Brevet FR2128734A1 — publié le 19721020

l 2128734 L'invention concerne un système de commande de la quantité de combustible fournie aux chambres de combustion d'une turbine â gaz pendant les périodes d' allumage et de fonctionnement. A cause de l'augmentation des demandes de pointe de puissance, les turbines 5 à gaz industrielles du type à circulation axiale ont des dimensions et une puissance de sortie de plus en plus importantes. Cet état de choses nécessite des commandes complexes pour le réglage d'un équipement de plus en plus grand et lourd. Par exemple, un système de commande est prévu pour régler la quantité de combustible fournie aux chambres de combustion de la turbine à gaz. Des soupapes 10 de grandes dimensions et de poids important (pesant par exemple environ 100 kg) sont utilisées pour limiter la circulation du combustible vers la turbine. Ces soupapes sont difficiles à commander et à régler avec précision, surtout pendant la période de première installation de celles-ci. De plus, les soupapes augmentent encore l'encombrement de l'installation de la turbine et il en résulte une 15 augmentation correspondante du prix. En général, il y a une soupape de démarrage de grande dimension qui est sensible à un signal de commande développé à partir des paramètres de fonctionnement de la turbine comme, par exemple, la vitesse de rotation, la pression dans la chambre à combustion, la puissance de sortie et la température à l'é-20 chappement de la turbine. Après la période initiale de mise en route de la turbine à gaz, la soupape de démarrage est utilisée pour commander la quantité de combustible admise dans la chambre à combustion pendant la période d'allumage, jusqu'à ce que la quantité de combustible fourni atteigne la quantité minimum nécessaire au maintien de la combustion. La soupape de démarrage est générale-25 ment conçue pour fournir une sortie à faible grain» nécessaire à la précision, pendant le cycle de démarrage de la turbine, c'est-à-dire qu'une variation importante du signal se traduit par un petit changement dans le soulèvement ou 1' ouverture de la soupape. Cette soupape agit également pour maintenir un apport minimum de fluide aux chambres à combustion pour maintenir la flamme pendant 30 une condition de transition, résultant par exemple, d'une disparition de la charge. Une seconde soupape, par exemple, une soupape à clapet est sensible à un second signal de conroande engendré en fonction des paramètres définis çi-dessus. La soupape à clapet règle la quantité de combustible fourni aux chambres à com-35 bustion après que la quantité minimum nécessaire à entretenir la combustion est atteinte et continue à fournir la quantité de combustible nécessaire pour faire tourner la turbine à plein rendement. Il est connu que les soupapes à clapet de grande dimension ne sont pas précises aux faibles valeurs de débit. Le but principal de la présente invention est de réaliser un système de 40 commande de fluide qui soit sûr et qui ne nécessite pas de soupape de démarrage 72 08040 2 2128734 ou soupape à clapet. A cet effet, la présente invention réside en un système pour la commande de fluide fourni à une turbine à gaz ayant au moins une chambre à combustion et une structure rotorique pouvant tourner à faible vitesse pendant la période de mise en route, à une vitesse moyenne pendant la période d' 5 allumage et à une vitesse élevée pendant la période de fonctionnement normal, le dit système comprenant une soupape pour l'admission du combustible à la dite chambre à combustion pendant les dites périodes d'allumage et de fonctionnement normal, un moyen pour déterminer constamment l'écoulement de combustible nécessaire à la combustion dans la dite chambre à combustion et pour fournir un si-10 gnal représentatif du dit écoulement de combustible nécessaire, et un moyen pour appliquer le dit signal à la dite soupape pour assurer la manoeuvre de la dite soupape pour ainsi régler l'écoulement du combustible, caractérisé en ce que le dit moyen appliquant le signal comprend deux trajets possibles pour le dit signal, le premier des dits trajets étant utilisé pendant la dite période d'allu-15 mage, un moyen de transfert sensible au niveau de signal pour transférer le signal au second trajet quand le signal atteint un niveau prédéterminé, et un moyt-en associé au second trajet pour maintenir un niveau minimum de signal correspondant à l'écoulement minimum de combustible nécessaire pour maintenir la combustion pendant le fonctionnement à haute vitesse de la turbine. 