EP2971703A1 - Dispositif de dosage d'un circuit d'alimentation en carburant d'un moteur - Google Patents

Dispositif de dosage d'un circuit d'alimentation en carburant d'un moteur

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Publication number
EP2971703A1
EP2971703A1 EP14715344.9A EP14715344A EP2971703A1 EP 2971703 A1 EP2971703 A1 EP 2971703A1 EP 14715344 A EP14715344 A EP 14715344A EP 2971703 A1 EP2971703 A1 EP 2971703A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shutter
threshold
azimuth
valve
flow
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14715344.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Stephen Langford
Philippe Jean René Marie BENEZECH
Pierre SICAIRE
Rafaël SAMSON
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Helicopter Engines SAS
Original Assignee
Turbomeca SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Turbomeca SA filed Critical Turbomeca SA
Publication of EP2971703A1 publication Critical patent/EP2971703A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26—Control of fuel supply
    • F02C9/263—Control of fuel supply by means of fuel metering valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26—Control of fuel supply
    • F02C9/46—Emergency fuel control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2200/00—Mathematical features
    • F05D2200/20—Special functions
    • F05D2200/22—Power
    • F05D2200/221—Square power
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present disclosure relates to a metering device of a fuel supply circuit of an engine.
  • the fuel system of the turbomachine typically fulfills several functions: it allows the fuel to be sucked from the tank, to put it under pressure, to perform dosing according to the instruction of the computer, and finally to distribute the fuel to the injectors .
  • the fuel system may comprise a metering device equipped with a controllable valve. Different dosing laws can be used to control this valve.
  • the present disclosure relates to a metering device of a fuel supply circuit of an engine comprising a metering valve and a pressure regulating device maintaining a constant pressure difference between the downstream and the upstream of the valve.
  • metering valve wherein the metering valve comprises a seat, provided with an inlet and an outlet, a shutter, disposed within the seat, and an actuator, controlling the position of the shutter, and wherein the shutter defines a passageway between the inlet port and the outlet port whose minimum section is variable depending on the position of the shutter along a stroke extending between a lower stopper and an upper stop and passing through a threshold position.
  • the shutter is configured so that, on the one hand, the minimum cross section of said passage, and thus the flow of fuel passing through the valve, increases linearly as a function of the coordinate of the position of the shutter between the lower stopper. and the threshold position and that, on the other hand, the minimum section of said passage, and therefore the fuel flow, increases quadratically, or more rapidly, depending on the coordinate of the position of the shutter between the threshold position and the upper stop.
  • the pressure difference between the downstream and the upstream of the metering valve being kept constant by the pressure regulating device, the speed of the fuel circulating in the metering device is constant. Therefore, the fuel flow through the metering valve is directly proportional to the minimum cross section of the valve passage. Thus, at given flow quality, the fuel flow is completely determined by the value of the pressure difference between the downstream and the upstream of the metering valve. kept constant, and the position of the shutter within the seat of the valve.
  • This position of the shutter is marked by a coordinate that can vary between a minimum coordinate, corresponding to the lower stop position of the shutter, and a maximum coordinate, corresponding to the upper stop position of the shutter, these positions of the shutter.
  • lower and upper stop defining the limits of the maximum travel of the shutter can be indifferently defined by a number of steps, an angle or a distance traveled from the lower stop, or any other reference position, or by a distance ratio with respect to the maximum travel of the shutter, or any other suitable unit.
  • the fuel flow increases linearly: in this range of positions, the fuel flow is thus an affine function of the coordinate of the fuel. the position of the shutter. In other words, for each step of the shutter, the fuel flow increases or decreases by a given amount.
  • the fuel flow increases quadratically or faster: in this range of positions, the fuel flow is thus a function of the second degree of the coordinate of the position of the shutter, or of higher degree, or exponential, or of any type whose growth rate is greater than that of a function of the second degree.
  • this metering device it is possible to benefit from a high resolution, that is to say a fine adjustment of the flow rate for each step of the shutter, in a main range of positions of the shutter while making possible flow peaks, and therefore power peaks for the engine, in a second range of shutter positions whose extent can be reduced.
  • a high resolution that is to say a fine adjustment of the flow rate for each step of the shutter
  • power peaks for the engine in a second range of shutter positions whose extent can be reduced.
  • there is a strong robustness of the dosage in the main field since a small error in positioning the shutter, following a failure of the actuator or a resolver, for example, only slightly affects the flow obtained compared to the setpoint, the larger dosing errors that may occur in the second domain being less critical given the high flow rates sought, such occasions requiring peak flow is otherwise infrequent.
  • such a metering device lends itself well to increases in nominal fuel flow rates after its design: indeed, such a device can reach in its second range high rates compatible with the increase in nominal rates, while maintaining its robustness in its main domain. It also easily lends itself to pressure differential reductions between the downstream and the upstream of the metering valve, carried out with the aim of increasing overall flow through the valve, because of the ease of recalibration afforded by the linear character of its main domain.
  • stop means a terminal of the race provided for the shutter: such an abutment position may be embodied by an effective mechanical stopper blocking the shutter beyond a certain point.
  • the metering device may be devoid of such mechanical stops, the computer then prohibiting the displacement of the shutter beyond these abutment positions as they were programmed.
  • the metering device is configured such that the value of the minimum section of the metering valve passage is continuous near the threshold position of the shutter.
  • the minimum section of said passage quadratically increases depending on the coordinate of the position of the shutter between the threshold position and the upper stop.
  • the minimum section of said passage increases exponentially as a function of the coordinate of the position of the shutter between the threshold position and the upper stop.
  • the threshold position corresponds to the position of the shutter in which the flow of fuel passing through the valve is equal to a nominal flow rate of the engine.
