier le rapport de la valeur instantanée de la charge produite par la pressiqn de refoulement du compresseur, à la valeur correspondante de ladite pression de refoulement du compresseur, lesdits moyens comprenant un premier conduit menant de la sortie du compresseur à un point de pression inférieure as¯ socié au compresseur, un premier et un second dispositif d'étranglement, disposés en série dans ledit conduit, un moyen réglable pour faire varier le rapport de la pression dans ledit conduite entre le premier et le second dispositif d'étranglement, à la pression de refoulement du compresseur,
et un second conduit menant d'un point situé dans ledit conduit, entre le premier et le second dispositif d'étranglement, audit moyen sensible à la charge dépendant de la pression de refoulement du compres- seuro Lors du fonctionnement du moyen réglable, ledit rapport de pressions est modifié en variant ainsi l'effet de la pression de refoulement du compresseur sur le moyen sensible à la charge. Par ün point de pression inférieure, associé au compresseur", on désigne l'atmosphère, ou un étage intermédiaire du compresseur, ou l'admission du compresseur, où la pression est égale à la pression atmosphérique ambiante telle que modifiée par l'effet de piston dû au déplacement dans 1' atmosphère.
Dans un agencement, le moyen réglable consiste en une valve, par exemple un régulateur à papillon, disposée en aval du premier et du second dispositif d'étrangelment, pour régler la décharge du conduit, et la valve est réglée dans le sens de la fermeture en rapport avec l'augmentation de la vitesse de rotation effective du compresseur, ou de la vitesse de rotation corrigée, ou du rapport de compression du compresseur, qui est directement proportionnel à la vitesse de rotation corrigée. Le réglage ge peut être un réglage progressif sur une gamme de vitesses, ou peut être sensiblement instantané lorqu'on atteint une valeur choisie du régime de réglage.
Dans un autre agencement, le moyen de réglage est tel que le rapport des étranglements effectifs du premier et du second dispositif d'é- tranglement est varié, par exemple, par une soupape à pointeau coopérant avec l'un des dispositifs d'étranglement, la soupape à pointeau étant réglable, par exemple, d'après les variations de la vitesse de rotation, réelle ou corrigée du compresseur ou le rapport de compression du compresseur suivant une gamme de valeurs de ,La variable de réglage ou lorsqu'on atteint une valeur particulière de la variable de réglage.
Dans un autre agencement, en vue d'obtenir une variation désirée de l'effet de la pression de refoulement du compresseur sur le moyen sensible à la charge, il est prévu, par exemple, en conformant convenablement une soupape à pointeau coopérant avec l'un des dispositifs d'étranglement pour faire varier la surface effective de ce dernier, que, lors de
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l'augmentation progressive d'une variable de réglage, telle que la vitesse de rotation réelle ou corrigée du compresseur,la surface effective augmente sur une partie de la gamme des valeurs de la variable et diminue sur une au¯ tre partie de cette gamme',
Dans un autre agencement encore,
la variation désirée dudit rapport est obtenue en réalisant ces dispositifs d'étranglement sous forme d' un orifice et en réglant la section effective d'un de ces dispositifs par un élément de soupape, en forme de demi¯bille, supporté par un levier qui est basculé par une charge qui varie suivant, par exemple, la vitesse de rotation corrigée
Certains agencements incorporant l'invention seront maintenant décrits avec référence aux dessins annexés.
La figure 1 illustre l'invention appliquée à un réglage d'accélération, comme décrit avec référence à la figure 4 du brevet 490.787. (une partie seulement de cette figure 4 est reproduite).
La figure lA est une vue suivant la ligne A-A de la figure 1.
La figure 2 illustre une variante d'une partie de l'agencement de la figure 1.
La figure 3 illustre une variante d'une autre partie de la figure 1.
La figure 4 est une illustration graphique de l'effet qui peut être obtenu avec les agencements des figures 1 et 2.
La figure 5 est une illustration graphique de l'effet qui peut être obtenu avec l'agencement de la figure 3.
La figure 6 illustre une autre variante.
La figure 7 est une illustration graphique d'un efet qui peut être obtenu avec la variante de la figure 6.
La figure 8 illustre une variante d'une autre partie de l'agencement de la figure 1.
En se référant aux figures 1 et lA, dans le réglage d'accélération (comme décrit avec référence à la figure 4 du brevet belge n 490.787); il est prévu un levier basculent 175 supporté par un diaphragme flexible 174 agencé pour commander un second levier 114 qui porte un élément de soupape en forme de demi-bille 115 réglant un écoulement de soutirage ou de purge du servo-mécanisme pour ajuster la course des pistons plongeurs d' une pompe à combustible à pistons plongeurs multiples.
Le levier 175 est soumis à trois charges principales.
La première est appliqué, par l'intermédiaire d'un mentonnet
188, par un ressort 190 dans un sens s'opposant au basculement du levier
175 en une direction de ce dernier propre à soulever la soupape à demi-bil- le 115 et à augmenter l'écoulement de soutirage.