20 Ce système d'alimentation en combustible élimine donc la soupape de démar rage, réduit l'encombrement de l'installation de la turbine et, par conséquent, son prix et simplifie les réglages de la commande. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés. Sur ces dessins: 25 - La figure 1 est une représentation schématique d'un système de comnande de combustible pour une turbine à gaz, réalisé suivant l'invention. - La figure 2 est une représentation schématique d'un moyen de comparaison de signaux montré à la figure I. - La figure 3 est une représentation schématique d'un dispositif limiteur 30 montré à la figure 1. - La figure 4 est une représentation schématique d'un dispositif d'aiguillage montré à la figure 1 et - La figure 5 est un schéma montrant un dispositif de détection montré à la figure 1. 35 La figure 1 représente schématiquement un ensemble 10 de turbine â gaz à circulation axiale et à arbre unique. L'ensemble 10 comprend un compresseur II, une chambre à combustion 12 et une turbine 13, le rotor de la turbine et les rotors du compresseur étant raccordés par un arbre conmun 15 et la turbine entraînant le compresseur. L'arbre 15 vient du compresseur II et est raccordé à 40 une charge 16 qui peut être une génératrice. Un réservoir à combustible 18 72 08040 3 2128734 fournit du combustible par une conduite 19 à_ la chambre de combustion 12 où il est mélangé avec de l'air sous pression venant du compresseur H et allumé pour former un mélange combustible de gaz chauds utilisé pour entraîner la turbine à gaz 13. 5 Le débit combustible passant par la conduite 19 pour atteindre la chambre 12 est réglé par une soupape combinée 21 de démarrage et à clapet.. Un certain nombre de signaux sont engendrés en fonction de divers paramètres de la turbine pour déterminer correctement le signal de commande du combustible. Un de ces signaux est obtenu à partir d'un dispositif à thermocouple 23 10 qui est utilisé pour mesurer la température moyenne des gaz consommés à l'échappement 24a de la turbine et dans le trajet.à travers les pales 24b. Le signal correspondant à la température de l'orifice d'échappement 24a et/ou du trajet 24b est alors envoyé au dispositif comparateur 26 dont il constitue l'un des signaux d'entrée. Le signal de température est un signal électrique transmis par 15 la ligne 25» bien que d'autres types de signaux puissent être utilisés et que d' autres températures puissent être mesurées en divers endroits. Un second signal d'entrée est obtenu à partir de l'air sous pression se trouvant à l'intérieur de la chambre à combustion 12. La valeur de la pression est détectée par un dispositif de détection de pression 28 qui engendre un si-20 gnal électrique qui est envoyé par une ligne 29 vers le dispositif comparateur 26 et dont il constitue le second signal d'entrée. Un troisième signal d'entrée est constitué par un signal de température détecté par un dispositif à thermo-couple 30 qui mesure la température à l'entrée du compresseur et qui fournit un signal électrique au comparateur par une. ligne 30a. Un quatrième signal d'entrée 25 est un signal de puissance détecté par un dispositif de mesure de puissance 31 qui est raccordé à la génératrice 16 et qui fournit au dispositif comparateur 26, par une ligne 32, un signal électrique proportionnel à la puissance. Un cinquième signal d'entrée, transmis au dispositif comparateur, est un signal de vitesse qui est fourni par un générateur de signaux de vitesse 34. Le générateur 30 34 transmet un signal électrique proportionnel à la vitesse de rotation de l'arbre 14 au dispositif comparateur 26 par une ligne 35. Les cinq signaux sont envoyés dans le dispositif comparateur 26 oû l'information contenue dans les dits signaux est traitée et oû un signal de sortie est engendré. Le signal de sortie est une fonction continue de la quantité de com-35 bustible nécessaire au moment envisagé. Le signal de sortie, tel que considéré ici, est un signal électrique bien qu'il soit évident que les signaux, soit pneumatiques, soit hydrauliques, puissent être utilisés comme signaux d'entrée et/ou de sortie du comparateur. . Si on le désire, le signal électrique peut ensuite être transformé en un 40 signal pneumatique ou en un signal hydraulique par un transducteur 41. 