  • the metering device is made to work essentially in the range of positions between the lower stop is the threshold position, that is to say in the linear range where the resolution and robustness of the metering device is the most important. important.
  • the shutter can exceed the threshold position to quickly reach the requested flow rate.
  • the lower stop corresponds to the position of the shutter in which the fuel flow is zero. In this way, the metering device can completely interrupt the flow of fuel.
  • said engine is an aircraft engine and said nominal engine operating rate is the nominal cruising flow or the nominal takeoff rate.
  • the upper stop corresponds to the position of the shutter in which the fuel flow is equal to the maximum emergency flow of the engine.
  • the metering device is capable of providing the engine with the maximum flow rate enabling it to respond to emergency situations, for example the loss of an engine on a device equipped with several engines.
  • the threshold position is at a coordinate of between 50% and 90% of the shutter stroke from the lower stop to the upper stop, preferably between 60% and 80% of this run.
  • the shutter is a plug rotated around its central axis by the actuator and said plug has a shutter ring configured to close a variable section of the inlet orifice, the axial width of said shutter ring being constant between a lower abutment azimuth and a threshold azimuth and decreasing linearly between said threshold azimuth and an upper abutment azimuth.
  • the shutter is a cam rotated about its central axis by the actuator and said cam has a variable radial thickness providing a variable radial clearance between the inlet orifice and the cam, said thickness radial decreasing linearly between a lower abutment azimuth and an azimuth threshold and quadratically between said threshold azimuth and an upper abutment azimuth.
  • the angular stroke of the shutter extends over an amplitude of 70 to 150 °, preferably about 85 °.
  • the shutter is a pin driven axially along its central axis by the actuator and said needle is movable within a restriction passage with which it achieves a variable radial play.
  • the actuator is a stepper motor. Such a stepper motor allows accuracy and therefore a significant resolution.
  • this stepper motor is devoid of reducer. This allows a reduction in mass and cost while improving the reliability of the device.
  • the pressure regulating device is a differential valve.
  • the present disclosure also relates to a turbomachine comprising a fuel supply circuit equipped with a metering device according to any one of the preceding embodiments.
  • the present disclosure also relates to a helicopter comprising a turbomachine according to any one of the preceding embodiments.
  • FIG 1 is an overall diagram of a fuel supply circuit of a turbomachine comprising the metering device according to the invention.
  • FIG 2A is an axial sectional view of a first embodiment of the metering valve.
  • FIG 2B is a perspective view of the shutter of the valve of FIG 2A.
  • FIG. 2C is a developed and schematic view of the obturator shutter ring of FIG. 2B.
  • FIG 2D is a top view of the obturator shutter ring of FIG 2B.
  • FIG 3 and a graph showing the evolution of the fuel flow as a function of the coordinate of the position of the shutter.
  • FIG 4A is an axial sectional view of a second embodiment of the metering valve.
  • FIG 4B is a section on plane B-B of FIG 4A.
  • FIG 5 is an axial sectional view of a third embodiment of the metering valve.
  • FIG 1 schematically shows a fuel supply circuit 1 of a helicopter turbomachine.
  • a fuel supply circuit 1 comprises a low-pressure pump 11, a filtration, heating and air purging circuit 12, a high-pressure pump 13, a metering device 14, a stopping system 15 , a distribution system 16 and injectors 17, the fuel passing through each of these elements from the reservoir 10 to the combustion chamber 18 of the turbomachine.
  • the fuel circulates within the metering device 14 through a main line 20p on which a metering valve 21 is piloted by an actuator 22.
  • this actuator 22 is a stepper motor without a gearbox and controlled by the computer of the turbomachine.
  • the metering device 14 further comprises a feedback line 20r connected on either side of the valve 21 and on which a differential valve 23 is interposed configured to regulate the pressure difference ⁇ prevailing between the downstream and the upstream of the valve 21.
  • the metering device 14 comprises an additional level check valve 24 downstream of the metering valve 21.
  • the pressure difference ⁇ extends kept constant and the differences in attitudes being negligible, the flow of fuel passing through the metering valve 21 is directly regulated by the passage section offered by the valve 21.
  • FIGS. 2A to 2D illustrate a first exemplary embodiment of such a valve 21 whose passage section is variable.
  • This valve 21 comprises a seat 31 provided with an inlet 31e and an outlet 31s in which is introduced a plug 32 connected to its actuator 22 by a shaft 33 of axis A.
  • the plug 32 is supported by ball bearings 34 which allow it to rotate freely within the seat 31 when it is controlled by the actuator 22.
  • devices for compensating for axial and angular play can be provided to eliminate any axial play. or angular may affect the position of the plug 32.
  • This plug 32 of substantially cylindrical shape of axis A, comprises an annular ring 41 which, when the plug 32 is inserted into the seat 31, is positioned in front of the inlet port 31e.
  • This annular ring 41 has a variable axial width L so as to close a more or less large section of the inlet orifice 31e as a function of the position of the plug 32 relative to the seat 31.
  • the axial width L of the sealing ring 41 is sufficient to completely close the inlet 31e of the valve 21.
  • the axial width L is constant but smaller than upstream of the lower abutment point 42 so as to partially open the inlet port 31e of the valve 21.
  • the passage area released at the inlet 31e increases linearly.
  • the axial width L then decreases linearly, that is to say, proportionally to the distance traveled from the threshold point 43, to a higher stop point 44 of azimuth a4, so that the passage area liberated at the inlet orifice 31e quadratically increases between the threshold point 43 and the upper stop point 44.
  • the axial width L of the sealing ring 41 behind the lower abutment point 42 could be chosen to ensure a minimum non-zero flow rate.
  • the axial width L of the obturator ring 41 between the lower stop point 42 and this threshold point 43 is chosen so that the passage surface at this threshold point 43 corresponds to a nominal flow DN of the turbomachine.
