Brevet FR2083621A1 — publié le 19711217

Pour que le rendement d'une turbine à gaz soit le plus élevé possible, il est avantageux qu'elle fonctionne dans des conditions telles que la température des gaz pénétrant dans la turbine soient aussi élevée que possible, mais qu'elle ne 5 provoque pas dans les éléments de la turbine qui sont en contact avec les gaz chauds des tensions dépassant les limites prévues par conception. Il faut, en conséquence, un dispositif de réglage de la température qui prédomine les réglages de vitesse ou de charge de la turbine au cas où la température 10 d'admission de la turbine est supérieure à une limite prédéterminée. Du fait qu'il est impossible, en pratique, de mesurer directement la température d'admission dans la turbine, le dispositif de réglage de la température est conçu de manière à régler indirectement ladite température d'admission par un 15 réglage de la température d'échappement. Pendant le fonctionnement normal et stable de la turbine à gaz, à 100 "jo de sa vitesse, la température d'échappement est maintenue à une valeur optimale par un réglage du niveau du débit de combustible. Pendant le démarrage de la turbine, le réglage de la tempéra-20 ture est une partie intégrante de l'opération de démarrage. Pendant la séquence de démarrage et au moment où la turbine est allumée, les détecteurs de flamme déterminent le début d'une V période minutée pendant laquelle la température de la turbine croît progressivement jusqu'à sa température de marche finale. 25 Le circuit de commande de la technique antérieure qui exécute cette opération de minutage, comprend un rhéostat commandé par un moteur ou un dispositif hydraulique qui se déplace progressivement d'un nombre prédéterminé de pas et qui règle la quantité de combustible envoyéeà la turbine en fonction du temps, 30 par un rhéostat, un dispositif hydraulique ou tout autre élément mécanique. Le réglage des limites supérieure et inférieure de la quantité de combustible envoyée à la turbine est en général effectué mécaniquement à l'intérieur du dispositif de commande et de réglage et en général il est difficile à exécu-35 ter. Le taux d'augmentation permis de la température pendant la période de minutage ne peut pas, en général, être réglé du fait de la vitesse prédéterminée et difficile à modifier du moteur qui commande le rhéostat. Dans la présente invention, on résout ces problèmes kO par un dispositif de réglage d'une turbine à gaz dans lequel un 71 10534 2 2083621 signal de réaction, qui représente la température de la turbine, est comparé avec un signal de référence qui représente la température maximale admissible et avec un troisième signal qui, d'abord, varie en fonction de la température de la turbine 5 pendant une période de durée prédéterminée et qui permet ensuite à la température de la turbine d'augmenter à un taux prédéterminé et contrôlé par le réglage de son alimentation en combustible. A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et 10 représenté au dessin annexé une forme de réalisation du dispositif selon l'invention. La figure 1 représente le dispositif de réglage adaptable de la température en rapport avec les autres dispositifs de réglage qui commandent l'alimentation en combustible 15 de la turbine. La figure 2 est un graphique dans lequel l'élévation de la température et le débit de combustible sont tracés en fonction du temps. La figure .3 est un schéma du dispositif de réglage du 20 taux d'élévation de la température, et elle représente un dispositif destiné à la suppression du taux d'accroissement de la température pendant le démarrage de la turbine. La figure 1 représente le dispositif de commande de la marche d'une turbine à gaz qui agit sur trois paramètres 25 principaux de commande : (1) le démarrage, (2) la vitesse et (3) la température. Plusieurs autres paramètres peuvent être introduits dans ceux-ci, tels que l'accélération, ainsi que des signaux d'entrée séparés, par exemple la charge d'entrée de la turbine. La figure 1 est un schéma synoptique qui représente 30 ces trois paramètres principaux et dans laquelle une sortie de la commande de démarrage 11 est connectée à une porte de valeur minimale, 13> par une diode 12. De même, la sortie de la commande ou réglage de température 15 est connectée à la porte 13 par une diode 14, et la sortie de la commande ou réglage de vitesse 35 17 qui comporte également une commande d'accélération, est connectée par une diode 