La seconde charge est appliquée par un mentonnet 184 depuis un diaphragme 185 dont un c8té est chargé par la pression dans la canalisation principale en amont d'une soupape à écoulement linéaire, et dont l'autre côté est chargé par la pression dans la canalisation principale en aval de la soupape à écoulement linéaire, la charge résultante étant appliquée au
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levier 175 en une direction tendant à basculer ledit levier 175 pour soulever la soupape à demi-bille 115 et augmenter ainsi l'écoulement de soutirageoUne soupape à écoulement linéaire est une soupape agencée de ma- nière que la chute de pression à travers elle soit directement proportionnelle à l'écoulement qui s'y produit et, de cette manière, la charge appliquée au levier 175 par l'intermédiaire du diaphragme 185,
est directement proportionnelle à l'écoulement réel de combustible dans la canalisation principale du moteur. Il est prévu que la pression dans la chambre contenant le mentonnet 188 est la même que celle régnant dans la chambre se trouvant du côté du diaphragme 185 contenant le mentionnet 184,
grâce à quoi la différence des sections effectives des deux côtés du diaphragme 185 peut être compenséeo
La troisième charge est agencée pour être dépendante de la pression de refoulement instantanée du compresseur et est appliquée au levier 175 par une cheville 175a en saillie sur une tige 175b reliant une capsule vide 182 et un diaphragme flexible 179 qui forme une paroi d'une chambre 179a dans laquelle la pression a une valeur dépendant de la pression de refoulement du compresseuro La pression agissant sur le diaphragme 179 est agencée pour charger le levier 175 en opposition à la charge due à l'écoulement ou débit réel de combustible, pour basculer ainsi le levier 175 dans une direction convenable pour s'opposer au soulèvement de la demi-bille 115, et pour tendre ainsi à empêcher un écoulement de soutirage depuis le servomécanisme,
et pour empêcher une réduction de la course des pistons plongeurs de la pompe en partant de leur course maximumo
La capsule 182 et le diaphragme 179 sont de la même section effective, de sorte que la charge appliquée par la cheville 175a au levier 175 dépend uniquement de la pression agissant sur le diaphragme 1790
Le réglage d'accélération s'effectue de la manière suivanteo Durant le fonctionnement régulier, à une vitesse de rotation constante, la charge due à la pression de refoulement du compresseur est supérieure à celle due à l'écoulpment réel de combustible, et la soupape de soutirage 115 n'est, par conséquent, pas chargée pour s'ouvrir par le levier 1750 Durant l'accélération, la pression de refoulement du compresseur augmente graduellement avec la vitesse de rotation du moteur, et lorsque la pression de refoulement du compresseur augmente,
la pression agissant sur le diaphragme 179 augmente égalementoEn même temps, en vue de l'accélération du moteur, l'écoulement de combustible vers les injecteurs de combustible est augmenté au-dessus de la valeur requise pour un fonctionnement régulier et, de la sorte,la charge appliquée au levier 175 par l'intermédiaire du diaphragme 185, en opposition à la charge appliquée par le diaphragme 179, augmente également, et si la charge due au diaphragme 185 surmonte celle due au diaphragme 179, dans ce cas la soupape de soutirage 115 est ouverte et le servo-mécanisme de la pompe à combustible est commandé pour réduire la course des pistons plongeurs de la pompeo De cette manière, l'écoulement de combustible vers le moteur est limité,
la valeur maximum de l'écoulement de combustible dépendant à chaque instant de la valeur instantanée de la pression de refoulement du compresseur et augmentant lorsque la pression de refoulement du compresseur augmentée
On a trouvé désirable de limiter le taux du débit de combustible, aux faibles vitesses de rotation, durant l'accélération, à une valeur plus basse, relativement à la pression de refoulement instantanée du compresseur, qu'aux vitesses de rotation élevées, parce que le moteur est plus sensible à une suralimentation aux basses vitesses de rotation, et la présente invention prévoit, par conséquent,
des moyens grâce auxquels l'effet de limitation du réglage d'accélération peut être modifié lorsque le moteur accélère. Cette modification de l'effet de limitation peut être réalisée graduellement sur une gamme de vitesses de rotation (réelles ou
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corrigées) ou lorsqu'on atteint une vitesse de rotation choisie (réelle ou corrigée).
Cela est atteint en variant l'effet de la pression de refoulement du compresseur sur le diaphragme 179,en augmentant la charge sur celui-ci,par unité de pression de refoulement du compresseur, la charge tendant à s'opposer à l'ouverture de la soupape de soutirage 1150
Dans l'agencement représenté aux figures 1 et lA, la variation est réalisée sur une gamme de vitesses en soutirant de l'air à la sortie du compresseur par un conduit 78a dans lequel sont agencés, en série hydraulique, une paire de dispositifs d'étranglement de débit 78b, 78c et une valve 78d (représentée comme étant un régulateur à papillon) qui commande un débit d'air depuis la sortie du compresseur par le conduit 78a vers l'atmosphère, et en reliant un conduit 78 menant de la chambre 179a dont le diaphragme 179 constitue une paroi, au conduit 78a,
en un point situé entre les deux dispositifs d'étranglement de débit 78b et 78c,
Lorsque la valve 78d est tout à fait ouverte, la pression entre les deux dispositifs d'étranglement du débit 78b et 78c (et de la sorte la pression agissant sur le diaphragme 179) a sa valeur minimum qui est sensib lement inférieure et proportionnelle à la pression de refoulement du compresseur, et lorsque la valve 78d est fermée, alors la-pression entre les deux dispositifs d'étranglement du débit 78b, 78c augmente graduellement jusqu'à ce que, lorsque la valve 78d est tout à fait fermée, ladite pression entre les dispositifs 78b, 78c soit égale à la pression de refoulement du compresseuro De cette manière, en fermant graduellement la soupape 78d,
lorsque la vitesse de rotation du moteur augmente suivant une gamme donnée de vitesses de rotation,l'effet par unité de pression de Impression de refoulement du compresseur sur le diaphragme 179 est graduellement accru.
