Brevet FR2462564A1 — publié le 19810213

L'invention concerne une installation de régulation pour des tuyères de poussée réglables de turboréacteurs à double flux du type à arbres multiples, constitués par un compresseur basse pression actionné par une turbine basse pression, et oui comprend un compresseur placé radialement à l'intérieur mour le premier flux, et un compresseur placé radialement à l'extérieur pour le deuxième flux, ainsi que par un compresseur haute pression actionné par une turbine haute pression précédée d'une chambre de combustion, une tuyère de Dost-combustion étant prévue qui est alimentée en gaz d'échappement de la turbine par le premier flux chaud, et en air comprimé par le deuxième flux relativement froid. Les tuyères de poussée réglables pour faire varier la section de sortie efficace du jet sont surtout utilisées dans les turboréacteurs à post-combustion, car ceux-ci peuvent fonctionner alors avec un débit accru et à des températures de gaz plus élevées. Le réglage des tuyères de poussée s'ef- fectue par commande ou régulation en fonction de divers para- mètres, notamment de la différence de pression des turbines, qui est une mesure proportionnelle de la puissance momentanée du réacteur. Les organes de commande et de régulation connus pour le réglage des tuyères de poussée ne tiennent pas complètement compte de'la complexité de l'aérodynamique et de la thermo- dynamique d'un turboréacteur. Ces moteurs à puissance snéci- fique très élevée soulèvent en tenant compte des très rapides changements de charge, notamment dans les combats aériens qui entraînent de grandes variations de vitesse et de grandes différences d'altitude, des problèmes particuliers qu'il faut maitriser avec un facteur de sécurité élevé. A ceci s'ajoute l'exigence d'une faible consommation spécifique de carburant autant nue possible à tous les régimes notamment pendant le vol de croisière. - Aujourd'hui encore, le réglage de la turbine à gaz à compresseur axial utilisé dans les réacteurs de grande puis- sance qui, à côté de ses grands avantages, ne présente au'une zone de travail stable relativement étroite, soulève de grandes difficultés. On demande une concention de réacteur aui per- mette de faire fonctionner la turbine à gaz sur une très grande zone de charges sans pompage de compresseur. Avec ce phénomène, l'écoulement d'air se fractionne entre les diffé- rents étages de compression, ce qui peut conduire à une ré- duction considérable de la Puissance du réacteur allant jusqu'à l'arrêt comolet du Drocessus d'écoulement. On a oro- nosé plusieurs mesures nour éviter ce phénomène redouté de pom- page dû aux osciilations des gaz. Il est possible, d'une part de régler ou d'agrandir la section transversale efficace de l'entrée d'air au régime surcritiaue, et, d'autre part, de faire varier la section d'ouverture efficace de la tuyère de poussée afin d'éviter une rétroaction nuisible sur le ou les compresseurs axiaux aérodynaminuement sensibles. Il est en outre possible, notamment en fonctionnement à charge partielle, de déplacer les aubes du compresseur et/ou d'évacuer de l'air comprimé entre les différents étages de compression, ce qui toutefois provoque des pertes de puissance. De même, la divi- sion du compresseur axial, pour les réacteurs à axes multiples du type mentionné plus haut, en plusieurs groupes de compres- seurs tournant à des vitesses de rotation différentes, sert notamment à éviter le pompage de compresseur et à repousser encore la limite de Dompage. Le champ caractéristique de fonctionnement d'un turbo- réacteur à host-combustion est déterminé par ailleurs, par la limite d'extinction de la tuyère de post-combustion laquelle est soufflée par un écoulement s'effectuant à des nombres de Mach trop élevés oui ne permettent plus une combustion stable. Pour cette raison, il faut également éviter de dépasser cette limite. C'est un but de l'invention de fournir des conditions de travail optimales Dour un turboréacteur, en ce qui concerne la puissance maximale et la sécurité de fonctionnement, a tous les régimes, aussi bien en vol de croisière qu'à un régime à accélérations élevées; c'est-à-dire aux grands changements de charge, tels au'ils se Droduiqent pendant les combats aériens. Ce but est