Brevet FR2130636A1 — publié le 19721103

i 2130636 ; - - Lj. présente invention se rapporte d.'une façon générale à un système perfectionné de commande d'un groupe à turbine à gaz et elle a trait plus particulièrement à un système de commande agencé pour être utilisé avec des turbines à gaz de navire. 5 La commande des différents paramètres d'une grande tur bine à gaz est assez complexe mais, par suite de l'augmentation de cette complexité-, on.-a pu améliorer-"les caractéristiques de sortie et, en même temps, augmenter la durée de service d'un grand nombre-des composants de la turbine» De telles commandes 10 comportent: normalement des moyens pour agir sur le débit de carburant fourni à la chambre de combustion de la turbine à gaz en fonction de signaux de commande obtenus par prélèvement des paramètres de fonctionnement, de la turbine à gaz. Oh connaît des exemples de tels systèmes de commande, par exemple celui 15 décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3520133. •L'invention concerne une boucle de commande de puissance ây-ant- une caractéristique -de ■ limitation, de couple améliorée. Dans les systèmes connus, un réglage prédéterminé de puissance était effectué sur une boucle de commande, de puissance 20 d'une turbine en vue de régler le groupe de manière à obtenir un débit de carburant ou une puissance de sortie déterminés„ Cependant le réglage prédéterminé de puissance était fonction des autres paramètres de fonctionnement "de la'turbine, ces paramètres pouvant imposer un débit de carburant inférieur à celui 25 correspondant au réglage prédéterminé de puissance» Cependant lorsque le réglage.prédéterminé de puissance n'était pas limité par un des autres paramètres de fonctionnement, il se produisait une demande de débit de carburant correspondant à celle du réglage prédéterminé de puissance. La sortie de la boucle de 30 commande de puissance était alors .comparée au. débplt réel de carburant par l'intermédiaire d'un signal de réaction correspondant „ • ' •L1invention - concerne un procédé de limitation"d'un signal de réglage prédéterminé de puissance exercé lorsque 35 l'arbre de sortie est soumis constamment à un réglage de pas d'hélice et à des conditions qui produisent une réduction de la vitesse de l'arbre de sortie. Si pour -une raison quelconque l'arbre de sortis devient surchargé, le couple engendré augmente 72 10322 2 2130636 nécessairement: quel que soit le réglage prédéterminé de la puissance. En outre, l'invention concerne une limitation similaire d'un signal de réglage de puissance augmenté qui a été appliqué à la turbine à.gaz en produisant une augmentation de 5 la puissance à l'arbre de sortie. Si, du fait de la charge exercée sur 1'hélice.par.exemple, la vitesse de l'arbre de sortie n'augmente pas aussi rapidement que la puissance, il peut en résulter la génération d'un couple excessif» Suivant l'invention, on envisage trois modes d'utilisa-lo tion du groupe à turbine à gaz. Dans le premier mode un signal de réglage minimal de puissance est fourni à la boucle de com- . mande de puissance et est indépendant d'une position du levier de propulsion., Dans cette disposition, la vitesse du navire est modifiée de 0 jusqu'à une valeur maximale de réglage établie à 15 T'aide du levier de propulsion qui as sur,e, par l'intermédiaire d'une première commande de pas, une condition de pas de l'hélice variant en correspondance entre 0 et un maximum pour l'arbre de sortie de la turbine à gaz» •_ Dans le second mode d'utilisation, la position du levier 2o de propulsion applique un signal d'entrée à une première boucle de commande de.pas, utilisée dans le premier mode de fonctionnement, et applique également un signal d'entrée de réglage prédéterminé de puissance à la boucle de commande de puissance, ce signal s Ajoutant à un signal .de réglage minimal de puis-25 sance déjà existant. Dans ce mode, on obtient le pas maximal de l'hélice approximativement dans les premiers 25% de la course du levier de propulsion, la vitesse du navire augmentant linéairement dans toute la gamme de