FR3099207A1

FR3099207A1 - Système d’alimentation en carburant d’une turbomachine

Info

Publication number: FR3099207A1
Application number: FR1908554A
Authority: FR
Inventors: Loïc Pora; René Paul BRUN Gilles; Huguette de Wergifosse
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2021-01-29
Anticipated expiration: 2039-07-26
Also published as: FR3099207B1

Abstract

L’invention concerne un système (20) d’alimentation en carburant d’une turbomachine, comportant un circuit de carburant comprenant une pompe (42) configurée pour envoyer dans ledit circuit de carburant un débit de carburant qui est une fonction croissante de la vitesse de rotation d’un arbre (43) de ladite pompe, et un capteur de débit (46) agencé à une sortie de ladite pompe, caractérisé en ce que ledit système comporte un dispositif d’entrainement (40) comprenant un moteur hydraulique (48) configuré pour entraîner ladite pompe, et en ce que ledit système comporte des moyens de commande (58) comportant une source de puissance hydraulique (60) et étant configurés pour commander ledit dispositif d’entrainement à partir d’une mesure fournie par ledit capteur de débit de manière à adapter la vitesse de rotation de l’arbre de ladite pompe pour respecter une consigne de débit de carburant en sortie dudit circuit de carburant. Figure pour l'abrégé : Figure 4

Description

SYSTÈME D’ALIMENTATION EN CARBURANT D’UNE TURBOMACHINE

Domaine technique de l'invention

L’invention se rapporte au domaine des turbomachines, et plus précisément à un système d’alimentation en carburant d’une turbomachine. L’invention concerne également un procédé de régulation d’une pompe à carburant pour une turbomachine dans un aéronef.

Arrière-plan technique

Les turbomachines installées sur un aéronef sont équipées d’un circuit d’alimentation en carburant, délivrant le carburant à la chambre de combustion, qui doit être régulé en fonction des besoins selon les conditions de vol. En référence à la figure 1, le circuit de carburant comprend généralement une pompe 1 principale, par exemple une pompe à haute pression de type volumétrique, qui envoie le carburant vers un groupe hydromécanique 2 avant l’injection du carburant vers la chambre de combustion 3. L’ensemble est agencé pour assurer, en sortie vers la chambre de combustion 3, un débit de carburant adapté aux besoins de la turbomachine. Un boîtier de commande 4 pilote généralement le groupe hydromécanique 2 pour qu’il adapte le débit de carburant envoyé par la pompe 1 aux besoins de la chambre de combustion 3.

En général, la pompe 1 est entraînée par un arbre de sortie du boîtier de relais d’accessoires 5 (connu sous l’acronyme AGB, de l’anglais « Accessory Gear Box ») de la turbomachine, lui-même entraîné par un axe du corps primaire de la turbomachine (non représenté). Un dispositif d’entraînement 6 est généralement installé entre l’arbre du boîtier de relais d’accessoires 5 et la pompe 1 pour adapter les régimes de rotation entre ces deux équipements. Le dispositif d’entraînement 6 détermine un rapport K entre la vitesse de la pompe 1 et la vitesse de rotation, notée ω, de l’axe moteur de la turbomachine. En général, le dispositif d’entraînement 6 entraîne également un moyen d’alimentation 7 du circuit à partir des réservoirs de carburant 8.

La caractéristique linéaire, notée Cyl, de la pompe 1 entre le débit de carburant et sa vitesse d’entraînement dépend en particulier de sa cylindrée. La pompe 1 peut être à cylindrée fixe ou à cylindrée variable. La pompe 1 doit être dimensionnée de telle manière que cette cylindrée permette de délivrer les débits de carburant requis pour tous les régimes de fonctionnement de la turbomachine, donc pour tous les régimes de vitesse de rotation de l’arbre de sortie du boîtier de relais d’accessoires 5, aussi bien à basse vitesse qu’à haute vitesse.

Comme représenté sur la figure 2 représentant les variations de débit de carburant F en fonction de la vitesse de rotation ω de l’axe moteur de la turbomachine, le besoin F1 en carburant varie de façon non linéaire en fonction du régime de la turbomachine. La vitesse de rotation ω de l’axe moteur de la turbomachine varie entre une valeur minimale ωmin, pour l’allumage de la turbomachine, et une valeur maximale ωmax pour le décollage. Le régime correspondant à un vol de croisière se situe entre ces deux valeurs extrêmes.

Suivant l’application, le point crucial est situé soit à l’allumage basse vitesse, soit au décollage à haute vitesse. Sur la figure 2, ce point crucial se situe au niveau de l’allumage, et la cylindrée de la pompe 1 doit être choisie de telle manière que sa caractéristique linéaire Cyl soit égale à la valeur Cyl1, pour assurer un débit de carburant suffisant pour toutes les conditions de vol. Cette valeur Cyl1 peut être significativement supérieure à la valeur minimale Cylmin nécessaire dans certaines conditions de vol, voire à la valeur Cyl2 nécessaire lors du décollage.

