FR3068114A1 - Systeme d'alimentation en fluide pour turbomachine, comprenant une pompe a cylindree variable suivie d'un doseur de fluide - Google Patents

Systeme d'alimentation en fluide pour turbomachine, comprenant une pompe a cylindree variable suivie d'un doseur de fluide Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un système d'alimentation (1) en fluide pour turbomachine, comprenant une pompe volumétrique haute pression (4), un doseur de fluide (6) et une vanne de régulation (8) configurée pour faire varier le débit de fluide dans un circuit de dérivation (14) de sorte à réguler la différence de pression entre une entrée et une sortie du doseur (6). La vanne de régulation (8) comprend un obturateur dont la position variable est mesurée par un dispositif de mesure (20). Un système électronique de régulation (3) compare la position mesurée de l'obturateur avec une consigne de position de l'obturateur déterminée en fonction d'une condition de vol de l'aéronef et/ou d'une température du fluide mesurée et correspondant à une consigne de débit de fluide dans le circuit de dérivation (14). La cylindrée de la pompe haute pression (4) est commandée de façon à ce que la position mesurée de l'obturateur s'adapte à la consigne de position.

Description

P4/ SYSTEME D'ALIMENTATION EN FLUIDE POUR TURBOMACHINE, COMPRENANT UNE POMPE A CYLINDREE VARIABLE SUIVIE D'UN DOSEUR DE FLUIDE.
©) L'invention concerne un système d'alimentation (1 ) en
FR 3 068 114 - A1 fluide pour turbomachine, comprenant une pompe volumetrique haute pression (4), un doseur de fluide (6) et une vanne de régulation (8) configurée pour faire varier le débit de fluide dans un circuit de dérivation (14) de sorte à réguler la différence de pression entre une entrée et une sortie du doseur (6). La vanne de régulation (8) comprend un obturateur dont la position variable est mesurée par un dispositif de mesure (20). Un système électronique de régulation (3) compare la position mesurée de l'obturateur avec une consigne de position de l'obturateur déterminée en fonction d'une condition de vol de l'aéronef et/ou d'une température du fluide mesurée et correspondant à une consigne de débit de fluide dans le circuit de dérivation (14). La cylindrée de la pompe haute pression (4) est commandée de façon à ce que la position mesurée de l'obturateur s'adapte à la consigne de position.
Figure FR3068114A1_D0001
Figure FR3068114A1_D0002
SYSTEME D'ALIMENTATION EN FLUIDE POUR TURBOMACHINE, COMPRENANT UNE POMPE A CYLINDREE VARIABLE SUIVIE D'UN DOSEUR DE FLUIDE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se rapporte à des turbomachines pour aéronef. Plus précisément, l'invention concerne un système d'alimentation en fluide pour turbomachine.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Des systèmes d'alimentation en carburant pour turbomachine de structure connue comprennent une pompe basse pression, un doseur de carburant et une pompe volumétrique haute pression à cylindrée fixe entre la pompe basse pression et le doseur de carburant.
Ces systèmes d'alimentation comportent également un circuit de dérivation de la pompe volumétrique. Le circuit de dérivation comprend une vanne de régulation, qui est appelée classiquement soupape régulatrice, en amont du doseur. Cette vanne est conçue pour faire varier le débit de carburant dans le circuit de dérivation, de sorte à maintenir une différence de pression sensiblement constante entre l'entrée et la sortie du doseur.
Cependant, le débit de carburant délivré sur une large plage de régime de la turbomachine par la pompe haute pression à cylindrée fixe dépasse celui qui est réellement nécessaire aux besoins effectifs de la turbomachine et de ses asservissements. II en résulte un débit important dans le circuit de dérivation, ce qui conduit à un échauffement du carburant qui est généralement décorrélé des situations dans lesquelles un réchauffage du carburant peut être souhaité, par exemple dans des conditions de très basses températures où le carburant risque de givrer.
Des systèmes d'alimentation tels que ceux décrits dans la demande de brevet FR 2 950 864 de la société Snecma visent à pallier à cet inconvénient. Ces systèmes d'alimentation comprennent une deuxième pompe volumétrique haute pression à engrenages destinée à compléter l'alimentation en carburant par la première pompe volumétrique à engrenages, lorsque la turbomachine fonctionne à haut régime. Cette deuxième pompe est de cylindrée différente de la première pompe.
En plus des pompes volumétriques à engrenage entraînées indirectement par un arbre moteur de la turbomachine, il existe des pompes volumétriques haute pression à entraînement électrique dont le régime de rotation est décorrélé du régime de rotation de l'arbre moteur de la turbomachine. Ce régime est commandé par le système électronique de régulation de la turbomachine. L'entraînement électrique nécessite une source d'énergie électrique importante, ce qui impose généralement que le générateur électrique équipant la turbomachine soit dimensionné en conséquence.
Dans d'autres systèmes d'alimentation connus, le système électronique de régulation commande également l'ouverture du doseur.
La régulation de l'alimentation en fluide d'une turbomachine est encore susceptible d'amélioration.
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 en fluide pour turbomachine.
Le système d'alimentation comprend un circuit principal et un circuit de dérivation du circuit principal. Le circuit principal comporte une pompe volumétrique haute pression et un doseur de fluide en aval de la pompe haute pression.
La pompe volumétrique haute pression est une pompe à cylindrée variable dont la cylindrée est configurée pour être commandée par un système électronique de régulation de turbomachine.
Le circuit de dérivation de fluide est raccordé au circuit principal par une entrée située en aval de la pompe volumétrique haute pression et une sortie en amont de la pompe volumétrique haute pression.
