Brevet FR2496762A1 — publié le 19820625

Dispositif d'allumage et de réallumage pour turbine à gaz L'invention a pour objet un dispositif d'allumage par étincelle du carburant dans la chambre de combustion d'une turbine à gaz ou d'une turbine de turbocompresseur, comportant des moyens électroniques de contr6le du cycle de charge et de décharge d'un générateur d'étincelles du type capacitif en fonction d'un ou plusieurs paramètres de l'état de fonctionnement de la turbine. L'invention a également pour objet un dispositif de détection de l'extinction de la flamme dans la chambre de combustion et de réallumage de la combustion. Dans les turbines à gaz on utilise un dispositif d'allumage par étincelle, comme dans les moteurs à allumage commandé, pour enflammer un mélange air-carburant dans la chambre de combustion. Le fonctionne- ment du dispositif d'allumage n'est nécessaire que pendant la mise en route de la turbine et pour se garantir contre l'extinction, Cette dernière peut résulter, entre autres, d'une interruption de l'alimentation en carbu- rant ou du soufflage de la flamme par la turbulence dans la chambre de combustion. Dans un tel dispositif une décharge électrique d'une quantité d'éner- gie et d'une durée prédéterminées doit se produire entre les électrodes d'une bougie d'allumage à une fréquence spécifiée afin de permettre la com- bustion du mélange. Par conséquent l'une des raisons les plus fréquentes pour lesquelles la combustion ne se produit pas ou s'arrête est l'insuffisance énergétique de la décharge. D'autre part le dispositif d'allumage fonctionne dans des conditions particulièrement difficiles. La source d'alimentation, souvent appelée exci- tateur, doit fournir des impulsions à très haute tension d'énergie très élevée et à très fort taux de répétition. Le dispositif doit en outre fonctionner dans une plage de pression qui va de 3,5 bars jusqu'à plus de 140 bars avec des écarts de température de surface avoisinant 10000C. Souvent les électrodes se couvrent de carburant liquide dans les condi- tions du démarrage à froid. La durée de vie du dispositif, et notamment des bougies, est de ce fait limitée. Pour augmenter cette durée il est connu d'utiliser un dispositif pour détecter la vitesse de l'arbre de la turbine et déconnecter automatiquement la source d'énergie de l'allumage en réponse à la vitesse de l'arbre moteur. Mais dans les turbines à gaz, outre la période de démarrage, il se présente d'autres cas o la fonction allumage est nécessaire. En effet les turbines à gaz fonctionnent avec un important excès d'air qui s'écoule, à grande vitesse, sur les injecteurs et la flamme risque toujours d'être soufflée, et donc la combustion arrêtée, à la suite de variations des conditions de fonctionnement, telle que variation de la vitesse de l'air, de la température et/ou de la pression et/ou du débit de carburant. C'est pourquoi il est courant d'équiper un tel système d'un dispositif destiné à détecter automatiquement une extinction de la flamme et à réallumer auto- matiquement le mélangé combustible en cas d'extinction. On connait des dispositifs d'allumage pour turbines dans lesquels on détecte l'extinction de la flamme en prenant pour paramètre la vitesse de la turbine et quand celle-ci tombe au-dessous d'un niveau prédéterminé on suppose qu'il s'est produit une extinction et le dispositif d'allumage est alors remis en action. Etant donné la plage étendue de vitesses dans laquelle fonctionne une turbine, de tels dispositifs de détection prenant la vitesse comme critère ne sont pas satisfaisants. Un premier but de l'invention est de perfectionner un dispositif d'allumage pour turbine à gaz de type capacitifIpour qu'il soit apte à fournir, en toutes circonstances, l'énergie optimale permettant le démar- rage de la combustion et le maintien de celle-ci tout en augmentant consi- dérablement la durée de vie des composants du dispositif et notamment des bougies. A cet effet un dispositif selon l'invention se caractérise en ce que des moyens de contrôle du cycle de charge et de décharge pilotent à la fois la tension de charge et la fréquence de décharge du générateur d'étin- celles en fonction de la vitesse de l'arbre moteur de la turbine et