Aux vitesses inférieures à la gamme donnée, la valve 78d est tout à fait ouverte, et aux vitesses supérieures à la gamme donnée, la valve 78d est tout à fait ferméeo
La valve 78d peut être réglée de toute manière convenavle suivant la vitesse de rotation du moteur ; c'est ainsi, par exemple, que la valve peut être pourvue d'un bras de commande 78a relié au piston d'un servo-mécanisme 78f à piston et cylindre, dont le piston se déplace automatiquement en rapport avec la vitesse de rotation du moteur. Des servomécanismes convenant à cet effet sont décrits dans les demandes de brevet britanniques 27.748/49, 310458/49 et 6209/51, auxquelles on peut se référer pour les détails de construction et le fonctionnement des servo-mécanismes.
Un effet similaire peut être obtenu avec l'agencement de la figure 2, dans lequel la valve 78d est remplacée par un élément de soupape à pointeau 78 g qui coopère avec le dispositif d'étranglement 78 c pour varier l'étranglement effectif de ce dernier. Ladite soupape peut être réglée, par l'intermédiaire d'un mécanisme à crémaillère et pignon 78h, par le bras de commande 78e
Un effet sui peut être obtenu par les agencements des figures 1, lA, et 2 est illustré au graphique de la figure 4, dans lequel on a, en abscisse, la pression de refoulement comprimée (CDP) et, en ordonnée, les débits de combustible (F)La ligne A montre les exigences en combustible, "à fonctionnement régulier", du moteuroLa ligne B montre le débit de combustible qu'il est désirable de ne pas dépasser,
c'est-à-dire que pour des débits de combustible supérieurs à ce débit de la ligne B il y a un sérieux risque d'endommagement du moteuroLa ligne C montre la distribution de combustible réelle maximum, tellé que déterminée par le réglage d'accé- lérationo La partie Ci de cette ligne C est une ligne droite et montre que,
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en dessous d9une vitesse choisie désignée par le point D, le rapport de la charge sur le diaphragme 179 due à la pression de refoulement du compresseur, à la pression de refoulement instantanée du compresseur est constanto La partie C2 montre que, entre des vitesses désignées par les points D et E, le rapport est graduellement croissant, et la partie C3 montre que, au-dessus de la vitesse désignée par le point E,
le rapport est à nouveau constanto En se référant à la figure 1, la valve 78d sera tout à fait ouverte sur la partie Ci de la ligne C, se fermera graduellement sur la partie C2, et sera tout a fait fermée sur la partie C3.
Si on désire varier le rapport de la charge sur le diaphragme 179 due à la pression de refoulement du compresseur, à la pression de refoulement instantanée du compresseur, d'une valeur à une autre, à une vitesse de rotation donnée (réelle ou corrigée), l'agencement suivant peut être utilisée En se référant à la figure 3, le bras de commande 78e peut être actionné par un dispositif à solénoide 78k, dont la bobine est excitée par commande d'un interrupteur 78jCelui-ci est fermé par un dispositif sensible à la vitesse lorsqu'on atteint une vitesse donnée.
Par exemple, pour la fermeture de l'interrupteur 78j en rapport avec la vitesse de rotation réelle, l'interrupteur peut comprendre un contact mobile actionné par un diaphragme 781 déplaçable à l'encontre d'un ressort 78m en étant soumis à la chute de pression à travers un orifice 78n alimenté en liquide sous pression par une pompe volumétrique de capacité fixe qui est entraînée à une vitesse proportionnelle à la vitesse de rotation du compresseuro Lorsque la vitesse atteint une valeur prédéterminée, le diaphragme 781, est déplacé à l'encontre du ressort 78m de façon suffisante pour fermer l'interrupteur 78j, pour exciter ainsi le dispositif à solénoïde 78k et actionner le bras de commande 78e.
L'effet obtenu avec cet agencement est illustré graphiquement à la figure 5, dans laquelle les lignes A et B ont la même signification qu'à la figure 4. La ligne D montre la fourniture limite de combustible durant l'accélération et on verra que, en dessous de la vitesse de changement ou de la pression de refoulement du compresseur (puisque pour des conditions atmosphériques données la pression de refoulement du compresseur est une fonction unique de la vitesse), représentée par la partie verticale D2 de la ligne, la partie Dl de la ligne D est une ligne droite, ce qui montre que le taux d'accroissement de l'alimentation en combustible avec la vitesse (et ainsi le rapport de la charge sur le diaphragme 179 due à la pression de refoulement du compresseur, à la pression de refoulement instantanée du compresseur) est constant à une première valeur ,
et la partie en ligne droite D3 de la ligne D montre que, au-dessus de la vitesse de changement ou de la pression de refoulement du compresseur, le taux de changement de l'alimentation en combustible avec la vitesse (et ainsi le rapport) est constant à une valeur plus élevée.
