Brevet FR2194004A1 — publié le 19740222

La présente invention concerne des analyseurs pour turbines d gaz et en particulier un analyseur qui rapporte les défauts diagnostiqués aux variables thermodynamiques indépendantes obtenues par l'analyse du parcours d'écoulement du gaz a travers la turbine à gaz. Des raisons économiques, la venue d'ordinateurs à grande vitesse, les insuffisances obtenues par la révision des moteurs a des intervalles de temps empiriques et un besoin imjné- diåt de connattre les fautes du moteur ont conduit au développement de dispositifs conçus pour déterminer la santé relative du moteur et autres composants d'un avion. La présente invention est particulièrement concernée par l'analyse de la santé d'une turbine à gaz par rapport aux dispositifs qui controlent des variables dépendantes des moteurs comne une partie du système total d'un aéronef. Ce dernier type de systèmes connus plus ou moins, contrôle, recueille et stocke une pluralité de variables captées qui a leur tour sont examinées par un opérateur qui statistiquement arrive à une faute diagnostiquée. Ainsi, un opérateur revoit les variables dépendantes contrôlées et obtenues et sur une base empirique cherche a diagnostiquer un mauvais fonctinnnement du moteur. Evidemment, le succès de telles techniques dépend èa général du fait qu'on se base sur une faute qui s'est déjà présentée, que l'opérateur a reconnu une telle panne par le nombre limité de paramètres contrôlés, et que les données analysées furent exactes. En tout cas, le jugement humain est un facteur important pour diagnostiquer et pronostiquer les pannes du moteur. Une bonne comprdhension des dispositifs de l'état de la technique peut etre obtenue en se rapport à la publication de la Societé "Al AA" n0 70-935 intitulée -"Computerized Airborne Integrated Data Systems" par Howard J. Moses du 20 au 22 juillet 1970 à Los Angeles USA. On a trouvé qu'on pouvait minimiser ou éliminer l'aspect du jugement humain par simulation électronique du fonctionnement du moteur en utilisant un ordinateur spécial programmé pour contenir une matrice contenant le coefficient d'influence générale du circuit des gaz de la turbine à gaz. La matrice représente des équations différentielles thermodynamiques stockées et indicatives des vrais variables indépendantes principales choisies pour "localiser" les pannes ou fautes mécaniques effectives après la présentation de changements de ces variables.Les problèmes mé caniques isolés par l'analyse du circuit des gaz sont du type qui sont identiques à ceux qui se présentent lorsque les variables indépendantes (rendements, changements de la capacité de pompage, et autres semblables) changent. tin tel système ne doit pas etre confondu avec les types d'analyseurs qui mesurent les paramètres mécaniques qui indiquent une défaillance des paliers, une faticue structurale, et autres semblables et les fautes qui se rapportent aux accessoires entratnés par le moteur, et non au vecteur luime me Par l'emploi de cette invention, il est donc possible d'évaluer simultanément toutes les fautes principales possibles 3 l'intérieur du circuit des gaz et ceci instantanément.Un des défauts associés aux types connus jusqu' présent des systèmes de détection de fautes est qu'il est possible statistiquement d'avoir plusieurs fautes qui se présentent et que les effets d'une faute peuvent cacher ou annuler l'effet d'une autre faute sur les paramètres choisis et qu'il est mathématiquement et thermodynamiquement possible pour un jeu de fautes multiples d'avoir un effet imperceptiblement similaire sur les paramètres choisis sous forme d'une seule faute sans aucun rapport avec celleci. Selon l'invention, par un choix des variables indépendantes appropriées calculées en captant des paramètres disponibles et connus, des fautes multiples peuvent être simultanément et exactement analysées pour fournir une plus grande capacité de localiser la faute réelle.Ceci fournit une méthode plus précise et plus fiable pour obtenir une faute que de se fier au jugement personnel d'individus qui sont habiles pour analyser les paramètres contrôlés et qui sont incapables de discerner une seule faute lorsque deux fautes ou plus tendent a annuler l'effet de ces fautes. L'objet