déplacement du levier de propulsion o 3o Dans un troisième mode d'utilisation, un réglage désiré de puissance, indiqué par. la position du levier de propulsion, détermine un débit de carburant correspondant dans les chambres de combustion de la turbine à gaz. Dans ce mode, on utilise une seconde boucle de. commande de pas pendant que la première bou-35 de de commande de pas .est. au repos „. Un . signal., de vitesse de l'arbre de sortie est utilisé, comme entrée dans ,1a seconde commande de: pas. Dans ce mode, iL est souhaitable de maintenir - la vitesse de l'arbre de- sortie constante pour un réglage pré- 72 10322 2130636 -détermina de puissance en Taisant varier le pas en correspon-d-jice. En conséquence, le signal de vitesse de l'arbre de sortie indique, à la seconde commande de pas une variation de la vitesse de l'arbre de sortie. 5 L'invention a en conséquence pour but de limiter la va leur du couple qui peut être produit pendant le second et le troisième modes d'utilisation lorsque le navire est soumis à des conditions produisant une réduction de. la vitesse de l*ar-bre de sortie ou bien une augmentation du signal de réglage de lo puissance. L'invention est mise en. pratique suivant deux modes d*utilisâtion par comparaison du signal de réglage prédéterminé de puissance appliqué à la turbine à gaz et d'un signal proportionnel à la vitesse de l'arbre de sortie» Un dispositif de 15 transmission utilisé pour cette comparaison et laissant passer le plus petit des deux signaux limite ainsi la valeur du couple qui peut se produire dans les éléments de transmission du système. Il existe une relation linéaire prédéterminée entre la puissance de sortie et la vitesse de l'arbre de sortis pour la 2o limite supérieure du couple de sortie admissible. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels. : 25 La FIG. 1. est un schéma simplifié d'une commande analo gique à courant continu applicable à une turbine à gaz pour la mise en pratique de l'invention ; La FIG. 2 représente la puissance appliquée par la turbine à gaz en fonction de la vitesse résultante de l1hélice. 5o Sur la FIG.- 1, on a représenté d'une façon simplifiée une turbine à gaz 1 à deux arbres qui comprend un compresseur 2, une chambre de combustion 3, une turbine haute-pression 4- et une turbine basse-pression 5- On sait que, dans certaines installât ions à "urbines à gaz, il est souhaitable que la turbine 35 haute—pression 4 entraînant le compresseur" 2 et la turbine basse-pression 5 soient montées sur des arbres séparés. Dans l'application représentée sur la FIG. 1, un arbre 6 de turbine basse-pression est relié par 11intérmédiaire d'un train d*engre~ 72 10322 4- 2130636 -nages de réduction, représenté symboliquement en 7, à une hélice 8. L'hélice 8 est du type à pas réversible réglable et son fonctionnement sera décrit de façon plus détaillée dans la suite. 5 Une tuyère de second étage 9 cLe- section variable relie aérodynamiquement la turbine haute-pression 4 à la turbine basse -pression 5° Les détails de cette tuyère ne rentrent pas dans le cadre de l'invention et de telles tuyères sont bien connues, par exemple celle décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amé-lo rique n° 2625789 déposé par la demanderesse. De l'air pénétrant dans l'entrée de compresseur en 11 entretient la combustion du carburant injecté par une buse 12 dans la chambre de combustion 3» Les gaz d'échappement chauds, après passage dans la turbine haute-pression 4- et dans la 15 turbine basse-pression 5S sortent par l'orifice 13 de la turbine en passant devant des détecteurs de température répartis tels que 14- pour mesurer la température des gaz d'échappement. Une pompe de carburant 15 à débit variable est entraînée par on arbre 10 de turbine-haute-pression et fournit du carburant à la 2o buse 12 à un débit qui est fonction à la fois de la vitesse de rotation de l'arbre 10 et de la course de pompe qui est réglée par une servo-commande de carburant 16. Les détails de la servocommande de carburant 16 ne font pas partie de l'invention et elle peut comporter