Le système d'alimentation comporte une vanne de régulation qui est disposée dans le circuit de dérivation. La vanne de régulation est raccordée au circuit principal en amont et en aval du doseur, de façon à être soumise à une différence de pression entre une pression d'entrée en amont du doseur et une pression de sortie en aval du doseur. La vanne de régulation comprend un obturateur à position variable sollicité par un moyen de rappel et dont la position est fonction de ladite différence de pression. La vanne de régulation est configurée pour faire varier le débit de fluide dans le circuit de dérivation par la position de l'obturateur, de sorte à réguler ladite différence de pression aux bornes du doseur afin de la maintenir sensiblement égale à une valeur prédéterminée. Une telle vanne de régulation est appelée classiquement soupape régulatrice dans le domaine des turbomachines d'aéronef.
Selon l'invention, la vanne de régulation comprend un dispositif de mesure de la position de l'obturateur, qui est connecté au système électronique de régulation, de façon à ce que la commande de la cylindrée de la pompe volumétrique haute pression soit élaborée en comparant la position mesurée de l'obturateur avec une consigne de position de l'obturateur correspondant à une consigne de débit de fluide dans le circuit de dérivation, ladite consigne de débit de fluide étant apte à prendre différentes valeurs déterminées en fonction d'une condition de vol de l'aéronef et/ou d'une température du fluide mesurée.
En d'autres termes, la consigne de position de l'obturateur est déterminée en fonction d'une condition de vol de l'aéronef et/ou d'une température du fluide mesurée. Le dispositif de mesure de position de l'obturateur est configuré pour mesurer la position d'ouverture de l'obturateur, ce qui permet ensuite de commander la cylindrée de la pompe haute pression afin que la position d'ouverture de l'obturateur s'adapte à la consigne de position, le débit de recirculation du fluide dans le circuit de dérivation étant ainsi modulé par la position de l'obturateur. La modulation du débit de recirculation du fluide permet notamment de moduler la réjection thermique du circuit de fluide, c'est-à-dire d'adapter la réjection thermique à une réjection cible souhaitée.
Le dispositif de mesure de position de l'obturateur permet notamment une commande en boucle fermée de la position de l'obturateur par variation de la cylindrée de la pompe haute pression. La commande en boucle fermée de la position de l'obturateur permet d'améliorer la régulation de l'alimentation en fluide.
Le fluide pour turbomachine est du carburant ou du lubrifiant, typiquement de l'huile.
L'obturateur est à position variable, c'est-à-dire qu'il est apte à être dans une pluralité de positions d'équilibre entre une position extrême d'ouverture et une position extrême de fermeture.
L'invention peut comporter de manière facultative une ou plusieurs des caractéristiques suivantes combinées entre elles ou non.
Selon une particularité de réalisation, le système électronique de régulation est configuré pour commander la cylindrée de la pompe haute pression, de façon à ce que la position de l'obturateur respecte une consigne de position pouvant varier entre une position extrême d'ouverture et une position extrême de fermeture.
En particulier, le débit délivré par la pompe volumétrique est commandée de sorte à ce que l'obturateur ne soit pas en butée, même lorsque l'état de la pompe est dégradé, par exemple en cas d'usure de la pompe.
Selon une première forme de réalisation avantageuse, le système électronique de régulation est configuré pour commander la cylindrée de la pompe haute pression, dans un mode de fonctionnement normal, de façon à minimiser le débit de carburant dans le circuit de dérivation. La circulation de fluide dans la boucle de dérivation est alors réduite à un débit minimum nécessaire, permettant de diminuer la réjection thermique du fluide et donc de diminuer la température du fluide dans le circuit de dérivation.
Selon une autre forme de réalisation avantageuse, le système électronique de régulation est configuré pour commander une augmentation de la cylindrée de la pompe haute pression, lorsqu'un incendie est détecté et/ou lorsqu'une température du fluide mesurée est inférieure à un seuil de température basse.
Ce seuil peut correspondre à une température particulièrement basse du fluide. En particulier, si le fluide est du carburant, le seuil peut correspondre à une température négative prédéterminée en dessous de laquelle des particules de givre sont susceptibles de se former dans le carburant. L'augmentation de la cylindrée de la pompe haute pression, à iso-régime moteur de la turbomachine, implique une augmentation du débit de carburant dans la boucle de dérivation, ce qui provoque un réchauffement du carburant et aide ainsi à empêcher le phénomène de givrage du carburant. Le seuil de température basse est susceptible de dépendre des conditions de vol.
Selon une autre particularité de réalisation, l'obturateur comprend un piston dont le déplacement vient couvrir ou découvrir une ouverture située dans le circuit de dérivation de fluide, et le moyen de rappel comprend un ressort agissant en compression contre le piston.
Selon une autre particularité de réalisation, le système d'alimentation comprend des moyens de mesure de température pour mesurer la température du fluide dans le circuit principal entre la sortie du circuit de dérivation et la pompe volumétrique haute pression. Par exemple, si une crépine est prévue entre la sortie du circuit de dérivation et la pompe volumétrique haute pression, la température du fluide sera préférablement mesurée en amont de la crépine.
Avantageusement, le dispositif de mesure de position de l'obturateur comprend un capteur de déplacement, tel qu'un transformateur différentiel à variation linéaire. Un tel capteur est également connu sous le nom de capteur LVDT, de l'anglais LINEAR VARIABLE DIFFENTIAL TRANSFORMER.
L'invention porte également sur un procédé de régulation du débit dans un système d'alimentation tel que défini ci-dessus. Le procédé de régulation comprend une étape de mesure de la position de l'obturateur par le dispositif de mesure de position de l'obturateur.