atteint, conformément à l'invention, nar le fait, qu'avec une installation de régulation du tyne mentionné ci-dessus, on utilise comme grandeur de réglaze et de mesure le rapport de compression ( EnVZ) entre la Pression (psD) après le compresseur situé radialement à l'extérieur pour le deuxième flux et la pression (PSE) de l'air pénétrant dans le réacteur en tant que valeur théorique variable ( a Nvz-théor.) en fonction des vitesses de rotation réduites (Nr) du compres- seur basse pression, ce qui assure en régime permanent, une consommation minimale de carburant dans la plage subsonique et une poussée maximale dans la plage supersonique et, en régime variable, garantit la stabilité entre les deux limites aérodynamiques, pompage de compresseur (GIB,, G1H), d'une part, et extinction de la tuyère de post-combustion (G2B,, G2H) d'autre part. La grandeur de réglage, ou de mesure, de l'invention ( X Nvz-théor) constitue, dans le champ caractéristique de réglage dont l'un des axes (ordonnée) est déterminé par le rapport de pression PsD et l'autre axe (abscisse) est déter- PsE miné par les vitesses de rotation réduites (Nr) du compresseur basse pression, pour les régimes permanents - vol de croisière sans postcombustion (MF o.NB), ainsi que vol de croisière avec post-combustion (MF m.NB) -, et pour les régimes varia- bles avec et sans post-combustion (vH m.NB et vN o.NB), des courbes de réglage théoriques ( xNYZ - théor), dont les valeurs ont été obtenues préalablement par calcul et/ ou par des essais en soufflerie, au banc d'essais ou en vol et sont introduites dans le régulateur; à l'apparition d'un écart de réglage, on détermine alors celui-ci par comparaison de la valeur théorinue correspondante (ponctuelle) sur la courbe de réglage théorique appropriée ( Xvz-théor) avec la valeur réelle instantanée régnant auparavant ( it NZ-réelle) et on ramène cet écart à zéro en faisant varier l'angle d'ouverture de la tuyère de poussée ( S) ou la section transversale efficace de In tuyère de poussée. Selon l'invention, les courbes de réglage théorinue ( X Nvz-théor), inscrites dans le champ caractéristique de réglage ou enregistrées dans le régulateur, de tous les régimes cités, sont définies en fonction de l'altitude de vol ou d'une valeur proportionnelle à cette grandeur, de la pression statique (PsE) de l'air entrant dans le réacteur. Lors d'un écart de réglage, la courbe de réglage théorique ( x NVZ-théor) correspondant à la pression instantanée mesurée (psE) et au régime instantané (IF o.NB MFB m. NB, VH o.NB, VH m.NB) est commandée par le régulateur. Comme il a déjà été mentionné nlus haut, le but pour- suivi avec les systèmes de commande et régulation connus des tuyères de poussée réglables, est de veiller, en fonctionne- ment, à ce que le point de fonctionnement se trouve chacue fois à l'intérieur des deux limites aérodynamiques précitées, afin d'éviter le pompage de compresseur et l'extinction de la chambre de post-combustion. On vise à obtenir dans ce cas des conditions de fonctionnement optimales. Les paramètres utili- sés pour la commande ou le réglage ne conviennent pas nour obtenir le résultat optimal, étant donné que les dispositifs et sondes prévus pour mesurer ces paramètres dans des réac- teurs montés sur des avions ne sont pas en mesure, ni numé- riquement, ni qualitativement, compte tenu des états de vol instantanés, notamment pour des situations extrêmes telles que des angles d'incidence de vol importants et de fortes accélérations positives et négatives, d'obtenir avec une précision suffisante les masses instantanées passant effecti- vement. La grandeur de réglage proprement dite, à savoir le débit du réacteur pendant le vol, n'est donc pratiquement pas mesurable et on ne doit pas la prendre comme grandeur de réglage directe en vol. C'est ici qu'intervient l'invention, oui se caractérise par le kit que les valeurs de débit optima- les possibles sont déterminées. approximativement ou avec une précision suffisante au préalable par calcu]l, au banc d'essais et en essais en vol, même au prix de mesures comnlexes et coû- teuses, et qu'en partant de ces valeurs, on utilise comme va- leur théorique la grandeur de mesure variable selon l'invention, en fonctionnement en vol, au lieu du débit optimal du réacteur