SYSTEME D'ALIMENTATION DE TURBOMACHINE EN FLUIDE AVEC UN ENSEMBLE DE POMPAGE BASSE PRESSION COMPRENANT DEUX POMPES EN PARALLELE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se rapporte au domaine technique général des turbomachines d'aéronef telles que les turboréacteurs et les turbopropulseurs. Plus précisément, l'invention appartient au domaine technique des systèmes d'alimentation en fluide pour turbomachine, notamment en lubrifiant ou en carburant.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Un système d'alimentation en carburant pour turbomachine, selon une conception connue de l'état de la technique, comprend une pompe basse pression configurée pour augmenter la pression du carburant qui s'écoule vers une pompe volumétrique haute pression après avoir traversé une résistance hydraulique. La pompe basse pression est notamment une pompe centrifuge.
La pompe volumétrique haute pression est destinée à alimenter en fluide à débit constant à la fois un circuit d'alimentation de géométries variables et un circuit d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion. Le circuit d'alimentation en carbura nt de la chambre de combustion comprend un doseur de carburant configuré pour réguler le débit de carburant à destination des systèmes d'injection de la chambre de combustion. Plus précisément, le doseur de carburant est destiné à laisser s'écouler un excès de carburant à travers une boucle de recirculation configurée pour acheminer du carburant en amont de la pompe haute pression.
Cependant, cet excès de carburant circulant dans la boucle de recirculation de fluide génère une dissipation d'énergie thermique importante. Plus généralement, la puissance thermique dissipée da ns le système d'alimentation est assez
élevée. Il en découle une diminution des performances globales d'une turbomachine comprenant le système d'alimentation.
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, de préférence du carburant, comprenant :
un ensemble de pompage basse pression comprenant une branche principale comportant une première pompe basse pression,
- une résistance hydraulique aval comprenant au moins un élément choisi parmi un doseur de fluide, un filtre, un débitmètre, un échangeur, une vanne de coupure et un système d'injection, et
une pompe volumétrique haute pression située entre l'ensemble de pompage basse pression et la résistance hydraulique aval.
Selon l'invention, l'ensemble de pompage basse pression comprend une branche secondaire en parallèle de la branche principale, la branche secondaire comprenant une deuxième pompe basse pression et un variateur d'alimentation configuré pour faire varier le débit de fluide alimentant la deuxième pompe basse pression.
L'ensemble de pompage basse pression permet d'obtenir un meilleur compromis en ce qui concerne le rendement énergétique, à la fois pendant les phases de vol de décollage, de montée et les phases de croisière de la turbomachine, ce que ne permettrait pas de manière aussi significative un ensemble de pompage basse pression avec une seule pompe centrifuge.
Le variateur d'alimentation est notamment configuré pour commander l'alimentation en fluide de la deuxième pompe basse pression. Plus précisément, le variateur d'alimentation est configuré pour faire varier les proportions de débit de fluide alimentant la deuxième pompe basse pression par rapport à celles alimentant la première pompe basse pression. Le variateur d'alimentation est de préférence apte à limiter le débit de fluide alimentant la deuxième pompe basse pression.
Le fluide dans le système d'alimentation est notamment du lubrifiant ou du carburant.
L'invention peut comporter de manière facultative une ou plusieurs des caractéristiques suivantes combinées entre elles ou non.
Avantageusement, le variateur d'alimentation comprend un obturateur mobile entre une position extrême d'ouverture dans laquelle le variateur d'alimentation laisse circuler du fluide vers la deuxième pompe basse pression, et une position extrême de fermeture dans laquelle le variateur d'alimentation empêche au moins partiellement l'alimentation de la deuxième pompe basse pression en fluide,
de façon à ce que l'ouverture de l'obturateur soit commandée automatiquement, par une commande électrique et/ou hydrauliquement par la pression en amont de l'ensemble de pompage basse pression.
Selon une particularité de réalisation, l'ouverture de l'obturateur est commandée électriquement ou électro-mécaniquement, de sorte à laisser circuler du fluide vers la deuxième pompe basse pression lorsque la vitesse de rotation du corps haute pression de la turbomachine dépasse un seuil variable. En variante, le seuil de pression est susceptible d'être fixe durant le fonctionnement de la turbomachine et/ou entre les vols.
