Brevet FR2557217A1 — publié le 19850628

Système de détection et d'avertissement de calage de rotation d'un compresseur. La présente invention concerne des systèmes de détection et d'avertissement de calage de rotation de compresseurs de moteurs à turbine à gaz. Les compresseurs des moteurs à turbine à gaz peuvent subir deux types de calages: un calage remédia- ble que l'on appelle "fonctionnement par à-coups", et un calage irrémédiable connu sous le nom de "stagnation". Ces types de calages sont bien connus dans la technique des moteurs à turbine à gaz et il n'est pas indispensa- ble d'en décrire ici les causes. Il suffit de mention- ner que ces calages surviennent habituellement au cours du fonctionnement du moteur dans des conditions tran- sitoires (c'est-à-dire lors de l'accélération et de la décélération) et qu'ils sont le plus susceptibles de se produire dans des moteurs équipés d'augmentateurs (c'est-à-dire des dispositifs de postcombustion), lors- que ces augmentateurs fonctionnent ou sont mis en mar- che. Un moteur subissant un calage remédiable repren- dra de lui-même un fonctionnement normal, encore que le pilote puisse constater une perte sensible de puissance au moment o ce calage se produit. D'autre part, un calage de rotation irrémédiable ne peut se corriger au- tomatiquement et exige l'intervention du pilote qui doit alors couper les gaz et, finalement, arrêter le moteur avant que des dommages excessifs soient occasion- nés à ce dernier par les températures sans cesse crois- santes des gaz accompagnant un tel calage. Le pilote doit ensuite faire redémarrer le moteur. Plus un calage irrémédiable du moteur sera dé- celé prématurément par le pilote, meilleures seront les chances de celuici de pouvoir remettre le moteur en marche. Dans le cas de moteurs non équipés d'un système de détection de calage de rotation irrémédiable, le pilote doit surveiller l'indicateur de vitesse et l'indicateur de temperature du moteur afin de décider, sur la base de ces lectures et de son propre jugement, s'il se trouve ou non en présence d'un calage irrémé- diable. Même si le pilote observe les indicateurs précités au moment précis o survient un calage (soit avec rotation, soit sans rotation), il s'écoulera un certain laps de temps avant que les températures et les régimes du moteur changent dans une mesure suffi- sante pour l'avertir des conditions de calage. Le pilote devra également attendre qu'un laps de temps supplémentaire se soit écoulé pour avoir la certitude que le calage n'est pasdu type remédiable avant de prendre la décision relativement draconienne d'arrê- ter le moteur. Ce délai réduit davantage ses chances de pouvoir remettre le moteur en marche avec succès. En conséquence, il est nécessaire qu'un système quel- conque de détection de calage irrémédiable soit à même d'établir une distinction entre des calages de rota- tion irrémédiables et remédiables afin d'éviter que le pilote arrête inutilement le moteur pour le remettre ensuite en marche, ce qui, au mieux, constitue une situation dangereuse. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3.426.322, on décrit un système pour la détection d'un calage de compresseur, encore qu'il ne soit pas fait mention du type de calage de compresseur dans la spécification de ce brevet. Fondamentalement, dans le système décrit dans ce brevet, chaque fois que la température des gaz d'échappement dépasse une valeur prédéterminée en même temps que le régime du moteur se situe entre des limites supérieure et inférieure prédéterminées, et que cette condition persiste pendant un laps de temps prédéterminé (dix secondes à titre d'exemple), un signal avertisseur est alors émis pour indiquer, au personnel navigant, que le moteur présente un état de calage de compresseur. En supposant que le système est destiné à signaler un calage irrémédiable, il ne peut être déterminé, d'après le brevet précité, l'efficacité avec laquelle le système établit une distinction entre des calages irrémédiables et remédia- bles. Une chose est cependant certaine: le système n'est vraisemblablement pas à même d'avertir le pilote d'un état de calage avant l'écoulement du délai imparti dans le système. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3.867.717, il est stipulé que le taux de pression en travers du compresseur diminue rapidement au cours d'un calage irrémédiable, si bien que ce taux de pres- sion est fréquemment utilisé comme indication de la présence d'un calage irrémédiable. Toutefois, ainsi qu'on le souligne dans ce brevet, la diminution rapide du taux de pression du compresseur peut également se produire en cas de simple décélération du moteur; le taux de pression du compresseur peut également descen- dre à une valeur très basse au cours d'un vol normal à haute altitude. Dès lors, il est stipulé que le fait de se fier uniquement à une diminution du taux de pression du compresseur peut fournir des indications faisant croire erronément à un calage de ce dernier. Afin d'exclure de telles indications erronées concer- nant un calage de compresseur, le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique N 3.867.717 mentionne qu'il convient également de contrôler la température des gaz d'échappement de la turbine. Le déclenchement d'un signal de calage n'a pas lieu avant qu'il se produise simultanément une diminution du taux de pression du compresseur (en dessous d'une valeur minimum détermi- née empiriquement) et une élévation de la température d'échappement de la turbine (au-delà d'une valeur de référence). Dans les deux brevets des Etats-Unis d'Améri- que N 3.426.322 et N 3.867.717 dont question ci- dessus, la détection et la signalisation de l'existen- ce d'un calage irrémédiable dépendent de la détection d'une température accrue des gaz d'échappement. Bien que des changements de taux de pression se produisent à peu près instantanément dès l'apparition d'un calage, les températures des gaz d'échappement changent plus lentement et elles constituent un facteur de limita- tion dans la réduction du temps que nécessite la dé- tection de l'existence d'un calage irrémédiable avec une grande fiabilité. D'autres brevets qui sont repré- sentatifs de l'état de la technique concernant les systèmes avertisseurs de calage, sont les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 4.060.980, 4.118. 926 et 4.137.710, tous au nom de la Demanderesse de la pré- sente. Il est souhaitable d'apporter des perfection- nements à ces systèmes tant en ce qui concerne leur simplification qu'en ce qui concerne la réduction du temps nécessaire pour détecter un calage irrémédiable en excluant toute détection erronée. Un objet de la présente invention est de four- nir un système avertisseur de calage de compresseur qui est apte à établir une distinction entre des cala- ges de compresseur remédiables et irrémédiables. Un autre objet de la présente invention est de fournir un système avertisseur de calage de rota- tion de compresseur irrémédiable qui est à même de détecter plus rapidement et avec une plus grande pré- cision l'existence d'un état de calage irrémédiable, comparativement aux systèmes de la technique antérieu- re. Suivant la présente invention, un signal de sortie est engendré pour indiquer un état de calage de rotation de compresseur irrémédiable lorsque le taux de pression mesuré du compresseur à une vitesse de moteur corrigée existant à ce moment est égal à ou tombe en dessous d'un taux de pression prédéterminé pour cette vitesse de moteur corrigée. De façon surprenante, on a constaté qu'à cha- que vitesse du moteur (corrigée pour normaliser la tem- pérature d'entrée du moteur), on pouvait déterminer empiriquement un taux de pression de compresseur criti- que Pc' le taux de pression réel du compresseur tom- bant toujours en dessous de ce taux de pression prédé- terminé en une fraction de seconde seulement après l'apparition d'un calage de rotation irrémédiable dans le compresseur, tandis que le taux de pression réel descend rarement en dessous de ce taux de pression pré- déterminé au cours d'un calage remédiable. Dès lors, un programme de taux de pression critiques peut être prédéterminé pour toute la gamme de vitesses opératoi- res du moteur et ce programme peut être utilisé en vue d'une comparaison permanente avec le taux de pression réel afin de déterminer le déclenchement d'un calage irré- médiable en une fraction de seconde après son apparition. Lorsque le taux de pression réel est égal à ou tombe en dessous du taux de pression critique programmé, un signal de sortie est engendré pour indiquer un calage. Dans des cas rares o le taux de pression réel du compresseur tombe en dessous du taux de pression critique au cours d'un calage remédiable, il ne restera pas en dessous de ce taux de pression critique pendant plus d'une petite fraction de seconde, soit moins d'un dixième de seconde d'après l'expérience de la Demande- resse. En ayant ainsi la certitude que le taux