16 à la porte de valeur minimale -13^ La porte de valeur minimale émet un signal d'entrée vers un circuit d'amplification et de réglage du débit de combustible 19, de manière à régler la quantité de combustible alimentant la turbine J4.O à gaz (non. représentée). La commande de démarrage a pour fonction 71 10534 3 2083621 initiale de retenir le combustible pendant que la turbine est "lancée" jusqu'à une vitesse d'allumage prédéterminée. Au point "A" (figure 2), la commande de démarrage émet un signal qui provoque l'allumage du combustible. Immédiatement après la dé-5 tection de la flamme, le niveau d'entrée du combustible est réglé et diminué automatiquement (point B) pendant une période de chauffage au cours de laquelle la turbine est progressivement mise en température de façon à éviter les chocs thermiques des éléments du trajet parcouru par les gaz chauds. A la fin de la 10 période de chauffage, c'est-à-dire au point "C", la commande de démarrage amorce une période d'accélération pendant laquelle la commande de combustible augmente l'alimentation de la turbine à gaz. Le réglage de l'accroissement de température admise de la turbine provoque une accélération de celle-ci. Le taux d'accrois-15 sement de la température est l'accroissement de température par unité de temps qui est considéré comme présentant toute sécurité pour la turbine, pendant les périodes qui suivent la fin de la période de chauffage et pour le réglage du niveau de la température maximale admise de la turbine. Du fait que le rendement 20 de la turbine augmente avec la température, la vitesse augmente plus rapidement que le taux d'alimentation en combustible, de sorte qu'à certains moments, la commande de la turbine est assumée par la commande d'accélération qui réduit l'alimentation en combustible lorsqu'il se produit une accélération excessive. 25 En conséquence, la vitesse de la turbine augmente suivant le taux permis par la commande d'accélération, dans les limites admises pour le taux d'accroissement de la température. Lorsque la vitesse de fonctionnement a été atteinte, la commande de vitesse assume la responsabilité de la marche de la turbine. En 30 général, la turbine est équipée d'un jeu de capteurs magnétiques montés sur son arbre, qui émet un train d'impulsions dont la fréquence de récurrence est proportionnelle à la vitesse. Un signal de tension analogique constitue le signal de référence qui est comparé avec le signal des capteurs magnétiques. Lorsque 35 l'entrée de référence annule l'entrée de réaction, en d'autres termes lorsque la résultante des deux signaux est égale à zéro, la machine tourne à!100 % de la vitesse de référence. Le troisième paramètre principal de la commande d'une turbine à gaz est la commande ou le réglage de la température ko qui a pour but de limiter l'alimentation en combustible au démar 1 10534 4 2083621 rage, de manière que les températures de fonctionnement de la turbine à gaz soient maintenues à des valeurs de sécurité et dont le signal d'entrée principal est la température d'échappement. La commande de la température émet un signal prédominant tel que l'accroissement de température des gaz d'échappement peut, par exemple, augmenter à un taux qui ne dépasse pas 5 degrés par seconde. Si du fait de l'alimentation en combustible, la température des gaz d'échappement dépasse cette limite, la commande de température domine toutes les autres commandes de la turbine et réduit l'alimentation en combustible, de manière à ramener le taux d'élévation de la température au niveau prédéterminé. Le graphique de la figure 2 montre que pendant la période de chauffage et pendant que l'alimentation en combustible reste constante, la température de la turbine augmente suivant l'une des trois courbes représentatives "E", "F", "G". La courbe suivie par la température de la turbine dépend de facteurs tels que la température ambiante, le type de gaz qui alimente la turbine ou le type de combustible utilisé pendant son démarrage ainsi que d'autres facteurs qui produisent des variations de l'élévation de température de la turbine pendant la phase de démarrage. C'est ainsi que pendant un jour où il fait chaud, la température de la turbine peut suivre le trajet représenté par la courbe "G", tandis qu'un jour froid, la courbe "E", peut être plus représentative. On suppose que la courbe "F" représente une élévation de température moyenne de la turbine pendant sa période de chauffage. La courbe se termine