Suivant ce dimensionnement, le débit de carburant fourni par la pompe 1 suit donc la droite L1 sur le diagramme débit/vitesse de rotation de la figure 2. Pendant une large phase de vitesse d’entraînement, notamment en vol de croisière, la pompe 1 délivre donc un débit de carburant supérieur au besoin en débit de carburant, donc un surplus F2 de carburant.

Le groupe hydromécanique 2 doit donc renvoyer vers la pompe 1, par une boucle de recirculation 9, le surplus de carburant F2 par rapport au besoin. Le groupe hydromécanique 2 est généralement composé d’un doseur piloté par une servovalve dont la position est contrôlée par un capteur de position. Le surplus de carburant F2 est recyclé au moyen de la servovalve commandée hydrauliquement par la pression différentielle aux bornes du doseur.

Ce problème de régulation du débit de carburant est encore accentué lorsque le circuit de carburant est utilisé, comme indiqué sur la figure 1, pour actionner des géométries variables 10 de la turbomachine. L’actionnement des géométries variables 10 crée des variations de besoin en carburant dans le circuit qui doivent être prises en compte dans le dimensionnement de la pompe 1, dans le fonctionnement du groupe hydromécanique 2 et dans les caractéristiques de la boucle de recirculation 9.

La pompe 1 volumétrique peut être remplacée par une pompe centrifuge à rendement faible, qui régule le débit de carburant au niveau de la pompe avec une caractéristique à pression constante. Le débit de carburant est alors régulé électriquement au moyen de vannes dissipatives.

Cette architecture du système d’alimentation en carburant présente plusieurs inconvénients. Le surplus de débit de carburant injecté par la pompe 1 induit un surplus de prélèvement de puissance sur le boîtier de relais d’accessoires 5 par rapport au besoin, préjudiciable au rendement de la turbomachine. Le surplus de puissance mécanique se transforme en puissance thermique dissipée dans la boucle de recirculation 9 qui doit être évacuée. Cela a une influence négative sur la taille et la masse du circuit de carburant, notamment pour des échangeurs thermiques (non représentés) placés pour évacuer la chaleur dans ce circuit.

Il est donc important d’adapter le débit de carburant de la pompe 1 aux différents points de fonctionnement de la turbomachine pour gagner en puissance prélevée sur le boîtier de relais d’accessoires 5, ce que ne permet pas le dispositif d’entraînement 6 de l’état de l’art.

Afin de tirer partie de manière plus optimale d’un gain de puissance autorisé par l’adaptation du régime de la pompe aux besoins en carburant de la turbomachine pour ses différents points de fonctionnement, il a été proposé dans la demande de brevet FR-A1-3 062 422, un circuit de carburant sans recirculation intégrant une pompe agencée pour envoyer dans le circuit de carburant un débit de carburant qui est une fonction croissante de la vitesse de rotation d’un arbre de ladite pompe, un réducteur à train épicycloïdal dont un élément est relié à un axe moteur de la turbomachine et un autre élément est couplé à l’arbre de la pompe, et des moyens électriques agencés pour entraîner en rotation un autre élément du réducteur à train épicycloïdal. Le pilotage de la vitesse de rotation de l’arbre de la pompe est assuré par les moyens électriques.

L’invention a pour objectif de proposer une solution alternative permettant d’optimiser la puissance nécessaire à l’injection de carburant et au déplacement des géométries variables.

A cet effet, l’invention concerne un système d’alimentation en carburant d’une turbomachine, comportant un circuit de carburant comprenant une pompe configurée pour envoyer dans ledit circuit de carburant un débit de carburant qui est une fonction croissante de la vitesse de rotation d’un arbre de ladite pompe, et un capteur de débit agencé à une sortie de ladite pompe, caractérisé en ce que ledit système comporte un dispositif d’entrainement comprenant un moteur hydraulique configuré pour entraîner ladite pompe, et en ce que ledit système comporte des moyens de commande comportant une source de puissance hydraulique et étant configurés pour commander ledit dispositif d’entrainement à partir d’une mesure fournie par ledit capteur de débit de manière à adapter la vitesse de rotation de l’arbre de ladite pompe pour respecter une consigne de débit de carburant en sortie dudit circuit de carburant.

Ainsi, l’invention propose le pilotage d’un système d’alimentation en carburant en utilisant uniquement une source hydraulique.

Grâce à la mesure de débit du carburant, le système peut adapter le régime de la pompe pour fournir un débit de carburant adapté aux besoins de la turbomachine. Le système permet ainsi de tirer parti de manière optimale de la capacité du dispositif d’entraînement à faire varier la vitesse de la pompe et de minimiser la puissance prélevée pour alimenter la chambre de combustion en carburant.

Un autre avantage est qu’en régime établi, le débit de carburant fourni par la pompe étant adapté, il n’y a pas de débit de recirculation, comme dans une solution selon l’art antérieur. Ceci permet de minimiser la surface des échangeurs thermiques carburant/huile placés pour évacuer la chaleur dans le circuit de carburant.

De plus, ce circuit de carburant peut se passer de doseur, dont la fonction est assurée par le capteur de débit dont la position reflète le débit de carburant injecté. Ainsi, le pilotage est réalisé par une boucle utilisant la position du capteur de débit.

