Brevet FR2168995A1 — publié le 19730907

La présente invention a trait au réglage de l'amenée de combustible pour turbines à gaz, turbo-réacteurs et analogues. Dans la technique classique un dispositif de réglage de combustible comprend un régulateur tachymétrique qui agit sur la vitesse de la turbine pour la fixer à la valeur choisie par le pilote et une commande qui détermine la façon dont s'effectuent l'accélération et la décélération. Dans les systèmes électroniques l'agencement habituel prévu pour les circuits de pilotage commande/régulation consiste à émettre un signal de sortie qui correspond à la valeur désirée pour le débit d'amenée de combustible à la turbine. Un servomécanisme commande ce débit de façon correspondante. Si le pilote exige l'accélération maximale, la sortie des circuits de pilotage commande/régulation devrait déterminer un signal plus élevé, mais on risquerait que l'augmentation du débit de combustible ne provoque le blocage du compresseur et la commande d'ac- célération a pour rôle de s'opposer à ce que ce débit ne s'élève au-dessus d'une limite déterminée par les conditions de fonctionnement de la turbine à l'instant considéré. De même la commande de décélération empêche l'extinction de la flamme en fixant au débit de combustible une limite inférieure correspondant aux conditions de fonctionnement. On propose que la commande d'accélération fixe une limite de débit d'amenée de combustible déterminée par l'équation et que celle de décélération impose de son côté une limite correspondant à l'équation P1 vw . [W1 dans lesquelles F = débit de combustible N = vitesse de la turbine P1= pression à l'entrée d'air de la turbine T1 température de l'air à l'entrée de la turbine f et g = différentes fonctions déterminées de façon empirique pour chaque type de turbine. Par conséquent lorsqu'on utilise ces données la commande d'accélération devrait recevoir des entrées correspondant aux divers paramètres et il devrait apparaître un signal de commande d'amenée de combustible qui imposerait une limite supérieure au signal prove nant des circuits de pilotage commande/régulaton. I1 a toutefois été relevé que la valeur de P1 n'est pas toujours aisément mesurable étant donné que la pression peut varier dans une mesure considérable d'un point à un autre à l'intérieur de la prise d'air. La présente invention repose sur l'appréciation que la valeur de P1 peut être obtenue à l'aide de la relation exprimée par l'équation dans laquelle Ps represente la pression atmosphérique ambiante et h une fonction déterminée de façon empirique. On peut utiliser d'autres paramètres de commande et l'on peut déterminer d'autres relations empiriques semblables liant le taux de variation d'un paramètre aisément mesurable de la turbine avec d'autres paramètres mesurables de celle-ci et avec un paramètre non mesuré. Le système de réglage d'amenée de combustible suivant l'invention comprend un dispositif propre à commander le débit de combustible en fonction d'un signal électrique qui lui est fourni, des moyens de réglage de vitesse comportant un dispositif de commande manuelle de celle-ci, et propres à émettre un signal de réglage dé manière que le débit de combustible soit tel que la vitesse réelle de la turbine se rapproche de celle désirée, et des commandes d'accélération et de décélération destinées à imposer des limites supérieure et inférieure au signal électrique de réglage précité, ces limites étant déterminées en fonction des conditions de fonctionnement de la turbine à l'instant considéré, y compris un paramètre qui n'est pas mesuré, tandis que lesdites commandes d'accélération et de décélération comprennent de leur côté des moyens générateurs de fonction propres à calculer la valeur du paramètre non mesuré à par- tir d'autres paramètres de fonctionnement aisément mesurables de cette turbine et du taux de variation de l'un de ceux-ci. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mien: comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer- La figure unique de ce dessin représente schématiquement une forme d'exécution de l'invention. Comme montré sur le dessin, le réglage d'amenée de combustible est destiné à une turbine à deux rotors bien qu'il soit également applicable à une turbine à rotor unique. Un dispositif O, de toute forme convenable, commande l'amenée de combustible au brûleur 11 de la turbine. Un transducteur de débit approprié 12, associé au dispositif de commande 10, engendre une sortie électrique proportionnelle aux débits F correspondants. La vitesse N2 de l'élément haute pression 13 de la turbine est mesurée par un appareil approprié 14, tel qu'un générateur tachymétrique. De même, la vitesse N1 de l'élément basse pression 15 est déterminée par un autre appareil 16.Un appareil 17 mesure la température Tj dans la tuyère de sortie et un autre 18 celle T1 qui règne dans la prise d'air, tandis qu'un circuit correspondant 19 engendre une sortie inversement proportionnelle à la racine carrée de T1. Enfin, un transducteur de pression 20 monté dans le capotage de la turbine mesure la pression ambiante Pi . L'appareil représenté comprend un régulateur de vitesse 21 lequel englobe un dispositif de pilotage à main 22 qui émet une sortie correspondant à la vitesse désirée pour la turbine. Il est prévu dans le régulateur de vitesse trois amplificateurs totalisateurs 23, 24 et 25 dont le premier reçoit ses entrées à partir de l'appareil 14 destiné à la mesure de N2 et d'un multiplicateur 26 qui émet un signal correspondant au produit de la sortie du transducteur 20 de Pt et de celle du dispositif de pilotage 22. Cet amplificateur 23 émet une sortie correspondant à la différence entre ses signaux d'entrée. L'amplificateur 24 reçoit une entrée à partir du dispositif de pilotage 22 et une autre de l'appareil 14, tandis que pour l'amplificateur 25 une entrée provient de ce même appareil 14 et une autre d'un circuit 27 lequel émet un signal correspondant à la limite supérieure permissible pour la vitesse N2. Les sorties de ces trois amplificateurs aboutissent à un premier circuit logique 28 laissant passer les signaux les plus bas, puis à un second 29 laissant passer les signaux les plus hauts (et dont le rôle sera décrit ci-après) pour arriver finalement à un autre amplificateur 30 qui envoie à son tour un signal de réglage de combustible au dispositif de commande 10. Il est encore prévu un intégrateur 31 qui reçoit son entrée à partir du circuit logique 29 et qui émet un signal de retour progressif pour l'amplificateur 30 à la façon connue. Au cours du fonctionnement régulier normal, lorsque le levier de pilotage est disposé pour une vitesse pouvant aller jusqu'à 70% de celle maximale, le réglage est effectué par l'amplificateur 23. Dans ces conditions de régularité, cet amplificateur n'émet pas de sortie et celle de l'amplificateur 30 se trouve au niveau requis pour assurer le débit d'amenée de combustible approprié à la turbine. Si la vitesse de celle-ci est plus élevée que la valeur désirée, la sortie de l'amplificateur 23 devient négative en provoquant ainsi une diminution correspondante de la sortie de l'amplificateur 30, de sorte qu'un moindre débit de combustible est fourni à la turbine. La vitesse de celle-ci s'abaisse alors. De même, un supplément de combustible lui est amené si sa vitesse est inférieure à la valeur désirée. Dans la gamme de vitesses comprises entre 70% et 100% du maximum, le réglage est effectué de façon semblable par l'amplificateur 24, l'amplificateur 25 ayant pour rôle d'imposer une limite de vitesse supérieure.Le paramètre n'est donc pris en considération que dans la gamme de vitesses allant de 0 à 70% du maximum. L'accélération et la décélération rapides de la turbine sent placées sous la dépendance des commandes correspondantes 32. Celles-ci comprennent essentiellement un circuit propre à calculer les valeurs de et de des dispositifs 33 et 34 propres à calculer les fonctions respectives (expressions dans lesquelles f et 9 sont des fonctions déterminées de façon empirique pour la turbine considérée et qui définissent les caractéristiques d'accélération et de décélération en vue d'éviter le blocage et l'ex- tinction de la flamme), des multiplicateurs 35 et 36 propres à émettre des sorties correspondant aux expressions et et enfin des amplificateurs différentiels 37, 38 pour comparer ces sorties avec la valeur de F à l'instant considéré. Le circuit de calcul comprend un générateur de fonction 39, lequel est prévu pour calculer une fonction expression dans laquelle h représente une fonction déterminée empiriquement à partir de la turbine en cause et qui est égale à l'ex- pression Ce générateur de fonction peut par exemple comporter des convertisseurs analogique/numériquepour mettre