Brevet FR2528907A1 — publié le 19831223

Système d'avertissement anticipé du calage d'un moteur. La présente invention concerne des systèmes d'avertissement du calage de la rotation des compres- seurs des turbines à gaz. Dans les turbines à gaz, le compresseur subit deux types de calages: le calage récupérable qui est connu sous le nom d"'irrégularité" et le calage de rotation non récupérable qui est connu sous le nom de "stagnation" Ces types de calages sont bien connus dans la technique des turbines à gaz et il n'est pas nécessaire d'en décrire ici les causes. Il suffit de stipuler que ces calages se produisent habituellement au cours d'un fonctionnement transi- toire du moteur (c'est-à-dire au cours d'une ac- célération et d'une décélération) et ils sont le plus susceptibles de survenir dans des moteurs comportant des augmentateurs lorsque ceux-ci sont mis en service ou fonctionnent. Dès le début d'un calage de rotation non récupérable ou d'un calage récupérable, la tempéra- ture de la turbine et celle des gaz d'échappement augmentent et la vitesse du compresseur diminue immé- diatement ou définitivement par suite d'une interrup- tion du débit d'air à travers le moteur Le moteur peut subir plusieurs calages récupérables (irrégula- rités) avant de revenir de lui-même à son fonctionne- ment normal Le pilote peut ressentir une perte im- portante de puissance pendant que ces conditions de calage règnent D'autre part, un état de calage de rotation non récupérable ne peut se corriger automa- tiquement et exige une intervention du pilote qui réduira les gaz et finalement coupera le moteur avant que celui-ci ne subisse une détérioration excessive suite à l'élévation constante de la température des 2 2528907 gaz Le pilote doit alors faire redémarrer le moteur. Dès que le moteur est coupé, sa vitesse (c'est-à-dire celle du compresseur) doit être réduite dans un in- tervalle prédéterminé (à moins qu'elle ne soit déjà dans cet intervalle) et l'on doit faire baisser la température du moteur (par exemple, la température à l'entrée de la turbine) en dessous d'une valeur pré- déterminée afin que le pilote soit raisonnablement à même de faire redémarrer efficacement le moteur. Plus le pilote s'aperçoit rapidement que le moteur est dans un état de calage non récupérable, meilleures sont ses chances d'amener le moteur dans l'intervalle préféré de redémarrage et meilleures également sont ses chances de pouvoir faire redémarrer le moteur. Dans le cas de moteurs qui ne sont pas équipés d'un système de détection de calage de rota- tion non récupérable, le pilote doit contrôler les indicateurs de vitesse et de température du moteur afin de décider, sur la base de ces lectures et de son jugement, s'il est ou non dans un état non récu- pérable Même si le pilote observe les indicateurs exactement au moment o un calage se produit (c 1 est- à-dire en rotation ou en non-rotation), il s'écoulera un certain laps de temps avant que la température et la vitesse du moteur changent suffisamment pour le rendre conscient de l'état de calage Le pilote devra également attendre qu'un laps de temps supplé- mentaire s'écoule pour s'assurer que le calage n'est pas de type récupérable avant qu'il ne prenne la décision relativement grave de couper le moteur Ce laps de temps réduit davantage ses chances de faire redémarrer efficacement le moteur En conséquence, il est nécessaire qu'un système quelconque de détec- tion de calage non récupérable puisse établir une discrimination entre des calages rotation non 3 2528907 récupérables et des calages récupérables afin d'éviter que le pilote ne coupe et ne fasse redémarrer inuti- lement le moteur, ce qui constitue une situation dangereuse. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3 426 322, on décrit un système en vue de détec- ter un calage de compresseur, encore que ce type de calage ne soit pas décrit dans le corps de ce brevet. Fondamentalement, dans ce brevet, chaque fois que la température des gaz d'échappement est supérieure à une valeur prédéterminée alors qu'en même temps la vitesse du moteur se situe entre des limites supé- rieure et inférieure prédéterminées et qu'il règne des conditions pour l'écoulement d'un laps de temps prédéterminé (à titre d'exemple, on indique: 10 se- condes), un signal avertisseur est émis pour indiquer, au personnel de l'aéronefque le compresseur du moteur est dans un état de calage En supposant que le sys- tèmje est conçu pour indiquer un calage non récupérable, d'après ce brevet, on ne peut