Brevet FR2540182A1 — publié le 19840803

L'invention concerne des commandes automatiques de combustible pour moteurs à turbine à gaz et, plus particu- lièrement les commandes qui réglent la quantité de combus- tible fournie au moteur en réponse au taux de modification de la vitesse du moteur. Dans un moteur à turbine à gaz, le combustible est brûlé dans la chambre de combustion pour fournir de la cha- leur qui dilate les gaz de propulsion pour réaliser une poussée On peut accélérer le moteur en ajoutant plus de combustible Cependant la quantité de combustible ajoutée doit être précisément réglée de manière à empêcher un état connu sous le nom de décrochage du moteur Le décrochage du moteur peut avoir lieu, par exemple, au moment o le moteur est à une vitesse relativement faible A ce moment là, les pièces métalliques qui entourent la chambre de combustion sont relativement froides L'addition de combustible peut avoir pour résultat une combustion plus importante, cepen- dant la chaleur engendrée par cette combustion peut être absorbée par ces pièces métalliques au lieu d'être absorbée par les gaz de propulsion et par conséquent, l'augmentation de la dilatation des gaz sera relativement faible et le moteur peut décrocher. D'autre part, si le moteur a fonctionné à une vitesse relativement élevée pendant un certain temps, et puis temporairement a chuté à une vitesse relativement faible, si on obtient une accélération à ce moment là par injection de combustible supplémentaire, le décrochage peut avoir lieu pour des raisons différentes: l'état antérieur de vitesse élevée a augmenté la température de la chambre de combustion jusqu'à une valeur élevée L'état de vitesse faible crée ordinairement une faible température de chambre de combustion, mais dans ce cas particulier, le métal de la chambre de combustion n'est pas encore refroidi de sa tempé- rature élevée et fonctionne donc comme un réservoir de chaleur Lorsqu'on injecte le combustible lors de l'essai d'accélération du moteur, le combustible enflammé ainsi que les pièces métalliques de la chambre de combustion peuvent envoyer de la chaleur dans les gaz de propulsion Cet excès de chaleur peut provoquer le décrochage du moteur. En outre, dans tous les cas, il y a une limite à la quantité de combustible que l'on peut injecter dans la chambre de combustion S'il n'y avait pas de limite imposée, lorsque le pilote d'un avion demande une accélération ins- tantanée, la commande de combustible injecterait une quan- tité excessive de combustible dans la chambre de combustion, provoquant probablement le décrochage du moteur. Une méthode classique de commande d'accélération pour empêcher les décrochages comporte le réglage du débit de combustible en fonction de la vitesse du moteur On dimi- nue les décrochages en programmant des marges d'erreur dans le débit C'est-à-dire par exemple qu'on limite le débit de combustible pour une chambre de combustion froide à celui qu'une chambre de combustion chaude peut supporter dans les mêmes conditions Ainsi, ces marges empêchent que survien- nent des situations dans lesquelles on fournit trop peu de combustible à une chambre de combustion froide et beaucoup trop de combustible à une chambre de combustion chaude. Cependant, il est évident que l'utilisation de ces marges empêchent d'atteindre l'accélération théoriquement possible: le combustible fourni pour un ensemble donné de conditions de fonctionnement est limité par les marges d'erreur qui ne sont, en général, pas sensibles aux conditions prévalant à -3- un moment donné. De plus, il n'existe pas deux moteurs semblables et ils accéléreront différemment pour la même quantité de combustible fourni à chacun d'eux Il est souhaitable de détecter et de régler l'accélération des moteurs parce qu'une accélération excessive peut provoquer des cycles thermiques qui réduisent la durée de vie des moteurs La détection de l'accélération pose un problème parce que le signal de vitesse contient généralement une composante de bruit haute fréquence qui est amplifiée lorsqu'on calcule l'accélération en prenant la dérivée par rapport au temps. Ainsi, un calcul direct de l'accélération que l'on cherche à régler présente des difficultés. En