Par ailleurs, le concept permet de supprimer des composants du groupe hydromécanique selon l’état de la technique, tels que la soupape de régulation permettant la recirculation du surplus de débit de carburant délivré par la pompe volumétrique, ce qui représente un gain de masse.

En outre, aucun élément électrique n’est ajouté par rapport à un système selon l’art antérieur, ce qui permet de ne pas introduire d’élément ayant une limite de température de fonctionnement.

De plus, le pilotage du système selon l’invention est avantageusement insensible à l’utilisation des géométries variables.

Lors d’appels de débit des géométries variables, une diminution du débit de carburant injecté est détectée et le moteur hydraulique est commandé par les moyens de commande afin de compenser cette perte de débit de carburant.

Par rapport à la demande de brevet FR-A1-3 062 422, le moteur de pilotage de la vitesse de la pompe volumétrique est remplacé par un moteur hydraulique. Le moteur hydraulique présente une puissance massique, de l’ordre de 3 kW/kg, plus important que les moteurs électriques, de l’ordre de 1 kW/kg. A masse équivalente, le potentiel de puissance à transférer au moyen d’un moteur hydraulique entre l’utilisation et la régulation de la vitesse de la pompe est ainsi augmenté par rapport au potentiel de puissance à transférer au moyen d’un moteur électrique.

Le moteur hydraulique peut être configuré pour entrainer la pompe à partir d’un axe moteur de la turbomachine.

Le moteur hydraulique peut fonctionner en mode moteur/générateur.

La pompe peut être du type volumétrique, par exemple à cylindrée fixe.

Les moyens de commande peuvent être configurés pour commander le dispositif d’entrainement en pression. Ceci permet d’améliorer la réactivité du système selon l’invention. En effet, le pilotage de la pression aux bornes du moteur hydraulique permet d’assurer, au frottement près, une action intégrale qui limite le temps de réaction.

La source de puissance hydraulique peut comporter une source de pression et une servovalve en pression.

La servovalve en pression peut être une servovalve à trois voies ou à quatre voies.

La source de pression peut être une pompe centrifuge.

La pompe centrifuge peut être agencée sur l’axe moteur de la turbomachine.

Le dispositif d’entrainement peut comporter une source de pression additionnelle configurée pour ajuster le débit de carburant en sortie du circuit de carburant en fonction du régime de la turbomachine.

La source de pression additionnelle peut comporter une pompe auxiliaire et un régulateur de pression. Le régulateur de pression est agencé de manière à restreindre la pression de sortie de la pompe auxiliaire.

Le dispositif d’entrainement peut comporter un réducteur à train épicycloïdal comprenant trois éléments, un planétaire central, une couronne externe et un porte-satellites dont les satellites s’engrènent avec ledit planétaire et ladite couronne, lesdits trois éléments étant mobiles en rotation autour d’un axe du réducteur, un premier desdits trois éléments étant destiné à être couplé à un axe moteur de la turbomachine, un deuxième desdits trois éléments étant destiné à être couplé à l’arbre de la pompe, un troisième desdits trois éléments étant destiné à être entrainé en rotation par le moteur hydraulique de manière à modifier la vitesse de rotation du deuxième desdits trois éléments.

Le réducteur à train épicycloïdal permet, moyennant une variation d’une vitesse sur une des entrées du réducteur, de piloter la vitesse de la pompe au juste besoin de la turbomachine.

Ainsi, l’invention propose le pilotage d’un système d’alimentation en carburant entraîné par un réducteur à train épicycloïdal.

Le réducteur permet de fournir un rapport de réduction correct entre l’axe moteur et la pompe pour faire varier la vitesse de la pompe.

L’invention concerne également une turbomachine, notamment d’aéronef, comportant un système d’alimentation en carburant selon l’invention.

L’invention concerne également un procédé de régulation d’une pompe à carburant pour une turbomachine selon l’invention dans un aéronef, comprenant une étape de modification de la vitesse de rotation de l’arbre de la pompe en pilotant le moteur hydraulique au moyen des moyens de commande de manière à ce que le débit de carburant délivré par la pompe soit adapté aux conditions de vol de l’aéronef.

Brève description des figures

La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 représente très schématiquement un circuit de carburant selon l’état de la technique ;

la figure 2 est un diagramme en vitesse de rotation et débit montrant l’écart entre le débit de carburant fourni par une pompe du circuit de carburant et le besoin en carburant pour le circuit de carburant selon la figure 1;

la figure 3 représente très schématiquement une coupe semi-axiale d’une turbomachine selon l’invention ;

la figure 4 représente très schématiquement un système d’alimentation en carburant selon l’invention ;

les figures 5a, 5b et 5c représentent des vues en éclaté et un schéma d’un réducteur à train épicycloïdal d’un dispositif d’entrainement d’un système d’alimentation en carburant selon l’invention ;

la figure 6 représente très schématiquement une configuration d’un système d’alimentation en carburant selon l’invention.

Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures.

Description détaillée de l'invention

La figure 3 représente une turbomachine, par exemple une turbomachine à double flux, comprenant un système 20 d’alimentation en carburant selon l’invention.