déterminer la façon dont le système établit une discrimination entre un calage non récupérable et un calage récupérable Toutefois, il est certain que ce système n'est pas en mesure d'avertir le pilote d'un état de calage avant l'écou- lement du laps de temps prévu dans ce système. On mentionnera ci-après plusieurs autres brevets représentatifs de l'état de la technique rela- tive aux systèmes avertisseurs de calage: les bre- vets des Etats-Unis d'Amérique N O 3 867 717, 4 060 980, 4 118 926 et 4 137 710, les trois derniers ayant été accordés au nom de la Demanderesse. Un objet de la présente invention est de fournir un système avertisseur de calage d'un compres- seur en rotation, ce système pouvant établir une dis- crimination entre un calage récupérable et un calage 4 2528907 non récupérable du compresseur. Un autre objet de la présente invention est de fournir un système avertisseur de calage non récu- pérable d'un compresseur en rotation, ce système pou- S vant détecter l'existence d'un état de calage non récupérable plus rapidement et avec une plus grande précision que les systèmes de la technique antérieure. Suivant la présente invention, on calcule un rapport entre la vitesse N et la température T du moteur, un signal de sortie étant émis pour indiquer un état de calage non récupérable de la rotation du compresseur lorsque le rapport N diminue à une valeur T prédéterminée. Telles qu'elles sont utilisées dans la pré- sente spécification et les revendications ci-après, l'expression "vitesse du moteur" désigne la vitesse de rotation du compresseur (de chaque compresseur dans un moteur à deux rotors et l'expression "température du moteur" désigne la température du courant gazeux en un point situé en aval de la cham- bre de combustion. On sait que dès le début de la plupart des calages récupérables ou non récupérables des compres- seurs, la température du moteur commence à s'élever. Initialement, la vitesse du moteur peut augmenter ou diminuer; toutefois, si l'état de calage persiste, elle diminue finalement à une valeur inférieure à celle qu'elle avait au début du calage Si le calage est de type récupérable, la température cesse finale- ment de s'élever et commence à baisser, tandis que la vitesse du moteur cesse de diminuer et augmente pour finalement revenir à sa valeur normale D'autre part, s'il se produit un calage non récupérable de rotation, la température continue à s'élever et, finalement la vitesse du moteur tombe d'une manière relativement 2528907 nette et continue à diminuer à moins que le pilote ne prenne les mesures qui s'imposent pour éliminer cet état de calage. Il a été déterminé par des expériences que, dans une turbine 'à gaz, le rapport vitesse/tempéra- N ture du moteur T commence généralement à diminuer T dès le début de l'un ou l'autre type de calage; toutefois, il change et augmente en quelques secondes si le calage est de type récupérable Si le calage est de type non récupérable, ce rapport continue à diminuer davantage et de plus en plus vite Etant donné qu'il y a une nette distinction entre les états N récupérables et non récupérables IF, on a trouvé que l'on pouvait choisir, pour T, une valeur se situant juste en dessous de la valeur minimum que l'on peut escompter rencontrer au cours d'un calage récupérable dans toutes les possibilités de conditions opératoires auxquelles on peut raisonnablement s'attendre Lorsque la valeur contrôlée de N diminue ou tombe en dessous T de la valeur sélectionnée, on saura qu'il existe un état de calage de rotation non récupérable et un signal de sortie pourra immédiatement être émis pour avertir le pilote Pour le moteur "F 100 " de "Pratt & Whitney ", le système avertisseur de la présente invention est à même de détecter, de manière fiable, un état de calage non récupérable environ 7 secondes maximum après son début à hautes altitudes et ce, beaucoup plus rapidement à de plus basses altitudes auxquelles la température s'élève plus rapidement. Cet 1 e caractéristique offre, au pilote, un plus long laps de temps pour faire redémarrer le moteur lorsque cela s'impose à de basses altitudes. Les objets, caractéristiques et avantages ci-dessus de la présente invention, ainsi que d'au- tres apparaîtront plus clairement à la lecture de la 6 2528907 description détaillée ci-après de ses formes de réa- lisation préférées en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un bloc-diagramme schémati- que d'un turboréacteur à double flux et à deux rotors comportant le système avertisseur