72 08040 4 2128734 Pendant la période d'allumage le signal de commande est envoyé par un premier trajet 44 vers un dispositif d'aiguillage de signaux 48 à deux positions. Le signal passe du dispositif 48 à un trajet commun 47 et continue en suivant celui-ci jusqu'à la soupape combinée 21. Un dispositif pneumatique de position-5 nement 22 peut être prévu pour la mise en place correcte et précise du clapet 21a de la soupape 21 dans les positions de commande initiales sensibles. La soupape 21 permet alors le passage dans le conduit 19 de la quantité appropriée de combustible» venant du réservoir 18, et devant alimenter la chambre à combustion 12. Il faut noter que la soupape 21 peut être de tout type de soupape à 10 combustible dont la manoeuvre peut être commandée par un signal. Lorsqu'une valeur déterminée de pression est atteinte, un dispositif détecteur de signaux £7 est mis en action et envoie un signal électrique au dispositif d'aiguillage 48 par une ligne 51. Le dispositif 48 est mis en fonctionnement et arrête la circulation du signal dans le premier trajet ou trajet de démarrage 15 44 et permet au signal de passer par le second trajet normal 46. Un dispositif limiteur 49 est associé au second trajet 46. Quand, par exemple, il y a un important changement dans les paramètres mesurés de la turbine, le système de commande du combustible tend à faire un ajustement en fonction de ce changement et un signal de comnande correspondant au changement important des paramètres est 20 engendré. Si le signal à corriger est en-dessous du signal minimum de maintien de la combustion (peut avoir tendance à faire une surcompensation) le limiteur 49 engendre alors un signal de commande minimum prédéterminé. La figure 2 représente schématiquement un dispositif comparateur 26 réalisé sous une forme préférée. Le dispositif comparateur 26 comprend un calculateur 25 numérique 37 dans lequel le signal de température venant de la turbine 13 (par la ligne 25), le signal de pression venant de la chambre à combustion 12 (par la ligne 29), le signal de température venant du compresseur 11 (par la ligne 30a), et le signal de puissance venant de la génératrice 16 (par la ligne 32) sont envoyés. Le calculateur programmé 37 fournit une fonction de température limite 30 25a, une fonction de pointe 29a (d'après les signaux de la température à l'entrée du compresseur et de la pression dans la chambre à combustion) et une fonction de puissance limite ou de commande 32a. Une fonction de sélection inférieure 30 est fournie par le calculateur programmé 37 pour choisir le signal de combustible limite à partir des fonctions de température 25a, de pointe 29a et de 35 puissance 32a. Le calculateur 34 émet une fonction de référence de vitesse 33 qui est envoyée dans un détecteur d'erreur 33a, situé en dehors du calculateur. Le signal de vitesse est également erwoyé dans un détecteur d'erreur 33a pour engendrer un signal d'erreur de vitesse, qui lui-même, est envoyé dans un circuit dé limite inférieure 36 où il est comparé avec le signal limite de combus-40 tible venant du calculateur 37. La valeur inférieure est choisie et le signal de 72 00040 5 2128734 demande de combustible sort du dispositif comparateur 26. Divers types de dispositifs comparateurs peuvent être utilisés comme, par exemple, des dispositifs pneumatiques ou hydrauliques, et le calculateur peut également être analogique au lieu de numérique, ou bien être une combinaison quelconque de ces deux types 5 de calculateur. Comme indiqué à la figure 3, le dispositif limiteur 49, de forme préférée, comprend une source indépendante d'air sous pression 50, raccordée par une con- Celui c i . . duite 52 au dispositif à relais 51.'comprend