Dans la turbomachine, un flux d’air en sortie d’une soufflante 22 se divise en un flux primaire P entrant dans le moteur et en un flux secondaire S entourant ledit moteur. Le flux primaire P traverse un compresseur basse pression 24, un compresseur haute pression 26, une chambre de combustion 28 alimentée par un circuit de carburant, une turbine haute pression 30, puis une turbine basse pression 32. Généralement, le compresseur haute pression 26 et la turbine haute pression 30 tournent ensemble autour d’un axe commun 34, l’axe moteur de la turbomachine, et forme la partie moteur de la turbomachine avec la chambre de combustion 28.

Généralement, l’axe moteur 34 entraîne un boîtier de relais d’accessoires 36 qui peut comporter plusieurs trains d’engrenages reliés à des arbres de sortie pour entraîner divers équipements. Ici, un des arbres de sortie 37 du boîtier d’engrenage entraîne, par un dispositif d’entraînement 40, une pompe 42 qui alimente un groupe hydromécanique 44, également appelé groupe hydraulique, injectant le carburant dans la chambre de combustion 28. Le système 20 d’alimentation en carburant comporte un circuit de carburant qui comporte la pompe 42 et le groupe hydromécanique 44, et le dispositif d’entrainement 40.

Le boîtier de relais d’accessoires 36 fait généralement le lien entre l’axe moteur 34 et un démarreur/générateur (non représenté), qui peut être utilisé pour entraîner la turbomachine lors des phases de démarrage ou générer un courant électrique lorsque la turbomachine est allumée.

La turbomachine peut aussi comporter des géométries variables 38 qui peuvent être activées dans certaines conditions d’utilisation. Ces géométries variables 38 sont, par exemple, des aubes à calage variable en entrée de compresseur basse pression 24.

La figure 4 représente plus précisément le système 20 d’alimentation en carburant de la turbomachine.

Le système 20 comporte la pompe 42 qui est configurée pour envoyer dans le circuit de carburant un débit de carburant qui est une fonction croissante de la vitesse de rotation, notée ω1, d’un arbre 43 de la pompe 42. La pompe 42 est apte à fournir le débit de carburant nécessaire à l’injection de carburant dans la chambre de combustion 28 et à mettre le circuit carburant en pression. La pompe 42 peut être du type volumétrique rotative, par exemple à cylindrée fixe. De préférence, la pompe 42 a une caractéristique linéaire Cyl qui relie le débit de sortie de la pompe 42 à la vitesse de rotation ω1.

Le système 20 comporte un capteur de débit 46 agencé à une sortie de la pompe 42. Le capteur de débit 46 indique le débit de carburant. Comme la pompe 42 a une caractéristique Cyl qui lie la vitesse de rotation ω1 de son arbre 43 et le débit de carburant injecté, il est possible, sur un point stabilisé, ou lors d’un point fixe moteur en ventilation sèche, de contrôler l’usure de la pompe 42. En effet, une dérive trop importante de la lecture du débit de carburant à une vitesse donnée de la pompe 42 indique une augmentation de fuite dans le système, quelle soit au niveau de la pompe 42 ou des fuites internes au système 20.

Le système 20 comporte également le dispositif d’entrainement 40 agencé entre le boîtier de relais d’accessoires 36 et la pompe 42.

Le dispositif d’entrainement 40 comporte un moteur hydraulique 48 configuré pour entraîner la pompe 42, et plus précisément entraîner en rotation l’arbre 43 de la pompe 42. Le moteur hydraulique 48 peut être configuré pour entrainer la pompe 42 à partir de l’axe moteur 34 de la turbomachine.

Le moteur hydraulique 48 peut fonctionner en mode moteur/générateur. Plus précisément, le moteur hydraulique 48 peut fonctionner en mode moteur en fournissant de l’énergie ou fonctionner en mode générateur en récupérant de l’énergie.

Le dispositif d’entrainement 40 comporte un réducteur à train épicycloïdal 50. Les propriétés du réducteur à train épicycloïdal sont utilisées pour adapter la vitesse de rotation ω1 de l’arbre de la pompe 42 aux besoins de débit de carburant de la turbomachine en fonction des différents régimes de fonctionnement de celle-ci.

Les figures 5a, 5b et 5c représentent un réducteur à train épicycloïdal 50.

Le réducteur à train épicycloïdal 50 comporte un planétaire central 52A, agencé pour pouvoir tourner autour de l’axe du réducteur à une vitesse de rotation, notée ωA, et un porte-satellites 52U agencé pour pouvoir tourner autour de l’axe du réducteur à une vitesse de rotation, notée ωU.

Le réducteur à train épicycloïdal 50 comporte également des satellites 52S qui s’engrènent avec le planétaire central 52A et qui sont portés par un porte-satellites 52U.

Le réducteur à train épicycloïdal 50 comporte également une couronne 52B externe agencée pour pouvoir tourner autour de l’axe du réducteur à une vitesse de rotation, notée ωB, et avec laquelle les satellites 52S s’engrènent également.

