Brevet FR2080711A1 — publié le 19711119

i 2080711 La présente invention concerne d'une façon générale les dispositifs de commande, et plus particulièrement un appareil de commande établissant un retard d'un temps déterminé avant de ramener automatiquement l'élément commandé à la position initiale 5 à partir de laquelle l'organe commandé a été préalablement déplacé par le dispositif de commande. Il est courant dans l'étude des moteurs à turbine à gaz à performances élevées de rechercher le fonctionnement optimal du compresseur à écoulement axial pour les différentes conditions 10 de fonctionnement. Un procédé pour atteindre ce but consiste à utiliser une série d'ailettes redresseuses ou d'ailettes de stator à angle variable dans le compresseur„ Pendant le fonctionnement normal du moteur, l'angle d'inclinaison de ces ailettes est réglé d'après des conditions prédéterminées en fonction de la vitesse, 15 de la poussée et d'autres facteurs pour obtenir le fonctionnement optimal du compresseur. En dehors du réglage pour le fonctionnement optimal du compresseur, le taux d'ouverture de ces ailettes redresseuses ou ailettes du stator peut être utilisé pour régler la température 20 à l'entrée de la turbine située en aval du compresseur et qui entraîne celui-ci. Cependant, un soin particulier doit être pris pour éviter la condition appelée "effet de décollement". Un compresseur à écoulement axial pst normalement formé d'une série d'éléments profilés mobiles appelés les ailettes 25 du rotor et d'une série d'éléments profilés fixes appelés ailettes du stator. L'air pénétrant dans le compresseur s'écoule à travers une rangée circulaire d'ailettes redresseuses ou directrices d'entrée qui dirigent l'air vers les ailettes du premier étage du rotor. L'air attaque les ailettes du rotor sous un angle résultant à la 30 fois de la position des ailettes redresseuses d'entrée et de l'influence de la rotation des ailettes du rotor. L'écoulement de l'air entre les ailettes du rotor est similaire de l'écoulement de l'air auteur d'une aile d'avion. Autrement dit, l'air s'écoulant sur l'extradoc établit une ■one basse pression et l'air s'écoulant •55 sur l'intrados établie une zone haute pression (en raison de l'effet de Eernoulli ). Pendant son passage entre les ailettes du rotor, l'air passe de la zone basse pression â la zone haute pression COPV 71 03472 2080711 dans laquelle 11 est légèrement comprimé, et dans laquelle sa vitesse est augmentée. Le courant d'air sortant des ailettes du rotor attaque les ailettes du stator suivant une combinaison de deux mouvements (l'écoulement et le mouvement du rotor) d'une 5 façon similaire à l'attaque des ailettes du rotor» De la même façon, quand l'air passe entre les ailettes du stator, il établit une zone basse pression et une zone haute pression sur les ai1-lettes, et-il est à nouveau légèrement comprimé0 L'air passe ensuite au second étage, et l'action considérée ci-dessus est 10 répétée sur toute la longueur axiale du compresseur» Le débit d'air dépend de la dimension de la zone basse pression au bord d'attaque des ailettes du premier étage du rotor» Cette série de zones basse pression assure un effet de traction qui tire l'air à travers le moteur» De même, l'air est 15 tiré dans le second étage et à travers le compresseur par les zones basse pression de chaque étage des ailettes du rotor» L'angle suivant lequel l'air attaque une ailette du rotor ou une ailette de stator est appelé l'angle d'attaque» Si cet angle est faible, les zones de pression sont faibles de façon correspondante 20 et le taux de compression du compresseur est faible» Si llangle est important, les zones de pression sont importantes, et 3e débit d'air et le taux de compression sont élevés de façon correspondante. Si pour une raison quelconque l'angle d'attaque devient trop important, il se produit un'hécollement". Autrement 25 dit, l'écoulement de l'air à la surface de l'extrados devient turbulent, ce qui détruit les zones de pression» Bien entendu, cela réduit le' taux de compression et le-débit d'air. Pendant le fonctionnement au niveau de la mer d'un moteur à turbine à gaz, la principale cause de décollement dans le