FR2969703A1 - Procede d'alimentation en carburant d'une turbomachine - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne le domaine de la commande d'alimentation de turbomachines, et en particulier un procédé d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion de turbomachine comportant au moins un premier et un deuxième ensemble d'injecteurs, comportant une étape (Com1) de commutation d'un premier mode d'alimentation dans lequel le premier ensemble est alimenté en carburant, mais pas le deuxième ensemble, à un deuxième mode d'alimentation dans lequel le premier et le deuxième ensemble sont alimentés en carburant. Dans ce procédé, le débit d'alimentation du deuxième ensemble est plus élevé pendant l'étape de commutation (Com1) du premier mode au deuxième mode qu'ensuite, dans le deuxième mode.
Description
La présente invention concerne un procédé d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion de turbomachine, en particulier une turbomachine comportant au moins un premier et un deuxième ensemble d'injecteurs.
Dans la chambre de combustion d'une turbomachine, il peut être avantageux de varier la distribution de la combustion en fonction du régime de fonctionnement, notamment pour améliorer l'efficacité de cette combustion tout en limitant les émissions de gaz polluants tels que les oxydes d'azote (NOX) générés notamment par des combustions à très haute température. Ainsi, dans des turbomachines de l'état de la technique, comme par exemple le turboréacteur à double flux CFM 56 produit par le consortium CFM International, il est connu d'avoir au moins un premier et un deuxième ensemble d'injecteurs dans la chambre de combustion, et de les alimenter en carburant selon un procédé comportant une étape de commutation d'un premier mode d'alimentation dans lequel le premier ensemble est alimenté en carburant, mais pas le deuxième ensemble, à un deuxième mode d'alimentation dans lequel tant le premier comme le deuxième ensemble sont alimentés en carburant. Ainsi, on obtient une combustion étagée, avec une distribution de carburant dans la chambre de combustion qui change lors de cette étape de commutation.
Toutefois, ce procédé de l'art antérieur présente certains inconvénients. Comme le deuxième ensemble n'est pas alimenté en carburant dans le premier mode, les conduits d'alimentation des injecteurs du deuxième ensemble seront vides lors du début de l'étape de commutation du premier au deuxième mode. Jusqu'à ce qu'une combustion stable soit établie en aval du deuxième ensemble, c'est-à-dire, que le carburant remplisse les conduits d'alimentation du deuxième ensemble et arrive aux injecteurs du deuxième ensemble, et qu'une flamme s'allume, se propage et se stabilise dans le carburant injecté dans la chambre par ces injecteurs, une diminution de la puissance de la turbomachine pourrait ainsi être appréciable. Précédemment, quand cette commutation était pilotée par des dispositifs de commande hydrauliques, cette chute temporaire de la puissance pouvait être moins prononcée. Toutefois, à présent, avec l'utilisation d'unités de commande
électroniques, cette commutation est de plus en plus rapide, et la chute en puissance de plus en plus marquée.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.
Ce but est atteint grâce au fait que le débit d'alimentation du deuxième ensemble est plus élevé pendant l'étape de commutation du premier au deuxième mode qu'ensuite, dans le deuxième mode.
Grâce à ces dispositions, ce procédé assure un remplissage plus rapide des conduits d'alimentation du deuxième ensemble d'injecteurs, arrivant ainsi plus rapidement à leur pression nominale d'alimentation et évitant une chute de puissance sensible de la turbomachine.
Avantageusement, le débit total de carburant fourni au premier ensemble est plus grand pendant l'étape de commutation du premier mode au deuxième mode qu'ensuite, dans le deuxième mode. On évite ainsi une chute globale du débit de carburant effectivement consumé dans la chambre de combustion pendant l'étape de commutation.