  • this nominal flow DN is that corresponding to the maximum takeoff power PMD at ground level; however, it may also correspond to the maximum ground level PMC cruising power.
  • the threshold position of the plug 32 is located at about 66% of its stroke from the lower stop to the upper stop, or at an angular coordinate b3 of about 55 °.
  • the end of the inlet orifice 31e of the seat 31 is approximately opposite the upper stop point 44 of the obturator ring 41: the axial width L of the sealing ring 41 at this upper stop point 44 is chosen so that the passage surface at this upper stop point 44 corresponds to a maximum emergency flow rate DU of the turbomachine.
  • this emergency flow DU corresponds to the regulatory flow OEI ("One Engine Inoperative").
  • the maximum stroke of the plug 32 from the lower stop to the upper stop extends over 85 °. However, it could also extend beyond 110 ° to 150 ° for example.
  • the configuration of the obturator ring 41 makes it possible to obtain a linear distribution law between the lower stop position, of angular coordinate b2, up to the threshold position, of angular coordinate b3, and a quadratic metering law from the threshold position to the upper stop position, angular coordinate b4. Therefore, this law being programmed in the computer of the turbomachine, the latter is able to control the plug 32 with the stepper motor 22 in order to bring it to the position corresponding to the reference flow that we provided him.
  • FIGS. 4A and 4B illustrate a second exemplary embodiment of a metering valve 121 whose section of passage is variable.
  • This valve 121 comprises a seat 131, provided with an inlet 131e and an outlet 131s, in which is introduced a cam 132 connected to its actuator 22 by a shaft 133 of axis A.
  • the cam 132 is supported by ball bearings 134 which allow it to rotate freely within the seat 131 when it is controlled by the actuator 22.
  • axial and angular play compensating devices can be provided to eliminate possible games axial or angular may affect the position of the cam 132.
  • the cam 132 When the cam 132 is inserted into the seat 131, it is positioned near the inlet 131e. It has a radial thickness e variable so as to leave a radial clearance j more or less important in front of the inlet 131e according to its position relative to the seat 131.
  • the radial thickness e of the cam 132 is sufficient to completely close the inlet 131e of the valve 121. Then progressing along the cam 132 in in the clockwise direction, this radial thickness e decreases linearly, that is to say, proportionally to the distance traveled, to a threshold point 143 of azimuth a3.
  • the radial thickness e then decreases quadratically, i.e., proportionally to the square of the distance traveled from the threshold point. 143, to an upper stop point 144 of azimuth a4.
  • FIG 5 illustrates a third embodiment of a metering valve 221 whose passage section is variable.
  • This valve 221 comprises a seat 231, provided with an inlet 231e, an outlet 231s, and a restriction passage 231r.
  • a needle 232 is inserted into the seat 231 so that its tip 241 engages in the restriction passage 231r.
  • the needle 232 is integral with a rod 233 provided with a rack 234 on which meshes with a pinion 235 of the actuator 22, the actuator 22 thus axially driving the needle 232 along its axis A.
  • the tip 241 of the needle has a radial thickness e variable so as to achieve a greater or lesser radial clearance with the walls of the restriction passage 231r depending on the position of the needle 232 relative to the seat 231.
  • the radial thickness e of the tip 241 is sufficient to completely close the restriction passage 231r.
  • this radial thickness e decreases so that the section of the restriction passage increases linearly, that is to say, proportionally to the distance traveled by the needle, to a threshold point .
  • the radial thickness e then decreases so that the section of the restriction passage increases quadratically, i.e. proportionally to the square of the distance traveled by the needle from the threshold point to an upper stop point.

Landscapes

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Abstract

Dispositif de dosage d'un circuit d'alimentation en carburant d'un moteur comprenant une vanne de dosage (21), et un dispositif de régulation de pression maintenant une différence de pression constante entre l'aval et l'amont de la vanne de dosage (21), dans lequel la vanne de dosage (21) comprend un siège (31), muni d'un orifice d'entrée (31e) et d'un orifice de sortie (31s), un obturateur (32), disposé au sein du siège (31), et un actionneur, pilotant la position de l'obturateur (32), et dans lequel l'obturateur (32) définit un passage entre l'orifice d'entrée (31e) et l'orifice de sortie (31s) dont la section minimale est variable en fonction de la position de l'obturateur (32) le long d'une course s'étendant entre une butée inférieure et une butée supérieure et passant par une position seuil. Selon l'invention, l'obturateur (32) est configuré de sorte que, d'une part, la section minimale dudit passage, et donc le débit de carburant passant à travers la vanne (21), croit linéairement en fonction de la coordonnée de la position de l'obturateur entre la butée inférieure et la position seuil et que, d'autre part, la section minimale dudit passage, et donc le débit de carburant, croit quadratiquement, ou plus rapidement, en fonction de la coordonnée de la position de l'obturateur entre la position seuil et la butée supérieure.

Description

DISPOSITIF DE DOSAGE D'UN CIRCUIT D'ALIMENTATION EN CARBURANT D'UN MOTEUR
DOMAINE DE L'INVENTION
Le présent exposé concerne un dispositif de dosage d'un circuit d'alimentation en carburant d'un moteur.
Il peut être utilisé pour doser le carburant alimenté dans tout type de moteur thermique et notamment dans des turbomachines d'hélicoptère ou d'avion.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Dans un hélicoptère, le circuit carburant de la turbomachine remplit typiquement plusieurs fonctions : il permet d'aspirer le carburant depuis le réservoir, de le mettre en pression, de réaliser son dosage suivant la consigne du calculateur, et enfin de distribuer le carburant aux injecteurs.
Pour réaliser le dosage du carburant, le circuit carburant peut comprendre un doseur équipé d'une vanne pilotable. Différentes lois de dosage sont utilisables pour piloter cette vanne.