principal de la présente invention est de fournir un meilleur analyseur pour une turbine S gaz pour déterminer si le moteur est en bonne condition. Un autre objetdde l'invention est de fournir un meilleur analyseur de turbine à gaz qui effectue une analyse du circuit des gaz de celle-ci. Un autre objet de l'invention est de fournir un analyseur de turbine à gaz qui contrôle ou surveille des variables dépendantes prédéterminées du fonctionnement du moteur, et transforme celleE-ci en variables indépendantes et mesure les changements de celles-ci pour déterminer les fautes du moteur. Un autre objet de 1'ir.vention est de fournir un analyseur de turbine à gaz, tel que décrit dans lequel les fautes sont directement en rapport aux déviations des variables indépendantes principales qui sont calculées électroniquement par une matrice de coefficient d'influence générale de leurs e5its sur les variables dépendantes mesurables. Un autre objet de l'invention est de fournir un analyseur du circuit des gaz pour une turbine a gaz qui utilise un ordinateur spécial ayant enregistré une ligne de base (donnée) des paramètres dépendants corrigés obtenus par surveillance du fnnctionnement du moteur et en obtenant des changements des variables indépendantes calculées d'une matrice de coefficient générale et les changements de ces variables dépendantes pour choisir les fautes du moteur. Un autre objet de l'invention est de fournir des moyens pour pronostiquer la santé future d'une turbine à gaz en utilisant un ordinateur spécial ayant enregistré des limites dont on est certain des variables indépendantes choisies et de tracer des déviations a des intervalles de temps prédéterminés des variables indépendantes principales obtenues par la matrice S coefficients d'influence générale et les changements calculés des variables dépendantesccorrigées rapportés a la ligne de base des variables dépendantes corrigées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexEs sur lesquels: Les Figures 1A, lu, et 16 sont des blocs schématiques illustrant le mode de réalisation préféré de la présente invention. Les définitions suivantes sont destinées a faciliter la compréhension de l'invention mais sans limiter celle-ci. Variable dépendante. Paramètres physicues mesurables tel que la puissance de sortie, les températuree, les pressions, le débit du carburant et les vitesses du rotor, dont les valeurs absolues ou changements sont établis par les valeurs ou changements absolus des variables indépendantes. Variable indépendante. Paramètres thermodynamiques, tel que les débits d'air, les rendements des composants, les surfaces effectives des tuyères de la turbine a gaz et les surfaces d'échappement du moteur, dont les valeurs ou changen'nts absolus sont établis par la conception mécanique et la construction du moteur, ou des modifications de celui-ci. Fautes. Un mauvais fonctionnement mécanique ou modification du circuit des aaz qui affectent la perfornance de la turbine á gaz. Matrice à coefficients d'influence générale. La matrice comporte des coefficients du groupe d'équations différentielles déffinissant les relations mutuelles parmi les différentes variables dépenda tes et indépendantes. Ta matrice c coefficients est baste sur les relations mutuelles des paramètres de la turbine à an décrit dans un livre intitulé "Gas Turbine Engine Parameter Interrelationships" par Louis A. Urban 1er et 2e éditions publieés par United Aircraft Corporation en 1967 et 1969. Turbine à eau désigne tout type de turbine à gaz que ce soit pour un turbopropulsaur, un réacteur et incluant les moteurs d'avion et industriels. Bien que certains paramétres choisis peuvent être dépendants, ils peuvent être traités comme des variables indépendantes dans les cas où il est difficile de mesurer et d'obtenir celles-ci corme par exemple la température d'entrée t la turbine à gaz (T.I.I) Liste des symboles 1 à 8 = références numériques désignant les postes dans le mo teur à moins d'indication contraire. N1 = Vitesse de rotation en tours par minute (tpm-du compresseur inférieur N2 = Vitesse de rotation en tpm du compresseur supérieur p = Pression en kg/cm2 T = Température # = Correction au jour standard NACA #CL = Rendement adiabatique du compresseur inférieur #tH = Rendement adiabatique de la turbine supérieure Wa CL = Débit d'air corrigé du compresseur inférieur en Kg/sec Wa CH = Débit d'air corrigé du compresseur supérieur en Kg/sec A = Surface Pour une turbine à un seul rotor on peut appliquer les symboles suivantes:: N/##2 = Vitesse de rotation en tpm du compresseur désigné T3/#2 = Température en degrés Rankine de décharge du compresseur P3/P2 = Augmentation de pression dans le compresseur Wf = Débits de carburant en Kg/h #2##2 T 5 = Température de la turbine en degrés Rancie e2 p5/p2= Rapport des pressions du moteur An - surface effective de la tuyère d'échappement Wa C2= Débit de gaz du compresseur #c = Rendement adiabatique du compresseur #A4 = Surface effective de la tuyère d'entrée de la turbine à gaz. t t = Rendement aGiabatique de la turbine à gaz Les Figures lA, -lB et 1C illustrent schématiquement les moyens pour diagnostiquer et pronostiquer la turbine à gaz représentée ciénéralement par la référence numérique 10 pour vérifier la santé relative de la turbine à gaz. Les ordinateurs, capteurs et circuits électriques sont considérés comme étant connus dans le métier et une description détaillée a donc été omise pour simplifier la description de l'invention.Les paramè tres présélectionnés devant être mesurés correspondent au type de moteur qui doit être surveille, l'accessibilité des paramètres et l'étendue des fautes que l'on veut obtenir. Lorsque le moteur est d'abord installé que ce soit pour un avion ou dans un but industriel la ligne de base des paramètres captes est établie, puis stockée pour etre utilisée comme donné c de référence pour être comparée aux mesures réelles se présentant subséquemment, afin d'obtenir des déviations de celle-ci.Bien que les variables dépendantes captées et corriges sont montrées comme étant mesurées un rapport des pressions particulier dans le moteur, dans ce cas, P7/P2, ce paramètre particulier peut être un paramètre quelconque du moteur inicatif du fonctionnement du moteur et sera choisi sur la base de sa disponibilité. Ainsi, ce paramètre peut être une pression quelconque, vitesse et températures quelconques. Tel que montré sur la figure lA les signaux choisis sont passés à travers la porte identifiée par le bloc 12 et après l'installation initiale du moteur (c'est à dire que lorsqu'il estiistallé, le temps est zérc) les signaux passent vers la gauche dans le bloc 14.Lorsque le réglage de la puissance est supérieur à une valeur supérieure au minimum, elle sera transmise a l'ordinateur 16 ou les signaux captés (variables dépendantes) telles que vitesses, pressions et températures sont transîcrmés en valeurs corrigées c'est à dire, référées à une base standard puis transmis au pos te suivant qui établit les valeurs de la donnée. Tel que susmentionné, les variables dépendantes corrigées seront à nouveau mesurées en comparaison du paramètre P7/P2 choisi arbitraire.- ment pour établir et stocker les lignes de donnée pour chaque variable denendnnte mesurée.Ainsi, chAque xtarinble dépendante corri Bée aura une mnformation de ligne de base établie pour le paramPtre choisi et ronstituant l'abscisse sur la courbe montrée dans le blod 18. Une fois que; nette donnée a été recueillie et stockée, le moteursera continuellement et par intermittence surveillé et ana1ys= afin de vérifier la santé relative-du moteur. Dans les signaux se présentant dans le bloc 12, seront alors transmis sur le côté droit et transmis au bloc 13. Lorsque la commande de puissance est réglée au-dessus de la valeur directe, les signaux appropriés seront transmis de l'ordinateur 20 qui reçoit les variables dépendantes telles que vitesse, pressions et températures, de façon à les transformer en paramètres corrigés simultanément a ce qui a été fait aux données de la ligne de base.Ces signaux sont acceptés par le comparateur 22 et toute différence de ceux-ci sera transmise à l'ordinateur 24 qui contient la matrice à coefficients généraux pour convertir les changements des variables dépendantes en changementssdifférentiels des variables indépendantes. La matrice qui est stockée dans l'ordinateur est constituée des coefficients du groupe d'équations différentielles definissant les relations mutuelles entre les différentes variables