outre, de nombreuses commandes de combustible pour moteurs utilisent ordinairement une pression statique de sortie de compresseur (P 3) comme paramètre d'entrée. Ceci pose au moins deux problèmes: premièrement, le signal émis par le capteur de pression utilisé est généralement un signal analogique et doit être converti en signal numérique; et deuxièmement, les capteurs de pression qui sont précis pour la gamme nécessaire de pressions (d'environ 69 103 à 2411 10 Pa) sont coûteux. La présente invention a pour buts de réaliser une nouvelle commande perfectionnée de combustible pour un moteur à turbine à gaz; réaliser une nouvelle commande perfectionnée de combustible pour un moteur à turbine à gaz qui permette d'obtenir une accélération de la turbine plus uniforme pour une gamme étendue de conditions de fonctionnement; réaliser une nouvelle commande perfectionnée de combustible pour un moteur à turbine à gaz qui régle le débit de combustible en fonction de paramètres qui compren- nent l'accélération du moteur; - réaliser une nouvelle commande perfectionnée de combustible pour un moteur à turbine à gaz qui ne repose pas -4- sur la pression statique de sortie du compresseur comme signal d'entrée réaliser une nouvelle commande perfectionnée de combustible qui limite le combustible fourni au moteur à un moment donné. La description qui va suivre se réfère à la figure annexée qui représente une illustration schématique d'un mode de réalisation de l'invention associé à un moteur à turbine à gaz. L'invention concerne des commandes de moteurs à turbine qui fonctionnent en réponse à un signal indiquant un débit âe combustible souhaité et qui régle la quantité de combustible fournie au moteur en fonction de l'accélération du moteur et d'autres conditions de fonctionnement. Dans le mode de réalisation de l'invention repré- senté figure 1, un signal d'entrée indicatif d'une vitesse souhaitée d'un moteur à turbine 3 est présent sur le conduc- teur 4 et envoyé à l'entrée positive (+) d'un dispositif de sommation 7 Le signal d'entrée sur le conducteur 4 peut être fourni par le pilote d'un avion Le signal de sortie du dispositif de sommation 7 est envoyé à un multiplicateur 9 dont le signal de sortie est envoyé à l'entrée d'un sélec- teur de minimum 12 On envoie un signal présent sur une ligne 15 et provenant d'un dispositif de programmation de vitesse de vanne de dosage maximum 16 vers l'entrée positive (+) d'un dispositif de sommation 18 dont le signal de sortie est envoyé à l'autre entrée du sélecteur de minimum 12 Le dispositif de sommation 18, de même que tous les dispositifs de sommation présents ici, a pour fonction de soustraire le signal présent à son entrée négative de celui présent à son entrée positive Le sélecteur 12 a pour fonction de choisir le plus petit de ses deux signaux d'entrée et d'envoyer ce signal vers sa sortie 24 en tant que premier signal de sé- lection Le sélecteur 12 a pour effet de limiter le maximum que peut atteindre le signal de sortie 24 à la valeur du signal sur la ligne 15, tel que modifié par le dispositif de sommation 18 et le multiplicateur 21. On envoie le signal de sortie 24 du sélecteur de minimum 12 vers l'entrée d'un sélecteur de maximum 27 On S applique un signal présent sur une ligne 30 provenant d'un dispositif de programmation de vitesse de vanne de dosage minimum 31 à l'entrée positive (+) d'un dispositif de som- mation 33 On applique le signal de sortie du dispositif de sommation 33 à un bloc multiplicateur 35 dont le signal de sortie est envoyé à l'autre entrée du sélecteur de maximum 27 Le sélecteur de maximum 27 choisit le plus grand de ses deux signaux d'entrée et le transmet à sa sortie 38 en tant que deuxième signal de sélection Le sélecteur 27 a pour effet de limiter le minimum que peut atteindre le signal de sortie 38 à la valeur du signal sur la ligne 30, tel que modifié par le dispositif de sommation 33 et le multiplica- teur 35. On relie la sortie 38 à l'entrée d'un sélecteur de minimum 41 L'autre entrée du sélecteur de minimum 41 est reliée à une ligne 44 qui transmet un signal provenant d'un dispositif de programmation d'accélération maximum 47 Le sélecteur de minimum 41 choisit le plus petit