D'autres effets peuvent être obtenus avec l'agencement de la présente invention.Par exemple, en se référant à la figure 7, si on désire réglerla fourniture de combustible durant l'accélération, de la manière représentée par la ligne E, l'alimentation en combustible augmentant d'abord d'une façon constante avec le changement de vitesse,ensuite augmentant graduellement d'une manière plus lente et ensuite augmentant graduellement de façon croissante, un agencement tel que représenté à la figure 6 peut être utilisée Dans cet agencement, la soupape destinée à coopérer, par exemple, avec l'étranglement 78c, peut avoir une tête conformée de telle manière que, lorsque cette soupape se déplace vers le haut, la section effective de l'orifice 78c reste d'abord constante, soit ensuite graduellement augmentée, puis graduellement décrue,
de manière que le rapport de la charge sur le diaphragme 179 due à la pression de refoulement du compresseur, à la pression de refoulement instantanée du compresseur reste constant sur la première partie du déplacement de la soupape 78g,puis diminue graduellement pour finalement augmenter graduellement.
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En se. référant à la figure 8, on y retrouve une méthode par laquelle la pression agissant sur le diaphragme 179 peut être variée en rapport avec la vitesse de rotation corrigée du compresseur, la vitesse de rotation corrigée étant, comme c'est bien conu, à N où N est la vi- tesse de rotation réelle et T est la température à l'entrée 10À du compresseur 10
Dans cet agencement, la conduite 78a, partant de la sortie du compresseur., comporte un conduit 78o présentant intérieurement le dispositif d'étranglement d9amont 78b et se terminant dans un orifice étranglé 78r menant à une chambre 78s d'où partla .portion de sortie du conduit 78a.
Le conduit 78 est relié au conduit 78q entre les deux dispositifs d'étranglement de débit 78b et 78r La section effective de l'orifice 78r est réglée par un élément de soupape à demi-bille 78t supporté par un levier 221 monté à pivotement sur une broche 219 dans une paroi de la chambre 78s.
L'extrémité opposée du levier 221 se projette dans une chambre 222 en passant à .travers un anneau d'étanchéité 221 par leque la chambre 222 est isolée de la chambre 78s, la,,chambre 222 comportant un diaphragme flexible 224 formant une de ses parois et une connexion 223 la reliant à l'admission d' une pompe à engrenages 225Le côté de refoulement de la pompe mêne à une chambre 226 dont le diaphragme 224 forme aussi une paroi, et à un conduit de retour 227 menant à une lumière 228 et à un conduit de retour 229 retournant à l'admission de la pompe 225o Celle-ci est entraînée à une vitesse proportionnelle à la vitesse du compresseur et, de cette manière , le débit à travers le conduit 227 est directement proportionnel à la vitesse du compresseur,
et la chute de pression à travers la lumière varie avec les changements dans la vitesse de rotation réelle (N).
La section effective de la lumière 228 est réglée par un élément de soupape 230 supporté par une capsule flexible 231 agencée pour se dilater et se contracter suivant la température à l'entrée 10A du compresseur 10. Une ampoule 232 est disposée dans l'entrée 10A et est reliée par une canalisation 233 à la chambre 234 contenant la capsule ; l'ampoule) la canalisation et la chambre sont remplies d'un fluide convenable.
Lors d'une augmentation de la température d'admission , le fluide se dilate en forçant la capule 231 à s'aplatir, en abaissant ainsi l'élément de soupape 2300 La tête de l'élément de soupape 230 est conformée de manière que ce mouvement provoque un accroissement de la section effective de la lumière 228 et une diminution de la chute de pression à travers la lumière 2280 Une diminution de la température d'admission provoque une augmentation de la chute de pression. En conformant convenablement la tête de l'élément de soupape 230, la chute de pression à travers la lumière est réglée pour être une fonction de la vitesse de rotation corrigée NT.
Le diaphragme 224 est chargé par la chute de pression à travers l'orifice 228, et cette charge est communiquée au levier 221 par un mentonnet 234 qui porte sur une butée réglable 235 que supporte le levier 221. Un ressort 236 charge le levier 221 en opposition au diaphragme 224, de sorte que la position du diaphragme 224 et du levier 221 est réglée par la chute de pression à travers la lumière 228 qui est une fonction de la vitesse de rotation corrigée., et par l'action du ressort 2360
On verra que, lorsque la vitesse de rotation corrigée augmente, alors l'élément de soupape à demi-bille 78t se déplace pour augmenter l'é- tranglement au passage à travers l'orifice 78r, et augmenter ainsi le rap- port de la pression dans le conduit 78, à la pression de refoulement du compresseur Inversement,
un abaissement de la vitesse de rotation corrigée provoque une diminution dudit rapporto Par un choix convenable des charges de limitation, lorsque l'élément de soupape 78t est tout à fait ouvert et tout à fait fermé, cet agencement peut être conçu pour avoir une caracté-
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IMPROVEMENTS MADE OR RELATING TO FUEL SYSTEMS FOR
GAS TURBINE ENGINES.