éventuel- lement d'autres paramètres de l'é'at de fonctionnement de la turbine. Les valeurs de la tension et de la fréquence sont, de préférence, maximales pour une vitesse nulle de l'arbre de la turbine ou lors de l'ex- tinction de la flamme dans la chambre de combustion. Un dispositif selon l'invention se caractérise en outre en ce que le contr8le d'un convertisseur de charge, comprenant un oscillateur haute tension assurant la charge d'une cellule capacitive, s'effectue en boucle fermée par comparaison d'une tension de consigne élaborée à partir d'une tension de référence, délivrée par un générateur de fonction et représen- tative de la vitesse de la turbine et éventuellement d'autres paramètres, et de la tension de charge de la cellule capacitive. Un autre but de l'invention est d'assurer en cas d'extinction le réal- lumage de la turbine, de façon fiable et efficace. On y parvient grâce à des moyens de détection de la flamme du type opto-électroniques comportant un détecteur optique, une fibre optique transmettant la lumière détectée à un interface délivrant, en fonction du signal lumineux reçu, un signal électri- que commandant en cas d'extinction l'énergie maximale du dispositif d'allu- mage. Le dispositif de réallumage élabore dans un étage d'adaptation une tension de référence qui est superposée aux tensions de consigne, repré- sentatives de la tension de référence délivrée par le générateur de fonction, lesdites tensions de consigne pilotant respectivement le dispositif de contr6- le de la charge et le dispositif de commande de décharge de la cellule capa- citive. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit en référence aux dessins annexés qui montrent - en Fig.1 un schéma général d'un dispositif d'allumage conforme à l'invention; - en Fig.2-un exemple non limitatif de réalisation d'un tel dispositif - en Fig.3 un exemple de lois de variation de l'énergie et de la fréquence d'étincelle; - en Fig.4 la relation entre l'énergie de décharge et la différence de potentiel aux bornes de la cellule capacitive. Les blocs fonctionnels 6 à 10 et 14 de la Fig.1 sont détaillés sur la Fig. 2 et entourés chacun d'un trait discontinu. Pour plus de clarté sont reportées en Fig.1 les références des lignes conductrices de liaison Ll à L9 et les points d'interconnexion Pl à P7 de la Fig.2 ayant une corres- pondance fonctionnelle. Pour la commodité de l'exposé on appellera VR1 à VR3 et VR5 à VR7 les tensions respectives aux points d'interconnexion Pl à P3 et P5 à P7. Le dispositif d'allumage comporte (Fig. 1) - dans la chambre de combustion 1 de la turbine (non représentée) une bougie d'allumage 2; - un capteur 3 délivrant un signal dont la fréquence est proportion- nelle à la vitesse de l'arbre moteur de la turbine; et un circuit 4 de calcul de la vitesse de la turbine délivrant une tension proportionnelle à cette vitesse; - un générateur de fonction 5 élaborant, en fonction de la vitesse et éventuellement d'autres paramètres de l'état de fonctionnement de la turbine ou du turbo-compresseur, une loi de modulation sous forme d'une tension VR1 qu'il délivre à sa sortie en Pi. Ces autres paramètres sont fournis par des capteurs 15 à 19 qui peuvent par exemple indiquer le débit de carburant, la température du carburant, la température de l'air, la température du circuit de refroidissement et la pression délivrée par le turbo-compresseur. L'électronique composant le générateur de fonction 5 peut être réalisée en technique numérique ou analogique; - un dispositif de détection et de réallumage automatique en cas d'extinction de la flamme constitué d'un détecteur optique de flamme 11, placé dans la chambre de combustion, d'une fibre optique 12 reliant le détecteur 11 à un interface opto-électronique 13 délivrant un signal élec- trique, fonction du signal optique, à un circuit de réallumage 14 qui déli- vre une tension VR5 à sa sortie en P5; - un dispositif de contrôle 6 d'un convertisseur de charge 8 - un dispositif de commande 7, d'un système de décharge 10 - une cellule capacitive 9 comportant au moins un condensateur. Le principe de fonctionnement du dispositif d'allumage est le sui- vant. La cellule capacitive 9 est chargée à une tension VR2 par le con- vertisseur