compresseur est 30 l'obstruction. Si la vitesse du moteur décroît à partir de la vitesse nominale, le taux de compression décroît du fait de la vitesse plus faible du rotor. Quand la compression décroît, le volume d'air en arrière du compresseur devient plus important. Ce volume excessif d'air provoque un effet d'obstruction à l'arrière 35 du compresseur et il en résulte une diminution correspondante du débit d'air. Cela réduit la vitesse de l'air devant le compresseur et augmente la tendance au décollement. Une action correctrice COPY 71 03472 3 2080711 doit par suite avoir lieu pour éviter le décollement aux vitesses faibles du moteur. Le procédé le plus courant actuellement pour empêcher " le décollement dans le compresseur consiste à utiliser des ailettes 5 de stator à angle d'attaque variable à l'avant du compresseur. De cette façon, l'angle d'attaque du stator peut être réglé à des valeurs plus faibles pour les vitesses faibles du moteur. Les ailettes directrices d'entrée ont normalement aussi un angle d'attaque variable. D'une façon générale, le positionnement des 10 ailettes à angle variable est fonction de la vitesse corrigée du moteur parce que la condition d'obstruction et de décollement est une fonction de la vitesse corrigée du'moteur. Autrement dit, les ailettes variables sont ouvertes quand la vitesse du moteur augmente et sont ouvertes au maximum à la vitesse maximale. 15 D'autres conditions provoquant le décollement dans le compresseur sont une réduction des gaz ou une accélération du moteur. La façon normale pour augmenter la poussée d'un moteur à turbine à gaz «consiste à augmenter la quantité du carburant envoyé au système de combustion„ Le débit important de carburant 20 nécessaire pour accélérer le moteur se traduit par une augmentation de la pression dans le brûleur c!e combustion. Cela réduit à son tour le débit d'air à l'arrière du compresseur et il peut en résulter une condition d'obstruction et de décollement rï-; la façon décrite ci-dessus. Pour éliminer cette condition, il est 25 nécessaire de modifier les angles d'attaque des ailettes redresseuses d'entrée et des ailettes du stator. Si les angles d'attaque ne sont pas rétablis quand la vitesse supérieure est atteinte, la température de l'air arrivant dans la turbine dépasse la limite prévue, et il peut en résulter une diminution appréciable de la 350 durée de vie de la turbine du moteur. Ce problème de surchauffage de la turbine peut être résolu en fermant les ailettes redresseuses d'entrée et les ailettes du stator de la façon décrite ci-dessus. Cependant* le surchauffage de la turbine ne dure normalement que pendant un temps bref, par exemple 30 secondes. Il est par suite 35 désirable que l'appareil de commande modifie les angles d'attaque des ailettes redresseuses d3 entrée et des ailettes du stator pendant cette période courte et rétablissant ensuite automatiquement COPY 71 03472 4 2080711 les positions normales de ces ailettes» Un moyen consiste à ajouter un temps de retard au détecteur de la température à l'entrée du compresseur, ce détecteur provoquant l'ouverture du stator» Un autre moyen peut consister à limiter à une valeur 5 maximale le carburant dans le système de commande du carburant principal du moteur à turbine à gaz» Cependant, ces deux solutions entraînent une complication des mécanismes de commande et cela se traduit par des dispositifs de commande plus coûteux et moins sûrs „ 10 L'invention a pour objet un appareil de commande simple qui, après la détection d'un certain paramètre, positionne un élément d'après ce paramètre, et ensuite repositionne l'élément à sa position initiale après un certain délai limite» L'invention a aussi pour objet un appareil de commande pour régler les ailettes 15 du stator d'un moteur à turbine à gaz en cas de variation de la température de l'air du compresseur et pour repositionner les ailettes du stator à leurs positions initiales après un certain délai limite» D'une façon générale, un appareil de commande selon 20 l'invention comporte une tige pleine centrale, un manchon perforé concentrique formé de la même matière, entourant la tige pleine centrale et étant connecté rigidement à une