Selon une autre forme de réalisation avantageuse, le procédé de régulation comprend une étape de commande de variation de la cylindrée de la pompe haute pression par le système électronique de régulation, en fonction d'une consigne de débit de fluide dans le circuit de dérivation et de la position de l'obturateur mesurée par le dispositif de mesure de position de l'obturateur.
Selon un mode de réalisation avantageux, la position de l'obturateur mesurée par le dispositif de mesure de position de l'obturateur est utilisée par le système de régulation pour calculer une valeur corrigée de la différence de pression aux bornes du doseur afin de compenser une erreur de statisme de la vanne de régulation.
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 représentation schématique d'un système d'alimentation selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
la figure 2 représente de manière plus détaillée le doseur et la vanne de régulation du système d'alimentation, selon le premier mode de réalisation de l'invention ;
la figure 3 est une représentation schématique fonctionnelle du système d'alimentation selon le premier mode de réalisation ;
les figures 4 et 5 illustrent la régulation de l'alimentation en carburant à l'aide du système d'alimentation selon les différents modes de réalisation.
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 1 pour turbomachine d'aéronef. Le système d'alimentation 1 comprend un circuit amont 11, un circuit principal et un circuit de dérivation 14 du circuit principal 12.
Les directions amont et aval sont définies dans ce document par rapport à la direction générale d'écoulement du fluide dans le circuit principal 12.
Le circuit amont 11 comporte une pompe basse pression 2. Le circuit principal 12 comporte un doseur de carburant 6 et une pompe volumétrique haute pression 4 située entre la pompe basse pression 2 et le doseur 6.
Le circuit principal 12 alimente en carburant des injecteurs 16 pour chambre de combustion de turbomachine. Le circuit principal 12 peut comporter classiquement une vanne d'arrêt 9 et un débitmètre 10, entre le doseur 6 et les injecteurs 16.
Le circuit de dérivation 14 est raccordé au circuit principal 12 par une entrée E située en aval de la pompe haute pression 4 et une sortie S en amont de la pompe volumétrique haute pression 4. Le circuit de dérivation 14 comporte une vanne de régulation 8 configurée pour faire varier le débit de carburant dans le circuit de dérivation 14.
La pompe basse pression 2 est une pompe centrifuge destinée à mettre sous pression le carburant alimentant la pompe haute pression 4, de façon à limiter les risques de cavitation dans la pompe haute pression 4.
La pompe haute pression 4 est une pompe volumétrique à cylindrée variable, à entraînement mécanique, pneumatique ou électrique. L'application principalement visée dans la présente est un entraînement mécanique dans lequel, de façon connue en soi, la pompe est pompe est entraînée indirectement par un arbre moteur de la turbomachine à une vitesse d'entraînement proportionnelle au régime de rotation de l'arbre moteur. La cylindrée de la pompe haute pression, c'est-à-dire le débit en sortie de la pompe, est commandée par une unité de commande électronique 5.
L'unité de commande électronique 5 reçoit des ordres du système électronique de régulation 3 de la turbomachine. Ce système est également connu sous le nom de FADEC , de l'anglais Full Authority Digital Engine Control .
De manière classique, le système de régulation numérique 3 comprend un calculateur moteur à deux voies symétriques, redondantes et à pleine autorité. Ce calculateur moteur est conçu pour prendre en compte une commande d'un pilote de l'aéronef.
En référence conjointe aux figures 1 et 2, le doseur 6 comprend une entrée 61 à une pression Pl et une sortie 63 à la pression P2. Le doseur 6 comprend une partie mobile 62, qui est souvent appelée « tiroir » car elle en présente généralement la forme, dont le déplacement fait varier la section de passage du carburant à travers une fente de dosage. Le doseur 6 est configuré ainsi pour réguler la quantité de carburant circulant entre son entrée 61 et sa sortie 63.
Le déplacement du tiroir 62 est commandé par le système électronique de régulation 3 selon une ligne de commande 31, via une unité de commande 7 du doseur.
La position du tiroir 62 est mesurée par un capteur 22. Le capteur 22 est par exemple un capteur de déplacement tel qu'un transformateur différentiel à variation linéaire. Un tel capteur est également connu sous le nom de capteur LVDT.
La position du tiroir 62 détectée par le capteur 22 est transmise au système électronique de régulation 3 selon une ligne de contrôle 33 d'ouverture du doseur.
La position du tiroir 62 peut ainsi être commandée en boucle fermée selon la ligne de commande 31 et la ligne de ligne de contrôle 33 d'ouverture du doseur, par le système électronique de régulation 3 via l'unité de commande 7 du doseur.
La vanne d'arrêt 9 est configurée pour couper l'alimentation en carburant des injecteurs 16 dans certaines situations, en particulier en cas de survitesse du moteur.
La vanne de régulation 8 comprend un obturateur 82 formé par une partie mobile qui dans le mode de réalisation représenté est constituée par un piston dont le déplacement vient couvrir ou découvrir une ouverture. Le piston 82 est sollicité par un ressort 84 en direction d'une position extrême de fermeture dans laquelle la vanne 8 ne laisse pas circuler de carburant ou dans laquelle la section de l'ouverture de la vanne est faible afin de ne laisser circuler qu'un faible débit de carburant dans le circuit de dérivation 14. La position extrême de fermeture peut correspondre à une position limite que le piston 82 peut approcher sans toutefois l'atteindre dans la pratique tant que la vanne de régulation 8 fonctionne correctement. Si cette position limite est formée par une butée apte à stopper le déplacement du piston, il faut éviter au piston d'atteindre cette butée lorsque la consigne de position du piston correspond à une consigne de débit minimum de fluide dans le circuit de dérivation. Pour un bon fonctionnement de la régulation de la différence de pression aux bornes du doseur 6 effectuée par la vanne de régulation 8, il est en effet préférable d'éviter au piston de se trouver en butée de déplacement.