indépendantes et dépendantes tel que décrit dans l'ouvrage intitulé "Gas Turbine Engine Parameter Interrelationships. De ce qui précède, il est évident que le coefficient général transforme les variables dépendantes en variables indépendantes. Vu que les valeurs absolues des variables dépendantes sont déterminées par les valeurs absolues des variables indépendantes, les changements des variables dépendantes donneront les changements des variables indépendantes. Par conséquent, il faut remarquer que puisque l'ordinateur calcule les changements relatifs des variables dépendantes et des variables indépendantes, les vraies valeurs réelles de ces variables sont sans importance. La sortie de l'ordinateur 24 sera des singaux indicatifs des changements differentiels des variables indépendantes. Ceci donne l'avantage de ne pas avoir à se fier aux valeurs réelles des paramètres captés et calculés puisque le calcul concerne seulement les changements relatifs des variables dépendantes et indépendantes. Les signaux de sortie de ltordinateur 24 passent dans les diagnostics lorsqu'un changement relatif a été détecté. Les diagnostics sont une série de porte ou prêcalculées 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 > et 46 indiquant les changements différentiels des variables independantes, et captent tous les signaux de sortie et isolent la variable indépendante ayant montrée une déviation de l'information de la ligne de base. Ce signal peut passer à l'indicateur de faute approprié, c'est a dire l'indicateur de faute- 48, 50, 52, 54 ou 56 indiquant à l'operateur lequel des composants doit être inspecté dans le moteur pour localiser la faute.Ainsi, les indicateurs de faute, qui peuvent être une impression sur papier ou un indicateur lumineux qui s'allume lorsque la faute est détectée, 'présentera les emplacements particuliers qui peuvent être la cause de cette faute. Par exemple, si la capacité de pompage ou le rendement dans les boites 30 et 32 sont réduits, l'indicateur de la fenêtre 48 s'allume indiquant à l'operateur de contrôler les jeux de la pointe, l'accumulation de poussières, les pales endommagées, les aubes qui manquent, les joints endommagés et autres semblables dans la section du compresseur a pression inférieure. De même, si la rentre 50 est mise en mouvement, l'indicateur conseillera a l'opérateur de contrôler le compresseur pression supérieure pour des défauts semblables. Dans chaque cas, l'indicateur aux fenêtres des points de contrôle désignera le-poste particulier du moteur devant être vérifié, et énumèrera les fautes particulières a revoir pour éliminer la cause de la dégradation. Pour la partie pronostic de l'analyseur, les limites en termes de changements des variables indépendantes du moteur seront stockées dans le bloc de mémoire 60 et transmis l'indicateur de tendance 62, lequel peut être un lecteur permanent. Les changements des variables indépendantes de l'ordinateur 24 sont enregistrés à des intervalles de temps aonnes, de façon que l'opérateur puisse observer continuellement les tendances des dégradations des variables indépendantes.Lorsque ces limites sont dépassées, un signal mettra en action un indicateur visuel 66 pour conseiller a l'opérateur de séparer le moteur et sera transmis au diagnostic pour désigner la ou les fautes particulières. L'exemple suivant montre comment une matrice a coefficients généraux typique peut être calculée et programmée par l'ordinateur spécial pour obtenir les changements diftérentiels des variables indépendantes à partir de changements des variables dépendantes corrigées. Considérons un moteur à turboréacteur a un seul rotor. Supposons que le moteur est conçu pour avoir un rapport des pressions de compresseur et de la température d'entrée à la turbine de p3/P2=10 et T4/#2= 2I60uR respectivement.La matrice à coefficients influence généraux pour un tel moteur, tel que décrit à la page 6 de l'ouvrage intitulé "Gas Turbine Engine Parameter Interrelationshits " serait comme suit: T4./e2 T4xe2 j N/rJe2 d w dS tA4 T4/e2 2 NA2 w nc A4 z T3/e2 0.17 0.67 0.33 -0.55 55-0.33 0 .l.3/e2 J P3/P2 P3 /P2 0.50 2.00 1.00 0 -1.00 0 Wf 2 2 1.81 1.36 0.68 0.53 0.32 0 wfg2r2 2 e ,'e2 1.25 -0.43 -0.21 0.36 0.21 0 T5 /2 zP5/22 1.50 0.28 -0.14 1.43 -0.14 