extrémité de cette tige, et un écran thermique extérieur entourant les deux éléments. De l'air chaud est envoyé tangentiellement à une extrémité de 25 l'appareil pour établir un écoulement d'air hélicoïdal le long de l'axe de l'appareil» La température de l'air provoque une dilatation constante de faible durée du manchon perforé et une dilatation constante de plus grande durée de la tige pleine. Un dispositif à lévier est couplé à l'extrémité libre du manchon 30 pour positionner un élément du fait de la différence des dilatations des deux éléments. De plus, les moyens sont prévus pour faire varier les constantes de temps de la tige et du manchon. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple 35 et faite en se référant au dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un appareil de commande selon un mode de mise en oeuvre de l'invention ; 71 03472 5 2080711 - la figure 2 est une coupe dans un plan à 90° de celui de la coupe de la figure 1 - la figure 3 est une vue en perspective d'une partie d'un appareil de commande des figures 1 et 2 s et, 5 - la figure 4 représente s chématiquement un système de commande des ailettes directrices d'entrée d'un moteur à turbine à gaz suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention. Les figures 1 et 2 représentent un appareil de commande 10 selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. 10 L'appareil de commande 10 est formé principalement d'une tige pleine 12 et d'un manchon perforé 14 entourant la tige pleine. La tige 12 et le manchon 14 sont entourés par un écran thermique 16 qui est formé par un tube cylindrique. L'écran thermique 16 comporte à une extrémité un 15 raccord latéral 18 qui communique par une ouverture tangentielle 20 avec l'intérieur de l'écran pour permettre le passage de l'air vers l'intérieur de l'appareil de commande 10. L'écran thermique 16 comporte à l'autre extrémité un raccord 22 avec une ouverture axiale 24 pour former un second passage pour le passage d'air à 20 partir de' l'intérieur de l'appareil 10. La fonction de ces passages apparaîtra plus clairement ci-après : L'extrémité de l'écran thermique 16 opposée à celle comportant le raccord 22 comporte une bride 26 pour un support en U 28. Le support 28 comporte deux branches parallèles 30 et 32 25 raccordées par une partie transversale 34. Ces branches 30 et 32 comportent des ouvertures 36 et 38 à peu près à même distance des extrémités pour le passage d'un extrémité de la tige pleine 12. L'extrémité libre de la tige 12 comporte une partie filetée 40 permettant de fixer rigidement l'appareil 10 au support 28 au 30 moyen d'un écrou 42. L'ouverture 38 de la branche 32 du support 28 a la dimension voulue pour recevoir aussi l'extrémité en forme de grille 44 du manchon perforé 14, Comme le contre la figure 1, la tige pleine 12 est 35 munie d'une douille formant joint 46 en Grapitor placée entre la surface intérieure 47 de l'extrémité à bride 44 du manchon 14 et la surface extérieure de la tige 1?. La douille formant joint 46 71 03472 6 2080711 a des dimensions convenables pour être en contact glissant avec la surface intérieure 47 de la pride 44 afin de permettre le mouvement relatif entre la tige 12 et la bride 44. La douille 46 est de préférence d'un type permettant le mouvement glissant 5 relatif tout en empêchant l'écoulement du fluide entre la surface intérieure 47 et la douille 46. Le déplacement de la douille 46 dans la direction axiale le long de la tige 12 est empêché par un collet 48 de la tige 12. L'autre extrémité de la douille est retenue par contact avec la branche 3° du support 28. 