FR3020403B1 - Circuit d'alimentation en fluide de geometries variables sans pompe volumetrique et circuit d'alimentation de chambre de combustion avec pompe volumetrique electrique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système d'alimentation (10) de turbomachine en fluide, le système d'alimentation (10) comprenant un bloc de pompage basse pression (101) destiné à augmenter la pression du fluide s'écoulant en direction d'un circuit aval (50, 60). Selon l'invention, le circuit aval (50, 60) se subdivise à un nœud d'entrée (E) en un circuit d'alimentation (60) d'un système d'injection (62) et en un circuit d'alimentation (50) de géométries variables. Le circuit d'alimentation (50) de géométries variables est configuré pour acheminer du fluide vers des géométries variables (54) depuis le nœud d'entrée (E) jusqu'à un nœud de sortie (S) raccordant le circuit d'alimentation (50) de géométries variables au circuit amont (100). Le circuit d'alimentation (60) du système d'injection comprend une pompe volumétrique électrique haute pression (102).
Description
CIRCUIT D'ALIMENTATION EN FLUIDE DE GEOMETRIES VARIABLES SANS POMPE VOLUMETRIQUE ET CIRCUIT D'ALIMENTATION DE CHAMBRE DE COMBUSTION AVEC POMPE VOLUMETRIQUE ELECTRIQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte au domaine technique général des systèmes d'alimentation en fluide pour turbomachine, notamment en lubrifiant ou en carburant. Plus précisément, l'invention concerne un système d'alimentation en fluide à la fois d'une chambre de combustion de turbomachine et de géométries variables de turbomachine.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La figure 1 représente un système d'alimentation 10 en carburant pour turbomachine 1, selon une conception connue de l'état de la technique. Le système d'alimentation 1 comprend une pompe basse pression 11 configurée pour augmenter la pression du carburant s'écoulant vers une résistance hydraulique 104. La pompe basse pression 11 est notamment une pompe centrifuge. Le fluide en aval de la pompe basse pression 11 s'écoule ensuite en direction d'une pompe volumétrique haute pression 102.
La pompe volumétrique haute pression 102 est destinée à alimenter en fluide à débit constant à la fois un circuit d'alimentation 50 de géométries variables 54 et un circuit d'alimentation 60 en carburant d'une chambre de combustion 2.
Le circuit d'alimentation 50 de géométries variables 54 est conçu pour acheminer du carburant depuis un nœud d'entrée E de séparation du circuit d'alimentation 50 de géométries variables 54 et du circuit d'alimentation en carburant de la chambre de combustion 2, jusqu'à un nœud de sortie C situé entre la pompe basse pression 11 et la pompe volumétrique haute pression 102. Ce circuit d'alimentation 50 de géométries variables 54 est destiné à fournir aux géométries variables 54 une puissance hydraulique variable.
Le circuit d'alimentation 60 en carburant de la chambre de combustion 2 comprend un doseur de carburant 64 configuré pour réguler le débit de carburant à destination des systèmes d'injection 62 de la chambre de combustion 2. Pour ce faire, le doseur de carburant 64 est destiné à laisser s'écouler un excès de carburant à travers une boucle de recirculation de fluide 610 depuis un premier nœud A situé en aval du nœud d'entrée E jusqu'au nœud de sortie C.
Cependant, cet excès de carburant circulant dans la boucle de recirculation de fluide 610 génère une dissipation d'énergie thermique importante dans le système d'alimentation 10. Plus généralement, la puissance thermique dissipée dans le système d'alimentation 10 de la figure 1 est élevée. Il en découle une diminution des performances globales d'une turbomachine 1 comprenant le système d'alimentation 10.
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention vise à résoudre au moins partiellement les problèmes rencontrés dans les solutions de l'art antérieur. A cet égard, l'invention a pour objet un système d'alimentation de turbomachine en fluide, le système d'alimentation comprenant un circuit amont et un circuit aval raccordé au circuit amont. Le circuit amont comprend un bloc de pompage basse pression destiné à augmenter la pression du fluide s'écoulant en direction du circuit aval.