signal de ses deux signaux d'entrée et le transmet vers la sortie 49 en tant que troisième signal de sélection Le sélecteur 41 a pour effet de limiter le maximum que peut atteindre sa sor- tie 49 à une limite imposée par le dispositif de programma- tion 47. On relie la sortie 49 à l'une des entrées d'un sélecteur de maximum 52 L'autre sortie du sélecteur de maximum 52 est relié à une ligne 55 qui transmet un signal provenant d'un dispositif de programmation d'accélération minimum 58 (que l'on peut aussi appeler un dispositif de programmation de décélération) Le sélecteur de maximum choisit le plus grand de ses deux signaux d'entrée et le transmet à sa sortie 60 en tant que quatrième Le sélecteur -6- 52 a pour effet de limiter le minimum que peut atteindre sa sortie 60 à une limite imposée par le dispositif de program- mation 58. On relie la sortie 60 à l'entrée d'un intégrateur 63 Le signal de sortie 64 de l'intégrateur 63 (c'est-à-dire un signal de sortie préliminaire) est renvoyé par une ligne à l'entrée négative (-) du dispositif de sommation 7 La sortie 64 de l'intégrateur 63 est en outre reliée à l'entrée positive (+) d'un dispositif de sommation 68 dont l'entrée négative (-) est raccordée à la ligne 71 La ligne 71 trans- met un signal indicatif de la vitesse de rotation réelle d'un élément tel qu'une aube tournante de soufflante ou une aube de compresseur du moteur à turbine 3 et cette vitesse est la variable commandée du système. On relie la sortie du dispositif de sommation 68 à l'entrée d'un moyen de compensation dynamique tel que le bloc statibilisateur 73 dont la sortie est reliée à l'entrée d'un intégrateur 75 de même que renvoyé aux entrées néga- tives des dispositifs de sommation 18 et 33 au moyen d'une ligne 77 Le bloc stabilisateur 73 a, de préférence, la fonction de transfert suivante 1 + St - 1 + St 2 dans laquelle S est la variable de fréquence complexe et t 1 et t 2 des constantes de temps calculées par des tech- niques classiques du domaine des fréquences tel que l'ana- lyse de Bode ou le critère de Nyquist Le bloc stabilisateur 73 diminue les effets de signaux transitoires On relie la sortie de l'intégrateur 75 au dispositif de commande de com- bustible 79 qui règle la quantité de combustible fournie à la chambre de combustion (non représentée) du moteur à tur- bine à gaz La quantité de combustible fournie, en kilogram- mes par seconde, est, de préférence, proportionnelle au signal de sortie de l'intégrateur 75 Et, il faut le remar- qguii, le sïgwa 1 t^-u'en-,éee-te als-ég-u-r 75 est proportion- -7- nel à la dérivée par rapport au temps du débit de combus- tible Ainsi, puisque la vitesse de rotation du moteur 3 dé- pend largement du débit de combustible et puisque la dérivée par rapport au temps de cette vitesse dépend pour la majeure partie de la dérivée par rapport au temps de ce débit de combustible, le signal d'entrée de l'intégrateur 75 est in- dicatif de la dérivée par rapport au temps de la vitesse de rotation du moteur, c'est-à-dire de l'accélération du mo- teur Par conséquent l'accélération du moteur est commandée par un réglage précis de la dérivée par rapport au temps du débit de combustible, ce qui ne nécessite pas une mesure directe de l'accélération du moteur. Le fonctionnement du dispositif représenté figure 1 est expliqué cidessous Les dispositifs de programmation de vitesse de vannes de dosage maximum et minimum 16 et 31, de même que les dispositifs de programmation d'accélération maximum et minimum 47 et 58, prennent chacun en compte dif- férents paramètres de fonctionnement du moteur, tels que des températures déterminées, des pressions et des vitesses d'éléments du moteur selon des programmations prédétermi- nées Les valeurs des paramètres sont détectées par des cap- teurs (non représentés) La programmation particulière dé- pend de nombreux facteurs comprenant les caractéristiques du moteur et des considérations de construction quant au débit de combustible autorisé pour différentes conditions de fonc- tionnement La construction des dispositifs de programmation 16, 31, 47 et 58 est bien connue de la technique, ainsi que la manière de les programmer A titre d'exemple, ces dispo- sitifs de programmation