10 Les -extrémités de droite de la tige 12 et du manchon perforé 14 sont fixées l'une à l'autre par une partie en disque plat 50. Le disque plat 50 est disposé transversalement à la tige 12 et au manchon 14 et à l'écran thermique 16. Le disque plat 50 a des dimensions convenables pour s'adapter en contact 15 glissant contre la surface intérieure 52 de l'écran thermique 16. Le disque plat 50 est légèrement espacé de la surface 53 comportant l'ouverture 24 pour permettre la dilatation thermique de la tige 12 et du manchon 14. Un dispositif permet de transmettre le mouvement de 20 la sortie de l'appareil 10 à un élément dont la position doit être réglée ainsi que le montre la figure 2. Ce dispositif comporte un levier 54 qui est articulé au support 28 par un goujon 56. La position du levier 54 est commandée par une broche 58 qui traverse le levier 54 ainsi.que la bride 44 du manchon 14. Un second levier 25 60 identique au levier 54 est articulé sur le côté opposé du manchon 14 par une broche 62. Les leviers 54 et 60 sont fixés à un câble 64 (figure 2) par un dispositif comportant des écrous è6 et 68 sur les deux côtés des leviers 54 et 60„ Le mouvement axial du manchon 14 se 30 traduit ainsi par un mouvement axial du câble 64, l'importance du déplacement du câble 64 dépendant de la longueur des leviers 54 et 60. Le mouvement axial du manchon 14 est provoqué de la façon suivante. L'air chaud est envoyé à l'intérieur de l'appareil 35 10 à travers l'ouverture 20 de l'écran thermique 16. Cet air chaud circule suivant un mouvement hélicoïdallelag de l'appareil 10 en raison de la position tangentielle de l'ouverture 20. L'air chaud 71 03472 7 2080711 passant autour du manchon perforé mince 14 provoque sa dilatation thermique. Comme le manchon perforé est fixé rigidement au disque plat 50 (figure 1) cette dilatation se traduit par un déplacement de la bride 44 vers la gauche de la figure 1. Ce mouvement entraîne 5 les broches 58 et 62 et par suite fait pivoter les leviers 54 et 60. Ce mouvement de pivotement a lieu en sens inverse des aiguilles d'une montre quand il est vu dans le plan correspondant à celui de la figure 2. Ce pivotement provoque à son tour un déplacement vers la gauche du câble 64. Le déplacement du câble 64 est bien 10 entendu transmis à tin élément quelconque dont la position doit être réglée. Comme il a été mentionné ci-dessus» l'appareil de commande 10 est destiné à transmettre un mouvement à un éléme... à la réception d'un certain signal» avec une remise en position 15 initiale de l'élément après un certain temps. Cette remise en position par le câble 64 a lieu de la façon suivante. En plus de provoquer la dilatation du manchon 14, l'air chaud arrivant par l'ouverture 20 provoque aussi l'augmentation de la température de la tige pleine 12 avant"d'échapper par l'ouverture 24 de 20 l'extrémité de droite 24 de l'écran thermique 16. Cette augmentation de la température provoque la dilatation de la tige pleine 12. Cependant, le collet 48 de la cige pleine 12 vient buter contre la branche 30 du support 28 par l'intermédiaire de la ôouille 46. De ce fait, la dilatation de la tige 12 ne peut avoir 1 que 25 vers la droite de la figure 1. Cette dilatation de la tige 12 modifie la position du manchon perforé 14 qui est solidaire de la tige par l'intermédiaire du disque plat 50. Autrement dit, la dilatation verë la droite de la tige pleine 12 provoque un déplacement égal vers la droite du manchon perforé 14. 30 II résulte des mouvements décrits ci-dessus provoqués par l'air chaud traversant l'appareil 10 que la position finale de la bride 44 du manchon perforé 14 est déterminée par la somme du mouvement vers la gauche résultant de la dilatation du manchon perforé 14 et du mouvement vers la droite résultant de la dila-35 tation de la tige pleine 12. Par suite, si la tige pleine 12 et le manchon 14 sont formés de la même matière ou de deux matières ayant des coefficients de dilatation identiques, la position finale BAD ORIGINAL 71 03472 8 2080711 de la bride 44 sera identique à sa position initiale, c'est-à-dire à sa position avant l'action de l'air chaud traversant l'appareil de commande 10. Comme il a été indiqué cii-dessus, en raison de la 5 position tangentielle de l'ouverture 20, l'air chaud pénètre de façon à circuler suivant un courant hélicoïdal autour de l'axe des tubes » Du fait de cet écoulement hélicoïdal, de l'air, le manchon perforé 14 est soumis à de l'air à une plus grande vitesse que la tige pleine 12 qui est dans l'axe de l'appareil de commande 10 10. Le manchon perforé est formé d'vin tube mince, par exemple à paroi d'une épaisseur de 0,5 mm. En raison de cette faible épaisseur et de la grande vitesse de l'air chaud circulant autour du manchon," la dilatation