tout servo-mécanisme qui régie la commande 25 de course de la pompe dans une position correspondant au signal électrique de réglage de position, de nombreux dispositifs étant connus sur le marché pour remplir une telle fonction» En outre, puisque la turbine à gaz peut utiliser du carburant gazeux, auquel cas u_n système à soupape commande le débit de 3o carburant fourni à la chambre de combustion, le terme "signal de commande de carburant" est utilisé pour désigner le signal indépendamment du "ûype de carburant employé. Le signal de commande de carburant est un signal électrique de valeur unique qui apparaît dans la ligne 17 et qui 35 est appliqué à la commande de carburant 16 par un circuit de commande de valeur faible co-mposé de plusieurs diodes 18» Les diodes 18 sont polarisées comme indiqué sur le dessin par rapport à une ligne omnibus commune 19 par laquelle le signal de 72 10322 5 213Û636 commande de carburant est transmis à la ligne 17.. Gomme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3520133, cette disposition permet de contrôler une série de signaux individuels de commande de carburant provenant de commandes séparées 5 à boucle fermée qui réagissent, à des paramètres de fonctionnement respectifs de la turbine à gaz. Le signal - minimal de commande de carburant est transmis par la ligne 17 et il détermine ainsi le débit de carburant fourni à la chambre de combustion de la turbine à gaz. lo On utilise plusieurs boucles de commande 20, 21, 22 et 23. :La commande 20 agit en réponse à une température moyenne d'entrée en relation avec la zone de sortie de gaz d'échappement de la'turbine. La commande 21 agit comme un dispositif de contrôle de charge et de vitesse tandis que les commandes 15 22 et 23 contrôlent respectivement les conditions d'accélération et de démarrage de la turbine à gaz. Les détails particuliers des boacles de commande 20, 21, 22 et 23 ûe sont pas nécessaires pour la. compréhension de l'invention. Le fonctionnement de telles boucles de commande a été décrit dans le brevet 2o américain précité. _ Pour produire un signal de commande de carburant supplémentaire apparaissant dans la ligne 31, il est prévu une boucle supplémentaire de commande 24. qui réagit à une valeur de réglage de puissance et à un signal de réaction représentant 25 le débit réel de carburante Généralement le navire comportant la turbine précitée peut être utilisé suivant trois modes, à savoir à l'accostage , en manoeuvre et en mer, ces modes étant sélectionnés par un sélecteur 49. Les trois modes ont été désignés par les symboles 3o D, M et S sur la FIG. 1... Dans les trois modes, on peut obtenir une course de déplacement de 100% des leviers de propulsion 34-et 35. L'un ou l'autre des leviers peut être utilisé pour commander le groupe d'entraînement du navire à partir du pont ou à partir d'une aille des machines. . 35 . A l'accostage (D), 1.' invent ion ne s'applique pas. Un signal de puissance■minimale prédéterminée est appliqué à l'amplificateur de commande de puissance 40 par 11 intermédiaire de la ligne 45. Un signal de réaction représentant la vitesse 72 10322 6 2130636 réelle du compresseur et multiplié par un gain de compensation est également appliqué à l'amplificateur de commande de puissance 40 par l'intermédiaire d'une ligne 41» En conséquence,la "boucle de commande supplémentaire est convertie en un simple 5 régulateur pour la turbine à haute pression et le compresseur , Dans ce mode d'utilisation, la puissance de la turbine à gaz étant réglée-à un niveau minimal, la vitesse du navire est . commandée en faisant varier le pas d'hélice par l'intermédiaire d'une première commande de pas représentée d'une façon générale lo sous, la forme d'un amplificateur opérationnel 56. Lorsque le levier de propulsion est avancé, un signal d'entrée est" appliqué à l'amplificateur opérationnel 56» Cet amplificateur 56 produit iin. signal d1 entrée appliqué à un amplificateur opérationnel .53 Par l'intermédiaire d'une ligne 52 en vue de com-15 mander le pas de l'hélice par l'intermédiaire d'un servomécanisme 