sont du type décrit pour le dispo- sitif de programmation de vitesse de soufflante 33 dans le brevet des E U A N O 4 184 327. En réponse aux valeurs détectées des paramètres, les dispositifs de programmation engendrent des signaux in- dicatifs des quantités maximum et minimum de combustible autorisées dans les conditions courantes de fonctionnement pour empêcher des événements tels qu'un décrochage du mo- teur, des suraccélérations et des décélérations Les signaux de maximum et de minimum des dispositifs de programmation 16 et 31 sont modifiés dans les dispositifs de sommation 18 et 33 par le signal de réaction présent sur la ligne 77 Ce signal de réaction réfléchit, en ignorant l'action du bloc stabilisateur 73, la différence entre le signal de sortie préliminaire (c'est-à-dire, celui à la sortie de l'intégra- teur 63) et la vitesse réelle du moteur (celui présent sur la ligne 71) Ces signaux de maximum et de minimum, ainsi modifiés, sont alors pondérés ou multipliés par les blocs multiplicateurs 21 et 35 Le signal de sortie du premier est appliqué au sélecteur de minimum 12 et le signal de sortie du dernier est appliqué au sélecteur 27 La pondération par 1 S les blocs multiplicateurs 9, 21 et 35 a pour fonction d'a- dapter les signaux qu'ils reçoivent pour que ces derniers soient compatibles avec d'autres signaux dans d'autres élé- ments du système tel que le sélecteur de maximum 27. Le signal d'entrée présent sur le conducteur 4 est classiquement engendré par la commande de l'opérateur de la turbine, tel que le pilote d'un avion à réaction, bien que ce signal d'entrée puisse être engendré par un équipement automatique Le signal d'entrée indique la vitesse du moteur souhaitée par le pilote On soustrait de ce signal de vites- se souhaitée, dans le dispositif de sommation 7, le signal de sortie de l'intégrateur 63 On pondère le signal résul- tant par le bloc multiplicateur 9 et on l'applique au sélec- teur de minimum 12. Les sélecteurs de minimum et de maximum 12 et 27 ont pour fonction de soumettre le signal de sortie du dispo- sitif de sommation 7, signal qui est un signal d'erreur de vitesse, aux limites maximum et minimum établies par les dispositifs de programmation 16 et 31 C'est-à-dire, que les sélecteurs de maximum et de minimum 12 et 27 en fait main- tiennent entre ou encadrent le signal d'erreur de vitesse fourni par le dispositif de sommation 7 entre les deux si- gnaux présents sur les lignes 15 et 30 Ce premier signal encadré, c'est-àdire présent à la sortie 38 du sélecteur de maximum 27, est en outre encadré par les sélecteurs de maxi- mum et de minimum 52 et 41 entre les signaux présents sur les lignes 44 et 55, c'est-à-dire, les signaux qui indiquent les accélérations maximum et minimum permises dans les con- ditons de fonctionnement présentes et établies par les dis- positifs de programmation 47 et 48 Considérés d'une autre manière, les éléments de circuit situés entre le conducteur 4 et l'intégrateur 63 ont pour fonction de limiter l'effet ou l'influence du signal de vitesse souhaitée. Le deuxième signal encadré, c'est-à-dire celui présent à l'entrée de l'intégrateur 63 et qui a subi un traitement, de sorte qu'il est maintenu à l'intérieur des limites imposées par les dispositifs de programmation 16, 31, 47 et 58, est intégré par l'intégrateur 63 pour fournir en signal préliminaire de sortie à la sortie 64 et ce der- nier est ensuite actualisé par le dispositif de sommation 68 en lui soustrayant la vitesse réelle du moteur On applique le signal de sortie du dispositif de sommation 68 au bloc stabilisateur 73 qui augmente la stabilité du signal de ma- nière connue, et on renvoie le signal ainsi stabilisé sur la ligne 77 pour modifier l'effet des dispositifs de program- mation des vannes de dosage maximum et minimum Le signal de sortie du stabilisateur 73 est ensuite intégré par l'inté- grateur 75 pour être envoyé comme signal de commande de débit de combustible à l'équipement de commande de fourni- ture de combustible 79 Cet équipement 79 commande la quan- tité de combustible fourni au moteur à turbine 3 et comporte une vanne (non représentée) qui facilite la fonction de com- mande de combustible. Ainsi, la présente invention