sous tor- me numérique les entrées analogiques une mémoire du type à batterie de diodes, et un convertisseur numerique/analogl- que pour la sortie. En variante on peut utiliser d'autres types connus de générateurs propres à engendrer des fonctions de plusieurs variables indépendantes. Le générateur de fonction 39 reçoit des entrées à partir de trois multiplicateurs 40, 41 et 42, lesquels émettent des sorties qui correspondent respectivement à Le multiplicateur 40 comporte une entrée provenant du transducteur 20 de pression ambiante ainsi qu'une autre entrée correspondant à En ce qui concerne le multiplicateur 41, de ses entrées provient du transducteur 12 de débit de combustible et une seconde d'un autre multiplicateur 43, lequel reçoit à son tour une entrée du dispositif 19 qui correspond à et une autre qui représente Enfin le multiplicateur 42 reçoit deux entrées correspondant à No et à respectivement à partir de l'appareil 14 et du circuit 19. La sortie du générateur de fonction 39 est amenée à un intégrateur 44, lequel intègre la différence entre la sortie de ce générateur et celle d'un circuit multiplicateur 45 dont une entrée provient d'un circuit différenciateur 46 relié à l'appareil 14 pour produire une sortie proportionnelle au taux de variation de N2. La sortie de l'intégrateur 44 assure la seconde entrée de chacun des circuits multiplicateurs 40, 43 et 45. L'agencement est tel que c 'est seulement lors de conditions de fonctionnement régulières que la sortie de l'intégrateur 44 correspond à la valeur de v à l'instant déterminé, étant donné que c'est alors seulement que les deux entrées de cet intégrateur 44 sont d'égale valeur. Par conséquent à tout instant la sortie des circuits multiplicateurs 40, 41 correspond aux valeurs actuelles respectives de et de Les dispositifs 33 et 34 de commande d'accélération et de décélération sont reliés chacun à la sortie du circuit multiplicateur 42, tandis que les amplificateurs différentiels 37 et 38 reçoivent leurs entrées à partir des multiplicateurs correspondants 35 et 36 et du transducteur de débit 12.Lors de conditions de fonctionnement normales régulières le multiplicateur 35 émet une sortie plus élevée que celle de l'amplificateur 23 ou 24, tandis que le multiplicateur 36 engendre de son côté une sortie négative inférieure à celle de ce même amplificateur 23 ou 24. La commande d'accélération 32 comprend encore un autre circuit propre à empêcher le blocage, savoir un amplificateur différentiel 47 recevant ses entrées du circuit différenciateur 46 ef " eft plicateur 48 dont les entrées proviennent d'un circuit 49 émettan- une sortie qui correspond à et d'un amplificateur différentiel 50. Ce dernier recoit une entrée du multiplicateur 42 et dln circuit limiteur 51 qui correspond à La sortie de I'amplilc- teur 47 est reliée au circuit logique 28 laissant passer les signaux les plus bas et il émet normalement sur celle-ci un signal qui dépasse celui de l'amplificateur 38.Ce n'est que lorsque se rapproche de la valeur fixée que cet amplificateur 47 prend en charge le réglage et agit sur l'excès d'amenée de combustible (comme approximativement déterminé par la valeur de Le système decrit comprend encore trois autres amplificateurs différentiels 52, 53 et 54, les deux premiers étant respectivçment associés aux appareils 17 et 16. L'amplificateur 52 émet une sortie qui dépasse normalement celle de l'amplificateur 23 ou 24 et qui correspond à la différence entre d'une part la température maximale admissible dans la tuyère, telle que fixée par un dispositif 55, et d'autre part la température réelle à l'instant considéré.De mêmea l'amplificateur 53 émet une sortie correspondant à la différence entre la vitesse maximale permissible de l'élément basse pression de la turbine, telle que fixée par un dispositif 56, et la vitesse réelle de ce même élément. L'amplificateur 54 sert à limiter la pression P3 immédiatement en aval du compresseur de la turbine. La valeur de P3 n'est pas mesurée en raison des difficultés sus-mentionnées que comporte la mesure précise de la pression de l'air en mouvement à l'intérieur de la turbine. Au lieu de celà, cette valeur de P3 est simulée par un générateur de fonction 57 à partir de signaux d'entrée correspondant Le premier de ces signaux est dérivé à partir d'un multiplicateur 58 qui reçoit une entrée du transducteur de débit 12 et d'un