Selon une forme de réalisation avantageuse, le variateur d'alimentation est bistable avec un état stable d'ouverture dans lequel le variateur d'alimentation laisse circuler du fluide vers la deuxième pompe basse pression, et un état stable de fermeture dans laquelle le variateur d'alimentation empêche au moins partiellement l'alimentation de la deuxième pompe basse pression en fluide.
Dans une configuration alternative, le variateur d'alimentation comprend au moins une position intermédiaire stable entre l'état de fermeture et l'état d'ouverture, de préférence une pluralité de positions intermédiaires stables. Le variateur d'alimentation est alors notamment configuré pour faire varier le débit alimentant la deuxième pompe basse pression à l'intérieur d'une plage continue de valeurs de débit.
Selon une autre particularité de réalisation, le variateur d'alimentation est une vanne comprenant un clapet anti-retour, une soupape, une fourrure ou bien un tiroir.
Selon une autre forme de réalisation avantageuse, la première pompe basse pression et la deuxième pompe basse pression sont des pompes centrifuges dont les roues sont situées tête bêche. Il est ainsi possible de simplifier l'intégration des pompes basse pression dans la turbomachine, et de réduire le prélèvement énergétique opéré par ces pompes pour fonctionner. De plus, l'implémentation d'une telle solution permet l'équilibrage des efforts axiaux résultants sur l'ensemble de pompage.
La première pompe basse pression et la deuxième pompe basse pression sont de préférence identiques. Cette configuration préférée présente l'avantage de réduire les coûts de manutention et de fabrication. Dans ce cas notamment, la branche principale comprend de préférence un élément résistif en aval de la première pompe basse pression, la résistance hydraulique de l'élément résistif étant égale à celle du variateur d'alimentation. Ainsi, les phénomènes de recirculation entre la boucle principale et la boucle secondaire sont limités.
Avantageusement, la pompe haute pression est une pompe volumétrique à engrenages configurée pour être entraînée mécaniquement par une boite de transmission de turbomachine. La boite de transmission transmet de préférence un couple transmis par un arbre haute pression de turbomachine, pour entraîner mécaniquement la pompe volumétrique haute pression. La pompe volumétrique haute pression est notamment montée sur une boite de relais d'accessoires, également connue sous le nom d' « Accessorry Gear Box » ou « AGB ». La pompe volumétrique haute pression relève alors d'une technologie robuste et éprouvée, qui nécessite des efforts de développement et de certifications limités.
Lorsque la pompe haute pression est une pompe volumétrique à engrenages, la résistance hydraulique aval comprend de préférence un doseur de fluide et un système d'injection, le doseur de fluide étant configuré pour réguler le débit en direction du système d'injection et/ou en direction d'une boucle de recirculation de fluide configurée pour acheminer du fluide en amont de la pompe haute pression.
La boucle de recirculation de fluide est notamment configurée pour acheminer du fluide en provenance du doseur jusqu'à un nœud d'évacuation situé entre
l'ensemble de pompage basse pression et la pompe haute pression. Le nœud d'évacuation raccorde par exemple le circuit d'alimentation du système d'injection au circuit amont.
Le nœud d'évacuation se trouve aussi proche que possible de l'entrée de la pompe volumétrique haute pression, afin de limiter la puissance thermique dissipée da ns la boucle de recirculation de fluide. Néanmoins, le nœud d'évacuation se trouve généralement en amont d'une résistance hydraulique amont.
A ce titre, le système d'alimentation comprend de préférence une résistance hydraulique amont située entre l'ensemble de pompage basse pression et la pompe haute pression. La résistance hydraulique amont comprend au moins un élément choisi parmi un échangeur, un filtre, une vanne de coupure ou un débitmètre.
L'invention porte également sur une turbomachine comprenant un système d'alimentation tel que défini ci-dessus.