Certains doseurs classiques utilisent des lois « linéaires » : selon une telle loi, le débit de carburant réglé par la vanne croit linéairement avec le déplacement de l'obturateur de la vanne le long de sa course. Toutefois, de tels doseurs de type linéaire sont mal adaptés pour tenir des plages de débit élevé en raison de la pente constante de la loi de dosage depuis le débit minimal. En outre, cette loi ne permet des « growths », c'est-à-dire des augmentations de débits carburant nominaux tout en conservant l'architecture du circuit carburant existante, que de faible ampleur, la résolution à bas débit d'un tel système de dosage devant être préservée.
D'autres doseurs connus utilisent des lois « exponentielles » : selon une telle loi, le débit de carburant réglé par la vanne croit exponentiel lement avec le déplacement de l'obturateur de la vanne le long de sa course. Toutefois, de tels doseurs sont complexes d'utilisation en cas de défaillance de l'actionneur pilotant la vanne en raison du caractère non linéaire de leur loi de dosage mal adapté aux pilotages incrémentaux (pilotage par un moteur pas-à-pas par exemple) : dans un tel cas, une petite erreur sur la position de l'obturateur, une perte de pas par exemple, peut entraîner une grande erreur sur le dosage du carburant. En outre, le réglage de tels doseurs est également difficile en cas de retarage de la différence de pression régnant de part et d'autre de la vanne puisque le gain engendré par un tel retarage n'est pas constant sur la pente de la loi de dosage.
Il existe donc un réel besoin pour un dispositif de dosage d'un circuit d'alimentation en carburant qui soit dépourvu, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux dispositifs de dosage connus précités.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Le présent exposé concerne un dispositif de dosage d'un circuit d'alimentation en carburant d'un moteur comprenant une vanne de dosage et un dispositif de régulation de pression maintenant une différence de pression constante entre l'aval et l'amont de la vanne de dosage, dans lequel la vanne de dosage comprend un siège, muni d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie, un obturateur, disposé au sein du siège, et un actionneur, pilotant la position de l'obturateur, et dans lequel l'obturateur définit un passage entre l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie dont la section minimale est variable en fonction de la position de l'obturateur le long d'une course s'étendant entre une butée inférieure et une butée supérieure et passant par une position seuil. L'obturateur est configuré de sorte que, d'une part, la section minimale dudit passage, et donc le débit de carburant passant à travers la vanne, croit linéairement en fonction de la coordonnée de la position de l'obturateur entre la butée inférieure et la position seuil et que, d'autre part, la section minimale dudit passage, et donc le débit de carburant, croit quadratiquement, ou plus rapidement, en fonction de la coordonnée de la position de l'obturateur entre la position seuil et la butée supérieure.
En application du théorème de Bernoulli, la différence de pression entre l'aval et l'amont de la vanne de dosage étant maintenue constante par le dispositif de régulation de pression, la vitesse du carburant circulant dans le dispositif de dosage est constante. Dès lors, le débit de carburant traversant la vanne de dosage est directement proportionnel à la section minimale du passage de la vanne. Ainsi, à qualité d'écoulement donnée, le débit de carburant est complètement déterminé par la valeur de la différence de pression entre l'aval et l'amont de la vanne de dosage, maintenue constante, et la position de l'obturateur au sein du siège de la vanne.
Cette position de l'obturateur est repérée par une coordonnée pouvant varier entre une coordonnée minimale, correspondant à la position de butée inférieure de l'obturateur, et une coordonnée maximale, correspondant à la position de butée supérieure de l'obturateur, ces positions de butée inférieure et supérieure définissant les bornes de la course maximale de l'obturateur : une telle coordonnée peut indifféremment être définie par un nombre de pas, un angle ou une distance parcourue depuis la butée inférieure, ou tout autre position de référence, ou par un rapport de distance vis-à-vis de la course maximale de l'obturateur, ou encore par tout autre unité adaptée.
Ainsi, dans un tel dispositif de dosage, lorsque l'obturateur se déplace depuis la butée inférieure vers la position seuil, le débit de carburant augmente linéairement : dans ce domaine de positions, le débit de carburant est ainsi une fonction affine de la coordonnée de la position de l'obturateur. Autrement dit, pour chaque pas de l'obturateur, le débit de carburant augmente, ou diminue, d'une quantité donnée.
En revanche, lorsque l'obturateur se déplace depuis la position seuil vers la butée supérieure, le débit de carburant augmente quadratiquement ou plus rapidement : dans ce domaine de positions, le débit de carburant est ainsi une fonction du deuxième degré de la coordonnée de la position de l'obturateur, ou de degré supérieure, ou exponentielle, ou encore de tout type dont le taux de croissance est plus important que celui d'une fonction du deuxième degré.
Ainsi, grâce à ce dispositif de dosage, il est possible de bénéficier d'une résolution élevée, c'est-à-dire d'un réglage fin du débit pour chaque pas de l'obturateur, dans un domaine principal de positions de l'obturateur tout en rendant possible des pointes de débit, et donc des pointes de puissance pour le moteur, dans un deuxième domaine de positions de l'obturateur dont l'étendue peut être réduite. En outre, on bénéfice d'une forte robustesse du dosage dans le domaine principal puisqu'une petite erreur de positionnement de l'obturateur, suite à une défaillance de l'actionneur ou d'un résolveur par exemple, n'altère que faiblement le débit obtenu par rapport à la consigne, les erreurs de dosage plus importantes pouvant survenir dans le second domaine étant moins critiques compte tenu des débits élevés recherchés, de telles occasions nécessitant des pointes de débit étant par ailleurs peu fréquentes.