54. De cette manière, un pas d'hélice compris entre zéro et un maximum correspond à une position de déplacement comprise.entre zéro et un maximum du levier de propulsion, ce qui- permet d'effectuer une commande de la'vitesse du navire 2o avec une grande sensibilité, comme'cela est nécessaire lors d'un accostage. En outre,en l'absence d'un signal transmis par l'intermédiaire de l'amplificateur opérationnel 56 et de la ligne 52, un pas nul est imposé à l'hélice du navire. Le système de commande suivant l'invention est impor-25 tant dans le mode d'utilisation en manoeuvre (M). Lorsque le levier de propulsion n'a pas été avancé, un signal de puissance minimale prédéterminée est appliqué à l'amplificateur de commande de puissance 40 par l'intermédiaire de la ligne 45* cLe la même manière que pendant l1accostage„ Lorsque le levier de pro-3o pulsion est avancé, un réglage de puissance prédéterminée est exercé sur un générateur de fonction 'cubique 39» Le générateur de fonction 39 fournit un premier signal.représentant le réglage de puissance prédéterminée à la turbine, à gaz. Le générateur de fonction 39 fournit le premier signal de manière que 35 la vitesse réelle du navire augmente linéairement à mesure qu'on avance le levier de propuis ion„ Cela résulte du fait que la vitesse du navire est proportionnelle au cube de la puissance du navire. En outre, dans, ce mode d'utilisation, on utilise la 72 10322 7 2130636 même commande de pas que pendant l'accostage ; cependant, on atteint lo pas maximal do l'hélice lorsque le levier de propulsion a été avancé d'environ 25% de sa course totale. Dans le mode de manoeuvre des systèmes connus, il était 5 possible de rencontrer des conditions résultant d'un couple excessif et mettant par conséquent en danger d'endommageaient des éléments du système. Par exemple, si une variation de la charge produit une surcharge de l'arbre de sortie st si le réglage de puissance et le réglage de pas d'hélice restent les lo mêmes, il peut en résulter une augmentation excessive du couple» Suivant l'invention, il est prévu un dispositif de commande 79 pour réduire le débit de carburant temporairement en réponse à une indication d'une valeur excessive du couple jusqu'à ce que la condition qui a provoqué cette augmentation excessive du 15 couple soit supprimée. ..Dans le circuit de transmission 79» le premier signal représentant le réglage de puissance prédéterminée apparaît dans une ligne 76» Un signal de contrôle représentant la vitesse de charge ou la vitesse de l'hélice apparaît dans une 2o ligne 78. Le signal transmis par la ligne 78 est appliqué à l'amplificateur opérationnel 80 qui produit à son tour un second signal représentant la vitesse de charge ou la vitesse de l'hélice et qui apparaît dans la ligne 77- Le circuit de transmission 79 est un circuit de transmission du signal de plus 25 faible valeur se composant des diodes 81. Les diodes 81 sont polarisées de la manière indiquée sur le dessin et reliées par une ligne omnibus commune 82 à partir de laquelle un troisième signal représentant le plus faible des signaux apparaissant dans les lignes 76 et 77 est transmis aux lignes 83 et 75* 3o Pendant la marche de la turbine à gaz en Manoeuvre et si le premier signal fourni par le générateur de fonction 39 est appliqué directement à l'amplificateur de commande de puissance 40, il est possible que les composants de transmission mécanique du système soient soumis à un couple excessif dans le cas 35 où l'arbre de sortie est surchargé pour une raison quelconque, et où le pas d'hélice est maintenu à une valeur constante. Le but du circuit de transmission du signal le plus faible valeur 79 est de comparer le second signal, spécifiquement un signal 72 10322 8 2130636 de vitesse alnimale de charge, transmis par la ligne 77 avec le premier signal (représentant le réglage prédéterminé de la puissance) transmis par la ligne 76- Lorsque 1e second signal transmis par la ligne 77 est comparé avec le premier signai 5 transmis par la ligne 76, or peut déterminer si le couple de sortie dépasse une limite supérieure admissible,, Le troisième signal apparaissant dans les lignes 83 et 75 est ajouté au signal de puissance minimale prédéterminée existant et il est comparé au débit réel de carburant représenté par le signal lo transmis par la ligne 41, L'amplificateur ox>érationnel 40 fournit ensuite un signal de commande de carburant supplémentaire résultant de la comparaison entre la somme des signaux transmis par les lignes 75 e"t 4-5 et le signal de réaction transmis par la ligne 41. 