La turbomachine peut comprendre 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. Dans ce cas, la turbomachine est notamment 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 réa lisation, donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 est une représentation schématique partielle d'un système d'alimentation en fluide de turbomachine, selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une représentation schématique partielle d'un système d'alimentation en fluide de turbomachine, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention
la figure 3 est une représentation schématique partielle en coupe de la première pompe basse pression et de la deuxième pompe basse pression, situées tête bêche.
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 1 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 une chambre de combustion 2 et le système d'alimentation 10 en carburant de la chambre de combustion 2. La chambre de combustion 2 comporte une pluralité d'injecteurs de carburant et de systèmes d'injection de carburant 62. Les systèmes d'injection 62 coopèrent avec les injecteurs pour alimenter la chambre de combustion 2 avec le carburant transitant par le système d'alimentation 10.
Le système d'alimentation 10 comprend un circuit amont 100 et un circuit aval 60 raccordé au circuit amont 100. Le circuit amont 100 est destiné à réguler le débit et la pression du carburant alimentant le circuit aval 60. Le circuit amont 100 sert notamment à augmenter la pression du carburant s'écoulant en direction du circuit aval 60. 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 ensemble de pompage basse pression
101, une pompe volumétrique haute pression 102 et une résistance hydraulique amont 104 située entre l'ensemble de pompage basse pression 101 et la pompe haute pression
102. 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 amont 104 comprend par exemple un échangeur, un filtre à carburant, une vanne de coupure et /ou un débitmètre.
L'ensemble de pompage basse pression 101 est configuré pour augmenter la pression du carburant à destination de la pompe haute pression 102, de manière à limiter/empêcher les risques de cavitation à l'intérieur de la pompe haute pression 102. La pompe volumétrique haute pression 102 est conçue pour alimenter le circuit aval 60 en carburant à débit constant. Dans le mode de réalisation de la figure 1, la pompe haute pression 102 est une pompe volumétrique à engrenages configurée pour être entraînée mécaniquement par une boite de transmission de turbomachine 1.
Le débit de carburant constant en sortie de la pompe volumétrique à engrenages 102 est supérieur au débit nécessaire pour approvisionner les systèmes d'injection 62, quelle que soit la phase concernée du vol de la turbomachine 1. En particulier, le débit constant fourni par la pompe volumétrique haute pression 102 est déterminé en fonction des débits nécessaire pour les régimes de fonctionnement de la turbomachine 1 les plus contraignants, c'est-à-dire les débits pour les bas régimes. Le débit circulant dans le système d'alimentation 10 est donc susceptible d'être très important dans les conceptions classiques. Il en résulte des puissances thermiques dissipées par le système d'alimentation 10 et une baisse du rendement énergétique du système d'alimentation 10.
Le circuit d'alimentation 60 des systèmes d'injections, faisant partie du circuit aval 60, comprend un doseur de carburant 64 configuré pour réguler le débit en direction des systèmes d'injection 62. Le doseur de carburant 64 redirige le carburant en excès dans le circuit d'alimentation 60 des systèmes d'injection 62 en amont de la pompe haute pression 102 à travers une boucle de recirculation 610 de carburant. La boucle de recirculation de carburant 610 est située entre un premier nœud A en sortie du doseur de carburant 64 et un nœud d'évacuation B situé en amont de la pompe haute pression 102. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le nœud d'évacuation B est situé entre
l'ensemble de pompage basse pression 101 et la résistance hydraulique amont 104. Le débit de carburant circulant dans la boucle de recirculation 610 génère une partie conséquente de la puissance thermique dissipée dans le système d'alimentation 10.
Le circuit d'alimentation 60 des systèmes d'injection comporte en outre de manière connue une résistance hydraulique 66 en aval de la boucle de recirculation 610. Cette résistance hydraulique 66 comprend au moins un élément choisi parmi un filtre à carburant, un débitmètre, un échangeur et une vanne de coupure haute pression. Le doseur de carburant 64, la résistance hydraulique 66 et les systèmes d'injection 62 forment une résistance hydraulique aval 62, 64, 66.