du manchon perforé 14 a lieu presque simultanément à l'arrivée d'air chaud dans l'appareil 10. Du fait de sa plus 15 grande épaisseur (par rapport à celle du manchon perforé 14) et de sa position dans l'axe de l'appareil 10, la dilatation de la tige pleine 12 a lieu avec un retard bien supérieur. Le retard de la dilatation de la tige pleine 12 par rapport à la dilatation du manchon perforé 14 peut varier de quelques secondes à deux 20 minutes, par exemple d'après l'épaisseur de la paroi du manchon 14 et le diamètre hors tout de l'appareil de commande 10. C'est ce retard de la dilatation de la tige pleine 12 par rapport à celle du manchon perforé 14 qui est utilisé pour repositionner automatiquement l'élément commandé à sa position initiale. Il résulte 25 de ce qui précède que l'appareil selon l'invention est extrêmement simple tout en étant d'un fonctionnement absolument sûr. La figure 4 représente une utilisation possible d'un appareil de commande selon l'invention pour un moteur à turbine à gaz d'avion 80. La figure 4 représente schématiquement des parties 30 du système de commande du moteur 80 qui sont utilisées pour régler les positions des ailettes directrices d'entrée 82 (dont une seule est représentée pour obtenir le fonctionnement optimal du compresseur à écoulement axial 84 normalement utilisé dans un moteur à turbine à gaz. Le pivotement des ailettes directrices d'entrée 35 autour de leurs axes radiaux est une technique bien connue pour régler le débit d'air pour le fonctionnement optimal d'un tel compresseur„ et pour empêcher en même temps la défaillance du 71 03472 9 2080711 compresseur du fait de l'apparition d'une condition de décollement. Les différentes ailettes directrices redresseuses 82 sont habituellement disposées en plusieurs étages et sont couplées mécaniquement de façon à être pivotées simultanément (par un 5 dispositif connu) à partir d'une liaison mécanique par un vérin 86. Un dispositif de commande comportant une calculatrice et un servomécanisme établit des signaux qui sont envoyés à travers l'un des conduits 90 et 92 pour déplacer le piston du vérin 86 pour incliner les ailettes redresseuses 82 de la façon appropriée. 10 Un signal de réaction représentant la position est transmis par une liaison mécanique 94 à. un intégrateur 96 qui comporte un arbre de sortie 98. L'arbre 98 transmet le signal de réaction à l'appareil de commande 88 et ramène à zéro les signaux de commande quand les ailettes 82 sont arrivées aux positions correctes. 15 Le système décrit ci-dessus fonctionne convenablement pendant le fonctionnement normal du moteur. Cependant, sous certaines conditions, il peut en résulter dans le compresseur une condition de décollement ne pouvant pas être convenablement évitée par l'appareil de commande 88. L'une de ces conditions peut résulter 20 d'une réduction brusque des gaz ou d'une accélération du moteur pendant lesquelles la pression augmente appréciablement dans la chambre de combustion. Dans ce cas, il est nécessaire que ces ailettes redresseuses 82 soient pivotées à des positions de plus grande fermeture pour réduire le débit d'air à travers le compres-25 seur 82. Pour permettre cette correction de l'admission d'air, un appareil de commande 10 selon l'invention est couplé au dispositif de signal de réaction 94. Le raccord 18 de l'appareil 10 est raccordé par un conduit 100 à une source d'air chaud, par 30 exemple l'un des derniers étages du compresseur 84. De cette façon, une augmentation de la température de l'air dans le compresseur 84 (indiqant la possibilité d'une condition de décollement dans le compresseur) nrovoque le fonctionnement de l'appareil de commande 10 de la façon décrite ni-dessus. Autrement dit, le manchon 14 subit 35 une dilatation du fait de l'augmentation de la température de l'air du compresseur, et il déplace le levier 54, ce qui se traduit par une modification de la position du câble de réaction 94. 