existant dans la pratique, c'est-à-dire au'on relie cette grandeur aux angles de déplacement correspondants des tuyères de poussée, et que cet anales sont réglés selon la loi de réglage proposée. L'avantage particulier en est qu'on veut mesurer de façon simple les valeurs réelles de la grandeur de réglage en fonctionnement en vol praticue. Il en est de même nour la détermination ou la-sélection de la courbe de réglage - théorique correspondante du fait qu'il est possible de mesurer avec précision les Dressions avant le compresseur du flux ex- térieur, les vitesses de rotation (NNV) du compresseur basse pression, les positions et les vitesses des manettes des gaz et la température de l'air pénétrant dans le réacteur et qu'on peut déterminer avec précision les valeurs réelles des angles d'ouverture des tuyères de poussée, à partir de cuoi on peut, pour finir, calculer les valeur théoriques de la grandeur de mesure. Avec le régulateur de tuyères de poussée, selon l'in- vention il est possible de maintenir à des valeurs optimales le point d'opération du compresseur basse pression du deuxième flux ces valeurs ayant été au préalable obtenues en essais avec une précision suffisante. Pour ces essais, on peut tenir compte des différents régimes, tels que charges partielles, pleine charge, avec ou sans post-combustion, vol subsonique et supersonique, rapidité de variation des charges, etc. Les résultats de ces essais sont les courbes de réglage théoriques ( n NVzthéor.), qui sont enregistrées dans le régulateur comme code de mesure pour les différents régimes cités. La valeur Nvz-théor constitue, pour cette raison, conformément à l'invention, la grandeur de mesure et de réglage proportion- nelle, par rapport à la valeur théorique de l'angle d'ouverture optimal de la tuyère de poussée às et en remplacement de celle-ci, en tant que mesure pour le débit optimal du réacteur et pour le point d'opération optimal du compresseur basse pression du deuxième flux gui est soumis à l'influence aérody- namioue particulière du fonctionnement de la tuyère de poussée et de la tuyère de post-combustion et réagit de façon sensible. Etant donné qu'avec ces problèmes complexes, il ne peut pas y avoir de solution idéale selon laquelle le réglage devrait se faire, à tous les régimes, en suivant de très près la limite de pompage, Parce que les rendements des compresseurs y sont les plus élevés, l'invention se différencie notamment en ce que, pendant les phases de vol de croisière, on met principa- lement l'accent sur une consommation spécifique de carburant minimale grâce à un réglage relativement près de la limite de pompage, particulièrement en fonctionnement subsonique et super- sonique, normalement avec post-combustion, on recherche une poussée particulièrement élevée. En outre, l'invention tient compte des phases critiques survenant dans la zone des vitesses de rotation très réduites pendant d'importantes variations de charge, c'est-à-dire lors des variations extrêmes de puissance provoquées par le pilote en combat aérien, et cela grâce à une distance suffisante entre les courbes de réglage théorique (X -théor) et les deux limites aérodvnamioues, étant donné que, de toutes façons, aux vitesses de vol relativement basses la réserve de poussée est grande. Par contre, aux vitesses transoniques et supersoniques élevées, o en général on met en marche la post-combustion et o la différence entre poussée et traînée de l'avion est faible, on attache plus d'importance à une poussée maximale qu'à une maitrise sûre des rapides variations de charge. On peut dire pour résumer que l'invention propose un système de régulation aligné et réglé sur le fonctionnement de vol pratique, qui tient compte de façon optimale des caracté- ristiques de puissance du réacteur les plus importantes et agit sur elles. L'invention est décrite ci-après plus endétail en ré- férence aux dessins annexés dans lequels: la figure 1 représente schématiquement un turboréacteur à double flux avec l'installation de régulation; la figure 2 est un diagramme pour le deuxième flux du compresseur basse pression, au voisinage du sol; la figure 3 est un diagramme pour le deuxième flux du compresseur basse pression à grande altitude; et la figure 4 représente un schéma bloc