de calage de la présente invention; la figure 2 est un graphique illustrant un avantage de la présente invention vis-à-vis de la technique antérieure. Comme on l'a indiqué ci-dessus, il est bien connu dans la technique que, dès le début d'un calage récupérable ou non récupérable d'un compresseur, la vitesse N du moteur diminue généralement, tandis que la température T s'élève En dépit de cette simili- tude entre ces deux types de calages, on a trouvé que le rapport N pour chaque type de calage présen- tait réellement une caractéristique assez exception- nelle Plus spécifiquement, on a trouvé qu'au cours de n'importe quel calage récupérable, la valeur de T ne diminuait pas en deçà d'une certaine valeur et T- que, pour tous les calages non récupérables, la va- N leur de diminuait toujours en deçà de cette même T valeur De plus, il a été déterminé qu'au cours des calages récupérables, les moteurs atteignaient leur valeur minimale N en très peu de secondes D'après T ces découvertes, il a été constaté que l'on pouvait choisir, pour T une valeur X se situant juste en deçà de la valeur minimale atteinte au cours de cala- ges récupérables, cette valeur fournissant une indi- cation positive de l'existence d'un état de calage non récupérable dans le moteur. Une illustration schématique du système avertisseur de calage de la présente invention est donnée dans la figure 1 dans laquelle une turbine à 7 2528907 gaz est illustrée schématiquement et désignée d'une manière générale par le chiffre de référence 10. Dans cet exemple particulier, le moteur 10 est un turboréacteur augmenté à double flux et à deux rotors comportant un compresseur basse pression 12 suivi dtun compresseur haute pression 14 Le compresseur basse pression 12 comprend le -ventilateur et est en- tramné par la turbine basse pression 16 à laquelle il est relié par un arbre 18 Le compresseur haute pres- sion 14 est entrainé par une turbine haute pression à laquelle il est relié par un arbre 22 Une cham- bre de combustion 24 qui reçoit du carburant, fournit l'énergie nécessaire pour entraîner les turbines 16, Un augmentateur 26 est disposé dans le conduit d'échappement 28, en aval de la turbine 16 Les gaz passant à travers les turbines sont expansés à travers une tuyère d'échappement à section variable 30. Toujours en se référant à la figure 1 et suivant la présente invention, on mesure la vitesse N du moteuret la température T du courant gazeux, tandis que des signaux indiquant les valeurs de N et T sont émis vers une unité de contrôle 32 qui calcule la valeur de N et la compare avec une valeur prédé- T terminée X Lorsque la valeur de T diminue à la T valeur de X, on sait alors que le moteur est dans un état de calage de rotation non récupérable et un signal avertisseur (qui peut être sonore et/ou visuel) est envoyé vers le pilote de telle sorte que celui-ci puisse prendre le plus rapidement possible les mesures qui s'imposent pour y remédier Le signal peut égale- ment être envoyé vers le système de commande du moteur pour procéder automatiquement à une correction lorsque cela est possible Dans cet exemple, la vitesse du compresseur haute pression est utilisée comme vitesse N du moteur, tandis que la température régnant à 8 2528907 l'entrée de la turbine basse pression est utilisée comme température T du courant gazeux du moteur. On a choisi une valeur de 5,6 pour X en vue de l'utiliser dans le système avertisseur de calage conçu pour le moteur "F 100 " après avoir soigneusement analysé des données considérables de calages de tous types Tout comme dans l'exemple illustré dans les dessins annexés, la vitesse du compresseur haute pression (en tours/minute) a été utilisée pour la vi- tesse N du moteur, tandis que la température (en, F) régnant à l'entrée de la turbine basse pression a été utilisée pour la température T du courant gazeux du moteur Dans une série d'essais de moteur au niveau de la mer, qui ont été effectués pour évaluer l'effi- cacité du système de détection de calage de la pré- sente invention, 104 calages non récupérables ont été provoqués par différents moyens dans une large variété d'états du moteur Chacun de ces calages a été détecté à N = 5,6 47 calages de type récupérable ont été également provoqués Un seul calage récupé- rable a été erronément détecté comme calage non ré- cupérable-,étant donné qu'au cours de ce calage parti- culier, la valeurde N a atteint un faible niveau de T ,53 Cette seule détection erronée nia pas été con- sidérée comme une base suffisante