Le piston 82 est mobile dans une chambre 85 de la vanne de régulation 8 entre la position extrême de fermeture et une position extrême d'ouverture dans laquelle la vanne de régulation 8 est configurée pour laisser circuler un débit maximal dans le circuit de dérivation 14. Dans l'exemple représenté et de façon connue en soi, le circuit de dérivation 14 communique avec la chambre 85 de la vanne de régulation 8 à travers deux ouvertures respectivement 81 et 83. Une des deux ouvertures, par exemple celle référencée 81, reste en permanence ouverte, tandis que l'autre ouverture 83, aussi appelée ajutage, sert à réguler le débit traversant la vanne 8 et présente pour cela une section apte à être graduellement obturée par le piston 82 entre la position extrême de fermeture et la position extrême d'ouverture.
Le piston 82 est à position variable, c'est-à-dire qu'il est apte à prendre une pluralité de positions entre la position extrême d'ouverture et la position extrême de fermeture de l'ajutage 83, en fonction du débit de carburant que la vanne de régulation 8 doit laisser circuler dans le circuit de dérivation 14 afin de maintenir sensiblement constante la différence de pression PI - P2 entre l'entrée 61 et la sortie 63 du doseur 6.
La différence de pression entre le raccordement 87 à la pression en amont du doseur et le raccordement 86 à la pression en aval du doseur est sensiblement égale à la différence de pression PI - P2 entre l'entrée 61 et la sortie 63 du doseur 6. Ces raccordements 86, 87 débouchent dans la chambre 85 de la vanne de régulation de part et d'autre du piston 82.
La vanne de régulation 8 régule la différence de pression PI - P2 entre l'entrée 61 et la sortie 63 du doseur 6. Plus précisément, la vanne de régulation 8 est configurée pour maintenir une différence de pression PI - P2 constante entre l'entrée 61 et la sortie 63 du doseur 6, c'est-à-dire aux bornes du doseur 6. Cette différence de pression est déterminée en particulier par les caractéristiques de compression du ressort 84.
Le système d'alimentation 1 comprend un dispositif de mesure de position 20 configuré pour mesurer la position du piston 82, sans agir sur cette position. Le dispositif de mesure 20 est par exemple un capteur de déplacement tel qu'un capteur LVDT, qui comprend un élément mobile en translation solidairement avec le piston 82. La liaison cinématique entre le piston 82 et l'élément mobile du capteur n'est pas représentée sur la figure par souci de simplification, et peut utiliser des solutions connues en tant que telles comme par exemple une liaison par tige rigide.
La position du piston 82 mesurée par le capteur 20 est transmise au système électronique de régulation 3 selon une ligne de mesure 32 apte à transmettre un signal représentatif du degré d'ouverture de la vanne de régulation 8. La transmission d'un signal sur la ligne de mesure 32 s'effectue donc dans un seul sens, c'est-à-dire vers le système électronique de régulation 3. En effet, le capteur 20 étant utilisé comme simple capteur n'ayant pas de fonction d'actionnement, il ne reçoit aucun signal provenant du système électronique de régulation 3.
Le système de régulation 3 est configuré pour commander la cylindrée de la pompe haute pression 4 via l'unité de commande 5, en fonction de la position mesurée du piston 82 par le dispositif de mesure de position 20, selon la ligne de commande 34.
Le système électronique de régulation 3 et l'unité de commande 5 commandent alors la cylindrée de la pompe en boucle fermée selon la ligne de commande 34 et la ligne de mesure 32. La cylindrée de la pompe est commandée de manière à ce que la position du piston 82 soit strictement conforme à sa consigne de position.
La consigne de position du piston 82 de la vanne 8 est élaborée par le système électronique de régulation 3, ou en alternative par l'unité de commande 5 si celle-ci est équipée d'un module de calcul approprié. Elle est prédéfinie strictement entre la position extrême d'ouverture et la position extrême de fermeture du piston 82. Cette consigne de position est notamment élaborée en fonction du régime de fonctionnement de la turbomachine, de la température du carburant et d'autres facteurs de régulation.
La consigne de position du piston 82 pouvant varier dans une large 5 mesure entre la position extrême d'ouverture et la position extrême de fermeture de l'obturateur formé par le piston, la force exercée par le moyen de rappel formé par le ressort 84 a tendance à varier également en fonction de la position du piston. Ceci conduit à une relativement petite variation de la différence de pression aux bornes du doseur, que l'on appelle statisme, étant donné que cette différence de pression P1-P2 est proportionnelle à la force de compression du ressort 84. La vanne de régulation 8 est également appelée couramment soupape proportionnelle. La variation de la différence de pression P1-P2 est considérée par rapport à une valeur de référence préétablie de la différence de pression aux bornes du doseur, cette valeur de référence étant utilisée par le système de régulation 3 pour le calcul de la position à imposer au tiroir 62 du doseur 6 en fonction du débit volumique souhaité en sortie du doseur.