après une période de durée prédéterminée "C" qui produit un accroissement d'alimentation en combustible à un taux réglé. Il en résulte un accroissement de vitesse de la turbine dont la température augmente à un taux parallèle aux valeurs représentées par la ligne "H" du graphique. La pente de la ligne "H" représente le taux maximal admissible d'accroissement de la température de la turbine et elle est conçue de manière à amener la turbine à sa vitesse en une période de durée minimale sans que sa température dépasse les valeurs limites de conception. On sait, d'après la technique antérieure, que la position de la ligne "H" est déterminée, de sorte que si la température de la turbine suit, pendant le chauffage, la courte "E" par exemple, une quantité supplémentaire de combustible fourni à la turbine 1 10534 5 2083621 au point "C" provoque un accroissement de température non réglé jusqu'à ce que la température coupe les limites déterminées par la ligne "H". En conséquence, il est tout à fait possible que le taux de croissance de la température dépasse de loin la valeur représentée par la pente de la ligne "H" et mette en danger les éléments de la turbine qui sont en contact avec les gaz chauds. Il est également possible qu'un jour chaud, la température de la turbine soit représentée par la courbe "G" et que lorsque la quantité de combustible est augmentée à la fin de la période de chauffage, la quantité de combustible soit augmentée au point "C" afin de produire un accroissement de vitesse de la turbine. Si les limites de température sont à nouveau déterminées par la ligne "H", l'alimentation en combustible doit être réduite car la courbe "G" est supérieure aux limites déterminées par la ligne "H". Il peut en résulter une "extinction" de la turbine, car la réduction d'alimentation après la détection de la flamme au point "B" et qui est représentée par la ligne "B - C" est le débit minimal possible de combustible nécessaire pour maintenir l'allumage dans la turbine. Pour supprimer cet inconvénient, les valeurs représentées par la ligne "H" étaient autrefois réglées suffisamment haut pour permettre les températures les plus élevées à la fin de la période de chauffage. Il en résultait des difficultés croissantes, car la période pendant laquelle la température n'était pas réglée était prolongée de la gamme la plus froide représentée par la courbe "E" jusqu'à la ligne "I" qui représente la limite de température la plus élevée. La présente invention concerne un dispositif par lequel les limites de réglage de la température sont déterminées de manière à être adaptées aux températures qui existent à la fin de la période de chauffage. Par exemple, si la température de la turbine suit, pendant la période de chauffage, les valeurs représentées par la courbe "F", la commande de température limite, pendant l'accélération réglée de la turbine, le taux d'accroissement de température aux valeurs qui sont déterminées par la ligne "H". De même, si la température de la turbine suit les valeurs représentées par la courbe "E", la turbine est limitée pendant son accélération aux valeurs représentées par la ligne J, et si les températures de démarrage sont représentées par les valeurs de la courbe "G", les températures pendant l'accélé 71 10534 6 2083621 ration sont limitées aux valeurs représentées par la ligne "I". La figure 3 représente le circuit électrique qui est destiné à exécuter les opérations décrites ci-dessus et dans lequel un signal 21 de réaction de la température est transmis 5 par une résistance 23 à une jonction d'addition. Un conducteur omnibus 27 est connecté aux émetteurs de deux transistors 29 et 31 et à l'entrée d'inversion d'un amplificateur opérationnel 33» Un conducteur omnibus négatif est connecté par une résistance 37 à la base d'un transistor 29, à une résistance 39, et 10 par une résistance variable 41 à la jonction d'addition 25. Une connexion d'entrée "Z" (dont la fonction sera décrite plus loin) est connectée aux cathodes de diodes 43 et 45• L'anode de la diode 45 est connectée à la résistance 39 et par une résistance 47 à la sortie de l'amplificateur opérationnel 33 ainsi qu'à la 15 cathode d'une diode 71. L'anode de la diode 43 est connectée à l'anode de la diode 49 et à une résistance 51. La diode 49 en série avec les diodes 53 et 55 est connectée à la base du transistor 31 et au collecteur du transistor 29. Le collecteur du transistor 29 est connecté à un condensateur 57 