un régulateur de pression 53 ajuste par ressort, pour régler le niveau minimum de signal nécessaire pour maintenir 10 la combustion, et deux soupapes de retenue 55 et 56. La soupape de retenue 55 est située entre un point de raccordement 54 et le régulateur de pression 53 tandis que la deuxième soupape de retenue 56 se trouve dans le trajet normal 46 en amont du point de raccordement 54. Un dispositif d'aiguillage de signal de forme préférée, tel que représenté 15 à la figure 4, comprend un enroulement 58 engendrant un champ magnétique dans une bobine 59 et une tige métallique horizontale 61 reliée à l'extrémité supérieure d'une tige verticale 62 par un pivot 61a. L'extrémité inférieure de la tige 62 est fixée au fond d'un boîtier 64 du dispositif 48 de manière à pivoter autour d'une broche 65. Une tige 66, dont l'extrémité est munie d'un clapet dis-20 posé à l'extérieur du boîtier 64, est fixée horizontalement sur la partie inférieure de la tige 62. Une autre tige 68, dont l'extrémité est pourvue d'un clapet 69 situé à l'intérieur du boîtier 64, est fixée horizontalement sur la partie médiane de la tige 62. Le boîtier 64 est pourvu d'un orifice d'entrée 71 pour le premier trajet 44 et d'un orifice d'entrée 72 pour le second trajet 46 25 ainsi que d'un orifice de sortie 74. Dans une des positions, lorsque la bobine 59 est excitée; la tige horizontale 61 et la tige verticale 62 se déplacent de la gauche vers la droite, le clapet 67 ferme l'orifice d'entrée 71 et le clapet 69 libère l'orifice d'entrée 72. Dans l'autre position (qui est celle représentée à la figure 4) la bobine 59 est désexcitée et un ressort 70 ramène la tige 30 61 et la tige 62 vers la gauche, ce qui fait que le clapet 69 ferme l'orifice d'entrée 72 et que le clapet 67 libère l'orifice d'entrée 71. Le signal sort par l'orifice de sortie 74 pour passer dans le trajet conmun 47. Tel que représenté à la figure 4, le dispositif d'aiguillage 48 est fortement schématisé. Les ouvertures 71, 72 et 73 sont rendues étanches pour éviter des fuites d'air. 35 Comme indiqué à la figure 1, le dispositif de détection de signal 57 est raccordé au trajet commun 47 par une conduite 76 et au dispositif de transfert 48 par une ligne 51. Comme indiqué à la figure 5, le dispositif de détection 57 est constitué d'une enceinte 77, d'un diaphragme 78 sensible à la pression dans le trajet commun 47 et d'un interrupteur 80 commandé par pression, ayant un con-40 tact 81 mobile entre une position fermée et une position ouverte (voir figure 4). 72 08040 6 2128734 Lorsque le diaphragme 78 agit sur l'interrupteur 80, le contact 81 passe en position fermée, permettant ainsi l'envoi d'un signal électrique au dispositif d' aiguillage 48, excitant ainsi la bobine 59. L'interrupteur 80 peut être un type quelconque de dispositif réagissant à une pression. 5 Le fonctionnement complet du système de commande est donné ci-après. Pen dant la période de mise en route, le rotor est amené à la vitesse prévue pour la période d'allumage. Pendant cette période d'allumage, les paramètres de la turbine décrits précédemment sont envoyés dans le comparateur 26 et un signal de sortie est engendré qui est une fonction continue de la quantité de combustible 10 nécessaire. Le signal de commande de combustible est, dans le système préféré, un signal électrique qui est transformé dans le transducteur 41, en un signal pneumatique qui est envoyé dans le conduit 43. Pendant la période d'allumage (figures 4-5), le signal se trouvant dans le trajet commun 47 n'est pas d'amplitude suffisante pour actionner l'interrupteur 15 80 et, par conséquent, le dispositif d'aiguillage 48 n'est pas mis en fonctionnement, ce qui fait que l'orifice d'entrée 72 est fermé et que l'orifice d'entrée 71 est ouvert. Le signal venant du transducteur 41 par le trajet 43 (figure 1) pénètre dans le trajet 44 et continue vers le dispositif 48 en passant par 1' orifice d'entrée 71. Le signal sort par l'orifice de sortie 74 pour rejoindre le 20 trajet commun 47. Le signal de commande continue par le trajet commun 47 pour aller actionner la soupape 21 (figure 1) de manière à permettre à une quantité appropriée de combustible, venant