L'effet de statisme de la vanne de régulation 8 conduit à une variation de la loi reliant la position du tiroir 62 du doseur 6 avec le débit volumique traversant le doseur. En effet, cette loi fait intervenir la racine carrée de la différence de pression P1-P2 aux bornes du doseur. Si l'erreur de statisme de la vanne de régulation n'est pas corrigée,
0 la différence de pression aux bornes du doseur est considérée constante et égale à la valeur de référence préétablie. La variation de la loi ci-dessus ne peut donc pas être prise en compte. Le débit réel traversant le doseur présente dans ce cas une erreur par rapport à la consigne de débit demandée par le système de régulation 3, laquelle consigne de débit correspond à une consigne de position du tiroir 62 calculée par le système de
5 régulation à destination de l'unité 7 de commande du doseur. Comme la variation de la différence de pression P1-P2 dépend uniquement de la position du piston 82 de la vanne de régulation 8, et que cette position est mesurée par le capteur 20 à destination du système de régulation 3, ce dernier peut compenser l'erreur causée par le statisme en prenant en compte une valeur corrigée de la différence de pression P1-P2 calculée à partir de la valeur de position mesurée par le capteur 20, pour élaborer une consigne corrigée de position du tiroir 62 du doseur.
En fonctionnement suivant un premier mode qui est le mode de fonctionnement normal, l'unité de commande 5 commande notamment la cylindrée de la pompe haute pression 4 de manière à ce que la position du piston 82 suive une consigne de position d'ouverture relativement faible calculée pour correspondre à une consigne de débit de carburant dans le circuit de dérivation 14. Le débit de carburant traversant la vanne de régulation 8, c'est-à-dire le débit traversant le circuit de dérivation 14, est ainsi limité à une consigne de débit égale à un débit minimum acceptable en fonction notamment de la condition de vol de l'aéronef, ce qui limite réchauffement du carburant.
La notion de débit de carburant minimum acceptable dans le circuit de dérivation 14 s'explique par plusieurs facteurs. En effet, la commande de la pompe volumétrique haute pression 4 répond au calcul d'un débit cible à fournir par la pompe 4 et constitué de la somme :
du débit injecté dans la chambre de combustion (valeur provenant d'une autre boucle de régulation), du débit permanent et du débit transitoire prévus pour les actionneurs hydrauliques des géométries variables de la turbomachine, y compris les servovalves, d'une provision de débit supplémentaire permettant de couvrir tous les retards de réponse de la pompe 4 lors d'une commande d'accélération rapide du régime moteur de la turbomachine.
Lorsqu'un débit cible est commandé à la pompe à cylindrée variable, il y a généralement un retard plus ou moins important entre l'instant de la commande et l'instant où la pompe fournit effectivement le débit cible. Ce retard peut être tel que s'il n'était pas prévu une provision de débit supplémentaire dans le calcul du débit cible commandé à la pompe, le doseur 6 pourrait se trouver sous-alimenté lors d'une commande d'accélération rapide, ce qui entraînerait un « trou » à l'accélération qui pénaliserait l'opérabilité du moteur.
La provision de débit supplémentaire sera modulée en fonction de la condition de vol également appelée phase de vol. Son maximum sera prévu lors de phases de ralenti, pour couvrir des cas d'accélération rapide du ralenti au plein gaz. Cette provision de débit pourra être réduite dans d'autres phases de vol comme la croisière par exemple, car on n'aura pas à faire d'accélération aussi rapide depuis cette phase de vol. On pourra par exemple prendre une provision de débit supplémentaire permettant de couvrir un laps de 0,5 secondes de l'accélération depuis une phase de ralenti.
Le débit fourni par la pompe 4 est donc toujours supérieur au débit injecté dans la chambre de combustion qui est aussi le débit traversant le doseur 6 dans la configuration représentée, d'où la nécessité d'un circuit de dérivation 14 pour évacuer le débit excédentaire en le faisant recirculer dans le circuit principal 12 en amont de la pompe volumétrique haute pression 4. Afin d'assurer une opérabilité optimale de la turbomachine, le débit minimum acceptable dans le circuit de dérivation 14 est calculé de façon à garantir que même dans les phases transitoires les plus exigeantes, telle qu'une phase d'accélération rapide du ralenti au plein gaz, le débit excédentaire susmentionné ne sera pas totalement consommé par la chambre de combustion et/ou les actionneurs hydrauliques. Dans le mode de fonctionnement normal décrit précédemment, le débit de carburant dans le circuit de dérivation 14 reste relativement faible et n'entraîne qu'un échauffement limité du carburant. On prévoira que la consigne de débit de carburant dans le circuit de dérivation reste égale à la valeur de débit minimum acceptable, afin de ne pas échauffer davantage le carburant. De plus, la cylindrée de la pompe haute pression étant commandée de façon à minimiser le débit de carburant dans le circuit de dérivation 14, l'énergie mécanique prélevée sur un arbre moteur de la turbomachine pour entraîner la pompe est également minimisée, ce qui est bénéfique pour la consommation spécifique de carburant.
II n'est pas nécessaire de prévoir un débitmètre dans le circuit de dérivation, puisque la mesure de la position du piston 82 de la vanne de régulation 8 permet de déterminer la section d'ouverture de l'obturateur formé par le piston 82 en association avec l'ajutage 83, ce qui permet indirectement de déterminer le débit traversant la vanne 8 dès lors que la différence de pression entre la sortie et l'entrée de la pompe volumétrique haute pression 4 est connue. Le système électronique de régulation 3 pourra comporter en mémoire des tables de valeurs établissant la relation entre la position mesurée du piston 82 et le débit de carburant dans le circuit de dérivation 14 correspondant à cette position.