de pression réel reste en dessous du taux de pression cri- tique pendant un court laps de temps avant que soit signalée l'existence d'un calage irrémédiable, des dé- tections indiquant erronément l'existence d'un calage lrremeaiao e peuvent être éliminées complètement sans accroître sensiblement le temps de détection. Il a été également déterminé que le programme de taux de pression critiques pouvait être représenté sous forme d'une relation en ligne droite avec une vitesse de rotor de compresseur corrigée (c'est-à-dire une vitesse de moteur corrigée). C'est ainsi que, si NC représente la vitesse corrigée du moteur et PR' le taux de pression réel en travers du compresseur, on peut prédéterminer un rapport constant pour NC/PR (appelé ci-après "rapport de calage critique"), de telle sorte que, lorsque ce rapport de calage critique est égal à ou dépasse ce rapport constant prédéterminé, on ait la certitude qu'un calage irrémédiable s'est produit pendant moins d'une fraction de seconde ou va survenir dans la fraction de seconde qui suit. La présente invention apporte un progrès supplémentaire à l'état de la technique de la détection de calage vis-à-vis de la demande de brevet des Etats- Unis d'Amérique N 390.573 déposée le 21 juin 1982 aux noms de Judith Foster et John St. Jacques et ayant pour titre "Engine Stall Early Warning System". D'autres caractéristiques et avantages appa- raîtront à la lecture de la spécification et des re- vendications ci-après, en se référant aux dessins an- nexés qui illustrent une forme de réalisation de l'in- vention; dans ces dessins: la figure 1 est une vue schématique et un blocdiagramme d'un moteur à turboréacteur à double flux et à deux rotors auquel est incorporé le système de détection de calage de la présente invention; la figure 2 est un diagramme illustrant une relation paramétrique du moteur pouvant être utilisée dans la présente invention. Une représentation schématique du système avertisseur de calage de la présente invention est donnée en figure 1 dans laquelle un moteur à turbine à gaz est illustré schématiquement et désigné d'une manière générale par le chiffre de référence 10. Dans cet exemple particulier, le moteur 10 est un turboréacteur à double flux et à deux rotors équipé d'un augmentateur et comportant un compresseur basse pression 12 suivi d'un compresseur haute pression 14. Le compresseur basse pression 12 comprend le ventila- teur et il est entraîné par la turbine basse pression 16 à laquelle il est solidarisé par un arbre 18. Le compresseur haute pression 14 est entraîné par une turbine haute pression 20 à laquelle il est solidarisé à l'intervention d'un arbre 22. Un dispositif de combustion ou un brûleur 24 auquel un carburant est acheminé, engendre l'énergie nécessaire pour entraî- ner les turbines 16, 20. Un dispositif de postcombus- tion ou un augmentateur 26 est disposé à l'intérieur d'un conduit d'échappement 28 en aval de la turbine 16. Les gaz passant à travers les turbines sont soumis à une expansion à travers une tuyère d'échappement à sec- tion variable 30. Dans un moteur à deux rotors, un calage irré- médiable se produit dans le rotor haute pression. En conséquence, la corrélation ou la relation précitée entre l'apparition d'un calage irrémédiable, le taux de pression du compresseur et la vitesse corrigée du moteur est valable uniquement lorsque la vitesse corri- gée du moteur est la vitesse corrigée du rotor haute pression. De la même manière, le taux de pression doit englober au moins le taux de pression en travers du compresseur haute pression 14, étant donné que c'est à l'intérieur de celui-ci que les pressions deviennent anormales au cours d'un calage irrémédiable. En règle générale, dans le cas d'un moteur à deux rotors, les 2S57217 relations précitées entre l'apparition d'un calage irrémédiable et le taux de pression du compresseur sont valables aussi longtemps que le taux de pression est mesuré depuis un point situé à ou en amont de l'en- trée du compresseur haute pression 14 jusqu'à un point situé à ou juste en aval de la sortie du compresseur haute pression, en l'occurrence, à l'entrée du brû- leur 24. Dans cette forme de réalisation particuliè- re, le taux de pression utilisé est le taux de pres- sion en travers des deux compresseurs, même si le taux de pression en travers du rotor haute pression uniquement pourrait tout aussi bien faire l'affaire. Un taux de pression critique Pc peut être prédéterminé en provoquant un