pour diminuer la valeur de X, car les conditions imposées au moteur pour provoquer ce calage étaient plus rigoureuses que celles pouvant se produire au cours d'un vol réel. Dans une série d'essais en altitude, 44 calages non récupérables à faible puissance et 4 cala- ges non récupérables à grande puissance ont été pro- voqués et ils ont été tous détectés en utilisant une valeur de X = 5,6 16 calages récupérables à faible puissance et 54 calages récupérables à grande puis- 9 2528907 sance ont été également provoqués et aucun d'eux n'a été détecté erronément comme calage non récupérable. De plus, il n'y a eu aucune détection erronée au cours d'états transitoires normaux du moteur qui ont tous maintenu une valeur N de loin supérieure à la limite T de détection de 5,6. Dans tous les cas ayant fait l'objet d'essais, il n'a pas fallu plus de 7 secondes après le début du calage pour détecter les calages non récupérables, la moyenne de temps étant nettement inférieure Au cours des essais décrits ci-dessus qui ont été prati- qués au niveau de la mer, le temps de détection moyen était d'environ 1 seconde Ces temps de détection peuvent être comparés très favorablement avec le temps qu'il faut à un pilote pour détecter l'existence d'un calage non récupérable dans un aéronef comportant des moteurs non équipés du système avertisseur de la présente invention Dans ce cas, le pilote doit se fier sur ses indicateurs de température et de vitesse et il doit faire appel à son jugement pour déterminer l'existence d'un calage non récupérable Le laps de temps s'écoulant entre le début d'un calage et le moment auquel le pilote est convaincu que le moteur est dans un état de calage non récupérable, peut varier entre environ 10 et 40 secondes en fonction de diverses conditions On estime que, lorsqu'il est utilisé dans le moteur "IF 100 "e, le système aver- tisseur de la présente invention informera le pilote de l'existence d'un état de calage non récupérable environ 5 à 35 secondes avant qu'il ne liait consta- té lui-même. La figure 2 est un graphique qui illustre de manière simplifiée l'avantage dont bénéficie le pilote lorsqu'il est averti anticipativement de l'existence d'un état de calage non récupérable La 2528907 température T du courant gazeux est portée en abscisse et elle s'élève de la gauche vers la droite La vi- tesse N du moteur est portée en ordonnée et elle aug- mente du bas vers le haut de la page La ligne en gros trait plein A a la valeur constante N = X La T partie hachurée B représente la fenêtre de redémarrage du moteur Si un moteur est coupé en vol, sa vitesse et sa température doivent être amenées dans la feng- tre B afin que le pilote ait des chances raisonnables de faire redémarrer le moteur Dans ce graphique, la fenêtre est délimitée par une température maximale Tt, ainsi que par une vitesse minimale et une vitesse maximale NI, N" du moteur respectivement La courbe C représente les conditions dans lesquelles se trouve le moteur après le début d'un calage de rotation non récupérable se produisant à un moment m Dans cette illustration simplifiée d'un calage, la vitesse dimi- nue et la température s'élève à mesure que l'état de calage se prolonge Au point p, la valeur de N est égale à X et un signal avertisseur de calage est émis vers le pilote conformément aux enseignements de la présente invention Dans ce cas particulier, le pilote réagit à ce signal avertisseur en coupant le moteur comme indiqué au point s La température du moteur commence immédiatement à tomber conjointement avec la vitesse du moteur comme indiqué par la courbe D Lorsque les conditions du moteur passent dans la zone B constituant la fenêtre de redémarrage, par exemple, comme indiqué au point t, le pilote peut essayer de faire redémarrer le moteur Le passage à travers la ligne N"' représentant la vitesse du rotor dans la zone B donne, au pilote,le temps maximum pour faire redémarrer le moteur et l'accélérer, comme indi- qué le long de la ligne en traits discontinus Q, jus- qu'à ce que le moteur fonctionne dans des conditions 11 2528907 normales. Les courbes E et F illustrent ce qui pour- rait arriver si un retard complémentaire venait à se produire dans la mise à l'arrét du moteur après le début d'un calage, par exemple, ce qui pourrait survenir sans aucun système avertisseur de calage ou avec un système avertisseur de calage de la technique antérieure Par exemple, si lé pilote n'a pas cons- taté qu'il était dans un état de calage non recupéra- ble avant que le moteur n'ait