De plus, un tel dispositif de dosage se prête bien à des augmentations de débits carburant nominaux ultérieures à sa conception : en effet, un tel dispositif peut atteindre dans son deuxième domaine des débits élevés compatibles avec l'augmentation des débits nominaux, tout en conservant sa robustesse dans son domaine principal. Il se prête également facilement à des retarages de la différence de pression entre l'aval et l'amont de la vanne de dosage, menés dans le but d'augmenter globalement le débit traversant la vanne, en raison de la facilité de recalibration offerte par le caractère linéaire de son domaine principal.
Dans cet exposé, on entend par le terme « butée » une borne de la course prévue pour l'obturateur : une telle position de butée peut être matérialisée par une butée mécanique effective bloquant l'obturateur au- delà d'un certain point. Toutefois, dans certains modes de réalisation, le dispositif de dosage peut être dépourvu de telles butées mécaniques, le calculateur interdisant alors le déplacement de l'obturateur au-delà de ces positions de butées telles qu'elles ont été programmées.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif de dosage est configuré de sorte que la valeur de la section minimale du passage de la vanne de dosage est continue au voisinage de la position seuil de l'obturateur.
Dans certains modes de réalisation, la section minimale dudit passage croit quadratiquement en fonction de la coordonnée de la position de l'obturateur entre la position seuil et la butée supérieure.
Dans d'autres modes de réalisation, la section minimale dudit passage croit exponentiellement en fonction de la coordonnée de la position de l'obturateur entre la position seuil et butée supérieure.
Dans certains modes de réalisation, la position seuil correspond à la position de l'obturateur dans laquelle le débit de carburant passant à travers la vanne est égal à un débit nominal de fonctionnement du moteur. Ainsi, le dispositif de dosage est amené à travailler essentiellement dans le domaine de positions compris entre la butée inférieure est la position seuil, c'est-à-dire dans le domaine linéaire où la résolution et la robustesse du dispositif de dosage est la plus importante. En revanche, lorsque le moteur nécessite une puissance plus importante, et donc un débit de carburant plus élevé, en situation d'urgence par exemple, l'obturateur peut dépasser la position seuil pour atteindre rapidement la pointe de débit demandée.
Dans certains modes de réalisation, la butée inférieure correspond à la position de l'obturateur dans laquelle le débit de carburant est nul. De cette manière, le dispositif de dosage peut interrompre complètement la circulation de carburant.
Dans certains modes de réalisation, ledit moteur est un moteur d'aéronefs et ledit débit nominal de fonctionnement du moteur est le débit nominal de croisière ou le débit nominal de décollage.
Dans certains modes de réalisation, la butée supérieure correspond à la position de l'obturateur dans laquelle le débit de carburant est égal au débit maximal d'urgence du moteur. Ainsi, le dispositif de dosage est capable de fournir au moteur le débit maximal lui permettant de répondre aux situations d'urgence, par exemple la perte d'un moteur sur un appareil équipé de plusieurs moteurs.
Dans certains modes de réalisation, la position seuil se situe à une coordonnée comprise entre 50% et 90% de la course de l'obturateur depuis la butée inférieure jusqu'à la butée supérieure, de préférence entre 60% et 80% de cette course. Ainsi, on réserve une majeure partie de la course pour le domaine linéaire qui est celui présentant la meilleure résolution et la plus grande robustesse, le domaine de croissance quadratique, ou plus rapide, pouvant quant à lui être moins étendu tout en conservant la possibilité d'atteindre des débits élevés.
Dans certains modes de réalisation, l'obturateur est un boisseau entraîné en rotation autour de son axe central par l'actionneur et ledit boisseau possède une bague obturatrice configurée pour obturer une section variable de l'orifice d'entrée, la largeur axiale de ladite bague obturatrice étant constante entre un azimut de butée inférieure et un azimut de seuil et diminuant linéairement entre ledit azimut de seuil et un azimut de butée supérieure.
Dans certains modes de réalisation, l'obturateur est une came entraînée en rotation autour de son axe central par l'actionneur et ladite came possède une épaisseur radiale variable réalisant un jeu radial variable entre l'orifice d'entrée et la came, ladite épaisseur radiale diminuant linéairement entre un azimut de butée inférieure et un azimut de seuil et quadratiquement entre ledit azimut de seuil et un azimut de butée supérieure.
Dans certains modes de réalisation, la course angulaire de l'obturateur s'étend sur une amplitude de 70 à 150°, de préférence environ 85°.
Dans certains modes de réalisation, l'obturateur est un pointeau entraîné axialement le long de son axe central par l'actionneur et ledit pointeau est mobile au sein d'un passage de restriction avec lequel il réalise un jeu radial variable.
Dans certains modes de réalisation, l'actionneur est un moteur pas- à-pas. Un tel moteur pas-à-pas permet une précision ett donc une résolution importante.
Dans certains modes de réalisation, ce moteur pas-à-pas est dépourvu de réducteur. Ceci permet une réduction de masse et de coût tout en améliorant la fiabilité du dispositif.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif de régulation de pression est un clapet différentiel.
Le présent exposé concerne également une turbomachine comprenant un circuit d'alimentation en carburant équipé d'un dispositif de dosage selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents.
Le présent exposé concerne également un hélicoptère comprenant une turbomachine selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents.
Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation du dispositif de dosage proposé. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l'invention.
Sur ces dessins, d'une figure (FIG) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. En outre, des éléments (ou parties d'élément) appartenant à des exemples de réalisation différents mais ayant une fonction analogue sont repérés sur les figures par des références numériques incrémentées de 100, 200, etc.
La FIG 1 est un schéma d'ensemble d'un circuit d'alimentation en carburant d'une turbomachine comprenant le dispositif de dosage selon l'invention.
La FIG 2A est une vue en coupe axiale d'un premier exemple de réalisation de la vanne de dosage.