Dans le réducteur à train épicycloïdal 50, les trois éléments, à savoir le planétaire central 52A, le porte-satellites 52U et la couronne 52B, sont mobiles en rotation autour de l’axe du réducteur. Par exemple, la couronne 52B est libre de tourner à l’intérieur d’un carter fixe 52C qui est configuré pour protéger le réducteur 50.

Le fonctionnement du réducteur à train épicycloïdal 50 est régi par la formule de Willis. Il s’agit d’un mécanisme à deux degrés de liberté, dans lequel la connaissance des vitesses de rotation de deux éléments parmi le planétaire central 52A, le porte-satellites 52U et la couronne 52B, permet le calcul de la vitesse de rotation du troisième élément.

La formule de Willis s’exprime :

ou

avec ωA la vitesse de rotation du planétaire central 52A, ωU la vitesse de rotation du porte-satellites 52U, ωB la vitesse de rotation de la couronne 52B, et le facteur k, également appelé raison, une constante déterminée par la géométrie des engrenages.

Pour le réducteur de la figure 5, le facteur k respecte la formule suivante :

avec ZA le nombre de dents du planétaire central 52A et ZB le nombre de dents de la couronne 52B. Le facteur k est donc négatif avec un module inférieur à 1.

Ainsi, lorsque l’arbre de sortie 37 du boîtier de relais d’accessoires 36 est couplé à l’un des trois éléments du réducteur 50 et lorsque l’arbre 43 de la pompe 42 est couplé à un deuxième élément du réducteur 50, il est possible de faire varier la vitesse de rotation de l’arbre 43 de la pompe 42 pour une vitesse de rotation donnée de l’arbre de sortie 37 du boîtier de relais d’accessoires 36 en faisant varier la vitesse de rotation du troisième élément du réducteur 50. Autrement dit, il est possible de faire varier le rapport entre la vitesse de rotation de l’arbre de sortie 37 du boîtier de relais d’accessoires 36 et la vitesse de rotation de l’arbre 43 de la pompe 42, afin de pouvoir adapter le régime de la pompe 42 aux différents points de fonctionnement de la turbomachine.

Le moteur hydraulique 48 est couplé au troisième élément du réducteur 50 pour piloter la vitesse de rotation de ce dernier. Ainsi, la variation de la vitesse de rotation de l’arbre 43 de la pompe 42 est réalisée par le moteur hydraulique 48.

Six combinaisons sont possibles pour positionner les trois équipements, à savoir le boîtier de relais d’accessoires 36, la pompe 42 et le moteur hydraulique 48, par rapport aux trois éléments du réducteur à train épicycloïdal 50.

Les combinaisons sont répertoriées dans le tableau ci-dessous. Ce tableau indique également la fonction donnant la vitesse de rotation ω1 de l’arbre 43 de la pompe 42 à partir de la vitesse de rotation, notée ω2, de l’arbre 37 du boîtier de relais d’accessoires 36 et de la vitesse de rotation, notée ω3, d’un arbre du moteur hydraulique 48, en les associant aux vitesses de rotation ωA, ωB, ωU, des éléments correspondants du réducteur à train épicycloïdal 50 dans la configuration.

La figure 6 illustre la configuration 3B dans laquelle le boîtier de relais d’accessoires 36 est relié au planétaire central 52A, la pompe 42 est reliée à la couronne 52B et le moteur hydraulique 48 est relié au porte-satellites 52U.

Il est possible d’utiliser d’autres configurations que celle illustrée sur la figure 6. Le choix de la configuration dépend des caractéristiques de fonctionnement de la turbomachine. Le choix des paramètres du dispositif d’entrainement que sont le facteur k du réducteur à train épicycloïdal 50, le rapport de la vitesse de rotation ω2 en sortie du boîtier de relais d’accessoires 36 par rapport à la vitesse de rotation de l’axe de la turbine, la caractéristique linéaire Cyl de la pompe 42, et le choix parmi les configurations 1A à 3B, doit être fait pour permettre à l’arbre 43 de la pompe 42 de tourner à une vitesse de rotation ω1 qui s’ajuste pour fournir un débit de carburant Cyl*ω1 correspondant au besoin F1, tel que représenté par exemple dans la figure 2, lorsque la vitesse de rotation de l’axe de la turbine varie entre ses valeurs minimale ωmin et maximale ωmax, et pour minimiser la puissance dépensée dans le moteur hydraulique 48 pour ajuster la vitesse de rotation ω1 de l’arbre 43 de la pompe 42 sur la plage de fonctionnement de la turbomachine.

La vitesse de rotation ω1 de l’arbre 43 de la pompe 42 peut être inférieure à la vitesse de rotation ω2 de l’arbre de sortie 37 du boîtier de relais d’accessoires 36.

La vitesse de rotation ω3 de l’arbre du moteur hydraulique 48 peut être limitée à une valeur maximale.

Comme représenté sur la figure 4, le système 20 d’alimentation en carburant comporte des moyens d’alimentation 54 du circuit de carburant à partir de réservoirs de carburant 56.

Le système 20 peut également être connecté à des actionneurs de géométries variables 38.