Dans un deuxième mode de fonctionnement distinct du mode de fonctionnement normal et répondant à des évènements particuliers, notamment lorsqu'un incendie est détecté, il est prévu que l'unité de commande 5 commande une augmentation de la cylindrée de la pompe haute pression 4 même en l'absence de commande d'accélération du régime de la turbomachine. La circulation plus importante de carburant en particulier dans le circuit principal 12 permet en effet de limiter réchauffement des équipements situés dans ce circuit principal et traversés par le carburant. Par exemple, un échangeur de chaleur huile/carburant peut être prévu dans le circuit principal 12 typiquement en amont de la pompe haute pression 4, afin généralement de refroidir l'huile, ce qui a pour effet de réchauffer le carburant. Les exigences de certification imposent à cet échangeur de chaleur d'être à l'épreuve du feu, par exemple 15 minutes à la flamme et notamment lorsque le moteur est au ralenti, le débit d'alimentation en carburant des injecteurs 16 étant alors très faible. Dans l'état de la technique, ces exigences de certification conduisent à des accroissements de masse des équipements pour résister à réchauffement, qui ne sont pas nécessaires sur le plan uniquement structural.
Afin que l'équipement résiste à réchauffement en cas de feu sans pénaliser sa masse, la présente invention permet de le refroidir en imposant dans le circuit principal 12, en amont de l'entrée E du circuit de dérivation 14, un débit de carburant bien supérieur au débit d'alimentation en carburant des injecteurs. Ceci est obtenu grâce à l'augmentation de la cylindrée de la pompe haute pression 4 conjuguée à la recirculation du carburant par la boucle de dérivation 14 qui permet de maintenir à un niveau de ralenti le débit d'alimentation en carburant fourni par le doseur 6 aux injecteurs 16.
Dans la présente, on donne à l'expression « condition de vol » un sens large englobant non seulement les phases de vol classiques mais également le vol en condition d'incendie, c'est-à-dire lorsqu'un feu a été détecté sur un moteur. Un vol en condition d'incendie implique généralement de ramener le moteur à son régime de ralenti avant de l'éteindre.
Un autre cas d'évènement particulier traité dans le cadre de ce deuxième mode de fonctionnement concerne le risque de givrage du fluide. Pour pallier à ce risque, la cylindrée de la pompe haute pression 4 est également augmentée sur ordre de l'unité de commande 5 lorsque la température du fluide dans le circuit de dérivation 14 est inférieure à un seuil de température basse. Le débit de carburant est en conséquence fortement augmenté dans le circuit de dérivation 14, ce qui entraîne un réchauffement du carburant. Le carburant réchauffé étant réintroduit dans le circuit principal 12 au niveau de la sortie S du circuit de dérivation 14 pour se mélanger avec le carburant issu de la pompe basse pression 2, cette recirculation importante du carburant permet le réchauffage du circuit principal 12 en aval du nœud S. Ce réchauffage permet d'éviter la formation de particules de glace dans le carburant, évitant ainsi un risque de colmatage de certains équipements du circuit 12 par du givre. Le seuil de température basse dépend des conditions de vol et correspond à une température particulièrement basse du carburant dans les réservoirs 17 d'aéronef, par exemple une température négative inférieure à -10°C.
Encore un autre cas d'évènement particulier traité dans le cadre de ce deuxième mode de fonctionnement concerne la détection d'une température trop basse de l'huile dans le circuit de lubrification de la turbomachine, par exemple une température d'huile inférieure à un seuil en dessous duquel la viscosité de l'huile est dommageable pour la durée de vie des paliers de ligne d'arbre moteur. La condition de vol correspondant à cet évènement correspond le plus souvent à une phase de ralenti moteur ou roulage de l'aéronef par temps froid, peu après le démarrage des moteurs, l'huile moteur n'ayant alors pas eu le temps de dépasser le seuil de température susmentionné. Généralement, un échangeur de chaleur huile/carburant sera prévu dans le circuit principal 12 en amont de la pompe haute pression 4 et en aval du nœud S, dans le but premier de refroidir l'huile moteur par échange thermique avec le carburant. Grâce à la présente invention, une recirculation importante du carburant peut être commandée par le système électronique de régulation 3 suite à la détection d'une température d'huile trop basse, ce qui permet dans le circuit principal 12 d'obtenir une température du carburant au niveau de l'échangeur de chaleur supérieure à la température de l'huile, permettant ainsi de réchauffer l'huile par le carburant.
La figure 3 est une représentation fonctionnelle de la régulation de l'alimentation en carburant dans le système d'alimentation 1.
Lors d'une commande pilote d'augmentation de la puissance de la turbomachine N*, le système de régulation 3 réagit en ordonnant via le doseur 6 une augmentation du débit réel de carburant Q en direction des injecteurs 16, selon la boucle 36 de régulation d'ouverture du doseur 6 afin de réguler la puissance du moteur. Au début de ce processus le débit Dp en sortie de la pompe haute pression 4 n'est pas encore augmenté. Le doseur 6 est commandé pour augmenter sa section de passage afin d'augmenter le débit réel de carburant, ce qui tend à faire diminuer la différence de pression PI - P2 aux bornes du doseur.
L'amorce d'une diminution de la différence de pression PI - P2 fait changer de position le piston 82 en direction d'une réduction de l'ouverture de l'ajutage 83, de sorte à maintenir la différence de pression PI - P2 sensiblement constante aux bornes du doseur 6, selon la boucle 37 de régulation d'ouverture de la vanne de régulation 8. L'ouverture Ssr de la vanne de régulation 8 est donc réduite.
Le système électronique de régulation 3 commande alors, par l'intermédiaire de l'unité de commande 5 et d'un dispositif d'actionnement (non représenté) pouvant être distinct ou intégré à la pompe haute pression 4, une augmentation de cylindrée Va de la pompe haute pression 4. Ceci permet de ramener le piston 82 dans une position de consigne strictement entre sa position extrême d'ouverture et sa position extrême de fermeture, laquelle position en fonctionnement habituel est proche de la position extrême de fermeture de façon à limiter la recirculation du carburant à un débit minimum acceptable prédéterminé en fonction de la condition de vol, selon la boucle 38 de régulation de la cylindrée de la pompe haute pression 4.