La FIG 2B est une vue en perspective de l'obturateur de la vanne de la FIG 2A.
La FIG 2C est une vue développée et schématique de la bague obturatrice de l'obturateur de la FIG 2B.
La FIG 2D est une vue de dessus de la bague obturatrice de l'obturateur de la FIG 2B.
La FIG 3 et un graphe représentant l'évolution du débit de carburant en fonction de la coordonnée de la position de l'obturateur.
La FIG 4A est une vue en coupe axiale d'un deuxième exemple de réalisation de la vanne de dosage.
La FIG 4B est une section selon le plan B-B de la FIG 4A.
La FIG 5 est une vue en coupe axiale d'un troisième exemple de réalisation de la vanne de dosage.
DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES DE REALISATION
Afin de rendre plus concrète l'invention, des exemples de dispositifs de dosage sont décrits en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à ces exemples.
La FIG 1 représente schématiquement un circuit d'alimentation en carburant 1 d'une turbomachine d'hélicoptère. Un tel circuit d'alimentation en carburant 1 comprend une pompe basse pression 11, un circuit de filtration, de réchauffage, et de purge d'air 12, une pompe haute pression 13, un dispositif de dosage 14, un système d'arrêt 15, un système de distribution 16 et des injecteurs 17, le carburant traversant chacun de ces éléments depuis le réservoir 10 jusqu'à la chambre de combustion 18 de la turbomachine.
Le carburant circule au sein du dispositif de dosage 14 à travers une ligne principale 20p sur laquelle s'interpose une vanne de dosage 21 pilotée par un actionneur 22. Dans cet exemple de réalisation, cet actionneur 22 est un moteur pas-à-pas dépourvu de réducteur et commandé par le calculateur de la turbomachine. Le dispositif de dosage 14 comprend en outre une ligne de rétroaction 20r connectée de part et d'autre de la vanne 21 et sur laquelle s'interpose un clapet différentiel 23 configuré pour réguler la différence de pression ΔΡ régnant entre l'aval et l'amont de la vanne 21. En outre, le dispositif de dosage 14 comporte un clapet additionnel de niveau 24 en aval de la vanne de dosage 21.
Par application du théorème de Bernoulli, la différence de pression ΔΡ étend maintenue constante et les différences d'attitudes étant négligeable, le débit de carburant passant à travers la vanne de dosage 21 est directement réglé par la section de passage offerte par la vanne 21.
Les FIG 2A à 2D illustrent un premier exemple de réalisation d'une telle vanne 21 dont la section de passage est variable. Cette vanne 21 comprend un siège 31 muni d'un orifice d'entrée 31e et d'un orifice de sortie 31s dans lequel est introduit un boisseau 32 connecté à son actionneur 22 par un arbre 33 d'axe A. Le boisseau 32 est supporté par des roulements à billes 34 qui lui permettent de tourner librement au sein du siège 31 lorsqu'il est piloté par l'actionneur 22. En outre, des dispositifs de rattrapage de jeu axial et angulaire peuvent être prévus pour supprimer d'éventuels jeux axiaux ou angulaires pouvant affecter la position du boisseau 32.
Ce boisseau 32, de forme sensiblement cylindrique d'axe A, comprend une bague annulaire 41 qui, lorsque le boisseau 32 est inséré dans le siège 31, se positionne devant l'orifice d'entrée 31e. Cette bague annulaire 41 possède une largeur axiale L variable de manière à obturer une section plus ou moins importante de l'orifice d'entrée 31e en fonction de la position du boisseau 32 par rapport au siège 31. Ainsi, comme cela représenté sur les FIG 2C et 2D, en arrière d'un point de butée inférieure 42, d'azimut a2 nul par convention, la largeur axiale L de la bague obturatrice 41 est suffisante pour obturer complètement l'orifice d'entrée 31e de la vanne 21. Puis, entre ce point de butée inférieure 42 et un point de seuil 43 d'azimut a3, la largeur axiale L est constante mais plus faible qu'en amont du point de butée inférieure 42 de manière à ouvrir en partie l'orifice d'entrée 31e de la vanne 21. En progressant alors jusqu'au point de seuil 43, la surface de passage libérée au niveau de l'orifice d'entrée 31e augmente linéairement. En continuant de progresser le long de la bague obturatrice 41 dans le sens horaire à partir du point de seuil 43, la largeur axiale L diminue ensuite linéairement, c'est-à-dire proportionnellement à la distance parcourue depuis le point de seuil 43, jusqu'à un point de butée supérieure 44 d'azimut a4, de sorte que la surface de passage libérée au niveau de l'orifice d'entrée 31e augmente quadratiquement entre le point de seuil 43 et le point de butée supérieure 44.
Ainsi, grâce à une telle bague obturatrice 41, il est possible d'obtenir une loi de dosage linéo-quadratique du carburant telle que représentée sur la FIG 3. Sur ce graphe, il est possible d'observer l'évolution du débit de carburant en fonction de la position du boisseau 32 repérée par l'angle qu'il forme avec le siège 31.
Lorsque que le boisseau 32 est dans sa position de butée inférieure, dont la coordonnée angulaire b2 est conventionnement nulle, l'extrémité de l'orifice d'entrée 31e du siège 31 fait face au point de butée inférieure 42 de la bague obturatrice 41 : la bague obturatrice 41 s'interpose alors complètement devant l'orifice d'entrée 31e ; la consigne de débit est donc nulle et on constate alors sur la FIG 3 que le débit de carburant dans cette position de butée inférieure est effectivement nul ou quasi-nul à un éventuel débit de fuite minime près. Dans d'autres exemples de réalisation, la largeur axiale L de la bague obturatrice 41 en arrière du point de butée inférieure 42 pourrait être choisi pour assurer un débit minimal non nul.