du réservoir 18 par la conduite 19, d'être a-menée à la tubulure d'entrée de la chambre à combustion 12. Le signal de commande d'alimentation en combustible, circulant par le tra-25 jet 47, augmente de valeur pendant la période d'allumage pour atteindre un niveau prédéterminé correspondant au niveau nécessaire au maintien de la combustion. Quand une pression suffisante du signal pneumatique de commande est détectée par le dispositif de détection 57, l'interrupteur 80 est fermé et la bobine 59 est alimentée. Le dispositif 48 met le second trajet 46 en circuit en 30 faisant en sorte que le clapet 67 ferme l'orifice d'entrée 71 tandis que simultanément le clapet 69 dégage l'orifice d'entrée 72. Le signal de commande circulant dans le premier trajet 44 est bloqué et circule dès lors dans le trajet normal 46. Comme indiqué plus clairement à la figure 3, le signal circule par le tra-35 jet 46 vers le limiteur 49 et passe par la soupape de retenue 56 à une voie pour rejoindre le point de raccordement 54 et de là, continuer vers l'extérieur par ce même trajet 46. Puis, comme indiqué à la figure 4, le signal franchit 1' orifice 72 dans le dispositif 48 et passe dans le .trajet commun 47 pour atteindre la soupape 21 afin de régler l'écoulement de combustible passant par celle-40 ci. Cependant, un signal pneumatique venant de la source d'air comprimé 50 72 08040 7 2128734 (figure 3), qui est ajusté au niveau de signal déterminant un écoulement de fluide suffisant pour maintenir la combustion, est envoyé par un trajet 52 au régulateur 53. Le signal sort du régulateur 53 et rencontre la soupape de retenue 55. Lorsque la pression du signal pneumatique dans le trajet 46 est plus é-5 levée que la pression dans le trajet 52, la soupape de retenue 55 reste fermée et la soupape de retenue 56 ouverte. Toutefois, pendant des conditions déterminant des variations rapides de la valeur d'un ou de plusieurs paramètres de fonctionnement décrits précédemment, le signal de commande peut tomber en-dessous de la valeur qui est nécessaire pour maintenir une flamme dans la chambre à 10 combustion 12. Cette valeur est prédéterminée et le régulateur 53 est ajusté en conséquence de manière que, si la pression dans le trajet 46 tombe en-dessous de cette valeur déterminée, la pression dans le trajet 52 sera supérieure à la pression dans le trajet 46. Par conséquent, le signal du trajet 52 ouvre la soupape de retenue 55 et passe par celle-ci dans le trajet 46, maintenant de ce fait le 15 niveau minimum empêchant l'extinction de la flamme. Le signal de commande dans le trajet 52 est empêché de retourner dans un trajet 46 par une soupape de retenue 56, à cause de la différence de pression et, réciproquement, la soupape de retenue 55 empêche le signal de commande dans le trajet 46 de s'écouler dans le dispositif à relais 51. 20 La condition de circulation minimum de signal continue jusqu'à ce que le niveau du signal revienne à la valeur normale, ce qui fait que la pression à l1 entrée de la soupape 56 est plus élevée que le signal minimum de commande de pression à la sortie de celle-ci. Quand ces conditions interviennent, la soupape de retenue 55 est amenée à se fermer, le signal minimum de pression est coupé 25 et le signal des paramètres normaux de fonctionnement circulant dans le trajet 46 constitue le signal de commande réglant la soupape d'admission de combustible. Il faut noter que, si on a utilisé dans la description ci-dessus, un signal pneumatique entre le transducteur 41 et la soupape 21, des signaux équivalents 30 de nature électrique ou hydraulique peuvent être engendrés avec un équipement assurant la même fonction, c'est-à-dire un dispositif de limite inférieure, un dispositif d'aiguillage et un dispositif de détection de niveau. Une fois que le signal est commuté dans le trajet 46 de fonctionnement normal, il ne peut plus retourner dans le trajet 44 sous les conditions de foncti-35 onnement normal. Evidemment, pendant que la turbine se met en route ou s'arrête, le système de commande revient à sa position initiale. On a donc décrit un système de commande de combustible qui traite les paramètres de commande de la turbine