atteint les conditions du point w, il ne serait pas à même de couper le moteur avant d'atteindre le point z, Le pilote doit alors attendre que la vitesse du rotor et la tempéra- ture du moteur soient tombées dans la zone de redémar- rage B Dans cette illustration, le retard survenant dans la constatation de l'état de calage amène presque le pilote à manquer complètement la zone de redémar- rage. Bien que ltinvention ait été décrite à pro- pos de la détection de calagesde rotation non récupé- rables dans un turboréacteur augmenté à double flux et à deux rotors, elle est utile dans n'importe quelle turbine à gaz comprenant un compresseur, une chambre de combustion et une section de turbine montés en série et comportant un augmentateur ou non De même, il n'est nullement critique que la température régnant à l'entrée de la turbine soit utilisée comme tempé- rature T du courant gazeux pour le rapport N On pourrait également utiliser la température régnant à la sortie de la turbine, de même que n'importe quelle autre température du courant gazeux en aval de la chambre de combustion Il est préférable de mesurer la température à un endroit o l'on obtient le plus rapidement possible une réponse à un état de -calage Si l'on prend uniquement ce critère en consi- l 12 2528907 dération, dans un moteur à deux rotors, il serait de loin préférable d'utiliser la température régnant à l'entrée de la turbine du rotor haute pression; tou- tefois, il est plus aisé de mesurer les températures un peu plus basses régnant à l'entrée de la turbine du rotor basse pression, ces températures pouvant également être adoptées suivant la présente invention. Dans un moteur à deux rotors, un calage de rotation non récupérable se produit dans le compres- seur haute pression Pour cette raison, il est pré- férable d'utiliser la vitesse du rotor haute pression comme mesure de la vitesse du moteur Toutefois, généralement parlant, on pourrait également utiliser la vitesse du rotor basse pression Toutefois, dans -15 certains moteurs à deux rotors, un calage de rotation récupérable risque peu de se produire dans le compres- seur basse pression et un tel calage pourrait déclen- cher un avertissement erroné de calage non récupérable si la faible vitesse du rotor était utilisée comme mesure de la vitesse N du moteur Dès lors, dans des moteurs ayant un tel comportement, il ne peut être souhaitable d'utiliser la vitesse du rotor basse pres- sion dans le système avertisseur de calage de la pré- sente invention L'objectif final est de fournir l Iver- tissement de calage le plus rapide possible sans aucun risque d'erreur. Bien entendu, la détection d'un calage de rotation non récupérable n'est qu'une des nombreuses conditions anormales d'un moteur qu'il peut être souhaitable ou nécessaire de détecter Par exemple, il est sou- haitable que le pilote soit averti d'une température excessive du moteur qui peut être associée ou non à un calage non récupérable Il peut également être souhaitable que le pilote soit averti d'une vitesse anormalement faible du moteur, cette faible vitesse 13 2528907 indiquant l'arrêt imminent du moteur,tandis qu'elle peut également être associée ou non à un calage non récupérable Dès lors, il peut régner, à l'entrée de la turbine, une température T représentée par max la ligne en traits discontinus G en figure 2, tempé- rature au-delà de laquelle une correction doit être entreprise pour éviter toute détérioration de la tur- bine De même, il pourrait y avoir une vitesse mini- male N 2 (représentée par la ligneen traits discontinus H en figure 2) en deçà de laquelle une correction pour- rait également devoir être entreprise L'apparition de ces conditions anormales peut être signalée au pilote indépendamment du signal avertisseur de calage ou on pourrait installer un système logique signalant, au pilote,que la première de ces conditions se mani- feste (clest-à-dire ltarrêt du moteur, une température excessive du moteur ou un calage non récupérable). Il est bien connu, dans la technique,de prévoir des systèmes d'avertissement en vol comportant des moyens de désactivation empêchant ltapparition de signaux avertisseurs erronés au cours de certaines situations au sol, par exemple, au démarrage Ces moyens de désactivation peuvent être utilisés avec le système avertisseur de la présente invention, mais il n'est pas considéré comme une caractéristique de cette dernière. Bien que l'invention ait été illustrée et décrite en se référant à une de ses formes de réalisa- tion préférées, l'homme de métier comprendra que dif- férentes modifications et omissions peuvent être en- visagées tant dans sa forme que dans ses détails sans pour autant se départir de l'esprit et du cadre de l'invention. 