Lorsque le boisseau 32 est dans sa position seuil, repérée par la coordonnée angulaire b3, l'extrémité de l'orifice d'entrée 31e du siège 31 fait face au point de seuil 43 de la bague obturatrice 41 : la largeur axiale L de la bague obturatrice 41 entre le point de butée inférieure 42 et ce point de seuil 43 est choisie de manière à ce que la surface de passage à ce point de seuil 43 corresponde à un débit nominal DN de la turbomachine. Dans cet exemple de réalisation, ce débit nominal DN est celui correspondant à la puissance maximum de décollage PMD au niveau du sol ; il peut toutefois également correspondre à la puissance maximum de croisière PMC au niveau du sol. Dans cet exemple de réalisation, la position seuil du boisseau 32 est situé à environ 66% de sa course depuis la butée inférieure jusqu'à la butée supérieure, soit à une coordonnée angulaire b3 d'environ 55°. Lorsque le boisseau 32 est dans sa position de butée supérieure, repéré par la coordonnée angulaire b4, l'extrémité de l'orifice d'entrée 31e du siège 31 fait à peu près face au point de butée supérieure 44 de la bague obturatrice 41 : la largeur axiale L de la bague obturatrice 41 au niveau de ce point de butée supérieure 44 est choisie de manière à ce que la surface de passage à ce point de butée supérieure 44 corresponde à un débit maximal d'urgence DU de la turbomachine. Dans cet exemple de réalisation, ce débit d'urgence DU correspond au débit réglementaire OEI (« One Engine Inoperative »). Dans cet exemple de réalisation, la course maximale du boisseau 32 depuis la butée inférieure jusqu'à la butée supérieure s'étend sur 85° environ. Toutefois, elle pourrait également s'étendre au-delà, entre 110° et 150° par exemple.
Ainsi, comme on peut le constater sur la FIG 3, la configuration de la bague obturatrice 41 permet d'obtenir une loi de dosage linéaire entre la position de butée inférieure, de coordonnée angulaire b2, jusqu'à la position seuil, de coordonnée angulaire b3, et une loi de dosage quadratique depuis la position seuil jusqu'à la position de butée supérieure, de coordonnée angulaire b4. Dès lors, cette loi étant programmée dans le calculateur de la turbomachine, ce dernier est capable de piloter le boisseau 32 à l'aide du moteur pas-à-pas 22 afin de l'amener dans la position correspondant au débit de consigne qu'on lui a fourni.
Dans l'exemple qui vient d'être décrit, c'était la bague obturatrice du boisseau qui bénéficiait d'une géométrie variable pour régler le débit du carburant en fonction de la position angulaire du boisseau ; toutefois, il va de soi que ce profil variable peut également être porté par l'orifice d'entrée 31e du siège 31 tandis que la découpe de la bague obturatrice 41 est de largeur axiale L constante. Plus généralement, il est possible d'imaginer toute combinaison de profil entre la bague obturatrice 41 et l'orifice d'entrée 31e tant que celle-ci aboutit à une variation souhaitée de la section de passage en fonction de la position angulaire du boisseau et donc du débit : par exemple, il est possible d'imaginer une rampe hélicoïdale de pente constante sur la bague obturatrice 41 associée à une forme ad hoc de l'orifice d'entrée 31e.
Les FIG 4A et 4B illustrent un deuxième exemple de réalisation d'une vanne de dosage 121 dont la section de passage est variable. Cette vanne 121 comprend un siège 131, muni d'un orifice d'entrée 131e et d'un orifice de sortie 131s, dans lequel est introduit une came 132 connectée à son actionneur 22 par un arbre 133 d'axe A. La came 132 est supportée par des roulements à billes 134 qui lui permettent de tourner librement au sein du siège 131 lorsqu'elle est pilotée par l'actionneur 22. En outre, des dispositifs de rattrapage de jeu axial et angulaire peuvent être prévus pour supprimer d'éventuels jeux axiaux ou angulaires pouvant affecter la position de la came 132.
Lorsque la came 132 est insérée dans le siège 131, celle-ci se positionne à proximité de l'orifice d'entrée 131e. Elle possède une épaisseur radiale e variable de manière à laisser un jeu radial j plus ou moins important devant l'orifice d'entrée 131e en fonction de sa position par rapport au siège 131. Ainsi, comme cela est représenté sur la 4B, en un point de butée inférieure 142, d'azimut a2 nul par convention, l'épaisseur radiale e de la came 132 est suffisante pour obturer complètement l'orifice d'entrée 131e de la vanne 121. En progressant alors le long de la came 132 dans le sens horaire, cette épaisseur radiale e diminue linéairement, c'est-à-dire proportionnellement à la distance parcourue, jusqu'à un point de seuil 143 d'azimut a3. En continuant de progresser le long de la came 132 dans le sens horaire à partir du point de seuil 143, l'épaisseur radiale e diminue ensuite quadratiquement, c'est-à- dire proportionnellement au carré de la distance parcourue depuis le point de seuil 143, jusqu'à un point de butée supérieure 144 d'azimut a4.
Une telle came 132 dont l'épaisseur radiale e est variable permet d'obtenir une loi de dosage linéo-quadratique du carburant analogue à celle déjà décrite et représentée sur la FIG 3.