Selon l'invention, le circuit aval se subdivise à un nœud d'entrée en un circuit d'alimentation de système d'injection pour chambre de combustion et en un circuit d'alimentation de géométries variables. Le circuit d'alimentation de géométries variables est configuré pour acheminer du fluide vers des géométries variables depuis le nœud d'entrée jusqu'à un nœud de sortie raccordant le circuit d'alimentation des géométries variables au circuit amont. Le circuit d'alimentation de système d'injection comprend une pompe volumétrique électrique haute pression. L'augmentation de pression du fluide dans le circuit amont sert à la fois à alimenter le circuit d'alimentation de géométries variables et le circuit d'alimentation de système d'injection, tandis que les besoins en débit de fluide de système d'injection et en pression hydraulique des géométries variables sont traités de manière distincte par une architecture de régulation de l'alimentation en fluide. En particulier, les géométries variables ne sont pas alimentées en fluide par la pompe volumétrique haute pression. La puissance thermique totale dissipée dans le système d'alimentation est alors réduite.
Par ailleurs, l'utilisation d'une pompe volumétrique électrique permet de limiter la masse, l'encombrement et la puissance dissipée dans le système d'alimentation. Plus précisément, la puissance relativement faible fournie par la pompe volumétrique électrique permet de la commander sans ajout à la turbomachine d'électronique de puissance massive. En outre, la boucle de recirculation et le doseur peuvent être supprimés du système d'alimentation. Enfin, il est possible d'ajuster le débit délivré par la pompe volumique électrique, de sorte à limiter les pertes thermiques associées à la circulation d'un excès de fluide dans le système d'alimentation.
Le fluide dans le système d'alimentation est notamment du lubrifiant, typiquement de l'huile, ou du carburant. L'invention peut comporter de façon facultative une ou plusieurs des caractéristiques suivantes combinées entre elles ou non.
Selon une forme de réalisation avantageuse, le bloc de pompage basse pression comprend une pluralité de pompes centrifuges, et le nœud de sortie est situé entre deux pompes du bloc de pompage basse pression.
La pluralité de pompes centrifuges est destinée à augmenter davantage la pression du fluide qui les traverse, tout en limitant l'encombrement et la dissipation d'énergie thermique du bloc de pompage basse pression. L'augmentation de la puissance fournie par le bloc de pompage basse pression est moins importante que la baisse de la puissance fournie par la pompe volumétrique.
De préférence, le bloc de pompage basse pression est constitué d'une pluralité de pompes centrifuges en série. Le bloc de pompage basse pression comprend préférablement de deux à cinq pompes centrifuges.
Avantageusement, le circuit d'alimentation de système d'injection comprend au moins un système d'injection, le circuit d'alimentation de système d'injection étant dépourvu de doseur de fluide configuré pour réguler le débit en direction du système d'injection. Un doseur de fluide comprend généralement un élément d'obturation d'ouverture réglable, qui prend par exemple la forme d'un tiroir dont l'ouverture dépend du débit à faire passer.
La pompe volumétrique électrique est de préférence commandée par un système électronique de régulation à pleine autorité via un module électronique de régulation. Le système électronique de régulation à pleine autorité, le module électronique de régulation et la pompe volumétrique électrique assurent alors la régulation du débit de fluide s'écoulant en direction de la chambre de combustion.
Selon une autre forme de réalisation avantageuse, le circuit d'alimentation de géométries variables et le circuit amont sont dépourvus de pompes volumétriques.
Selon une autre particularité de réalisation, le circuit d'alimentation de géométries variables comprend un ensemble de pompage complémentaire comprenant une ou plusieurs pompes centrifuges.
En variante, le circuit d'alimentation de géométries variables est dépourvu de pompe. Dans ce cas, la pression du fluide alimentant chaque géométrie variable est générée en dernier lieu par le bloc de pompage basse pression. L'invention se rapporte aussi à une turbomachine comprenant un système d'alimentation en fluide tel que défini ci-dessus. L'invention a également trait à une turbomachine comprenant un réducteur différentiel configuré pour entraîner en rotation au moins une hélice et destiné à être alimenté en lubrifiant par le système d'alimentation tel que défini ci-dessus. La turbomachine est par exemple une turbomachine à ensemble d'hélices contrarotatives non carénées, également connue sous le nom d'« Open Rotor ».