de l'installation de régulation. Le turboréacteur à double flux comporte, pour l'essen- tiel un compresseur basse pression à double flux 1 comportant un compresseur radialement intérieur la et un compresseur ra- dialement extérieur lb, un compresseur haute pression 2 qui est alimenté en air comprimé par le compresseur radialement intérieur et débouche dans une chambre de combustion 3 dans laquelle du carburant est injecté et des gaz de poussée sont -produits, une turbine haute pression 4 faisant suite à la chambre de combustion 3. laquelle turbine entraîne par un arbre creux 5 le compresseur haute pression 2, une turbine basse uression 6 oui, par un arbre central 7 entraîne le compresseur basse tression 1, une chambre de post-combustion 8 dans laquelle, lors du fonctionnement en post-combustion, une autre partie du carburant est injectée pour une augmentation sp4ciale de puissance, et une tuyère de poussée 9 dont la sec- tion d'ouverture est réclable. Les dispositifs la, 2, 3, 4 et 6 constituent le premier flux K 1 "chaud" du turboréacteur, tandis que le compresseur lb avec son conduit d'écoulement 10, constitue le second flux K 2 "froid" du réacteur. Le conduit d'écoulement 10 débouche également dans la chambre de post- combustion 8. 11 désigne les vérins qui, par l'intermédiaire d'une tringlerie 12, font varier la section d'ouverture de la tuyère de poussée 9. Dans le régulateur 13 de tuyères de poussée, on introduit les grandeurs physiques suivantes: la pression statique psE de l'air pénétrant dans le réacteur, déjà pré-comprimé par l'admission supersonique-subsonique, mesurée par une sonde manométrique 14; la température absolue TtE de l'air entrant, mesurée par une sonde de. température 15; la pression psD derrière le compresseur lb, mesurée par une sonde manométrique 16; la vitesse de rotation mécanique NNV du compresseur basse pression 1, fournie par un tachymètre 17; la position réelle de la tuyère de poussée 9, c'est-à-dire l'angle d'ouverture s de la tuyère ou une valeur Xs réelle S proportionnelle à cet angle; et la puissance du réacteur préalablement donnée par le pilote et la variation dans le temps de la puissance du réacteur, qui est déterminée par la position de la manette des gaz, ou de carburant H et sa vi- tesse de déplacement. Les diagrammes représentés sur les fig. 2 et 3 pour le compresseur la comportent chacun deux limites aérodynamiques, à savoir une limite supérieure G1B, G1H en tant que limite de pompage de compresseur au voisinage du sol et à altitude rela- tivement élevée, respectivement, et une limite inférieure G2B, G2H en tant que limite d'extinction de la post-combustion; on voit qu'à altitude élevée (fig. 3) les deux limites aérody- namiques G1H et G2H1 sont plus rapprochées, de sorte qu'ici, la situation, en ce aui concerne les dépassements des limites aux différents régimes, est encore plus critique aue pour les opérations de vol au voisinage du sol. On a porté chaque fois dans chaque diagramme quatre courbes de réglage théoriques xvz-théor., à savoir, d'abord, l. courbe de réglage théori- aue AIF o.NB pour le vol de croisière sans post-combustion, c'est-à-dire au'ici, le fonctionnement, ou le réglage peut être réalisé relativement très près de la limite de pompage GlB, ou G1H, et que de ce fait, le réacteur peut fonctionner avec une bonne consommation spécifique de carburant, oui, comme on le sait, atteint son minimum au voisinage de la li- mite de nompage. En principe, ceci vaut également pour le vol de croisière avec post-combustion, la courbe de réglaee théo- rique AF m.NB se trouvant également dans la zone supérieure du champ caractéristique de réglage. Les courbes de réglage théorique vH o.NB et vH m.NB se trouvent à une plus grande distance de la limite de pompage respective G1B et GIH, étant donné que nlus les variations de vitesse à la manette des gaz H augmentent, notamment pendant un combat aérien, plus le risque croit de dépasser la limite de pompage G1B, GiH. Ce risque at- teint son maximum avec la post-combustion (vH m.NB). On a porté également sur les deux diagrammes des fig. 2 et 3 les courbes N pour les vitesses de rotation réduites du r compresseur basse pression 1. Chacune de ces courbes indique une vitesse de rotation constante, proportionnelle