de charge 8 qui est piloté en boucle fermée par le contrôleur de charge 6 qui compare la tension VR2 à une tension de consigne élaborée en fonction de la tension de sortie VR1 du générateur de fonction 5 prise en Pl ou de la tension de sortie VR5 du circuit de réallumage du dispo- sitif de réallumage 14. Le dispositif de commande 7 fournit des impulsions de commande à un thysistor du système de décharge 10 à une fréquence qu'il détermine en fçnction des tensions VR1 ou VRS. Dans les lois de variation représentées en Fig.3 et 4 la tension de charge, et donc l'énergie, et la fréquence de décharge ont été choisies maximales pour le démarrage de la turbine. I l est avantageux de prévoir, pour assurer les meilleures conditions de réallumage, que la tension de commande VR5 du réallumage détermine également le niveau maximal de la tension de charge et de la fréquence de décharge. Au lieu de piloter le dispositif de contr8le de la charge 6 et le dispositif de commande 7 de la décharge par les tensions VR1 ou VR5, il serait possible d'introduire la tension VR5 dans le générateur de fonction comme un des paramètres d'élaboration de la tension VR1. Pour la sécu- rité de réallumage il est cependant préférable d'opérer comme dans l'ex- emple décrit. Les éléments 6 à 10 et 14 vont maintenant être décrits plus en détail en référence à la Fig. 2. Les alimentations à la source commune de tension positive, les liaisons à la masse ou les divers éléments tels que résistances d'adaptation ou de polarisation, ayant un r8le habituel et évident, ne seront pas décrits. Dispositif de contrôle 6 de la charge 11 se compose essentiellement d'un comparateur C. I. 1 et d'un amplificateur opérationnel C. I.2. Une première entrée du comparateur C. I.1 est reliée, d'une part à la sortie de l'amplificateur opérationnel C. 1.2 et d'autre part à la sortie P5 du circuit de réallumage 14 par la ligne L9 via une diode D4. La deuxième entrée du comparateur C. 1.1 est reliée à la cellule capacitive 9 au point P2 de la ligne L5 par la ligne L4. La sortie du comparateur C. 1. 1 est reliée à l'entrée P3 du convertisseur de charge 8 par la ligne L2. Enfin l'entrée de l'amplificateur opérationnel C. 1.2 est reliée à la sortie P1 du générateur de fonction5 par la ligne L1. Dispositif de commande de décharge 7 Il se compose essentiellement d'un oscillateur ou d'un circuit de relaxation C. 1.3, d'un comparateur C. I.4 et d'un circuit de commande comprenant deux transistors 15 et T6. La fréquence de l'oscillateur C. 1.3 est réglée par la tension appliquée à son entrée P7, l'entrée P7 de l'oscil- lateur C. 1.3 est reliée d'une part à la sortie du comparateur C. 1.4 et d'autre part par la diode D5 et la ligne LB, à l.a sortie 5 du circuit de réallu- mage 14. Une entrée de comparateur C. 1.4 est reliée à la sortie P1 du générateur de fonction 5. Les impulsions de commande du dispositif de décharge sont délivrées par le transistor T6 commandé par T5, lui-même piloté par la fréquence de Il'oscillateur C. I.3 Convertisseur de charge 8 Il se compose essentiellement d'un oscillateur haute tension consti- tué des transistors T1 et T2 et des enroulements Sl et ú2. L'enroulement S1 est monté en contre-réaction dans la base du transistor T2. L'oscillateur est commandé par les transistors T3 et T4 dont les bases reçoi- vent par l'entrée P3 la tension VR3 délivrée par le dispositif de contrôle 6. Le collecteur du transistor T3 est relié à la base du transistor T1 et le collecteur du transistor T4 à la base du transistor T2. Les émetteurs des transistors T2, T3 et T4 sont reliés à la ligne L3, référence négative com- mune au convertisseur de charge 8, à la cellule capacitive 9 et au système de décharge 10. L'enroulement 52 forme avec l'enroulement S3 un transfor- mateur élévateur de tension. La tension est redtessa.par la diode D2 dispo- sée à la sortie de l'enroulement S3 vers la cellule capacitive 9. Le courant ainsi obtenu charge la cellule capacitive 9. Cellule capacitive 9 Elle se compose de deux condensateurs C1 et C2 montés en parallèle entre la ligne L5 liée à la cathode de la diode D2 et la ligne L3. Une résis- tance R5 est interposée entre la sortie P4 du condensateur C2 et la ligne L3. Système de