15 Comme le montre la FIG. 2, la limite supérieure du cou ple admissible est applicable à toute la gamme des puissances appliquées et des vitesses d'hélice résultantes. Cela découle du fait que la puissance de sortie de la turDine à gaz est égale au produit de sa vitesse en charge par son couple de sor-2o tie. En conséquence, lorsque le second signal transmis par la ligne 77 devient inférieur au premier signal transmis par la ligne 76, en indiquant - que le couple maximal admissible est dépassé si le réglage prédéterminé de puissance imposé par le premier signal entre en action, le circuit de transmission du 25 signal de plus faible valeur 79 laisse passer le signal le plus faible, c'est à dire le second signal, transmis par la ligne 83 et le premier signal est arrêté jusqu*à ce que la vitesse en charge atteigne une valeur permettant une augmentation supplémentaire du réglage de puissance prédéterminée de la turbine à 3o gaz qui ne produit pas un dépassement de la limite supérieure admissible du couple. Sur la FIG. 2, on a représenté les résultats décrits plus haut. On a indiqué un point a sur la courbe de fonctionnement en régime permanent A. Lorsque la vitesse de l'hélice diminue du fait d'une surcharge au niveau de puissance 35 constante a, on se rapproche du point b où la limite supérieure admissible du couple est atteinte. Uns autre diminution de la vitesse de l'hélice fait en sorte que le second signal devienne inférieur au premier signal, comme décrit plus haut, et que le 72 10322 9 2130636 point de fonctionnement se déplace le long de la courbe B de limitation de couple jusqu'en c. Lorsque la vitesse de l'hélice revient à la valeur correspondant au régime stable, on retrouve la courbe décrite plus haut. Il est évident que les deux cour-5 bes précitées représentent des limites entre lesquelles la transition entre c et a peut s'écarter d'une droite. Dans une seconde situation mise en évidence sur la FIG. 2, on augmente brutalement le niveau de réglage de puissance appliquée d jusqu'au niveau a. Si la vitesse de l'hélice n'augmente pas 10 aussi rapidement que la puissance engendrée par la turbine à gaz, il n'est pas possible que la limite supérieure admissible de couple soit dépassée. Par exemple, si une puissance accrue de turbine est appliquée pour une vitesse de l'hélice désignée par d, on se rapproche du point £ où la limite supérieure admissible 15 de couple est atteinte. Au point c, le second signal devient inférieur au premier signal, en empêchant ainsi une augmentation de puissance qui se traduirait par un dépassement de la limite supérieure admissible du couple. Lorsque la vitesse de l'hélice augmente, le point de fonctionnement se déplace le long de la 20 courbe de limitation de couple jusqu'en b, qui est au même niveau de puissance que le point a. La vitesse de l'hélice continuant à augmenter, le point de fonctionnement se déplace le long de la courbe entre b et a. Il est évident que le trajet défini ci-dessus et la courbe de puissance en régime stable représentent des li-25 mites entre lesquelles la transition entre d et a peut s'écarter d'une droite. Dans le mode d'utilisation "en mer", la caractéristique de limitation de couple du circuit 79 n'est pas nécessaire, bien qu'elle soit disponible. Le signal de puissance prédéter-30 minée engendré par le générateur de fonction 3 9 est combiné avec le signal de puissance minimale prédéterminée apparaissant dans la ligne 45 et la somme résultante est comparée avec le signal de réaction apparaissant dans la ligne 4£ et représentant le débit réel de carburant. Dans