et engendre un signal de commandé de sortie qui est une fonction continue de la quantité de combustible nécessaire. Pendant 40 la période d'allumage, le signal de commande est envoyé par le trajet 44 et le 72 08040 8 2128734 dispositif 48 pour régler la soupape 21. Lorsqu'un niveau préréglé est atteint, le dispositif de détection 57 actionne le dispositif 48 pour le faire passer dans la seconde position, afin de permettre au signal de commande de passer par le trajet normal de fonctionnement 46. Le signal de commande continue à passer par celui-ci et, lorsqu'il tombe en-dessous d'un niveau prédéterminé, un signal minimum est engendré par le dispositif limiteur pour maintenir une alimentation minimum en combustible à la chambre à combustion 12 pour éviter l'extinction de la flamme. 72 0804C 9 2128734 REVENDICATIONS. 1. Système de commande de fluide fourni à une turbine à gaz ayant au moins une chambre à combustion et une structure rotorique pouvant tourner à faible vitesse pendant la période de mise en route, à vitesse moyenne pendant la période d'al-5 lumage et à vitesse élevée pendant la période de fonctionnement normal, le dit système comprenant une soupape pour l'admission du combustible à la dite chambre à combustion pendant les dites périodes d'allumage et de fonctionnement normal, un moyen pour constamment déterminer l'écoulement de combustible nécessaire à la combustion dans la dite chambre à combustion et pour fournir un signal repré-10 sentatif du dit écoulement de combustible nécessaire et d'un moyen pour appliquer le dit signal à la dite soupape pour assurer la manoeuvre de celle-ci pour ainsi régler l'écoulement du combustible, caractérisé en ce que le dit moyen appliquant ce signal comprend deux trajets possibles pour le dit signal, le premier des dits trajets étant utilisé pendant la dite période d'allumage, un moyen 15 de transfert sensible au niveau du signal pour transférer le signal au second trajet quand le signal atteint un niveau prédéterminé et un moyen associé avec le dit second trajet pour maintenir un niveau minimum de signal correspondant à l'écoulement minimum de combustible nécessaire pour maintenir la combustion pendant le fonctionnement à vitesse élevée de la turbine. 20 2. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de transfert du signal au second trajet comprend un dispositif d'aiguillage de signal, le moyen sensible au niveau de signal actionnant le dispositif d'aiguillage pour faire passer le signal de commande au second trajet quand le niveau de signal correspond à la période de fonctionnement normal de la turbine. 25 3. Système suivant la revendication 1, où plusieurs paramètres de la turbine sont détectés et transformés en signaux, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour traiter l'information contenue dans les signaux et engendrer un signal de sortie qui est une fonction continue du combustible demandé. 4. Système suivant la revendication 3, dans lequel les signaux envoyés dans 30 le moyen de traitement de signaux sont des signaux électriques et le signal de demande de combustible sortant du dit moyen est également un signal électrique, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour transformer le dit signal de demande se présentant sous forme d'un signal électrique en un signal pneumatique. 35 5. Système suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen de maintien du signal minimum comprend un dispositif régulateur de signal fournissant un signal de niveau minimum pour maintenir la combustion, un trajet de signal de limite inférieure, un premier dispositif de blocage de signal à une voie associé au dit trajet de limite inférieure pour empêcher le 40 signal de niveau inférieur du trajet de limite inférieure de rejoindre le 72 08040 10 2128734 second trajet quand l'amplitude du signal du second trajet est plus grande que l'amplitude du dit signal de limite inférieure, un second dispositif de blocage de signal à une voie, associé au second trajet, pour empêcher le signal du second trajet de continuer à travers celui-ci quand l'amplitude du signal de limite inférieure est supérieure à celle du signal du second trajet possible.