14 2528907 REVENDICATIONS 1 Appareil en vue de détecter un calage de rotation non récupérable dans un moteur à turbine à gaz du type comportant une section de compression, une section de combustion et une section de turbine montées en série, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen détectant la vitesse N du moteur et émettant un signal indiquant cette vitesse; un moyen détectant la température T du cou- rant gazeux régnant dans le moteur en aval de la sec- tion de combustion, ce moyen émettant un signal indi- quant cette température; et un moyen recevant ces signaux de vitesse et de température et calculant la valeur de T pour N T émettre un signal de sortie lorsque diminue à une valeur prédéterminée qui indique l'existence, dans la section dé compresseur, d'un calage de rotation non récupérable. 2 Appareil de détection de calage de rotation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la température T est la température régnant à l'entrée de la section de turbine. 3 Appareil de détection de calage de rotation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la température T est la température régnant à la sortie de la section de turbine. 4 Appareil en vue de détecter un calage de rotation non récupérable dans un moteur à turbine à gaz du type comportant une section de compresseur basse pression, une section de compresseur haute pression, une section de combustion, une section de turbine haute pression reliée à cette section de compresseur haute pression, une section de turbine basse pression reliée à cette section de compresseur basse pression, ainsi qu'un augmentateur, ces sections 2528907 étant montées dans une relation d'écoulement en série, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen détectant la vitesse-N d'une de ces sections de compresseur pour émettre un signal indi- quant cette vitesse; un moyen destiné à détecter la température T du courant gazeux régnant dans le moteur en aval de la section de combustion, pour émettre ensuite un signal indiquant cette température; et un moyen destiné à recevoir ces signaux de vitesse et de température pour calculer la valeur de TN et émettre un signal de sortie lorsque N diminue à T T une valeur prédéterminée indiquant l'existence d'un calage de rotation non récupérable dans la section de compresseur. Appareil de détection de calage de ro- tation suivant la revendication 4, caractérisé en ce que T est la température régnant à l'entrée de la section de turbine haute pression. 6 Appareil de détection de calage de rotation suivant la revendication 4, caractérisé en ce que T est la température régnant à l'entrée de la section de turbine basse pression. 7 Appareil de détection de calage de ro- tation suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que N indique la vitesse de la section de com- presseur haute pression. 8 Procédé en vue de détecter un calage de rotation non récupérable dans un moteur à turbine à gaz comportant une section de compresseur, une sec- tion' de combustion et une section de turbine montées dans une relation d'écoulement en série, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à: détecter la vitesse N de la section de com- presseur 16 25289 o 7 détecter la température T du courant ga- zeux en aval de la section de combustion; calculer N et émettre un signal lorsque T TT diminue à une valeur prédéterminée indiquant un cala- ge de rotation non récupérable. 9 Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la valeur prédéterminée de N N T est inférieure aux valeurs de T qui peuvent être atteintes dans des conditions de calage récupérable 10 Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la température T est détectée à un endroit situé entre ltentrée et la sortie de la section de turbine. 11 Procédé suivant la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le moteur comprend un aug- mentateur. 12 Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le moteur est une turbine à gaz augmentée à deux rotors. 13 Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que la vitesse N de la section de compresseur est une vitesse de compresseur haute pression. 14 Procédé suivant la revendication 13, caractérisé en ce que la température T du courant gazeux est mesurée à ltentrée de la section de turbine basse pression.