(Inventor: D.O. Davies).
The present invention relates to fuel systems for gas turbine engines.
A gas turbine engine usually includes a compressor forcing air into a combustion apparatus in which liquid fuel is burned with the air and from which the products of combustion pass to a turbine which drives the compressor and may also. be used to drive a power transmission shaft.
@ A fuel system intended to deliver fuel to the combustion apparatus of such an engine usually comprises a pump for delivering liquid fuel under pressure to the fuel injectors, and a regulating device which is arranged to vary the fuel pressure at the fuel injectors, and thus to adjust the fuel flow to the fuel injectors, which flow rate depends on the position of said regulator device In such a fuel system, it is customary to provide an adjustment mechanism base which is effective, under regular operating conditions, to maintain constant the pressure upstream of the regulator device, or the pressure drop across it, so that, in this way, for each position of the regulator device,
the flow through it is maintained at a corresponding value. The regulator device thus forms the fuel flow selector means, by which the rate at which the fuel flow is to be maintained by the basic adjusting mechanism, during regular operation, is selected.
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With such fuel systems, difficulties have arisen when operating under transient engine operating conditions. For example, when the engine is accelerating, the fuel supply to the engine may be excessive due to the speed with which the governor is opened compared to the relative slowness with which the engine can accelerate. Such excess fuel during acceleration can result in overheating of the turbine combustion apparatus components and can even cause combustion to be extinguished if the fuel-air mixture becomes too rich. In addition, with some engines, overcharging during acceleration can give rise to jerks or backdrafts in the compressor.
When such a fuel system is used with an aviation gas turbine engine, the degree of supercharging may be higher at high altitudes due to the reduction in the available power which can be developed for rotor acceleration. of the engine under conditions where the ambient air density is reduced.
In Main Patent No. 490,787, a fuel system for a gas turbine engine has been described and claimed, in which the above difficulties are avoided or of substantially reduced effect; this fuel system comprised: a fuel pump; fuel injectors connected to the fuel pump for receiving pressurized fuel therefrom; basic adjustment means for adjusting the flow of fuel from the pump to the fuel injectors at a speed selected for smooth engine operation; fuel flow rate selector means for selecting the speed value to be maintained by said base adjusting means in steady engine operation;
and an acceleration adjustment device for adjusting the flow of fuel from the fuel pump to the fuel injectors during engine acceleration, this device comprising flow restricting means, disposed in the pipe through which the fuel passes. actual fuel flow rate to the fuel injectors, the fuel flow throttling means having an effective throttle which is not modified directly by adjustment of the speed determining mechanism, and load dependent means responsive the instantaneous pressure drop across the flow restriction means, due to the instantaneous effective flow of fuel to the fuel injectors,
and responsive also to a load dependent on the instantaneous discharge pressure of the compressor of the engine, said loads acting in opposition, and said load responsive means being effective to limit the actual flow of fuel to the fuel injectors according to the instantaneous cooling pressure of the compressor.
Since under given ambient atmospheric conditions, the discharge pressure of the compressor depends on the rotational speed of the engine, by limiting the fuel flow according to the discharge pressure of the compressor, a limit value of the fuel flow is obtained for each speed of motor rotation during acceleration.
In an arrangement described in Belgian patent 490,787, the fuel system comprises a multiple plunger fuel pump, having a stopper plate mechanism for varying the stroke of the plungers, and a servo-mechanism for adjusting the displacement. angle of the stop plate mechanism. The servo-mechanism comprises a piston operating in a cylinder under the control of a pressurized fluid delivered, directly, to one side of the piston and by a throttle to the other side of said piston, and a draw-off valve or purge whereby pressurized fluid is removed from the last side above the piston to vary the fluid pressure on that side of the piston and thereby adjust the position of the latter.
In this arrangement, the adjustment means
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of the throttle is designed to adjust the draw-off valve, the load which depends on the discharge pressure of the compressor being designed to tend to close the draw-off valve, and thus allow the servo-mechanism to increase the stroke of the compressor. plungers of the pump, and the load which depends on the actual flow of fuel to the fuel injectors is designed to tend to open the draw-off valve, and thus tend to force the servo-mechanism to reduce the stroke of the plungers of the pump. In this way, during acceleration, a limit value of the actual fuel flow rate is determined for each value of the instantaneous discharge pressure of the compressor.
The draw-off valve is, for example, supported at the end of a lever, and loads are applied to said lever to act in opposition to one another.