Avantageusement, la chambre de combustion comporte, parmi ledit deuxième ensemble d'injecteurs, un sous-ensemble d'injecteurs qui n'est pas alimenté dans le deuxième mode, et le procédé comporte aussi un troisième mode dans lequel ledit sous-ensemble est alimenté en carburant, et une étape de commutation du deuxième mode au troisième mode, pendant laquelle le débit d'alimentation du deuxième ensemble est plus élevé qu'ensuite, dans le troisième mode. Le fonctionnement de la turbomachine peut ainsi être étagé sur trois modes différents, tout en évitant aussi une chute de puissance prononcée et/ou l'extinction d'injecteurs du deuxième ensemble lors de la commutation du deuxième au troisième mode, pendant que le carburant remplit les conduits d'alimentation et arrive aux injecteurs du sous-ensemble, et qu'une flamme s'allume, se propage et se stabilise dans le carburant injecté dans la chambre par ces injecteurs. Si la turbomachine présente une limite maximale de débit total, par exemple pour éviter une surchauffe, cette limite peut être temporairement augmentée pendant l'étape de
commutation du deuxième mode au troisième mode, pour éviter de l'atteindre pendant cette commutation.
Avantageusement, le premier ensemble d'injecteurs est alimenté par une première pompe et le deuxième ensemble d'injecteurs est alimenté par une deuxième pompe. On évite ainsi des chutes de pression dans le premier ensemble d'injecteur lors des commutations.
L'invention concerne également une unité électronique de commande de turbomachine programmée pour commander un procédé d'alimentation en carburant suivant l'invention, ainsi qu'une turbomachine comportant une chambre de combustion avec au moins un premier et un deuxième ensemble d'injecteurs, et un dispositif d'alimentation desdits premier et deuxième ensembles d'injecteurs connecté à une telle unité électronique de commande.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une illustration schématique d'une turbomachine suivant un mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 est un tableau synoptique d'une première étape de commutation dans un procédé d'alimentation en carburant suivant le même mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 est un tableau synoptique d'une deuxième étape de commutation dans le même procédé d'alimentation en carburant ; et la figure 4 est un graphique des consignes de débit de carburant en fonction du temps lors d'une montée régulière en régime.
Une turbomachine, plus précisément un turboréacteur à double flux 1, incorporant un mode de réalisation de l'invention est illustrée sur la figure 1. Ce turboréacteur 1 comporte une soufflante 2, un compresseur basse pression 3 et une turbine basse pression 4 solidaires à un premier arbre moteur (non illustré), et un compresseur haute pression 6 et une
turbine haute pression 7 solidaires à un deuxième arbre moteur (non illustré). Entre le compresseur haute pression 6 et la turbine haute pression 7, le turboréacteur 1 comprend aussi une chambre de combustion 9. Les compresseurs 3 et 6, les turbines 7 et 4 et la chambre de combustion 9 sont contenus dans un corps principal 10 du turboréacteur 1, situé en aval de la soufflante 2 et aboutissant en une tuyère 13 de détente.
En fonctionnement, la soufflante 2 aspire de l'air, lequel est divisé, en aval de la soufflante 2, en un flux intérieur 11 entrant dans le compresseur basse pression 3, et un flux extérieur 12, contournant le corps principal 10. Dans le corps principal 10, ce flux intérieur 11 d'air est d'abord comprimé dans les compresseurs basse et haute pression 3 et 6, avant d'entrer dans la chambre de combustion 9, dans laquelle un débit de carburant est brûlé. Les gaz de combustion chauds sont ensuite détendus dans les turbines haute et basse pression 7 et 4, afin d'entraîner la soufflante 2 et les compresseurs 3 et 6 à travers les deux arbres moteurs. En aval de la turbine basse pression 4, les gaz de combustion sont accélérés et mélangés avec le flux extérieur 12 par la tuyère 13, servant ainsi à générer une poussée de propulsion.