régle une variable commandée, telle que la vitesse du moteur, en modifiant le combustible fourni au moteur à turbine à gaz en réponse à un - ordre de l'opérateur Le combustible fourni est soumis à des limites maximum et minimum imposées par les dispositifs de programmation de vitesse de vannes de dosage de combustible dont le but est de maintenir le débit de combustible et est aussi soumis aux limites imposées par les dispositifs de programmation d'accélération maximum et minimum On a par conséquent décrit un système en boucle fermée qui a trois sources de réaction: le signal de sortie de l'intégrateur 63 renvoyé au dispositif de sommation 7, le signal d'entrée de l'intégrateur 75 qui est renvoyé aux dispositifs de som- mation 18 et 33 et la vitesse réelle du moteur qui est ren- voyée au dispositif de sommation 68 sur la ligne 71. Un avantage important de la commande de la pré- sente invention tient à la présence de l'intégrateur 63 (et à sa boucle de réaction associée pour le signal d'entrée par le dispositif de sommation 7) Une raison à cela est que le signal de sortie préliminaire sur la ligne 64 représente une courbe en fonction du temps de la vitesse souhaitée du mo- teur La courbe est constamment modifiée par le signal de réaction et par les dispositifs de programmation ( 16, 31 47 et 58) de sorte que les limites imposées par ces dispositifs sont presque simultanément et constamment maintenues De plus, on utilise indirectement l'accélération du moteur comme signal d'entrée de l'invention, sans mesurer en fait l'accélération elle-même. On a décrit une invention qui limite un signal d'erreur de vitesse au moins de deux manières Premièrement, le signal d'erreur est encadré par ou maintenu entre des limites supérieure et inférieure de débit de combustible. Deuxièmement, le signal d'erreur est maintenu entre des limites supérieure et inférieure d'accélération de moteur. Le signal ainsi maintenu est intégré, modifié par la vitesse courante du moteur, stabilisé et intégré à nouveau et en- suite appliqué à une commande de combustible pour régler la quantité de combustible fournie au moteur. il - REVENDICATIONS 1 Dispositif de commande d'un signal de fourni- ture de combustible dans un moteur à turbine à gaz, carac- térisé en ce qu'il comprend: a) des moyens ( 7) pour recevoir un signal d'entrée indicatif d'un débit souhaité de fourniture de combustible au moteur, b) des moyens ( 16, 31) de maintien de débit de fourniture de combustible pour maintenir l'influence du signal d'entrée entre des limites indiquant des débits maximum et minimum de fourniture de combustible; et c) des moyens ( 47, 58) de maintien de l'accéléra- tion pour maintenir l'influence du signal d'entrée entre des limites indiquant les accélérations maximum et minimum du moteur. 2 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre un moyen d'intégration ( 63) pour intégrer le signal tel que maintenu en (b) et en (c) pour réaliser un signalde sortie préliminaire. 3 Dispositif selon la revendication 2, caracté- risé en ce qu'il comprend des moyens de réaction pour modi- fier le signal d'entrée en fonction du signal de sortie pré- liminaire. 4 Dispositif selon la revendication 3, caracté- risé en ce qu'il comprend de plus des moyens ( 68) pour modi- fier le signal de sortie préliminaire en fonction de la vi- tesse de rotation d'un élément prédéterminé du moteur. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce qu'il comporte des moyens ( 77) pour modifier les limites imposées par les moyens de maintien du débit de com- bustible ( 16, 31) en fonction d'un signal dérivé du signal de sortie préliminaire. 6 Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce qu'il comprend un deuxième moyen d'intégration ( 75) pour intégrer un signal dérivé du signal de sortie pré- -12 - liminaire et pour réaliser un signal de commande de fourni- ture de combustible. 