calage irrémédiable dans un moteur d'essai à une vitesse de moteur corrigée désirée NC et en notant le taux de pression réel au début du calage, lequel est le taux de pression criti- que Pc pour cette vitesse. On a constaté que, lors- que cette donnée est reportée sur un diagramme indi- quant le taux de pression critique vis-à-vis de la vitesse de moteur corrigée, la donnée semblait se si- tuer dans une ligne droite. En adoptant la méthode des moindres carrés, une ligne droite paut être tracée à travers la donnée. La ligne "A" de la figure 2 re- présente cette ligne droite. La ligne "A" est appe- lée ci-après "ligne de calage". Au-dessus de la ligne de calage, se situe la zone de fonctionnement normal du moteur. En dessous de la ligne de calage, se situe la zone de calage de rotation du compresseur haute pression. Etant donné que la ligne de calage est une ligne droite, la relation entre le taux de pression du compresseur, la vitesse corrigée du rotor haute pression et le calage irrémédiable peut être représen- tée par l'équation suivante: NC> K PR dans laquelle K est une constante ayant une valeur égale à la pente de la ligne de calage A. Lorsque l'équation est satisfaite, le moteur vient juste ou est sur le point de subir un calage irrémédiable. En se référant à la figure 1 et suivant la présente invention, la température T2 du courant de gaz à l'entrée du compresseur basse pression o se situe le ventilateur et la vitesse N2 du compresseur haute pression sont mesurées et transmises à un divi- seur 32 qui calcule la vitesse de rotor haute pres- sion corrigée N2C2 et engendre un signal de sortie indiquant cette vitesse. Plus spécifiquement, dans le diviseur 32, la vitesse mesurée du rotor haute pression est divisée par VT2/519. On considère que la détermination de la vitesse de rotor corrigée ne fait pas partie de la présente invention et est bien connue dans la technique. La pression PT2 à l'entrée du compresseur basse pression (pression d'entrée du moteur) et la pression PB à l'entrée du brûleur sont mesurées et transmises à un diviseur 34 qui calcule le rapport PB/PT2 et engendre un signal de sortie PR indiquant le taux de pression réel en travers des deux compres- seurs. Le signal de taux de pression provenant du diviseur 34 et le signal de vitesse de rotor haute pression corrigée provenant du diviseur 32 sont ache- minés à un diviseur/comparateur 36 qui calcule le rapport: N2C2 et compare ce dernier avec la constan- PR te de ligne de calage prédéterminée K. Si le rapport précité est inférieur à la constante K, aucune action n'est entreprise. Si le rapport est supérieur ou égal à la constante K, le moteur fonctionne alors dans la zone de calage de rotation du diagramme de la fi- gure 2, et le diviseur/comparateur 36 engendre un signal de sortie approprié 38. Afin d'éliminer le moindre risque de fonc- tionnement du moteur en dessous de la ligne de calage suite à une perte de charge transitoire résultant d'un calage remédiable, le signal de sortie 38 est continuellement acheminé à une minuterie 40 aussi longtemps que le moteur fonctionne dans la zone de calage. Cette minuterie 40 engendre un signal de calage irrémédiable 42 si elle reçoit le signal de sortie 38 du diviseur/comparateur 36 de manière inin- terrompue pendant un court laps de temps prédétermi- né X, lequel doit être de l'ordre de un dixième de seconde seulement ou moins. Le signal de calage 42 provenant de la minuterie 40 peut être utilisé pour signaler simplement, au pilote, l'existence d'un calage irrémédiable et/ou il pourrait déclencher une action correctrice automatique telle qu'un arrêt et un redémarrage automatiques du moteur. Conformément aux enseignements de la présente invention, le comparateur/diviseur 36 peut être rem- placé par l'appareil essentiellement équivalent 36' illustré en figure 3. Dans ce cas, le signal de vi- tesse de rotor haute pression corrigée N2C2 provenant du diviseur 32 est acheminé à un générateur de taux de pression 44 qui engendre un taux de pression criti- que programmé Pc basé sur une courbe telle que la courbe A de la figure 2. Le taux de pression critique Pc et le taux de pression réel PR sont transmis à un comparateur 46 qui détermine si PR est inférieur ou égal à Pc. Si c'est le cas, un signal 38 est engendré à la sortie du comparateur 46 et acheminé à la minute- rie 40, le processus se déroulant ensuite de la maniè- re illustrée et décrite en se référant à la figure 1. il REVENDICATIONS 