La FIG 5 illustre un troisième exemple de réalisation d'une vanne de dosage 221 dont la section de passage est variable. Cette vanne 221 comprend un siège 231, muni d'un orifice d'entrée 231e, d'un orifice de sortie 231s, et d'un passage de restriction 231r. Un pointeau 232 est introduit dans le siège 231 de manière à ce que sa pointe 241 s'engage dans le passage de restriction 231r. Le pointeau 232 est solidaire d'une tige 233 munie d'une crémaillère 234 sur laquelle engrène un pignon 235 de l'actionneur 22, l'actionneur 22 pouvant ainsi entraîner axialement le pointeau 232 le long de son axe A. La pointe 241 du pointeau possède une épaisseur radiale e variable de manière à réaliser un jeu radial plus ou moins important avec les parois du passage de restriction 231r en fonction de la position du pointeau 232 par rapport au siège 231. De manière analogue aux exemples précédemment décrits, en un point de butée inférieure l'épaisseur radiale e de la pointe 241 est suffisante pour obturer complètement le passage de restriction 231r. En progressant alors le long de la pointe, cette épaisseur radiale e diminue de telle sorte que la section du passage de restriction croit linéairement, c'est-à-dire proportionnellement à la distance parcourue par le pointeau, jusqu'à un point de seuil. En continuant de progresser le long de la pointe 241 à partir du point de seuil, l'épaisseur radiale e diminue ensuite de telle sorte que la section du passage de restriction croit quadratiquement, c'est-à-dire proportionnellement au carré de la distance parcourue par le pointeau depuis le point de seuil, jusqu'à un point de butée supérieure.
Un tel pointeau 232 dont l'épaisseur radiale e est variable permet à nouveau d'obtenir une loi de dosage linéo-quadratique du carburant analogue à celle déjà décrite et représentée sur la FIG 3.
Les modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé sont donnés à titre illustratif et non limitatif, une personne du métier pouvant facilement, au vu de cet exposé, modifier ces modes ou exemples de réalisation, ou en envisager d'autres, tout en restant dans la portée de l'invention.
De plus, les différentes caractéristiques de ces modes ou exemples de réalisation peuvent être utilisées seules ou être combinées entre elles. Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être comme décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant pas aux combinaisons spécifiques décrites dans le présent exposé. En particulier, sauf précision contraire, une caractéristique décrite en relation avec un mode ou exemple de réalisation peut être appliquée de manière analogue à un autre mode ou exemple de réalisation.

Claims

REVENDIQUONS
1. Dispositif de dosage d'un circuit d'alimentation en carburant d'un moteur, comprenant
une vanne de dosage (21), et
un dispositif de régulation de pression (23) maintenant une différence de pression constante entre l'aval et l'amont de la vanne de dosage (21),
dans lequel la vanne de dosage (21) comprend
- un siège (31), muni d'un orifice d'entrée (31e) et d'un orifice de sortie (31s),
- un obturateur (32), disposé au sein du siège (31), et
- un actionneur (22), pilotant la position de l'obturateur (32), et dans lequel l'obturateur (32) définit un passage entre l'orifice d'entrée (31e) et l'orifice de sortie (31s) dont la section minimale est variable en fonction de la position de l'obturateur (32) le long d'une course s'étendant entre une butée inférieure et une butée supérieure et passant par une position seuil,
caractérisé en ce que l'obturateur (32) est configuré de sorte que, d'une part, la section minimale dudit passage, et donc le débit de carburant passant à travers la vanne (21), croit linéairement en fonction de la coordonnée de la position de l'obturateur entre la butée inférieure (b2) et la position seuil (b3) et que, d'autre part, la section minimale dudit passage, et donc le débit de carburant, croit quadratiquement, ou plus rapidement, en fonction de la coordonnée de la position de l'obturateur (32) entre la position seuil (b3) et la butée supérieure (b4).
2. Dispositif de dosage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position seuil (b3) correspond à la position de l'obturateur (32) dans laquelle le débit de carburant passant à travers la vanne (21) est égal à un débit nominal (DN) de fonctionnement du moteur, de préférence le débit nominal de croisière ou le débit nominal de décollage lorsque ledit moteur est un moteur d'aéronef.
3. Dispositif de dosage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la butée supérieure (b4) correspond à la position de l'obturateur (32) dans laquelle le débit de carburant est égal au débit maximal d'urgence (DU) du moteur.
4. Dispositif de dosage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la position seuil (b3) se situe à une coordonnée comprise entre 50% et 90% de la course de l'obturateur (32) depuis la butée inférieure (b2) jusqu'à la butée supérieure (b4), de préférence entre 60% et 80% de cette course.
5. Dispositif de dosage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'obturateur est un boisseau (32) entraîné en rotation autour de son axe central (A) par l'actionneur (22) et en ce que ledit boisseau (32) possède une bague obturatrice (41) configurée pour obturer une section variable de l'orifice d'entrée (31e), la largeur axiale (L) de ladite bague obturatrice (41) étant constante entre un azimut de butée inférieure (a2) et un azimut de seuil (a3) et diminuant linéairement entre ledit azimut de seuil (a3) et un azimut de butée supérieure (a4).
6. Dispositif de dosage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'obturateur est une came (132) entraînée en rotation autour de son axe central (A) par l'actionneur (22) et en ce que ladite came (132) possède une épaisseur radiale (e) variable réalisant un jeu radial G) variable entre l'orifice d'entrée (131e) et la came (132), ladite épaisseur radiale (e) diminuant linéairement entre un azimut de butée inférieure (a2) et un azimut de seuil (a3) et quadratiquement entre ledit azimut de seuil (a3) et un azimut de butée supérieure (a4).
7. Dispositif de dosage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'obturateur est un pointeau (232) entraîné axialement le long de son axe central (A) par l'actionneur (22) et en ce que ledit pointeau (232) est mobile au sein d'un passage de restriction (231r) avec lequel il réalise un jeu radial variable.
8. Dispositif de dosage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'actionneur (22) est un moteur pas-à-pas, de préférence dépourvu de réducteur.
9. Turbomachine, caractérisé en ce qu'elle comprend un circuit d'alimentation en carburant (1) équipé d'un dispositif de dosage (14) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8
10. Hélicoptère, caractérisé en ce qull comprend une turbomachine selon la revendication 9.
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