et par une 20 résistance 59 à un conducteur omnibus positif 61. Le collecteur du transistor 31 est connecté au condensateur 57 et par une résistance 63 et une diode 65 à la jonction d'addition 25. Le conducteur omnibus positif 61 est connecté par une résistance 67 au condensateur 37 et par une résistance 69 à l'anode de 25 la diode 71. L'anode de la diode 71 est connectée à la porte de valeur minimale (non représentée). La porte de valeur minimale est un dispositif qui permet à un circuit, tel que la commande de température, la commande de démarrage ou la commande de vitesse, dont l'entrée est la moins positive, de prendre la 30 commande du débit de combustible vers la turbine. Le circuit fonctionne de la manière suivante : la tension qui représente le signal de réaction, est comprise entre une valeur positive prédéterminée qui représente la température la plus élevée et une valeur négative prédéterminée qui repré-35 sente la température la plus basse. On suppose, en conséquence, que la turbine est froide et qu'elle est prête à être démarrée. La tension du signal 21 de réaction est négative et elle est appliquée à la jonction d'addition 25 par la résistance 23. La valeur d'un signal de référence de température né'gatif appliqué 40 à la jonction d'addition 25 par la résistance réglable 41, 71 10534 7 2083621 représente la température maximale admissible de la turbine. On suppose que ces deux signaux sont les seuls signaux qui sont appliqués à la jonction d'addition 25 et, dans ce cas, l'amplificateur opérationnel 33 se sature positivement. Du fait que la 5 turbine est commandée par le circuit dont la sortie est la moins positive, la commande de température n'agit pas à ce moment. Lorsque la turbine est démarrée et qu'elle est allumée, sa température s'élève, comme on le voit sur la figure 2, et le signal de réaction de température commence par devenir moins 10 négatif puis progressivement plus positif jusqu'à un point où le signal de référence et le signal de réaction sont égaux et opposés. Cette condition se présente lorsque la turbine a atteint sa température de fonctionnement maximale admissible. Cependant, si un troisième signal de tension positive 15 est appliqué à la jonction d'addition 25, en plus du signal de réaction de température, et en opposition au signal de référence de température négatif, le point où l'équilibre se produit représente une température plus faible, c'est-à-dirç que le niveau de la température maximale' admissible est amené à une 20 valeur qui est déterminée par le niveau de tension positive du troisième signal appliqué à la jonction d'addition. La présente invention produit un signal de suppression qui varie entre des limites prédéterminées et dont le niveau est réglé à une valeur proportionnelle à la température de la turbine pendant la pério-25 de de chauffage et qui, ensuite, permet à la température de la turbine d'augmenter à un taux réglé jusqu'à la température maximale admissible qui est déterminée par la résistance 41 de réglage de la référence de température. En conséquence, au moment du démarrage, la turbine est 30 froide et le signal, de réaction de température 21 est de polarité négative. Le signal de référence étant également négatif, l'amplificateur 33 est saturé positivement et, comme dans l'exemple précédent, la commande de température n'a aucun effet sur la turbine. Le signal de sortie positif de l'amplificateur 35 33 est renvoyé par les résistances 47, 39 et 37 au conducteur omnibus 35» Les résistances sont choisies de manière à constituer un circuit diviseur de tension qui provoque, dans ces conditions, la saturation du transistor 29 qui, de ce fait, est à une conduction maximale. Le transistor 29 étant complètement kO conducteur, le courant s'écoule du conducteur omnibus positif 61 71 10534 8 2083621 ' par la résistance 51 et les diodes 49, 53 et 55 dans le collecteur du transistor 29 qui, lorsqu'il est conducteur, connecte en fait directement la base du transistor 31 au conducteur omnibus 27. Le transistor 31 n'est pas conducteur et le courant 5 passe du conducteur omnibus 61 par les résistances 67, 63 et la diode 65 vers la jonction d'addition 25, de manière à lui transmettre un signal de polarisation et de suppression dont la valeur est maximale. A mesure que la température de la.turbine augmente pendant la période de démarrage, la valeur de la ten-10 sion de la jonction d'addition varie par suite d'une variation du signal de réaction