Afin de limiter les pertes thermiques dans le système d'alimentation 10, et en particulier dans la boucle de recirculation 610, l'ensemble de pompage basse pression 101 comprend une branche principale comprenant une première pompe basse pression 11, et une branche secondaire 200 comprenant une deuxième pompe basse pression 201. La branche secondaire 200 comprend en outre un variateur d'alimentation 210, 220 configuré pour faire varier le débit de fluide alimentant la deuxième pompe basse pression 201. Le variateur d'alimentation 210, 220 est notamment configuré pour faire varier les proportions de fluide alimentant la branche secondaire 200 par rapport à celles alimentant la branche principale.
La branche secondaire 200 et la branche principale sont en parallèle. La branche principale et la branche secondaire 200 se raccordent l'une à l'autre à un nœud d'entrée E et se rejoignent à un nœud de sortie S en amont de la pompe haute pression 102. Dans les modes de réalisations décrits, le nœud d'évacuation B est situé entre le nœud de sortie S et la résistance hydraulique amont 104. Comme indiqué ci-dessus, l'ensemble de pompage basse pression 101 est configuré pour augmenter la pression du carburant circulant du nœud d'entrée E vers le nœud de sortie S.
La branche principale comprend un élément résistif 230. L'élément résistif 230 est configuré pour égaliser la résistance hydraulique de la branche principale et de la branche secondaire 220, ce qui permet de limiter les phénomènes de recirculation de carburant dans l'ensemble de pompage basse pression 101, et dans le système
d'alimentation 10 en général. L'élément résistif 230 prend par exemple la forme d'un diaphragme.
La première pompe basse pression 11 et la deuxième pompe basse pression 201 sont des pompes centrifuges dont les roues sont de préférence situées tête bêche, de façon à réduire l'encombrement de la turbomachine 1 et de faciliter l'intégration de l'ensemble basse pression 101 dans la turbomachine 1. Les roues de la première pompe basse pression 11 et celle de la deuxième pompe basse pression 201, représentées en référence à la figure 3, sont alors situées en regard l'une de l'autre, en étant de préférence coaxiales ou situées autour d'un même axe. Le fluide s'écoule dans le sens de la flèche 301 à la flèche 304 dans la deuxième pompe basse pression 201 d'une part, et de la flèche 302 vers la flèche 304 dans la première pompe basse pression 11 d'autre part. Un autre avantage conséquent de cette configuration est l'équilibrage d'équilibrer au moins en partie les efforts axiaux engendrés par les efforts dynamiques du fluide sur le rouet. La première pompe basse pression 11 et la deuxième pompe basse pression 201 sont de préférence identiques, notamment pour des questions d'économie d'échelle et de coûts de maintenance. Dans ce cas, la résistance hydraulique de l'élément résistif 230 est égale à celle du moyen de limitation de débit 210, 220.
Le variateur d'alimentation 210, 220 est situé dans la branche secondaire 220 en série avec la deuxième pompe basse pression 201, en étant en amont de la deuxième pompe basse pression 201.
En variante, Le variateur d'alimentation 210, 220 peut également être en série avec la deuxième pompe basse pression 201, en étant en aval de cette pompe. Dans ce dernier cas, les pertes de charges en entrée de la deuxième pompe basse pression 201 sont plus faibles que lorsque le variateur d'alimentation 210, 220 est en amont de la deuxième pompe basse pression 201. Les risques de cavitation à l'intérieur de la deuxième pompe basse pression 201 sont susceptibles d'être réduits.
De manière générale, le variateur d'alimentation 210, 220 comprend un obturateur 214, 224 mobile entre une position extrême d'ouverture et une position extrême de fermeture. Dans cette configuration, le variateur d'alimentation 210, 220 est apte à limiter le débit de fluide alimentant la deuxième pompe basse pression 201. En
position extrême d'ouverture, le variateur d'alimentation 210, 220 laisse circuler du fluide vers la deuxième pompe basse pression 201. En position extrême de fermeture, le variateur d'alimentation 210, 220 empêche soit totalement l'alimentation en carburant de la deuxième pompe basse pression 201, soit laisse circuler un débit de fuite ayant une valeur prédéterminée, de sorte à refroidir la deuxième pompe basse pression 201. Dans ce dernier cas, l'obturateur 214, 224 est en butée en position extrême de fermeture, tout en laissant une lumière suffisante pour l'écoulement du débit de fuite dans la branche secondaire 200. L'ouverture et la fermeture de l'obturateur 214, 224 sont commandées automatiquement. Le variateur d'alimentation 210, 220 est de préférence un actionneur bistable avec un état stable d'ouverture dans lequel l'obturateur 214, 224 est dans la position extrême d'ouverture, et un état stable de fermeture dans lequel l'obturateur 214, 224 est dans la position extrême de fermeture. Autrement dit, le variateur d'alimentation 210, 220 est un actionneur de type « tout ou rien ».