The present invention comprises improvements to the variant (s) of the fuel system, described and claimed in Belgian Patent No. 49007870 According to the present invention, in such a fuel system, means are provided for varying the ratio of the value. instantaneous load produced by the discharge pressure of the compressor, at the corresponding value of said discharge pressure of the compressor, said means comprising a first duct leading from the outlet of the compressor to a point of lower pressure associated with the compressor, a first and second throttling devices, arranged in series in said duct, adjustable means for varying the ratio of the pressure in said duct between the first and the second throttling device, to the discharge pressure of the compressor,
and a second duct leading from a point in said duct, between the first and the second throttling device, to said means responsive to the load depending on the discharge pressure of the compressor o When the adjustable means are operating, said ratio pressure is changed thereby varying the effect of the compressor discharge pressure on the load sensitive means. By a lower pressure point associated with the compressor "is meant the atmosphere, or an intermediate stage of the compressor, or the compressor inlet, where the pressure is equal to the ambient atmospheric pressure as modified by the effect of piston due to displacement in the atmosphere.
In one arrangement, the adjustable means consists of a valve, for example a butterfly regulator, disposed downstream of the first and second throttling devices, for adjusting the discharge of the conduit, and the valve is adjusted in the direction of closure. in relation to the increase in the effective rotational speed of the compressor, or the corrected rotational speed, or the compression ratio of the compressor, which is directly proportional to the corrected rotational speed. The adjustment ge may be a gradual adjustment over a range of speeds, or may be substantially instantaneous when a selected value of the adjustment speed is reached.
In another arrangement, the adjustment means is such that the ratio of the effective throttling of the first and the second throttling device is varied, for example, by a needle valve cooperating with one of the throttling devices, the needle valve being adjustable, for example, according to the variations of the speed of rotation, real or corrected of the compressor or the compression ratio of the compressor according to a range of values of, The control variable or when a particular value of the adjustment variable.
In another arrangement, in order to achieve a desired variation in the effect of the discharge pressure of the compressor on the load sensitive means, it is provided, for example, by suitably shaping a needle valve cooperating with the valve. one of the throttling devices for varying the effective surface of the latter, which, when
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the progressive increase of a control variable, such as the actual or corrected speed of rotation of the compressor, the effective area increases over part of the range of values of the variable and decreases over another part of this range ' ,
In yet another arrangement,
the desired variation of said ratio is obtained by making these throttling devices in the form of an orifice and by adjusting the effective section of one of these devices by a valve element, in the form of a half ball, supported by a lever which is tilted by a load which varies depending, for example, on the corrected rotational speed
Certain arrangements incorporating the invention will now be described with reference to the accompanying drawings.
Figure 1 illustrates the invention applied to acceleration adjustment, as described with reference to Figure 4 of the '490,787 patent. (only part of this figure 4 is reproduced).
Figure 1A is a view taken along line A-A of Figure 1.
Figure 2 illustrates a variation of part of the arrangement of Figure 1.
Figure 3 illustrates a variant of another part of Figure 1.
Figure 4 is a graphic illustration of the effect that can be achieved with the arrangements of Figures 1 and 2.
Figure 5 is a graphic illustration of the effect that can be achieved with the arrangement of Figure 3.
FIG. 6 illustrates another variant.
Figure 7 is a graphic illustration of an effect that can be achieved with the variant of Figure 6.
Figure 8 illustrates a variation of another part of the arrangement of Figure 1.
Referring to Figures 1 and 1A, in the acceleration adjustment (as described with reference to Figure 4 of Belgian Patent No. 490,787); there is provided a tilt lever 175 supported by a flexible diaphragm 174 arranged to control a second lever 114 which carries a half-ball valve member 115 regulating a draw-off or purge flow of the servo-mechanism to adjust the stroke of the valves. plungers of a multiple plunger fuel pump.
The lever 175 is subjected to three main loads.
The first is applied, through a chin
188, by a spring 190 in a direction opposing the tilting of the lever
175 in a direction thereof capable of lifting the half-ball valve 115 and increasing the draw-off flow.
The second load is applied by a chin 184 from a diaphragm 185, one side of which is pressure loaded in the main line upstream of a linear flow valve, and the other side of which is pressure loaded in the main line. downstream of the linear flow valve, the resulting load being applied to the
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lever 175 in a direction tending to swing said lever 175 to raise the half-ball valve 115 and thereby increase the draw-off flow A linear flow valve is a valve arranged so that the pressure drop across it is directly proportional to the flow which occurs therein and, in this way, the load applied to the lever 175 through the diaphragm 185,
is directly proportional to the actual flow of fuel in the main engine line. It is expected that the pressure in the chamber containing the mentonnet 188 is the same as that prevailing in the chamber located on the side of the diaphragm 185 containing the mentet 184,
whereby the difference in the effective sections on both sides of the diaphragm 185 can be compensated.