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation, donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique partielle d'un système d'alimentation en carburant de turbomachine d'aéronef, selon une conception connue de l'état de la technique ; la figure 2 est une représentation schématique partielle d'un système d'alimentation en fluide de turbomachine, selon un mode de réalisation préféré de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
La figure 2 représente un système d'alimentation 10 de turbomachine 1 d'aéronef en fluide. Dans le mode de réalisation décrit, le fluide est du carburant. Néanmoins, lorsque la turbomachine 1 comprend un réducteur différentiel (non représenté) configuré pour entraîner en rotation au moins une hélice, le fluide peut également être du lubrifiant, typiquement de l'huile.
La turbomachine 1 comprend le système d'alimentation 10, une ou plusieurs géométries variables 54 et une chambre de combustion 2. Ces géométries variables 54 sont des équipements de turbomachine 1 qui nécessitent de prélever une puissance hydraulique pour fonctionner. Les géométries variables 54 peuvent être de natures diverses, par exemple un vérin, une servovalve, une vanne de décharge ajustable de compresseur, une vanne de décharge transitoire de compresseur, et/ou une vanne de réglage de débit d'air pour un système de réglage de jeu au sommet d'aubes de rotor pour turbine basse pression ou turbine haute pression.
La chambre de combustion 2 est alimentée en carburant par une pluralité d'injecteurs de carburant coopérant avec les systèmes d'injection 62 de carburant correspondant.
Le système d'alimentation 10 comprend un circuit amont 100 et un circuit aval 50, 60. Le circuit aval 50, 60 est raccordé au circuit amont 100 et situé en aval du circuit amont 100. Les termes « amont » et « aval » sont définis en référence à la direction générale d'écoulement du carburant dans le système d'alimentation 10 en direction de la chambre de combustion 2.
Le circuit amont 100 comprend un bloc de pompage basse pression 101 augmentant la pression de carburant s'écoulant en direction du circuit aval 50, 60. Le bloc de pompage basse pression 101 augmente la pression du carburant, de manière à limiter/empêcher les risques de cavitation à l'intérieur d'une pompe haute pression 102 qui délivre un débit de carburant constant en fonction du régime de rotation moteur.
Le circuit amont 100 peut comprendre une résistance hydraulique 104, telle que celle représentée à la figure 1, entre le bloc de pompage basse pression 101 et le circuit aval 50, 60 ou bien entre deux étages du bloc de pompage basse pression 101. Le terme « résistance hydraulique » sert à définir dans ce document, par analogie avec le domaine de l'électricité, la grandeur issue du rapport entre la différence de pression de fluide entre l'entrée et la sortie d'un élément du système d'alimentation sur le débit de fluide traversant l'élément. Par métonymie et toujours par analogie avec le domaine de l'électricité, le terme « résistance hydraulique » sert également à désigner un élément du système d'alimentation caractérisé par cette grandeur. La résistance hydraulique 104 du circuit amont 100 comprend par exemple un échangeur, un filtre à carburant, une vanne de coupure et /ou un débitmètre.
Le circuit aval 50, 60 comprend un circuit d'alimentation 60 des systèmes d'injection 62 pour chambre de combustion 2, et un circuit d'alimentation 50 de géométries variables. Le circuit d'alimentation 50 de géométries variables et le circuit d'alimentation 60 des systèmes d'injection 62 se séparent au niveau d'un nœud d'entrée E situé en aval du bloc de pompage basse pression 101. Le circuit d'alimentation 60 des systèmes d'injection comprend une résistance hydraulique 69, telle qu'un filtre à carburant, et une conduite d'alimentation 68 des systèmes d'injection entre la résistance hydraulique 69 et les systèmes d'injection 62.
Le circuit d'alimentation 50 de géométries variables est configuré pour acheminer du fluide transitant par les géométries variables 54, depuis le nœud d'entrée E jusqu'à un nœud de sortie S raccordant le circuit d'alimentation 50 de géométries variables au circuit amont 100.
Le système d'alimentation 10 de la figure 2 se distingue principalement de celui de la figure 1 en ce que le circuit amont 100 est dépourvu de pompe volumétrique haute pression 102, en ce que le bloc de pompage basse pression 101 est constitué d'une pluralité de pompe centrifuges 110a, 111a, 111b, et en ce que la pompe volumétrique 102 est une pompe volumétrique électrique.