En référence plus spécifiquement à la figure 1, le variateur d'alimentation 210 est une vanne 210 comprenant un clapet anti-retour 214. L'ouverture et la fermeture de l'obturateur 214 en forme de clapet anti-retour sont commandées par un dispositif de commande électrique 300, de manière à contrer la force de rappel d'un ressort 212 configuré pour rappeler l'obturateur 212 vers la position extrême de fermeture, en l'absence de toute commande exercée sur le variateur d'alimentation 210. L'ouverture et la fermeture de l'obturateur 214 sont commandées électriquement directement ou indirectement, de sorte à laisser circuler du fluide vers la deuxième pompe basse pression 201 lorsque la pression de carburant au nœud d'entrée E de l'ensemble de pompage basse pression 101 dépasse un seuil variable. Le seuil variable est par exemple déterminé en fonction de la vitesse de rotation d'un corps haute pression de la turbomachine 1 par un système de régulation numérique (non représenté), également connu sous le nom de
« FADEC ou Full Authority Digital Engine Control ». Le seuil variable est susceptible de varier durant le fonctionnement de la turbomachine 1 ou entre les vols de la turbomachine 1. Plus spécifiquement, l'organe de commande 300 comprend une unité de commande électronique 302, également connue sous le nom d'ECU. L'unité de commande électronique 302 commande l'ouverture et la fermeture du variateur d'alimentation 210,
par l'intermédiaire d'une servovalve 304 ou d'un électrorobinet 304, en fonction du seuil variable.
Le système d'alimentation 10 de la figure 2 se distingue de celui de la figure 1 en ce que le variateur d'alimentation 220 est une vanne 220 comprenant un tiroir 224. Le tiroir 224 joue le rôle d'obturateur configuré pour coulisser entre la position extrême d'ouverture et la position extrême de fermeture, en fonction de la différence de pression aux bornes de la pompe basse pression 11 entre la pression PI au nœud d'entrée E et la pression P2 à un nœud de contrôle C.
Le tiroir 224 est relié mécaniquement à un ressort de rappel 222 configuré pour contraindre l'obturateur 224 à être dans la position extrême de fermeture lorsque la pression P2 est inférieure à un seuil d'ouverture. En d'autres termes, le variateur d'alimentation 220 est commandé hydrauliquement par la différence de pression entre l'admission et le refoulement de la pompe 11. Le seuil d'ouverture du variateur d'alimentation 220 est alors fixe. Il est notamment déterminé en fonction des caractéristiques du tiroir 224 et de la raideur du ressort 222. En particulier, il est possible de régler mécaniquement le seuil d'ouverture du variateur d'alimentation 210, 220 en choisissant soigneusement la raideur du ressort 212, 222.
De manière générale, l'ensemble de pompage basse pression 101 permet d'améliorer le rendement énergétique du système d'alimentation 10 en commandant l'alimentation de la branche secondaire 220, par l'intermédiaire du variateur d'alimentation 210, 220, en fonction du différentiel de pression aux bornes de l'ensemble de pompage basse pression 101. Ce différentiel de pression traduit la vitesse de rotation corps haute pression du moteur et donc le point de cycle moteur considéré. L'ensemble de pompage basse pression 101 est configuré de sorte à obtenir un rendement énergétique satisfaisant, à la fois pendant les phases de vol de décollage, de montée et les phases de croisière de la turbomachine 1, ce que ne permettrait pas de manière significative un ensemble de pompage basse pression de structure classique avec une seule pompe centrifuge.
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.