décharge 10 Il comporte essentiellement un thysistor TH dont la gachette reçoit par la ligne L7 les impulsions de commande du dispositif de commande 7 et un transformateur composé des enroulements S4 et S5. Le primaire S4 relié à la ligne L5 est monté en série sur l'anode de TH dont la cathode est reliée à L3. Une diode de protection D1 est placée entre la cathode et l'anode du thyristor TH. Enfin le secondaire!5 est disposé entre la bougie 2 et le point P4 auquel il est relié par la ligne L6. Circuit 14 du dispositif de réallumage Il est composé d'un circuit d'adaptation d'impédance C. 1.5 et d'un comparateur calibreur C. I.6. L'entrée du circuit C. 1.5 est reliée à la sortie de l'interface optoélectronique 13 et sa sortie à-une entrée du comparateur C. 1.6 qui délivre à sa sortie P5 la tension de commande calibrée VR5 du réallumage. Fonctionnement du dispositif L'amplificateur opérationnel C. 1.2 détermine en fonction de la tension VR1 qui lui est fournie par le générateur de fonction 5 une tension de consi- gne VR6. Le comparateur C. 1. 1 compare la tension VR2 des condensateurs CI et C2 à la tension de consigne VR6 et agit sur les bases des transistors T3 et T4 de telle manière que l'oscillateur du dispositif de contrôle 6 de la charge se bloque pour des valeurs de comparaison déterminées. Le rapport de transformation des enroulements S2, S3 détermine une pointe de tension qui peut être supérieure à 1000 volts. La charge en courant et tension continus des condensateurs CI et C2 est réalisée, pendant que le thysistor TH est bloqué. Lorsque le transistor T1 est bloqué par le transistor T3 le défaut provoqué par les inductions des enroulements SI et S2 sur lesquels existent des capacités parasites détermine une faible oscillation qui empêcherait le blocage de l'oscillateur si on ne coupait pas en même temps, grâce au tran- sistor T4, la liaison par le transistor T2 à la ligne L3. Lorsque les condensateurs CI et C2 sont chargés à la tension VR2 déterminée par la loi de modulation le convertisseur de charge est donc bloqué. On assure ainsi le contrôle en boucle fermée de la charge de la cellule capacitive 9. Lorsque le thysistor TH reçoit une impulsion du dispo- sitif de commande 7, le condensateur Cl se décharge à travers l'enroulement S4 ce qui induit dans l'enroulement 55 une tension suffisante à l'amorce de la décharge entre les électrodes de la bougie 2. Le condensateur CI est déterminé et dimensionné pour assurer l'accumulation de l'énergie nécessaire à la formation de crête d'étincelle, c'est-à-dire l'ionisation d'allumage, à travers le transformateur S4, S5. Le condensateur C2 assure la poste- décharge c'est-à- dire qu'il fournit l'énergie et la durée d'étincelle nécessaires pour obtenir l'allumage, ceci lorsque l'ionisation a été suffisante pour assurer le passage du courant de décharge entre les électrodes de la bougie. Le condensateur Cl se décharge presque instantanément alors que la décharge de C2 est plus lente grâce à la résistance R5 insérée dans son circuit de décharge ce qui en outre protège le thysistor TH. Le comparateur C. 1.4 délivre, en fonction de la tension VR1, une tension VR7 qui détermine la fréquence de l'oscillateur C. 1.3.Lr.s impulsions de commande de la gâchette du thysistor rH sont délivrées par le transistor T6 piloté par le transistor T5 à la fréquence de l'oscillateur C. 1.3. Après chaque décharge, la tension V;R2 retombe à 0. La tension de commande VR3 délivrée par le comparateur C. 1.1 devient nulle, ce qui bloque les transistors T3 et T4, un nouveau cycle de charge commence. Lorsque la flamme s'éteint dans la chambre de combustion, le rayon- nement lumineux qui était dirigé au moyen de la fibre optique 12 sur l'interface opto-électronique 13 s'interrompt, ce dernier délivre un signal O. Le circuit d'adaptation C. i.5 délivre alors à sa sortie une tension VR5. La tension VR5 se superpose en P6 et P7 aux tensi ons VR6 et VR7 appliquées aux entrées du comparateur C. 1.1 et de l'oscillateur C. 1.3, respectivement par l'intermédiaire des diodes D4 et D5. De préférence la tension VR5 est égale aux tensions VR6 et VR7 délivrées respectivement par les comparateurs C. 1.2 et C. 1.4 lorsque la tension VR1 fournie par le générateur de fonction 5 est significative des conditions de démarrage. On obtient donc ainsi pour le réallumage les mêmes niveaux d'énergie et de fréquence d'étincelle que pour le démarrage. Les différents éléments C. 1.1 à C. 1.6 ainsi que les transistors T1 à T6 peuvent bien entendu être réalisés sous forme d'un ou plusieurs cir- cuits intégrés. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'allumage par étincelle du carburant dans une chambre de combustion d'une turbine à gaz, comportant des moyens électroniques de contrôle du cycle de charge et de décharge d'un générateur d'étincelles du type capacitif en fonction d'un ou plusieurs paramètres de l'état de fonction- nement de la turbine, caractérisé en ce que les moyens de contrôle du cycle de charge et de décharge de la cellule capacitive (9) du générateur d'étin- celles comportent un générateur de fonction (5) délivrant une tension VR1 fonction de la vitesse de l'arbre moteur de la turbine et éventuellement d'autres paramètres, cette tension servant de référence pour l'élaboration d'une part d'une tension de consigne VR6 déterminant la tension maximale VR2 de charge de la cellule capacitive et d'autre part d'une tension VR7 déterminant la fréquence de décharge de la cellule capacitive. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la tension de charge V R2 et la fréquence de décharge sont maximales pour les valeurs de la tension de référence VR1 correspondant à une vitesse nulle de l'arbre de la turbine ou à l'extinction de la flamme dans la chambre de combustion. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détection (11, 12) de l'extinction de la flamme pilotant un dis- positif de réallumage(13, 14)e-laborant en cas d'extinction une tension VR5 qui est superposée aux tensions VR6 et VR7 pilotant respectivement un dispo- sitif de contrôle de la charge (6) et un dispositif de commande (7) de décharge de la cellule capacitive. 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les moyens de détection de la flamme sont du type opto-électronique. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que les moyens opto-électroniques comportent une fibre optique (12) transmettant la lumière de la flamme à un interface (13) délivrant en fonction du signal lumineux un signal électrique servant à l'élaboration dans un circuit de réallumage(14)de la tension VR5 se superposant aux tensions de consigne VR6 et VR7. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caracté- risé en ce que le contrôle du convertisseur de charge (8) assurant la charge de la cellule capacitive (9) s'effectue en boucle fermée par comparaison des tensions VR2 et VR6 dans un comparateur C. 1.1 du dispositif de contrôle (6) de la charge. 7. Disppsitif selon la revendication 6 caractérisé en ce que le convertisseur de charge (8) comporte un oscillateur composé de transistors Tl et T2 et d'enroulements SI et 52, l'enroulement Si étant monté en contre- réaction dans la base du transistor Tl et en ce que ledit oscillateur est piloté par un transistor T3 commandé par la tension de sortie du comparateur C. I. l de telle manière que le transistor Tl se bloque pour des valeurs de compa- raison déterminées. 8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé-en ce que le conver- tisseur (6) est muni en outre d'un transistor T4 commandé par la tension de sortie du comparateur C. 1.1 et dont le montage permet d'éliminer les induc- tions parasites engendrées par les enroulements Si, 52 de l'oscillateur. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le système de décharge (10) comporte un thynistorTH piloté par le dispositif de commande (7) à travers lequel s'effectue la décharge du ou des condensateurs de la cellule capacitive (9). 10. Dispositif selon la revendication 9 caractérisé en ce que la cellule capacitive comporte deux condensateurs Cl et C2 dont la décharge est commandée par le thysistor TH, le premier condensateur Cl assurant direc- tement à travers un transformateur S4, S5 l'amorçage de l'arc entre les élec- trodes de la bougie (2) et le deuxième condensateur assurant le niveau d'éner- gie et la durée d'étincelle nécessaires à l'allumage à travers une résistance R5 insérée dans son circuit de décharge.