The third load is arranged to be dependent on the instantaneous discharge pressure of the compressor and is applied to the lever 175 by a pin 175a projecting on a rod 175b connecting an empty capsule 182 and a flexible diaphragm 179 which forms a wall of a chamber. 179a in which the pressure has a value depending on the discharge pressure of the compressor The pressure acting on the diaphragm 179 is arranged to load the lever 175 in opposition to the load due to the flow or actual flow of fuel, to thus switch the lever 175 in a direction suitable to oppose the lifting of the half-ball 115, and thereby to tend to prevent a draw-off flow from the servomechanism,
and to prevent a reduction in the stroke of the pump plungers starting from their maximum stroke o
The capsule 182 and the diaphragm 179 are of the same effective section, so that the load applied by the pin 175a to the lever 175 depends only on the pressure acting on the diaphragm 1790
The acceleration adjustment is made as follows: During regular operation, at a constant rotational speed, the load due to the compressor discharge pressure is greater than that due to the actual fuel flow, and the valve draw-off pressure 115 is therefore not loaded to open by lever 1750 During acceleration, the compressor discharge pressure gradually increases with the rotational speed of the engine, and as the compressor discharge pressure increases. ,
the pressure acting on the diaphragm 179 also increases At the same time, in view of the acceleration of the engine, the flow of fuel to the fuel injectors is increased above the value required for smooth operation and, thus, the load applied to the lever 175 through the diaphragm 185, as opposed to the load applied by the diaphragm 179, also increases, and if the load due to the diaphragm 185 overcomes that due to the diaphragm 179, in this case the bleed valve 115 is opened and the servomotor of the fuel pump is controlled to reduce the stroke of the plunger pistons of the pump. In this way, the flow of fuel to the engine is limited,
the maximum value of the fuel flow depending at each instant on the instantaneous value of the discharge pressure of the compressor and increasing when the discharge pressure of the compressor increases
It has been found desirable to limit the rate of fuel flow, at low rotational speeds, during acceleration, to a lower value, relative to the instantaneous discharge pressure of the compressor, than at high rotational speeds, because the engine is more sensitive to supercharging at low rotational speeds, and the present invention therefore provides
means by which the limiting effect of the acceleration setting can be changed as the engine accelerates. This modification of the limiting effect can be achieved gradually over a range of rotation speeds (actual or
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(corrected) or when a selected speed of rotation (real or corrected) is reached.
This is achieved by varying the effect of the compressor discharge pressure on diaphragm 179, increasing the load thereon, per unit compressor discharge pressure, the load tending to oppose opening of the diaphragm. the draw-off valve 1150
In the arrangement shown in Figures 1 and 1A, the variation is achieved over a range of speeds by withdrawing air at the outlet of the compressor through a duct 78a in which are arranged, in hydraulic series, a pair of devices. flow restrictor 78b, 78c and a valve 78d (shown as a butterfly valve) which controls a flow of air from the compressor outlet through duct 78a to atmosphere, and connecting a duct 78 leading from the chamber 179a, the diaphragm 179 of which constitutes a wall, to the duct 78a,
at a point between the two flow restrictors 78b and 78c,
When the valve 78d is fully open, the pressure between the two flow restrictors 78b and 78c (and thus the pressure acting on the diaphragm 179) has its minimum value which is substantially lower and proportional to the discharge pressure of the compressor, and when valve 78d is closed, then the pressure between the two flow restrictors 78b, 78c gradually increases until, when valve 78d is fully closed, said pressure between the devices 78b, 78c is equal to the discharge pressure of the compressor o In this way, by gradually closing the valve 78d,
as the rotational speed of the motor increases over a given range of rotational speeds, the effect per unit pressure of the compressor discharge impression on diaphragm 179 is gradually increased.
At speeds below the given range, valve 78d is fully open, and at speeds above the given range, valve 78d is fully closed.
The valve 78d can be adjusted in any suitable manner according to the speed of rotation of the engine; it is thus, for example, that the valve can be provided with a control arm 78a connected to the piston of a servo-mechanism 78f with piston and cylinder, the piston of which moves automatically in relation to the speed of rotation of the engine. Servomechanisms suitable for this purpose are described in UK patent applications 27,748 / 49, 310458/49 and 6209/51, to which reference may be made for details of construction and operation of the servo mechanisms.
A similar effect can be obtained with the arrangement of Figure 2, in which the valve 78d is replaced by a needle valve element 78 g which cooperates with the throttle device 78 c to vary the effective throttle of the latter. . Said valve can be adjusted, via a rack and pinion mechanism 78h, by the control arm 78th
An effect can be obtained by the arrangements of Figures 1, lA, and 2 is illustrated in the graph of Figure 4, in which we have, on the abscissa, the compressed discharge pressure (CDP) and, on the ordinate, the flow rates. fuel (F) Row A shows the fuel requirements, "at regular operation", of the engine o Row B shows the fuel flow which it is desirable not to exceed,
that is, for fuel flow rates greater than this line B flow rate there is a serious risk of engine damage o Line C shows the maximum actual fuel delivery, as determined by the setting of acceleration The part Ci of this line C is a straight line and shows that,
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below a chosen speed designated by point D, the ratio of the load on the diaphragm 179 due to the discharge pressure of the compressor, to the instantaneous discharge pressure of the compressor is constant o Part C2 shows that, between speeds designated by points D and E, the ratio is gradually increasing, and part C3 shows that, above the speed designated by point E,
the ratio is again constant. Referring to Figure 1, the valve 78d will be fully open on the part Ci of the line C, will close gradually on the part C2, and will be completely closed on the part C3.
If you wish to vary the load ratio on the diaphragm 179 due to the discharge pressure of the compressor, to the instantaneous discharge pressure of the compressor, from one value to another, at a given speed of rotation (actual or corrected) , the following arrangement can be used Referring to figure 3, the control arm 78e can be actuated by a solenoid device 78k, the coil of which is energized by control of a switch 78j This is closed by a device sensitive to speed when a given speed is reached.