7 Dispositif pour amener la vitesse d'un moteur à turbine à gaz à une vitesse souhaitée indiquée par un signal d'entrée, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un premier multiplicateur ( 9) pour multiplier un signal dérivé provenant du signal d'entrée par un nombre choisi; b) un dispositif de programmation ( 16) de débit maximum de combustible pour engendrer un signal de débit maximum de combustible selon une fonction prédéterminée de paramètres de fonctionnement choisis du moteur; c) un deuxième multiplicateur ( 21) pour multiplier le signal de débit maximum de combustible par un nombre choisi; d) un dispoisitif de programmation ( 31) de débit minimum de combustible pour engendrer un signal de débit minimum de combustible selon une fonction prédéterminée de paramètres de fonctionnement choisis du moteur e) un troisième multiplicateur ( 35) pour multi- plier le signal de débit minimum de combustible par un nombre choisi; f) un premier moyen de sélection ( 12) pour choisir le plus petit du signal dérivé de (a) et le signal multiplié de débit maximum de combustible de (c) et engendrer un pre- mier signal de sélection ( 24); g) un deuxième moyen de sélection ( 27) pour choi- sir le plus grand du premier signal de sélection de (f) et le signal multiplié de débit minimum de combustible dé (c) et engendrer un deuxième signal de sélection ( 38); h) un dispositif de programmation ( 47) d'accéléra- tion maximum de moteur pour engendrer un signal d'accéléra- tion maximum du moteur, selon une fonction prédéterminée de paramètres de fonctionnement choisis du moteur i) un dispositif de programmation ( 58) d'accéléra- 13 - tion minimum du moteur pour engendrer un signal d'accéléra- tion minimum du moteur selon une fonction prédéterminée de paramètres de fonctionnement choisis du moteur; j) un troisième moyen de sélection ( 41) pour choi- sir le plus petit du deuxième signal de sélection de (g) et le signal d'accélération maximum du moteur de (h) et engen- drer un troisième signal de sélection ( 49); k) un quatrième moyen de sélection ( 52) pour choi- sir le plus grand du troisième signal de sélection de (j) et le signal d'accélération minimum du moteur de (i) et engen- drer un quatrième signal de sélection ( 60); 1) un premier moyen d'intégration ( 63) pour inté- grer en fonction du temps le quatrième signal de sélection de (k) pour engendrer un signal de sortie préliminaire; m) un premier moyen de réaction ( 65) pour modifier le signal d'entrée selon le signal de sortie préliminaire de ( 1); n) un moyen d'actualisation ( 68) pour actualiser le signal de sortie préliminaire selon la vitesse réelle du moteur o) un moyen de compensation dynamique ( 73) pour stabiliser le signal de sortie préliminaire actualisé de (n); p) un deuxième moyen de réaction ( 77) pour modi- fier à la fois les signaux de débit maximum et minimum de combustible selon le signal de sortie préliminaire actualisé stabilisé de (o); q) un deuxième moyen d'intégration ( 75) pour inté- grer en fonction du temps le signal de sortie préliminaire actualisé stabilisé de (o) pour réaliser un signal de sortie; et r) un moyen de commande de combustible ( 79) pour modifier le débit de combustible fourni au moteur en réponse au signal de sortie. 8 Dispositif de commande de combustible fourni à un moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il consiste -14 - à: a) réaliser un signal intégré qui indique la déri- vée par rapport au temps du combustible fourni au moteur; et b) fournir le combustible au moteur avec un débit pratiquement proportionnel au signal intégré de (a). 9 Dispositif pour amener une variable commandée à une valeur souhaitée en réponse à un signal d'entrée, carac- térisé en ce qu'il consiste à a) faire suivre un traitement au signal d'entrée pour obtenir un signal traité ayant une valeur comprise dans un intervalle prédéterminé; b) engendrer un signal de sortie préliminaire ayant une dérivée par rapport au temps pratiquement égale à la valeur du signal traité; c) soustraire du signal d'entrée un signal dérivé du signal de sortie préliminaire; d) soustraire du signal de sortie préliminaire un signal dérivé de la variable commandée; e) modifier l'intervalle prédéterminé de (a) en fonction du signal de sortie préliminaire modifié par sous- traction de (d); f) engendrer un signal de sortie ayant une dérivée par rapport au temps qui est une fonction du signal de sor- tie préliminaire après la soustraction de (d); et g) modifier la variable commandée en fonction du signal de sortie.