Le système 20 comporte des moyens de commande 58 configurés pour commander le dispositif d’entrainement 40 à partir d’une mesure fournie par le capteur de débit 46 de manière à adapter la vitesse de rotation ω1 de l’arbre 43 de la pompe 42 pour respecter une consigne de débit de carburant en sortie du circuit de carburant.

Lorsque la variation de la vitesse de rotation ω1 de l’arbre 43 de la pompe 42 est réalisée par le moteur hydraulique 48, une source de puissance hydraulique est nécessaire pour réaliser la commande du dispositif d’entrainement 40.

Les moyens de commande 58 comprennent une source de puissance hydraulique 60.

Les moyens de commande 58 peuvent être configurés pour commander le dispositif d’entrainement 40 en pression. Autrement dit, le moteur hydraulique 58 est piloté en couple, c’est-à-dire que la pression est pilotée aux bornes du moteur hydraulique 58.

La source de puissance hydraulique 60 peut comporter une source de pression 62 et une servovalve en pression 64. Autrement dit, le pilotage en pression peut être assuré par la source de pression 62 et la servovalve en pression 64.

La servovalve en pression 64 peut être une servovalve à trois voies.

L’intégration d’une servovalve en pression 64 à trois voies permet le fonctionnement du moteur hydraulique 48 uniquement en mode moteur. Avec une servovalve à trois voies, les dimensions de la pompe 42 sont impactées. La cylindrée de la pompe 42 est alors dimensionnée pour obtenir un mode de fonctionnement du moteur hydraulique 48 uniquement en mode moteur.

La servovalve en pression 64 peut être une servovalve à quatre voies.

L’intégration d’une servovalve en pression 64 à quatre voies permet l’inversion du sens de rotation du moteur hydraulique 48 et son fonctionnement à la fois en mode moteur et en mode générateur.

La source de pression 62 peut être une pompe centrifuge. La pompe centrifuge peut être agencée sur l’axe moteur 34 de la turbomachine.

Généralement, une pompe centrifuge de gavage, c’est-à-dire de suralimentation d’un moteur, est mise en série avec une pompe volumétrique principale, ici la pompe 42. Comme la vitesse de la pompe volumétrique principale varie selon les besoins en débit de carburant de la turbomachine une pompe centrifuge ne permet pas d’assurer un niveau de pression suffisant pour piloter le moteur hydraulique 48 dans les phases de fonctionnement à faible débit de carburant injecté. En effet, le rapport de vitesse de la pompe volumétrique principale peut être compris entre 1 et 20.

Afin d’assurer un niveau de pression suffisant pour piloter le moteur hydraulique 48 dans les phases de fonctionnement à faible débit de carburant injecté, la pompe centrifuge peut être agencée sur l’axe moteur 34 de la turbomachine, et plus précisément sur l’axe du boîtier de relais d’accessoires 36, pour lequel la vitesse de rotation varie dans une plage entre 60 et 100%. Dans cette plage, la pompe centrifuge peut assurer une pression suffisante d’un niveau habituel.

Au rendement près, la puissance utilisée par le moteur hydraulique 48 est à une partie de la puissance fournie par la pompe centrifuge, diminuée de la perte de charge de la servovalve en pression 64.

L’énergie hydraulique qui alimente le moteur hydraulique 48 provient de l’énergie transmise par la pompe centrifuge. Toutefois, l’énergie hydraulique récupérée par le moteur hydraulique 48 en mode générateur ne peut pas être transmise à la pompe centrifuge. Ainsi, cette énergie hydraulique récupérée est dissipative.

Il est souhaité que ce terme dissipatif soit le plus petit possible. Pour cela, le moteur hydraulique 48 a, de façon avantageuse, la plus petite cylindrée possible, de manière à ce que la perte de puissance, qui est proportionnelle au débit de carburant traversant la servovalve en pression 64, soit négligeable devant les gains apportés par la suppression de la boucle de recirculation autour de la pompe 42.

La cylindrée de la pompe 42 peut être diminuée d’au moins un tiers par rapport à une pompe utilisée dans l’art antérieur. Ceci permet un gain d’encombrement lié à la diminution du diamètre des pignons et un gain de masse. La diminution de la cylindrée de la pompe 42 permet de diminuer la masse de celle-ci, et donc la masse du système 20 d’environ 2kg.

Pour les régimes moteurs inférieurs à 60%, c'est-à-dire lors de l’enroulement du moteur, il est nécessaire de réguler le débit de carburant injecté allant d’un débit d’allumage à un débit de ralenti. Pour ces régimes, le moteur hydraulique doit être fonctionnel.

Afin d’assurer cette fonction, le dispositif d’entrainement 40 peut comporter une source de pression additionnelle 66 configurée pour ajuster le débit de carburant en sortie du circuit de carburant en fonction du régime de la turbomachine.

La source de pression additionnelle 66 peut comporter une pompe auxiliaire 68 et un régulateur de pression 70. Le régulateur de pression 70 est agencé de manière à restreindre la pression de sortie de la pompe auxiliaire 68. La pompe auxiliaire 68 peut être une pompe volumétrique.