Lors d'une commande pilote de diminution de la puissance de la turbomachine N*, le système de régulation numérique 3 réagit en ordonnant une réduction de débit réel Q en direction des injecteurs 16, selon la boucle 36 de régulation de puissance de la turbomachine. Au début de ce processus le débit Dp en sortie de la pompe haute pression 4 n'est pas encore diminué. Le doseur 6 est commandé pour diminuer sa section de passage afin de diminuer le débit réel de carburant, ce qui tend à faire augmenter la différence de pression PI - P2 aux bornes du doseur.
Le piston 82 change donc de position en direction d'une augmentation de l'ouverture de l'ajutage 83, c'est-à-dire d'une augmentation du débit de dérivation de sorte à maintenir la différence de pression PI - P2 sensiblement constante aux bornes du doseur 6, selon la boucle 37 de régulation d'ouverture de la vanne de régulation. L'ouverture Ssr de la vanne de régulation 8 est donc augmentée.
Le système électronique de régulation 3 commande alors via l'unité de commande 5 une diminution de la cylindrée Va de la pompe haute pression 4, de sorte à ramener le piston 82 dans une position nominale strictement conforme à sa position de consigne entre sa position extrême d'ouverture et sa position extrême de fermeture, selon la boucle 38 de régulation de la cylindrée de la pompe haute pression 4.
En référence à la figure 4, une commande de variation de la puissance de la turbomachine, à l'étape 41, entraîne via le doseur de carburant 6 une variation 42 du débit de carburant circulant en direction des injecteurs 16. II en résulte une nouvelle position du piston 82 de la vanne de régulation 8, à l'étape 43, puisque la force de compression du ressort 84 agissant contre le piston 82 dans la vanne 8 permet de maintenir une différence de pression prédéterminée entre l'entrée et la sortie du doseur. La mesure de la position du piston 82, à l'étape 44, est utilisée par le système électronique de régulation 3 pour commander la variation de la cylindrée de la pompe haute pression 4 afin que le piston 82 reprenne sa position nominale entre la position extrême d'ouverture et la position extrême de fermeture, à l'étape 45.
A la figure 5, une détection d'incendie ou bien une détection d'une température anormalement basse du carburant, à l'étape 51, fait générer au système de régulation électronique 3 une consigne de mise en position du piston 82 pouvant être proche de la position correspondant à la pleine ouverture de l'obturateur formé par le piston 82 associé à l'ajutage 83.Cette ouverture de l'obturateur est obtenue grâce à une augmentation de la cylindrée de la pompe 4 commandée via l'unité de commande 5, la différence de pression P1-P2 étant toujours maintenue constante. Le débit de carburant recirculé dans la boucle de dérivation 14 est alors augmenté par l'ouverture de l'obturateur.
De manière générale, la mesure de la position du piston 82 et sa prise en compte par le système de régulation électronique 3 pour la commande de la cylindrée de la pompe 4 permettent une meilleure régulation du débit de carburant dans le système d'alimentation 1.
Elles permettent notamment de commander la cylindrée de la pompe haute pression 4 en tenant davantage compte du temps de réponse en déplacement du piston 82.
Elles permettent également de compenser l'erreur de statisme de la vanne de régulation 8, sachant que comme expliqué précédemment cette erreur de statisme peut avoir des répercussions sur la commande du doseur 6.
Par ailleurs, le risque de ne pas détecter un éventuel blocage accidentel du piston 82 soit en position extrême d'ouverture ou de fermeture est normalement écarté, du fait du contrôle de la position du piston par le capteur 20.
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.
L'unité de commande 5 de la cylindrée de la pompe haute pression 4 peut également faire partie intégrante du système électronique de régulation 3. De même, l'unité 7 de commande du doseur peut faire partie intégrante du système électronique de régulation 3.
II est également possible que le système électronique de régulation 3 soit physiquement scindé en deux parties ou boîtiers, avec une partie principale reliée à une partie auxiliaire qui peut être intégrée dans une même unité avec l'unité de commande 5, par exemple formée par un même boîtier. Cette partie auxiliaire sera dédiée notamment au traitement du signal de mesure fourni par le dispositif de mesure de position 20. Dans ce cas, la partie auxiliaire du système de régulation 3 regroupée avec l'unité de commande 5 est connectée au dispositif de mesure de position 20 et elle élabore elle-même, en fonction de la position du piston 82 de la vanne de régulation 8 mesurée par le dispositif 20, la consigne pour commander la cylindrée de la pompe haute pression 4.
Le système d'alimentation 1 peut également comporter des résistances hydrauliques supplémentaires telles que des échangeurs de chaleur ou des filtres.
II est par ailleurs envisageable de remplacer la pompe volumétrique haute pression à cylindrée variable 4 par une pompe volumétrique haute pression à cylindrée fixe, à condition que l'entraînement de cette pompe volumétrique à cylindrée fixe soit effectué par une machine tournante dont le régime de rotation peut être piloté par le système électronique de régulation 3. La machine tournante sera préférablement un moteur électrique à vitesse variable. Le débit de fluide fourni par la pompe est alors proportionnel à la vitesse du moteur électrique. Le pilotage du moteur électrique peut être suffisamment précis, avec une réponse suffisamment rapide, pour que la provision de débit supplémentaire prévue dans le calcul du débit cible à fournir par la pompe soit relativement réduite, et par exemple inférieure à celle prévue dans le cas où la pompe volumétrique 4 est à cylindrée variable.