circuit 59 émettant un signal inversement proportionnel à N2. L'autre signal d'entrée est dérivé d'un multiplicateur 60 qui reçoit à son tour ses entrées de l'intégrateur 44 et du transducteur de pression ambiante 20. La sortie du générateur 57 est comparée par l'amplificateur 54 avec un signal de référence correspondant au maximum de P3, ce signal provenant d'un circuit 61. Les circuits logiques 28, 29 agissent pour choisir celui des am- plificateurs 23, 24, 25, 37, 38, 47, 52, 53 et 54 qui assure le ré glage de l'amenée de combustible. Comme mentionné plus haut, au cours de la marche normale en conditions régulières, la sortie de l'un des amplificateurs 23, 24, 25 est égale à zéro. Les sorties des amplificateurs 38, 47 52, 53 et 54 sont toutes positives, de sorte que la sortie provenant du circuit 28 est constituée par un signal zéro. Dans ces conditions, la sortie de l'amplificateur 30 reste constante. Toute dérive lente de la vitesse de la turbine est alors simplement corrigée par le régulateur de vitesse. Lors d'une accélération rapide, la commande de pilotage est amenée à une position telle que les amplificateurs 23 et 24 engendrent un signal positif plus important. Celà a pour résultat que le signal de l'un des amplificateurs 38 ou 47 constitue le signal le plus bas et c'est donc cet amplificateur qui va prendre en charge le réglage du débit d'amenée de combustible de façon à garantir que le compresseur ne se bloque pas. De même au cours d'une décélération rapide, le signal des amplificateurs 23 et 24 est négatif, il est donc moindre que celui de l'amplificateur 37, de sorte que l'amenée de combustible est réglée par ce dernier à un niveau propre à assurer qu'il n'y ait pas extinction de la flamme. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. REVENDICATIONS 1 - Système de réglage d'amenée de combustible pour turbine à gaz, caractérisé en ce qu il comprend un dispositif propre à commander le débit de combustible en fonction d'un signal électrique qui lui est fourni, des moyens de réglage de vitesse comportant un dispositif de commande manuelle de celle-ci, et propre à émettre un signal de réglage de manière que le débit de combustible soit tel que la vitesse réelle de la turbine se rapproche de celle désirée, et des commandes d'accélération et de décélération destinées à imposer des limites supérieure et inférieure au signal électrique de réglage précité, ces limites étant déterminées en fonction des conditions de fonctionnement de la turbine à l'instant considéré, y compris un paramètre qui n est pas mesuré, tandis que lesdites commandes d'accélération et de décélération comprennent de leur côté des moyens générateurs de fonction propres à calculer la valeur du paramètre non mesuré à partir d'autres paramètres de fonctionnement aisément mesurables de cette turbine et du taux de variation de l'un de ceux-ci. 2 - Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le paramètre non mesuré est constitué par la pression de l'air dans la turbine. 3 - Système suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les paramètres mesurés sont la pression atmosphérique, la température à l'entrée de la turbine, la vitesse de celle-ci et le débit d'amenée de combustible, ces paramètres étant liés par la relation: dans laquelle P1 est la pression dans la prise d'air, N la vitesse de rotation de la turbine, F le débit d'amenée de combustible, T1 la température dans la prise d'air, Pz la pression atmosphérique et h une fonction empiriquement déterminée. 4 - Système suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens générateurs de fonction comprennent un circuit électrique intégrateur propre à engendrer une sortie représentant l'intégrale par rapport au temps de la différence entre deux signaux d'entrée qui lui sont appliqués, un générateur de fonction pour engendrer la fonction h et pour appliquer un signal correspondant à celle-ci à l'une des entrées de l'intégrateur, deux circuits multiplicateurs en vue de multiplier la sortie de l'intégrateur par les va leurs des paramètres respectifs et Pcz et pour appliquer ainsi deux signaux d'entrée au générateur de fonction, lequel reçoit d'autre part un autre signal d'entrée correspondant à et un troisieme circuit multiplicateur propre a multiplier la sortie de l'in- tégrateur par la valeur de JdN et pour fournir ainsi un second signal d'entrée à l'intégrateur.