Ainsi, la pompe auxiliaire 68 et le régulateur de pression 70 sont associés à la pompe centrifuge.

Grâce à cette source de pression additionnelle, même à une très faible vitesse de rotation, une pression de quelques bars est atteinte. Le dimensionnement du régulateur de pression 70 permet de fixer cette pression.

La source de pression additionnelle 66 peut être dimensionnée de manière à devenir transparente en termes de puissance pour un régime moteur de l’ordre de 60%, c'est-à-dire dans la plage d’utilisation normale de la turbomachine. Par exemple, la source de pression additionnelle 66 peut être tarée à environ 5 bars, et la pompe centrifuge peut fournir une pression d’environ 15 bars à un régime moteur de l’ordre de 100%.

Comme représenté sur la figure 4, le groupe hydromécanique 44 peut comporter le capteur de débit 46 de carburant entre la pompe 42 et l’injection vers la chambre de combustion 28.

Le groupe hydromécanique 44 peut également comporter un clapet de pressurisation 72 au niveau de l’injection vers la chambre de combustion 28 et un clapet de retour 74 agencé en dérivation entre le capteur de débit 46 et le clapet de pressurisation 72. Le clapet de retour 74 peut être branché vers une boucle de recirculation 76.

Le groupe hydromécanique 44 peut également comporter une servovalve 78 qui est configurée pour commander le clapet de pressurisation 72 et le clapet de retour 74.

Lorsque le circuit de carburant est utilisé pour actionner des géométries variables 38, le circuit de carburant comprend avantageusement une dérivation 80 pour alimenter une boucle de commande des actionneurs des géométries variables 38. La dérivation 80 est ici agencée entre la pompe 42 et le capteur de débit 46.

Le capteur de débit 46 comprend un tiroir 82 coulissant dont la position est pilotée par une différence de pression aux bornes du capteur de débit 46 qui compense l’effort appliqué par un moyen de rappel 84, par exemple un ressort, sur le tiroir 82. Connaissant les caractéristiques de la section de dosage du capteur de débit 46 et du moyen de rappel 84, la position lue par le capteur de position 86 du tiroir 82 fournit l’information du débit de carburant réellement injecté par le circuit de carburant vers la chambre de combustion 28. L’information de débit peut ainsi être, par exemple, transmise aux moyens de commande 58 pour qu’ils agissent sur le dispositif d’entraînement 40 et que ce dernier adapte la vitesse de rotation de l’arbre 43 la pompe 42 pour assurer le débit de carburant adapté aux besoins de la turbomachine.

Le groupe hydromécanique 44 assure ainsi une fonction de capteur de débit. Le groupe hydromécanique 44 assure également les fonctions de coupure du carburant et de pressurisation du système 20 par le clapet de pressurisation 72.

Le clapet de pressurisation 72 permet d’assurer une pression minimale pour un fonctionnement correct des géométries variables 38, ainsi que la coupure du débit de carburant injecté.

Le clapet de retour 74 permet d’assurer l’échappement du débit de carburant délivré par la pompe 42 afin de ne pas monter en pression dans le circuit de carburant, notamment lors de l’activation de la coupure par la servovalve 78.

La recirculation n’existe que lors de la phase d’arrêt, ou lors de la préparation à l’allumage, le temps de la diminution de la vitesse de rotation de l’arbre 43 la pompe 42. La boucle de recirculation 76 est donc nettement moins importante que pour un circuit selon l’art antérieur.

A l’allumage, l’arbre 43 de la pompe 42 est entraîné à une vitesse de rotation minimale. Une partie du débit de carburant traverse le capteur de débit 46 et est recirculée par le clapet de retour 74.

La vitesse de la pompe 42 est ensuite adaptée pour atteindre la consigne de débit d’allumage. La servovalve 78 est alors activée, ce qui entraîne l’ouverture du clapet de pressurisation 72, la fermeture du clapet de retour 74 et donc permet l’injection du débit d’allumage vers la chambre de combustion 28.

Enfin, le clapet de retour 74 assure la protection en cas de survitesse liée à une défaillance du contrôle de la vitesse de la pompe 42.

En cas d’appel de débit lié à l’actionnement des géométries variables 38, pour une vitesse de rotation ω1 donnée de l’arbre 43 de la pompe 42, le débit de carburant traversant le capteur de débit 46 tend à diminuer à cause de la dérivation 80 vers les géométries variables 38, qui est placée en amont. L’information d’une baisse de débit oblige le dispositif d’entraînement 40 à accélérer la vitesse de la pompe 42 afin de maintenir le débit de carburant injecté demandé.

Une boucle de contrôle basée sur l’information de débit du capteur de débit 46, installée dans les moyens de commande 58, permet donc d’adapter la vitesse de pompe 42 pour tout point de fonctionnement de la turbomachine, que les géométries variables 38 soient actives ou non.

Grâce au groupe hydromécanique 44, il est possible de tirer parti du dispositif d’entraînement 40 qui est capable d’adapter la vitesse de rotation ω1 de l’arbre 43 de la pompe 42 aux besoins de la turbomachine.