au débit d'air correspondant __t. PtE Sur le schéma bloc de la fig. 4, les grandeurs physiques oui ont été mentionnées plus haut sont transformées dans un dispositif de calcul analogique-numérique 18. La valeur psD est s s introduite avec la valeur PsE dans un calculateur de rapports 19 et on obtient la valeur du rapport des pressions PsD = PsE iZ- réelle, valeur réelle instantanée de la grandeurs de réglage et de mesure. La valeur x NVZréelle est envoyée à un calculateur comparateur 20. La pression PsE est par ailleurs fournie à des calculateurs 21 et 22 de fonctions de courbes de réglage théoriques, dont le régulateur comportant un certain nombre de ces calculateurs qui sont divisés en deux catégories, le calculateur 21 travaille pour des conditions sans post- combustion, et le calculateur 22 travaille pour des conditions avec postcombustion. Un calculateur de rapports 23 calcule à partir des deux grandeurs: vitesse de rotation mécanique NNV du compresseur basse pression 1 et racine carrée de la tem- pérature absolue TtE de l'air entrant dans le réacteur, la vitesse de rotation réduite Nr (ui, dans.chaque calculateur de fonctions 21 et 22, constitue les valeurs d'abscisse. La position instantanée de la manette des gaz Il est fournie par un discriminateur de positions 24 qui selon la position à gauche ou à droite du point de commutation Hu active l'un ou l'autre des calculateurs de fonctions 21 ou 22. Un compteur de vitesse et d'accéèlration 25 influencé par les mouvements de la manette des gaz H commande, dans le calculateur de fonctions 21 ou 22, lors du dépassement d'une certaine valeur de seuil de la vitesse As, la courbe de réglage théorique vH-o.NB ou vH-m.NB. Si la valeur précitée d7t- = vH se trouve en dessous de la valeur de seuil prédéterminée, les courbes de réglage théoriques MF o.NB ou MF m.NB sont sélectionnées. La flèche psE sur les diagrammes des calculateurs de fonctions 21 et 22 symbolise le fait que dans le régulateur sont enregistrées de nombreuses courbes de réglage théorique, chaque courbe de réglage théorique n'étant basée que sur une valeur constante p. Après que, lors de l'apparition d'un écart de réglage, le calculateur de fonctions de courbes de réglage théoriques 21 ou 22, sélectionné et commandé par les différentes grandeurs réelles physiques, a calculé, avec l'aide de la vitesse de ro- tation Nr réduite instantanée et de la courbe de réglage théori- que x N -théor choisie, la valeur de fonction correspondante, c'est-àdire la grandeur ou le point demesure 7 NVZ-théor., celui-ci, comme il a été brièvement décrit, est envoyé au calculateur de comparaison 20 qui détermine, avec la valeur réelle 'tNVZ-réelle, l'écart de réglage, c'est-à-dire le si- anal de réglage ú1t * Celui-ci est amené par l'intermédiaire de la partie dynamique 26 du régulateur à un calculateur de fonctions de valeurs d'angle 27 oui calcule la valeur théorique fonctionnellement corresvondante XS pour l'angle d'ouverture de la tuyère de poussée 6,. Cette valeur théorique d'angle X. est amenée à un calculateur de différences 28 dans lequel est introduit en même temps l'angle réel instantané ô 5-réel de l'ouverture de la tuyère de poussée, c'est-à-dire la valeur X -réelle, comme valeur pour la position de la tuyère de poussée. A partir de ces deux valeurs, on calcule. aS, c'est- à-dire finalement la mesure physique en mm pour la course de la tige de piston, ou en unités de volume du liquide hydrauli- aue pour les vérins 11. On amène alors à ceux-ci la mesure calculée, de sorte que l'écart de réglage A XS peut êtrie ramené à zéro. REVENDICATIONS 1.- Installation de régulation pour des tuyères de poussée réglables de turboréacteurs à double flux du type à arbres multiples, constitués par un compresseur basse pression actionné par une turbine basse pression et qui comprend un compresseur placé radialement à l'intérieur pour le premier flux, et un compresseur placé radialement à l'extérieur pour le deuxième flux, ainsi que par un compresseur haute pression actionné par une turbine haute pression précédée d'une cham- bre de combustion, une tuyère post-combustion étant prévue qui est alimentée en gaz d'échappement de la turbine par le premier flux très chaud et en air comprimé par le-deuxième flux rela- tivement