ce troisième mode une seconde 35 commande de pas est actionnée par un signal transmis par l'intermédiaire des lignes 73 et 52. Cette seconde commande de pas est intrinsèquement un dispositif de limitation de couple. Un signal 72 10322 lo 2130636 représentant la vitesse de charge est appliqué à l'amplificateur opérationnel 65. Le signal résultant transmis par les lignes 73 et 52 agit de façon à maintenir la vitesse en charge constante, pour un réglage de puissance prédéterminée, par va-5 riation du pas de l'hélice par l'intermédiaire d'un servo -mécanisme 5^ en réponse au signal appliqué à l'amplificateur opérationnel 53» En conséquence, dans le mode d'utilisation "en mer", le circuit de transmission 79 fonctionne comme un dispositif de limitation de couple dans le cas où la seconde com-lo mande de pas devient sans effet. Le signal supplémentaire de commande de carburant fourni, par l'amplificateur opérationnel 40 est transmis par- la ligne 31 » Lorsque ce signal est le plus faible de tous les signaux de commande de-carburant, il est transmis par le circuit de trans-15 mission du signal de plus faible valeur représenté par les diodes 18 sous la forme d'un quatrième signal apparaissant dans la ligne 17. Ce quatrième signal est lui-même transmis'par l'intermédiaire de la commande de carburant 16 à la pompe de carburant 15. En conséquence, lorsqu'il existe des conditions qui pour-2o raient soumettre les composants de sortie à un couple excessif, le quatrième signal réduit le débit de carburant fourni à la chambre de combustion de la turbine à gaz en empêchant ainsi la génération d'un couple excessif. 72 10322 ii 2130636 - REVENDICATIONS - 1 - Système do commande de groupe à turbine à gaz comportant un dispositif d1alimentation en carburant et un servomécanisme pour commander le débit de carburant fourni par le- 5 dit dispositif d1 alimentation à une chambre de combustion de la turbine à gaz en fonction d'un signal minimal de commande de carburant engendré par plusieurs boucles de commande ré agis s fan t chacune de façon continue à un paramètre différent de fonctionnement de la turbine à gaz, système caractérisé en ce qu'il lo comprend des moyens pour produire un signal de réglage de puissance prédéterminée, des moyens pour produire un signal de vitesse en charge et une boucle supplémentaire de commande fournissant un signal supplémentaire de commande de carburant qui représente le plus faible signal obtenu par comparaison dudit 15 signal de réglage de puissance prédéterminée et dudit signal de vitesse ên charge afin que le couple exercé sur l'arbre soit limité par ledit signal supplémentaire de commande de carburant lorsqu'il est fonction dudit signal de vitesse en charge. 2 - Système de commande de groupe à turbine à gaz coa-2o prenant un dispositif de servo-commande du débit de carburant fourni à une chambre de combustion de la turbine à gaz en fonction du plus petit signal de commande de carburant produit par plusieurs boucles de commande réagissant chacune à un paramètre différent de fonctionnement de la turbine à gaz et agencées 25 pou.-? produire un signal de commande de carburant respect if, caractérisé en ce qu'il comprend une boucle supplémentaire de commande fournissant un signal supplémentaire de commande de carburant, ladite boucle supplémentaire de commande comprenant des moyens de génération d'un signal de puissance minimale, des 3a moyens de génération d'un premier signal représentant un réglage de puissance prédéterminée,des moyens pour produire un second si gnal proportionnel à la valeur de la vitesse en charge,des moyens pour produire un signal de réaction représentant le débit réel de carburant,des moyens de transmission de signaux pour 35 comparer le premier signal et le seeoad signal et pour fournir un troisième signal représentant le plus faible desdits premier et second signaux et des moyens de sommation pour combiner ledit signal de puissance minimale,ledit troisième signal et ledit signal de réaction pour produire ledit signal supplémentaire de 4-a commande de carburant.