Typiquement, le turboréacteur 1 est utilisé pour la propulsion d'aéronefs et autres engins volants. Dans ce rôle, il doit pouvoir être utilisé à plusieurs régimes de poussée. Afin de distribuer la combustion dans la chambre de combustion 9, notamment afin d'éviter des pics ou creux locaux de température et/ou de concentration de carburant, diminuant l'efficacité de la combustion, et produisant des émissions de polluants tels que, respectivement, les oxydes d'azote (NOX), ou le monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures non brûlés. Pour cela, le turboréacteur 1 illustré comporte trois rampes distinctes d'injecteurs de carburant dans la chambre de combustion 9. La première rampe d'injecteurs 14 est destinée à l'injection de carburant à tous régimes, donc même au ralenti. La deuxième rampe d'injecteurs 15 est destinée à l'injection de carburant à partir de poussées intermédiaires, et la troisième rampe d'injecteurs 16 est réservée aux pleins gaz.
Afin d'alimenter ces rampes d'injecteurs 14, 15 et 16 en carburant, le turboréacteur comporte un circuit d'alimentation en carburant avec une première pompe 17 pour l'alimentation de la première rampe 14, un deuxième pompe 18 pour l'alimentation des deuxième et troisième rampes 15 et 16, et une vanne 19 pour isoler la troisième rampe 16. Les pompes 17 et 18, ainsi que la vanne 19, sont reliées à une unité de commande 20, programmée pour leur commande suivant un régime de poussée désiré du turboréacteur 1. Ainsi, au ralenti, dans un premier mode d'alimentation du turboréacteur 1, l'unité de commande 20 active uniquement la première pompe 17, de manière à alimenter uniquement la première rampe 14 en carburant. A des poussées intermédiaires, dans un deuxième mode d'alimentation du turboréacteur 1, l'unité de commande 20 active aussi la deuxième pompe 18, mais maintient la vanne 19 en position fermée, de manière à alimenter la première rampe 14 et la deuxième rampe 15, mais sans alimenter la troisième rampe 16. Finalement, à plein gaz, l'unité de commande 20 commande aussi l'ouverture de la vanne 19, alimentant ainsi en carburant les première, deuxième et troisième rampes 14, 15 et 16.
Toutefois, les passages du premier mode au deuxième mode, et du deuxième mode au troisième mode, peuvent être délicats. Lors du passage du premier mode au deuxième mode, les conduits entre la deuxième pompe 18 et la deuxième rampe 15 vont d'abord se remplir pendant une courte période avant que tout le débit impulsé par cette deuxième pompe 18 arrive aux injecteurs de la deuxième rampe 15. Ensuite, le carburant injecté par cette deuxième rampe 15 va s'allumer, et cette flamme va se propager jusqu'à arriver à une combustion stable. Pendant cette courte période de transition, un creux sensible dans le débit total de carburant consumé dans la chambre de combustion, et donc aussi dans la poussée du turboréacteur 1, pourrait se manifester. Encore plus clairement, l'ouverture de la vanne 19 peut provoquer une chute de pression momentanée en aval de la deuxième pompe 18 qui pourrait même provoquer l'extinction de flammes associées aux injecteurs de la deuxième rampe 15.35
Afin d'éviter ces inconvénients, l'unité de commande 20 est programmée pour exécuter des étapes spécifiques de commutation du premier mode au deuxième mode et du deuxième mode au troisième mode.
Sur la figure 2 est représenté un tableau synoptique de l'étape de commutation du premier mode d'alimentation au deuxième mode d'alimentation. Une consigne de base DTota,o est fournie, correspondant au débit total de carburant dans les premier et deuxième modes. Dans le premier mode et pendant l'étape de commutation, la consigne de débit DR pour la première pompe 17 est égale à cette consigne de base DTotalo. Une sélection S1 maintient cette relation d'égalité entre DTotalo et DR tant qu'au moins une de deux conditions Cl ou C2 ne soit remplie. La première condition Cl est qu'un temps prédéterminé (par exemple, 2 s) depuis le début de l'étape de commutation s'écoule. La deuxième condition C2 est que l'allumage des injecteurs de la deuxième rampe 15 soit détecté. A partir du moment où l'une ou l'autre des conditions Cl ou C2 est remplie, la sélection S1 applique à la consigne DR un coefficient R<1 de répartition de débit, suivant la formule DR=DTota,o*R.