de température et, en conséquence, elle fait varier la sortie de l'amplificateur qui, à son tour, fait varier la sortie du diviseur de tension et, de ce fait, l'entrée de la base du transistor 29. Il en résulte que le transis-15 tor 29 tend à être bloqué et le transistor 31 à être conducteur. Le transistor 31 ayant tendance à être conducteur, une certaine quantité de courant qui dépend de l'importance de la conduction du transistor 31 est dérivée de la jonction d'addition 25 par la résistance 31 vers le conducteur omnibus commun 35» de 20 manière à faire varier le signal d'entrée de l'amplificateur opérationnel 33 dont la sortie varie d'une manière correspondante. La sortie de l'amplificateur 33 variant, le signal de réaction appliqué à la base du transistor 29 varie et produit une correction continuelle de la conduction des transistors 25 29 et 31 en fonction de la température de la turbine. L'amplificateur opérationnel 33 tend à être saturé positivement, mais il est sur le point de prendre la commande de la turbine. Sa sortie suit, de cette manière, l'élévation de température de la turbine jusqu'à la fin de la période de chauffage. A la fin de 30 celle-ci, un signal synchronisé fait appliquer une tension nulle à la connexion d'entrée "Z" qui se traduit par une tension nulle appliquée à la base du transistor 29 qui cesse alors d'être conducteur. Le courant passe alors par la résistance 51» la diode 43 et l'entrée Z jusqu'au conducteur omnibus 27, de 35 manière à dériver l.e courant de la base du transistor 31 . Cependant, ce dernier reste conducteur du fait que du courant continue à passer par la résistance 59 dans sa base. Si le condensateur 57 n'était pas monté dans le circuit, le-courant de base passant par la résistance 59 serait suffisamment important pour 40 rendre complètement conducteur le transistor 31 et, par suite, 71 10534 9 2083621 dériver instantanément le courant positif de la jonction d'addition 25. Cependant, sous l'influence du condensateur 57 et des relations prédéterminées de capacité et de résistance de l'élément 59» la conduction du transistor 31 augmente progressivement à un taux uniforme. Le courant qui passe par la résistance 67 est dérivé et, au lieu d'aller à la jonction d'addition, il passe par le transistor 31 vers le conducteur omnibus commun 27 jusqu'au moment où toute la polarisation est supprimée et où l'entrée de l'amplificateur opérationnel est constituée par la référence de température et par la réaction de température. 71 10534 10 2083621 REVENDICATIONS 1. Dispositif de réglage adaptable de température, destiné à être utilisé avec une turbine à gaz comportant des détecteurs produisant un signal de réaction proportionnel à la température des gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il 5 comprend une source destinée à produire un signal de référence de tension négatif et proportionnel à la température maximale admissible des gaz d'échappement, un signal de tension poâitif dont la valeur varie indirectement en fonction de la température des gaz d'échappement pendant une période de durée prédé-10 terminée, des moyens réduisant la valeur de ce dernier signal à zéro à un taux prédéterminé à la suite de ladite période de durée prédéterminée, une jonction d'addition additionnant algébriquement le signal de réaction et le signal de référence au signal de tension positif, et un amplificateur opérationnel 15 connecté à la jonction d'addition, commandé par le signal représentant la somme algébrique des trois signaux et produisant un signal proportionnel au débit de combustible vers la turbine. 2. Dispositif de réglage de la température suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pendant ladite période 20 de durée prédéterminée, le signal positif combiné avec le signal de référence négatif représente une température qui dépasse la température réelle des gaz d'échappement d'une quantité prédéterminée. 3. Dispositif de réglage de la température suivant la 25 revendication 2, caractérisé en ce que la différence entre lesdites températures est constante. k. Dispositif de réglage de la température suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen réduisant la valeur du signal est un circuit comprenant un condensateur et 30 une résistance. 5. Dispositif de réglage de la température suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un commutateur émet un signal destiné à réduire le signal de tension positif à une valeur nulle.