1.43 5' 2 bAn -0.86 1.50 0.75 -1.25 0.25 -1.43 An Supposons que les variables dépendantes mesurables corrigées aux conditions standard de jour ont des valeurs absolues lorsque le moteur est d'abord installé et après avoir tourner pendant 1000 heures soient comme suit: Nouvellement Après 1000 heures installé N/ 100% 100% T3/e2 in0R 1075 1086 P3/P2 10.00 9.81 Wf/; 24- 100% 105.3% Tu'82 in OR 1680 1764 P5/P2 3.10 3.06 a la vitesse constante mesurée de N/##2=100%; les changements mesurés des variables dépendantes sont calculées et donnent: L'6rdinateur introduit ces valeurs dans la matrice a coefficients d'influence généraux stockée et donne une solution du jeu alésuations suivantes: Il faut noter que dans ce cas, le jeu représente cinq équations à cinq inconnues.L'ordinateur est donc programmé pour résoudre celles-ci soit par le principe des déterminants ou par inversion de la matrice ces deux techniques étant bien connues et dans notre cas donnent pour solution: \T4/e2 = + .042 La température de l'entrée de la turbine s'est T4/e2 accrûe de 4,2% #Wac2 = - .02 La capacité de pompage du compresseur est réduite Wac2 de 2% ##c = - .03 Le rendement du compresseur a diminué de 3% #c #A4 = + .02 La surface da la tuyère d'entrée de la turbine A4 s'est accrue de 2% = - .02 Le rendement de la turbine a diminué de 2% t de 2%. En utilisant l'équation restante de la matrice générale l'ordinateur utilise ces valeurs pour résoudre le changement de An tel que #An = -0,86 (.042) + 1,50(0) + 0,75 (-.02) -1,25 (-.03) + 0,25 (.02) A 1,43 (-.02)= + .02 n La surface effective de la tuyère d'échappement a augmenté de 2%. La logique diagnostic programmée et stockée dans la mémoire de l'ordinateur semblable aux diagnostics montrés sur la figure 1C reconnaitrait les déviations calculées ci-dessus des paramètres indépendants comme étant indicatives d'un compresseur et turbine dégradés et d'une tuyère d'échappement endommagée, et l'ordinateur donnerait une sortie de lecture appropriée des messages indiqués pour informer l'équipage de vol de l'avion, l'équipage d'entretien ou tout autre personnel intéréssé. Les déviations calculées, y comprise la déviation de la température d'entrée à la turbine sont tracées en fonction des in tervas de temps, tel que montré sur la figure 1B pour donner des tendances permettant de faire les pronostics. La courbe peut etre utilisée pour indiquer si la dégradation est lente ou rapide et par extrapolation pour déterminer la durée de vie utile restant aux divers composants et lorsque l'entrée à la turbine approche une température de surchauffe dangereuse. Bien qu'un exemple spécifique ait été incorporé pour montrer comment calculer la matrice générale à coefficients et la matrice fut choisie tel que montré dans le litre intitulé: "Gas Turbine Engine Parameter Interrelationships" il est entendu que les valeurs numériques particulières et les variables dépendantes et indépendantes particulières choisies ne sont utilisées que dans un but explicatif. L'invention représente donc un appareil et un système pour analyser le circuit des gaz d'une turbine à gaz de façon à diagnostiquer et pronostiquer la santé relative du moteur. Un tel système fournit un indicateur de lecture désignant l'emplacement et les conditions probables qui causent la dégradation du moteur. En outre, un tel système élimine la nécessité de capter et de me surer des paramètres qui sont difficiles à obtenir tel que la tem pérature d'entrée à la turbine, les débits d'air réels et les surfaces réelles. Bien entendu diverses modifications peuvent autre appor tées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limita tifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Analyseur pour turbines a gaz pour analyser une pluralité de variables dépendantes de la turbine, c'est-à-dire des paramètres physiques mesurables, tels que la puissance de sortie, les températures, les pressions, le débit de carburant et les vitesses du rotor, dont les valeurs absolues ou changements sont établies par les valeurs ou changements absolus des variables indépendantes, c'est-à-dire des paramètres thermodynamiques, tels que les débits d'air, les rendements des composants, les surfaces effectives des tuyères de la turbine à gaz et les surfaces