La consigne de débit DRS de la deuxième pompe 18 est nulle dans le premier mode d'alimentation. A partir du moment que l'étape de commutation est enclenchée, la formule DPC=DTota,o*(1-R) est appliquée. Toutefois, tant que l'étape de commutation Comi est en cours, une sélection S2 applique, comme coefficient de répartition R dans cette formule, un coefficient Rcomi plus élevé qu'un coefficient RAF appliqué dans le deuxième mode à partir de la fin de l'étape de commutation Coml. Typiquement Rcomi est dans une plage entre 0,4 et 0,5. Immédiatement après l'étape de commutation, RAF est sensiblement moindre.
Grâce au débit plus élevé fourni par chacune des deux pompes pendant l'étape de commutation, on évite une chute sensible de poussée du turboréacteur 1. En outre, en maintenant, pendant l'étape de commutation, une consigne de débit DR pour la première pompe 17 égale à la consigne de base DTota,o, on assure une température élevée dans la chambre de combustion 9, facilitant ainsi l'allumage du carburant injecté
par la deuxième rampe 15, et la propagation de cette flamme. En diminuant toutefois la consigne DR quand l'allumage des injecteurs de la deuxième rampe 15 est détecté, ou quand une période de temps prédéterminée s'est écoulé depuis le début de l'étape de commutation, on évite un sur-débit de carburant.
Sur la figure 3 est représenté un tableau synoptique de l'étape de commutation du deuxième mode au troisième mode. Tant dans le deuxième mode que dans le troisième et pendant l'étape de commutation, un coefficient R<1 de répartition de débit est appliqué à la consigne de base DTota,o pour obtenir la consigne DR de la première pompe 17, suivant la formule DR=DTotalo*R. Toutefois, pendant que l'étape de commutation Com2 est en cours, une sélection S3 applique, comme coefficient de répartition R dans cette formule, un coefficient Rcomz plus élevé qu'un coefficient RAF appliqué dans les deuxième et troisième modes. Typiquement Rcomz est, comme Rcomi, dans une plage entre 0,4 et 0,5. Immédiatement après l'étape de commutation, RAF est sensiblement moindre.
Dans les deuxième et troisième modes d'alimentation, la consigne DRS est calculée suivant la formule DRS=DTota,o*(1-R). Toutefois, pendant l'étape de commutation, un coefficient de majoration Kcom2> 1 est appliqué à cette consigne DRS, de telle manière que DRS=Kcomz*DTotaio*(1-R). Cette augmentation de la consigne DpG de débit de la deuxième pompe 18 sert à compenser la chute de pression en aval de cette deuxième pompe 18 suite à l'ouverture de la vanne 19. Afin d'éviter un sur-débit de carburant, une sélection S4 retourne la consigne DRS vers la formule DPC = DTota,o*(1-R) après qu'une condition C3 de passage d'une période de temps prédéterminée (par exemple, 2s) après le début de cette deuxième étape de commutation.