Le bloc de pompage basse pression 101 de la figure 2 augmente davantage la pression du fluide en direction de la pompe haute pression 102 par rapport à la pompe basse centrifuge basse pression 11 de la figure 1. La pompe volumétrique haute pression 102 de la figure 2 fournit alors une augmentation de pression de fluide d'autant plus faible. Il en résulte une diminution globale des pertes thermiques du système d'alimentation 10.
Le déplacement de la pompe volumétrique haute pression 102 du circuit amont 100 au circuit 60 d'alimentation des systèmes d'injection 62 permet de diminuer le débit de carburant fourni par la pompe volumétrique 102. Les pertes thermiques globales du système d'alimentation 10 sont encore réduites.
La pompe volumétrique 102 est électrique, ce qui permet de supprimer le doseur de carburant 64 régulant le débit en direction de la chambre de combustion 2. La boucle de recirculation de carburant 610 disparaît également. Il en découle un gain de masse du système d'alimentation 10, ainsi qu'une suppression des pertes thermiques générées par la recirculation du carburant dans la boucle de recirculation 610. Par ailleurs, la diminution de la puissance fournie par la pompe volumétrique haute pression 102 permet de commander la pompe volumétrique électrique 102 sans avoir recours à de l'électronique de puissance massive. Le recours à une pompe volumétrique électrique haute pression 102, plutôt qu'à une pompe volumétrique plus classique à engrenages entraînée en rotation par une boite de transmission de turbomachine, apporte donc des avantages en termes de masse, d'encombrement et de puissance thermique dissipée dans le système d'alimentation 10.
La pompe volumétrique électrique 102 est commandée par le système électronique de régulation à pleine autorité 120 de la turbomachine, également connu sous le nom de « FADEC » ou « Full Authority Digital Engine Control », via un module électronique de régulation 122. De manière classique, le système électronique de régulation 120 comprend un calculateur moteur à deux voies symétriques, redondantes et à pleine autorité. Ce calculateur moteur est destiné à prendre en compte de nombreux paramètres pour commander le débit délivré par la pompe volumétrique haute pression 102, comme par exemple : une commande d'un pilote de l'aéronef, la vitesse de rotation du corps haute pression de turbomachine 1 et une mesure de débit en direction des systèmes d'injections 62 mesuré par un débitmètre 67.
Le bloc de pompage basse pression 101 de la figure 2 comprend une pluralité de pompes centrifuges 101a, 111a, 111b. A ce titre, il convient de noter qu'il n'aurait pas été pleinement satisfaisant de seulement remplacer la pompe basse pression 11 de la figure 1 par une pompe basse pression 11 de plus grande capacité. En effet, la différence de pression aux bornes d'une pompe centrifuge est proportionnelle au carré du rayon de la pompe. Surtout, le rendement énergétique d'une pompe centrifuge est proportionnel au cube du rayon de cette pompe. Remplacer la pompe basse pression 11 de la figure 1 par une pompe basse pression centrifuge, configurée pour augmenter davantage la pression du fluide qui la traverse, n'aurait donc pas produit des avantages aussi significatifs en termes de bilan thermique global du système d'alimentation 10.
Le nœud de sortie S du système d'alimentation 10 de la figure 2 est situé entre deux pompes 101a, 111a du bloc de pompage basse pression 101, de sorte à conserver une différence de pression entre l'aval de l'ensemble de pompage complémentaire 51 et le nœud de sortie S suffisante et tout en limitant la dissipation d'énergie thermique dans le système d'alimentation 10. Le système d'alimentation 10 de la figure 2 est notamment configuré pour que la différence de pression entre l'aval de l'ensemble de pompage complémentaire 51 et le nœud de sortie S du système d'alimentation de ces figures soit sensiblement identique à celle de la figure 1, lors du fonctionnement du système d'alimentation 10.
Plus précisément et en référence au mode de réalisation de la figure 2, le bloc de pompage basse pression 101 est constitué de trois pompes centrifuges 101a, 111a, 111b montées en série. Par ailleurs, le nœud de sortie S se trouve entre un bloc de pompage amont 101a comprenant une pompe centrifuge et un bloc de pompage aval 110 comprenant deux pompes centrifuges 111a, 111b.