10 2080711 71 03472 Ce repositionnement provoque la commande du vérin 86 par le dispositif de commande 88 afin que le vérin positionne les ailettes redresseuses 82 dans des inclinaisons de plus grande fermeture» Après un délai bref» la dilatation de la tige pleine 5 12 provoque le retour du câble de réaction 94 à. sa position initiale, ce qui à son tour provoque la réouverture des ailettes redresseuses 82» De cette façon, la possibilité d'une condition de décollement dans le compresseur du fait d'une réduction brusque des gaz ou d'une accélération du moteur est empêchée sans qu'il 10 soit nécessaire d'utiliser des éléments supplémentaires électriques ou électromécaniques dans le système général de commande. Différentes modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit ci-dessus» par exemple les leviers 54 et 60 peuvent être remplacés par n'importe quel autre type de transmission 15 mécanique sans modifier le fonctionnement d'ensemble de l'appareil» Le support en U 28 peut être remplacé par une plaque plate sur laquelle les leviers 54 et 60 peuvent être articulés et sur laquelle la tige 12 peut être vissée» Bien entendu» la description qui précède n'est pas 20 limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre» 71 03472 11 2080711 REVENDICATIONS 1„ Servomécanisme de commande, caractérisé par une enveloppe comportant une ouverture d'entrée et une ouverture de 5 sortie pour la circulation d'un fluide, une tige pleine à l'intérieur de l'enveloppe, un manchon perforé entourant coaxialement la tige entre celle-ci et l'enveloppe, un disque reliant mécaniquement une extrémité de la tige à l'extrémité correspondante du manchon, une douille formant un joint pour empêcher le passage du fluide entre 10 la seconde extrémité du manchon et la seconde extrémité de la douille tout en permettant le déplacement relatif de ces éléments, un dispositif de fixation pour immobiliser la seconde extrémité de la tige et un dispositif pour l'envoi d'un fluide chaud à l'intérieur de l'enveloppe. 15 2„ Servomécanisme selon la revendication 1, caractéri:- * en ce que la tige et le manchon sont en matière ayant le même coefficient de dilatation thermique. 3. Servomécanisme selon la revendication 2, caractérisé par un dispositif pour positionner un élément réglable d'après la 20 position de la seconde extrémité du manchon. 4. Servomécanisme sulon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif empêchant le déplacement axial de la tige comprend un support ayant une ouverture pour recevoir 1» «• oonde extrémité de la tige et un dispositif pour fixer rigidement la 25 tige au support. 5. Servomécanisme selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif fixant la tige au support comprend un collet formé sur la tige, la seconde extrémité de la tige comportant une partie filetée traversant l'ouverture du support et un écrou vissé 30 sur la tige pour la bloquer sur le support. 6. Servomécanisme selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif pour positionner l'élément commandé comprend un ensemble de leviers articulés au support et un dispositif couplant les leviers à la seconde extrémité du manchon. 35 7» Servomécanisme selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif articulant les leviers comprend des broches traversant les leviers et des alésages formés dans la seconde extrémité du manchon. BAD ORIGINAL 71 03472 12 208.0711 80 Servomécanisme selon la revendication J, caractérisé en ce que l'ouverture d'entrée est une ouverture tangentielle formée dans l'enveloppe près d'une extrémité de celle-ci,, 9„ Servomécanisme selon la revendication 8, carac-5 térisé en ce que l'ouverture de sortie est une ouverture axiale formée à l'extrémité opposée de l'enveloppe, 10„ Servomécanisme selon la revendication 9* caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation en fluide comprend un dispositif pour faire varier la quantité de fluide envoyé à 10 l'intérieur de 1'enveloppe» 11„ Servomécanisme selon la revendication caractérisé en ce qu'il est utilisé pour un moteur à turbine à gaz d'avion comportant un compresseur à écoulement axial ayant les ailettes de stator à inclinaison variable, la seconde extrémité 15 du manchon assurant la commande de la position angulaire des ailettes à inclinaison variable du stator. 12. Servomécanisme selon la revendication 11, caractérisé en ce que le fluide chaud est l'air comprimé par un compresseur à écoulement axial„