Afin d'éviter une surchauffe du turboréacteur 1, une limite maximale de débit de carburant DTotalmax est appliquée par l'unité de commande 20 sur le débit total DTota,=DR+DPG fourni par les deux pompes 17 et 18. Ce débit total réel DTota, devient, par le coefficient Kcomz appliqué à la consigne DRS de la deuxième pompe 18 pendant cette deuxième
commutation, sensiblement supérieur à la consigne de base DTota,o. Si la limite maximale de débit DTotalmax restait constante à un niveau de base DTotalmaxo, et comme la consigne de base DTota,o a déjà un niveau élevé au régime de commutation du deuxième au troisième mode, un risque d'atteindre cette limite DTota,max serait présent pendant la deuxième étape de commutation, ce qui entrainerait une restriction non souhaitée du débit total DTotal. Afin d'éviter ce risque, un coefficient de majoration KTotalcomz>1 est appliqué au niveau de base DTota,maxo de cette limite DTota,max pour l'augmenter temporairement pendant cette deuxième étape de commutation. Typiquement, KTotalcom2 peut avoir une valeur d'environ 1,3, augmentant ainsi la limite DTota,max d'environ 30%. Cette augmentation est toutefois temporaire, une sélection S5 retournant la limite DTotalmax à son niveau de base DTota,maxo une fois qu'une condition C4 de passage d'un délai prédéterminé (par exemple, 5 s) à partir du début de la deuxième étape de commutation est écoulé.
Un exemple des courbes des différentes consignes de débit lors d'une montée régulière en régime est illustré sur la figure 4, avec une progression linéaire dans le temps t de la consigne de base DTotaio, à travers le premier mode d'alimentation M1, la première étape de commutation Comi, le deuxième mode d'alimentation M2, la deuxième étape de commutation Com2 et le troisième mode d'alimentation M3.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.
Claims (7)
- REVENDICATIONS1. Procédé d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion (9) de turbomachine comportant au moins un premier et un deuxième ensemble d'injecteurs, comportant une étape (Com1) de commutation d'un premier mode d'alimentation (M1) dans lequel le premier ensemble est alimenté en carburant, mais pas le deuxième ensemble, à un deuxième mode d'alimentation (M2) dans lequel le premier et le deuxième ensemble sont alimentés en carburant; et caractérisé en ce que le débit d'alimentation du deuxième ensemble est plus élevé pendant l'étape de commutation (Com1) du premier mode (M1) au deuxième mode (M2) qu'ensuite, dans le deuxième mode (M2).
- 2. Procédé d'alimentation en carburant suivant la revendication 1, dans lequel le débit de carburant fourni au premier ensemble est plus élevé pendant l'étape de commutation (Coma) du premier mode (M1) au deuxième mode (M2) qu'ensuite, dans le deuxième mode (M2).
- 3. Procédé d'alimentation en carburant suivant une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la chambre de combustion (9) comporte, parmi ledit deuxième ensemble d'injecteurs, un sous-ensemble d'injecteurs qui n'est pas alimenté dans le deuxième mode (M2), et le procédé comporte aussi un troisième mode (M3) dans lequel ledit sous-ensemble est aussi alimenté en carburant, et une étape de commutation (Com2) du deuxième mode (M2) au troisième mode (M3), pendant laquelle le débit d'alimentation du deuxième ensemble est plus élevé qu'ensuite, dans le troisième mode (M3).
- 4. Procédé d'alimentation en carburant suivant la revendication 3, dans lequel une limite maximale (DTotalmax) d'un débit total d'alimentation des premier et deuxième ensembles est temporairement augmentée pendant l'étape de commutation (Com2) du deuxième mode (M2) au troisième mode (M3).
- 5. Procédé d'alimentation en carburant suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le premier ensemble d'injecteurs estalimenté par une première pompe (17) et le deuxième ensemble d'injecteurs est alimenté par une deuxième pompe (18).
- 6. Unité électronique de commande (20) de turbomachine 5 programmée pour commander un procédé d'alimentation en carburant suivant une quelconque des revendications 1 à 5.
- 7. Turbomachine comportant une chambre de combustion (9) avec au moins un premier et un deuxième ensemble d'injecteurs, et un 10 dispositif d'alimentation desdits premier et deuxième ensembles d'injecteurs connecté à une unité électronique de commande (20) suivant la revendication 6.
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- 2010-12-23 FR FR1061162A patent/FR2969703B1/fr active Active
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| FR2969703B1 (fr) | 2014-11-28 |
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Owner name: SAFRAN AIRCRAFT ENGINES, FR Effective date: 20170719 |
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