De manière générale, le bloc de pompage amont 101a peut comprendre plusieurs pompes centrifuges et le nombre de pompes centrifuges du bloc de pompage aval 110 peut varier, en fonction des besoins en puissance hydraulique et en débit de fluide de la turbomachine 1. De même, les pompes du bloc de pompage basse pression 101 ne sont pas nécessairement identiques.
Par ailleurs, l'augmentation de pression fournie par le bloc de pompage basse pression 101 de la figure 2 par rapport au système d'alimentation 10 de la figure 1 est d'autant plus avantageuse que les besoins en pression hydraulique du circuit 50 d'alimentation des géométries variables sont identiques à ceux du système d'alimentation 10 de la figure 1. Le circuit d'alimentation 50 de géométries variables peut comprendre un ensemble de pompage complémentaire 51. Cet ensemble 51 est par exemple constitué d'une ou plusieurs pompes centrifuges. L'ensemble de pompage complémentaire 51 permet de supprimer toute baisse de pression issue de la suppression de la pompe volumétrique 102 dans le circuit amont 100, et qui ne serait pas entièrement compensée par la pluralité de pompes centrifuges 101a, 111a et 111b. L'ensemble de pompage complémentaire 51 permet de répondre à un besoin en débit ponctuel important des géométries variables 54, par exemple lors d'un déplacement de vérin d'actionneur hydraulique.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite sans sortir du cadre de l'exposé de l'invention.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Système d'alimentation (10) de turbomachine en fluide, le système d'alimentation (10) comprenant un circuit amont (100) et un circuit aval (50, 60) raccordé au circuit amont (100), le circuit amont (100) comprenant un bloc de pompage basse pression (101) destiné à augmenter la pression du fluide s'écoulant en direction du circuit aval (50, 60), caractérisé en ce que le circuit aval (50, 60) se subdivise à un nœud d'entrée (E) en un circuit d'alimentation (60) de système d'injection pour chambre de combustion (2) et en un circuit d'alimentation (50) de géométries variables, le circuit d'alimentation (50) de géométries variables étant configuré pour acheminer du fluide transitant par les géométries variables (54), depuis le nœud d'entrée (E) jusqu'à un nœud de sortie (S) raccordant le circuit d'alimentation (50) de géométries variables au circuit amont (100), le circuit d'alimentation (60) de système d'injection comprenant une pompe volumétrique électrique haute pression (102), le circuit d'alimentation (50) de géométries variables étant dépourvu de pompe volumétrique.
- 2. Système d'alimentation (10) selon la revendication précédente, dans lequel le bloc de pompage basse pression (101) comprend une pluralité de pompes centrifuges (101a, 111a, 111b), et dans lequel le nœud de sortie (S) est situé entre deux pompes (101a, 111a) du bloc de pompage basse pression (101).
- 3. Système d'alimentation (10) selon la revendication précédente, dans lequel le bloc de pompage basse pression (101) est constitué d'une pluralité de pompes centrifuges (101a, 111a, 111b) en série, de préférence de deux à cinq pompes centrifuges.
- 4. Système d'alimentation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit d'alimentation (60) de système d'injection comprend au moins un système d'injection (62), le circuit d'alimentation (60) de système d'injection étant dépourvu de doseur de fluide configuré pour réguler le débit en direction du système d'injection (62).
- 5. Système d'alimentation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pompe volumétrique électrique (102) est commandée par un système électronique de régulation à pleine autorité (120) via un module électronique de régulation (122).
- 6. Système d'alimentation (10) selon l'une quelconques des revendications précédentes, dans lequel le circuit amont (100) est dépourvu de pompe volumétrique.
- 7. Système d'alimentation (10) selon l'une quelconques des revendications précédentes, dans lequel le circuit d'alimentation (50) de géométries variables comprend un ensemble de pompage complémentaire (51) comprenant une ou plusieurs pompes centrifuges.
- 8. Turbomachine (1) comprenant un système d'alimentation (10) en fluide, selon l'une quelconque des revendications précédentes.
- 9. Turbomachine (1) selon la revendication précédente, comprenant un réducteur différentiel configuré pour entraîner en rotation au moins une hélice et destiné à être alimenté en lubrifiant par le système d'alimentation (10) selon f une quelconques des revendications 1 à 7.
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