d'échappement du moteur, dont les valeurs absolues ou changementssont établis par la conception mécanique et la construction de la turbine a gaz ou des modifications de cie-ci, comprenant un dispositif de surveillance pour surveiller continuellement ou par intermittence lesdites variables dépendantes de la turbine, une mémoire pour mémoriser une donnée ou valeur de référence pour chaque variable dépendante de la turbine et un comparateur relié audit moyen de surveillance et à ladite mémoire pour déterminer la différence entre chaque variable dépendante de la turbine et sa donnée ou valeur de référence associée et pour produire un signal représentant la différence, caractérisé par un calculateur (16) pour calculer ladite donnée ou valeur de référence pour chaque variable dépendante de la turbine pour la turbine analysée en fonction d'une dépendante variable prédéterminée de la turbine, ladite donnée ou valeur de référence étant ensuite mémorisée dans ladite mémoire, un second calculateur connecté audit comparateur et recevant le signal représentant ladite différence de chaque variable dépendante de la turbine pour calculer un second signal correspondant à la variation différentielle des variables indépendantes de la turbine, et un moyen relié audit second calculateur et recevant le second signal des variables indépendantes de la turbine pour rapporter les variations différentielles des variables indépendantes de la turbine représentées par lesdits second signaux par des fautes particulières de la turbine. 2. Analyseur selon la revendicaton 1, caractérisé en ce que le second calculateur comprend une mémoire dans laquelle sont mémorisés des coefficients présélectionnés qui fournissent en combinaison avec les différences entre les variables dépendantes de la turbine et la donnée ou valeur de référence de chaque variable dépendante de la machine lesdites variations différentielles des variables indépendantes de la machine. 3. Analyseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen pour rapporter les variations différentielles aux fautes particulières de la turbine comprend des indicateurs visuels portant des indices indiquant l'emplacement et les fautes provoquant ledit second signal, des indicateurs visuels indiquant l'emplacement et la faute respective après l'apparition d'un second signal associé. 4. Analyseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit moyen pour rapporter lesdites variations différentielles comprend une mémoire contenant l'endroit et les fautes causant ledit second signal. 5. Analyseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par un troisième calculateur connecté audit moyen de surveillance pour rapporter lesdites variables iépendantes de la turbine à une base standard ou une journée standard. 6. Analyseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le calculateur pour calculer la donnée ou valeur de référence pour chacune d'une pluralité de variables dépendantes de la turbine calcule pour chaque variable dépendante de la turbine une information de ligne de base et en ce que la mémoire est connectée à la sortie de ce calculateur pour mémoriser l'information de ligne de base pour chaque variable dépendante de la turbine. 7. Analyseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par un limiteur pour établir des limites des variables indépendantes et un dispositif connecté audit limiteur et audit second calculateur et recevant lesdites limites des variables indépendantes et des second signaux pour enregistrer sur des périodes de temps étendues lesdits changements différentiels des variables indépendantes à comparer avec ces limites, la sortie de ce dispositif étant connectée au moyen pour rapporter les variations différentielles aux fautes particulières de la turbine. 8. Analyseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les variables dépendantes sont au moins une des variables suivantes: puissance de sortie, température, pression, vitesse de flux du carburant, vitesse des rotors ou des combinaisons de ces grandeurs, et en ce que les variables indépendantes sont au moins une des variables suivantes: vitesse du flux d'air, rendement des élements de la machine, température d'entrée de la turbine et les ouvertures effectives.