Il n’est donc plus nécessaire de dimensionner une boucle de recirculation pour dissiper un surplus de débit de carburant important, ce qui permet de gagner en puissance prélevée sur le boîtier de relais d’accessoires 36 pour l’alimentation en carburant.

Le groupe hydromécanique 44 permet donc de tirer parti au mieux du gain de puissance potentiel offert par le dispositif d’entraînement 40.

Le groupe hydromécanique 44 est également simplifié par rapport aux groupes hydromécaniques selon l’art antérieur et permet un gain en masse du système 20.

Il est à noter que ce concept fonctionne également sans alimentation de géométries variables, par exemple si celles-ci sont pilotées par des moyens électriques (non représentés). Dans une configuration sans géométrie variable, la solution est plus simple à mettre en œuvre, et plus efficace en termes de gain de puissance.

L’invention concerne également un procédé de régulation de la pompe 42 telle que décrite précédemment.

Le procédé comprend une étape de modification de la vitesse de rotation ω1 de l’arbre 43 de la pompe 42 en pilotant le moteur hydraulique 48 au moyen des moyens de commande 58, et plus précisément au moyen de la source de puissance hydraulique 60, de manière à ce que le débit de carburant délivré par la pompe 42 soit adapté aux conditions de vol de l’aéronef.

Claims

Système (20) d’alimentation en carburant d’une turbomachine, comportant un circuit de carburant comprenant une pompe (42) configurée pour envoyer dans ledit circuit de carburant un débit de carburant qui est une fonction croissante de la vitesse de rotation (ω1) d’un arbre (43) de ladite pompe (42), et un capteur de débit (46) agencé à une sortie de ladite pompe (42), caractérisé en ce que ledit système (20) comporte un dispositif d’entrainement (40) comprenant un moteur hydraulique (48) configuré pour entraîner ladite pompe (42), et en ce que ledit système (20) comporte des moyens de commande (58) comportant une source de puissance hydraulique (60) et étant configurés pour commander ledit dispositif d’entrainement (40) à partir d’une mesure fournie par ledit capteur de débit (46) de manière à adapter la vitesse de rotation (ω1) de l’arbre (43) de ladite pompe (42) pour respecter une consigne de débit de carburant en sortie dudit circuit de carburant.
Système (20) d’alimentation en carburant d’une turbomachine selon la revendication précédente, dans lequel les moyens de commande (58) sont configurés pour commander le dispositif d’entrainement (40) en pression, et dans lequel la source de puissance hydraulique (60) comporte une source de pression (62) et une servovalve en pression (64).
Système (20) d’alimentation en carburant d’une turbomachine selon la revendication précédente, dans lequel la servovalve en pression (64) est une servovalve à trois voies ou à quatre voies.
Système (20) d’alimentation en carburant d’une turbomachine selon l’une des revendications 2 ou 3, dans lequel la source de pression (62) est une pompe centrifuge.
Système (20) d’alimentation en carburant d’une turbomachine selon la revendication précédente, dans lequel le moteur hydraulique (48) est configuré pour entrainer la pompe (42) à partir d’un axe moteur (34) de ladite turbomachine, et dans lequel la pompe centrifuge est agencée sur ledit axe moteur (34).
Système (20) d’alimentation en carburant d’une turbomachine selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif d’entrainement (40) comporte une source de pression additionnelle (66) configurée pour ajuster le débit de carburant en sortie du circuit de carburant en fonction du régime de la turbomachine.
Système (20) d’alimentation en carburant d’une turbomachine selon la revendication précédente, dans lequel la source de pression additionnelle (66) comporte une pompe auxiliaire (68) et un régulateur de pression (70), ledit régulateur de pression (70) étant agencé de manière à restreindre la pression de sortie de ladite pompe auxiliaire (68).
Système (20) d’alimentation en carburant d’une turbomachine selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif d’entrainement (40) comporte un réducteur à train épicycloïdal (50) comprenant trois éléments, un planétaire (52A) central, une couronne (52B) externe et un porte-satellites (52U) dont les satellites (52S) s’engrènent avec ledit planétaire (52A) et ladite couronne (52B), lesdits trois éléments étant mobiles en rotation autour d’un axe du réducteur, un premier desdits trois éléments étant destiné à être couplé à un axe moteur (34) de la turbomachine, un deuxième desdits trois éléments étant destiné à être couplé à l’arbre (43) de la pompe (42), un troisième desdits trois éléments étant destiné à être entrainé en rotation par le moteur hydraulique (48) de manière à modifier la vitesse de rotation du deuxième desdits trois éléments.
Turbomachine, notamment d’aéronef, comportant un système (20) d’alimentation en carburant selon l’une des revendications précédentes.
Procédé de régulation d’une pompe (42) à carburant pour une turbomachine selon la revendication 9 dans un aéronef, comprenant une étape de modification de la vitesse de rotation (ω1) de l’arbre (43) de la pompe (42) en pilotant le moteur hydraulique (48) au moyen des moyens de commande (58) de manière à ce que le débit de carburant délivré par ladite pompe (42) soit adapté aux conditions de vol de l’aéronef.