For example, for the closing of the switch 78j in relation to the actual rotational speed, the switch may comprise a movable contact actuated by a diaphragm 781 movable against a spring 78m by being subjected to the fall of pressure through an orifice 78n supplied with pressurized liquid by a positive displacement pump of fixed capacity which is driven at a speed proportional to the rotational speed of the compressor When the speed reaches a predetermined value, the diaphragm 781, is moved against of spring 78m sufficient to close switch 78j, thereby to energize solenoid device 78k and actuate control arm 78e.
The effect obtained with this arrangement is illustrated graphically in Figure 5, in which lines A and B have the same meaning as in Figure 4. Line D shows the limit fuel supply during acceleration and it will be seen that , below the speed of change or the discharge pressure of the compressor (since for given atmospheric conditions the discharge pressure of the compressor is a single function of the speed), represented by the vertical part D2 of the line, the part Dl of line D is a straight line, showing that the rate of increase of the fuel supply with speed (and thus the ratio of the load on the diaphragm 179 due to the discharge pressure of the compressor, at the instantaneous discharge pressure of the compressor) is constant at a first value,
and the straight line portion D3 of the line D shows that, above the speed of change or the discharge pressure of the compressor, the rate of change of the fuel supply with the speed (and thus the ratio) is constant at a higher value.
Other effects can be obtained with the arrangement of the present invention. For example, referring to Figure 7, if it is desired to adjust the fuel supply during acceleration, as shown by line E, the The fuel supply first increasing steadily with the change of speed, then gradually increasing in a slower manner and then gradually increasing in an increasing manner, an arrangement as shown in Fig. 6 can be used in this arrangement , the valve intended to cooperate, for example, with the constriction 78c, may have a head shaped such that, when this valve moves upwards, the effective section of the orifice 78c remains constant at first, i.e. then gradually increased, then gradually decreased,
so that the ratio of the load on the diaphragm 179 due to the discharge pressure of the compressor, to the instantaneous discharge pressure of the compressor remains constant over the first part of the displacement of the valve 78g, then gradually decreases to finally increase gradually.
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In itself. Referring to Figure 8, there is a method by which the pressure acting on the diaphragm 179 can be varied in relation to the corrected rotational speed of the compressor, the corrected rotational speed being, as is well understood, at N where N is the real rotational speed and T is the temperature at the inlet 10À of compressor 10
In this arrangement, the duct 78a, starting from the outlet of the compressor., Comprises a duct 78o having internally the upstream throttling device 78b and ending in a constricted orifice 78r leading to a chamber 78s from which the outlet portion leaves. of conduit 78a.
The conduit 78 is connected to the conduit 78q between the two flow restrictors 78b and 78r The effective section of the orifice 78r is regulated by a half-ball valve member 78t supported by a lever 221 pivotally mounted on a pin 219 in a wall of chamber 78s.
The opposite end of the lever 221 projects into a chamber 222 passing through a sealing ring 221 by which the chamber 222 is isolated from the chamber 78s, the chamber 222 having a flexible diaphragm 224 forming one of its walls and a connection 223 connecting it to the inlet of a gear pump 225 The discharge side of the pump leads to a chamber 226 of which the diaphragm 224 also forms a wall, and to a return duct 227 leading to a lumen 228 and to a return duct 229 returning to the inlet of the pump 225o This is driven at a speed proportional to the speed of the compressor and, in this way, the flow rate through the duct 227 is directly proportional to the speed of the compressor. compressor,
and the pressure drop across the lumen varies with changes in the actual rotational speed (N).
The effective section of the lumen 228 is regulated by a valve element 230 supported by a flexible capsule 231 arranged to expand and contract according to the temperature at the inlet 10A of the compressor 10. A bulb 232 is placed in the inlet 10A. and is connected by a pipe 233 to the chamber 234 containing the capsule; the bulb) the pipe and chamber are filled with a suitable fluid.
As the inlet temperature increases, the fluid expands forcing the cap 231 to flatten, thereby lowering the valve member 2300 The head of the valve member 230 is shaped so that it movement causes an increase in the effective area of the port 228 and a decrease in the pressure drop across the port 2280 A decrease in the inlet temperature causes an increase in the pressure drop. By properly shaping the head of the valve member 230, the pressure drop across the lumen is adjusted to be a function of the corrected rotational speed NT.
The diaphragm 224 is loaded by the pressure drop across the orifice 228, and this load is communicated to the lever 221 by a chin 234 which bears on an adjustable stop 235 which the lever 221 supports. A spring 236 loads the lever 221 with it. opposition to diaphragm 224, so that the position of diaphragm 224 and lever 221 is controlled by the pressure drop across lumen 228 which is a function of the corrected rotational speed, and by the action of spring 2360
It will be seen that, as the corrected rotational speed increases, then the half-ball valve member 78t moves to increase the throttle on passage through the orifice 78r, and thereby increase the ratio of the valve. pressure in duct 78, at the discharge pressure of the compressor Conversely,
lowering the corrected rotational speed causes said ratio to decrease. By proper selection of the limiting loads, when the valve member 78t is fully open and fully closed, this arrangement can be designed to have a characteristic
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