Néanmoins, il reste un intérêt à prévoir un doseur de fluide en aval de la pompe volumétrique haute pression, avec un circuit de dérivation de fluide tel que décrit précédemment, pour réaliser un système d'alimentation en fluide selon l'invention afin de pouvoir faire varier le débit de fluide recirculé dans le circuit de dérivation en fonction en particulier d'une condition de vol de l'aéronef et/ou d'une température du fluide mesurée. Les mêmes avantages que décrits précédemment relativement à la réponse du système d'alimentation en fluide à des événements et conditions de vol particuliers peuvent être obtenus.
Dans une telle réalisation, puisque la cylindrée de la pompe 4 est fixe, ce n'est bien sûr plus cette cylindrée qui serait commandée par l'unité de commande 5 mais la vitesse du moteur électrique entraînant la pompe 4.
De manière générale, il est envisageable d'utiliser toute technologie de pompe volumétrique haute pression dont le débit peut être piloté de façon décorrélée du régime moteur d'un arbre moteur de la turbomachine, dès lors que la plage de débit pouvant être fournie par la pompe avec ce pilotage correspond sensiblement à une plage de débit cible permettant de couvrir toutes les conditions de vol.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système d'alimentation (1) en fluide pour turbomachine d'aéronef, comprenant :
    un circuit principal (12) comprenant :
    une pompe volumétrique haute pression (4) à cylindrée variable, dont la cylindrée est configurée pour être commandée par un système électronique de régulation (3) de la turbomachine, et un doseur de fluide (6) en aval de la pompe volumétrique haute pression (4), le système d'alimentation (1) comprenant en outre :
    un circuit de dérivation (14) de fluide, raccordé au circuit principal (12) par une entrée (E) située en aval de la pompe haute pression (4) et une sortie (S) en amont de la pompe volumétrique haute pression (4), et une vanne de régulation (8) disposée dans le circuit de dérivation (14), raccordée au circuit principal (12) en amont et en aval du doseur (6) de façon à être soumise à une différence de pression (P1-P2) entre une pression d'entrée (PI) en amont du doseur (6) et une pression de sortie (P2) en aval du doseur (6), la vanne de régulation (8) comprenant un obturateur (82) à position variable sollicité par un moyen de rappel (84) et dont la position est fonction de ladite différence de pression (P1-P2), la vanne de régulation (8) étant configurée pour faire varier le débit de fluide dans le circuit de dérivation (14) par la position de l'obturateur (82), de sorte à réguler ladite différence de pression (P1-P2) aux bornes du doseur (6) afin de la maintenir sensiblement égale à une valeur prédéterminée, le système d'alimentation (1) étant caractérisé en ce que la vanne de régulation (8) comprend un dispositif de mesure (20) de la position de l'obturateur (82), qui est connecté au système électronique de régulation (3), de façon à ce que la commande de la cylindrée de la pompe volumétrique haute pression (4) soit élaborée en comparant la position mesurée de l'obturateur (82) avec une consigne de position de l'obturateur correspondant à une consigne de débit de fluide dans le circuit de dérivation (14), ladite consigne de débit de fluide étant apte à prendre différentes valeurs déterminées en fonction d'une condition de vol de l'aéronef et/ou d'une température du fluide mesurée.
  2. 2. Système d'alimentation (1) selon la revendication précédente, dans lequel le système électronique de régulation (3) est configuré pour commander la cylindrée de la pompe haute pression (4), de façon à ce que la position de l'obturateur (82) respecte une consigne de position pouvant varier entre une position extrême d'ouverture et une position extrême de fermeture.
  3. 3. Système d'alimentation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système électronique de régulation (3) est configuré pour commander la cylindrée de la pompe haute pression (4), dans un mode de fonctionnement normal, de façon à minimiser le débit de carburant dans le circuit de dérivation (14).
  4. 4. Système d'alimentation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système électronique de régulation (3) est configuré pour commander une augmentation de la cylindrée de la pompe haute pression (4), lorsqu'un incendie est détecté et/ou lorsqu'une température du fluide mesurée est inférieure à un seuil de température basse.
  5. 5. Système d'alimentation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'obturateur (82) comprend un piston dont le déplacement vient couvrir ou découvrir une ouverture (83) située dans le circuit de dérivation (14) de fluide, et le moyen de rappel (84) comprend un ressort agissant en compression contre le piston.
  6. 6. Système d'alimentation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens de mesure de température pour mesurer la température du fluide dans le circuit principal (12) entre la sortie (S) du circuit de dérivation (14) et la pompe volumétrique haute pression (4).
  7. 7. Système d'alimentation (1) selon l'une quelconque des 5 revendications précédentes, dans lequel le dispositif de mesure (20) comprend un capteur de déplacement, tel qu'un transformateur différentiel à variation linéaire.
  8. 8. Procédé de régulation de débit de fluide dans un système d'alimentation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant une
    10 étape de mesure (44, 54) de la position de l'obturateur (82) par le dispositif de mesure (20) de position de l'obturateur.
  9. 9. Procédé de régulation selon la revendication précédente, comprenant une étape de commande (45, 55) de variation de la cylindrée de la pompe
    15 haute pression (4) par le système électronique de régulation (3), en fonction d'une consigne de débit de fluide dans le circuit de dérivation (14) et de la position de l'obturateur (82) mesurée par le dispositif de mesure (20) de position de l'obturateur.
  10. 10. Procédé de régulation selon l'une quelconque des
    2 0 revendications 8 et 9, dans lequel la position de l'obturateur (82) mesurée par le dispositif de mesure (20) de position de l'obturateur est utilisée par le système de régulation (3) pour calculer une valeur corrigée de la différence de pression (P1-P2) aux bornes du doseur (6) afin de compenser une erreur de statisme de la vanne de régulation (8).
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