froid, caractérisée en ce que ladite installation de régulation utilise, comme grandeur de réglage et de mesure, le rapport de compression ( x NVZ) entre la pression (PsD) après le compresseur (lb) situé radialement à l'extérieur pour le deuxième flux et la pression (p.s) de l'air pénétrant dans le réacteur, en tant que valeur théorique variable ( i NVZ-théor.) en fonction des vitesses de rotation réduites (N r) du compres- seur basse pression (1), ce qui, en régime permanent assure une consommation minimale de carburant dans la plage subsonique et une poussée maximale dans la plage supersonique et, en régime variable, garantit la stabilité entre les deux limites aérodynamiques, pompage de compresseur (G1Bt Gl1) d'une part, et extinction de la tuyère de post- combustion (G2B, G21) d'autre part. 2.- Installation de régulation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les grandeurs de réglage et de mesure variables ( lNVZ-théor) constituent dans le champ caracté- ristique de réglage dont l'un des axes (ordonnée) est déter- miné par le rapport de pression PsD et l'autre axe (abscisse) est déterminé par les vitesses de rotation réduites (N r) du compresseur basse pression (1), des courbes de réglage théo- riques ( i NVZ-théor), pour les régimes permanents en vol de croisière avec ou sans post-combustion (MF m.NB et MF o.NB) et pour les régimes variables avec ou sans post-combustion (v1 m.NB et v1 o.NB) les valeurs des courbes ayant été obtenues préalablement par calcul et/ou par des essais en soufflerie, au banc d'essais ou en vol et introduites dans le régulateur, et en ce qu'à l'apparition d'un écart de réglage, celui-ci est déterminé par comparaison de la valeur théorique ponctuelle sur la courbe de réglage théorique appropriée ( ' Nvz-théor) avec la valeur instantanée réelle régnant auparavant ( X NVZ- réelle), et est ramené i zéro en faisant varier l'angle d'ou- verture de la tuyère de poussée ( -6S) ou la section trans- versale efficace de la tuyère de poussée. 3.- Installation de régulation selon la revendication 1 et la revendication 2, caractérisée en ce que les courbes de réglage théorique ( X NVz-théor), inscrites dans le champ caractéristique de réglage ou enregistrées dans le régulateur, de tous les régimes cités, sont définies en fonction de l'altitude de vol ou d'une valeur proportionnelle à cette grandeur, de la pression statique (psE) de l'air entrant dans le réacteur, et en ce que, lors d'un écart de réglage, la courbe de réglage théorique ( x NVz-théor) correspondant à la pression instantanée mesurée (psE) et au régime instantané (MF o.NB, MF m.NB, vH o.NB, vH m.NB) est commandée par le régulateur. 4.- Installation de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractériséaen ce que, lors d'ua écart de réglage, la courbe de réglage ( x NVz-théor) cor- respondant au régime et à l'altitude de vol est d'abord sélec- tionnée et commandés à l'aide d'un discriminateur de positions (2h) influencé par la manette des gaz (R), d'un ealculateur de vitesse ou d'accélération entraîné par la manette des gaz (H) et d'une sonde manométrique (14) pour mesurer la pression d'entrée (psE) Cette courbe de réglage ( x NVz-théor) est affectée à un calculateur de fonctions de courbes de réglage (21 ou 22) r4agissant en fonction de la valeur de la vitesse de rotation réduite (Nr) du compresseur basse pression (1) qui calcule la valeur de réglage théorique sur la courbe de réglage théorique sélectionnée ( X NVz-théor) et la transmet à un calculateur de comparaison (20) auquel est amenée en même temps la valeur réelle ( X Nvz- réelle) de la grandeur de mesure et de réglage et qui calcule l'écart de églage des grandeurs de mesure ( en), lequel écart est transmis à un calculateur de fonctions (27) qui détermine la valeur angulaire théorique correspondante de la tuyère de poussée ( ô6s-théor ou Xs-théor) et transmet celle-ci à un calculateur de différences (28) auquel est amené en même temps l'angle réel instantané d'ouverture de la tuyère de poussée (Xs-réel) et qui, à partir des deux valeurs précitées (Xs-théor) et Xs- rdel), détermine la différence entant qu'écart de réglage ( aXs), à la suite de quoi l'écart est ramené à zéro par réglage de la tuyère de poussée (9) dont l'angle peut varier.