1. Appareil de détection de calage destiné à détecter un calage de rotation irrémédiable dans un moteur à turbine à gaz comportant un compresseur, cet appareil comprenant: un moyen (N2) destiné à détecter la vitesse du compresseur, ainsi qu'à engendrer un signal N indi- quant cette vitesse; un moyen (T2) destiné à détecter le température d'entrée T du moteur, ainsi qu'à engendrer un signal indiquant cette température; un moyen (32) destiné à recevoir le signal de vitesse de compresseur N et le signal de température T, ainsi qu'à engendrer, d'après ces signaux, un signal indiquant une vitesse de compresseur corrigée NC; un moyen (34) destiné à détecter le taux de pression réel PR en travers du compresseur, ainsi qu'à engendrer un signal indiquant ce taux de pression réel; un comparateur (36) destiné à recevoir le signal de taux de pression et le signal de vitesse de compres- seur corrigée, ainsi qu'à engendrer un signal de sor- tie indiquant l'existence d'un calage dans le compres- seur lorsque PR est inférieur ou égal à une valeur prédéterminée Pc qui varie directement avec la vitesse corrigée NC. 2. Appareil de détection de calage selon la revendication 1, comprenant une minuterie (40) desti- née à recevoir le signal de sortie du comparateur (36), ainsi qu'à engendrer un signal de sortie indiquant l'existence d'un calage de rotation irrémédiable dans le compresseur si le signal de sortie du comparateur est reçu continuellement pendant un laps de temps pré- déterminé. 3. Appareil de détection de calage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moteur à turbine à gaz est un moteur à deux rotors comportant un compresseur haute pression et un compresseur basse pression (14, 12), le compresseur haute pression com- portant une entrée et une sortie, la vitesse de com- presseur N étant la vitesse du compresseur haute pres- sion, tandis que le moyen destiné à détecter le taux de pression comprend un élément destiné à mesurer le taux de pression depuis un point situé à ou en amont de l'entrée du compresseur haute pression jusqu'à un point situé à ou juste en aval de la sortie de ce der- nier, de telle sorte que le taux de pression PR englobe au moins le taux de pression en travers du compresseur haute pression. 4. Appareil de détection de calage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compara- teur (36) comprend un générateur de taux de pression critique (44) destiné à recevoir le signal de vitesse corrigée, ainsi qu'à engendrer, d'après ce dernier, un signal indiquant le taux de pression critique Pc 5. Appareil de détection de calage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le comparateur (36) comprend un moyen destiné à recevoir le signal de vitesse corrigée et le signal de taux de pression réel, à calculer la valeur NC d'après ces signaux, R ainsi qu'à engendrer un signal de sortie lorsque NC PR dépasse ou est égal à une valeur constante prédétermi- née K, ce signal de sortie indiquant l'existence d'un calage de rotation irrémédiable dans le compresseur. 6. Procédé en vue de détecter un calage de rotation de compresseur irrémédiable dans un moteur à turbine à gaz comportant un compresseur, ce procédé comprenant les étapes qui consistent à: détecter la vitesse N du compresseur; détecter la température d'entrée T du moteur; 255721? calculer une vitesse de compresseur corrigée NC d'après N et T; détecter un taux de pression PR en travers du compresseur; et engendrer un signal de sortie lorsque PR est inférieur ou égal à une valeur prédéterminée Pc qui varie directement avec la vitesse corrigée du moteur, ce signal indiquant l'existence d'un calage irrémédia- ble dans le compresseur. 7. Procédé selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le signal de sortie n'est pas engendré avant que PR reste inférieur à Pc pendant un laps de temps prédéterminé. 8. Procédé selon la revendication 7, caracté- risé en ce que le moteur est un moteur à deux rotors, N est la vitesse du rotor haute pression et PR est un taux de pression de compresseur qui englobe au moins le taux de pression en travers du rotor haute pres- sion. 9. Procédé selon la revendication 7, caracté- risé en ce que NC est une constante pour toutes les vi- P tesses de compresseur corrigées. 10. Procédé en vue de détecter un calage de rotation de compresseur irrémédiable dans un moteur à turbine à gaz comportant un compresseur, ce procédé comprenant les étapes qui consistent à: détecter la vitesse N du compresseur; détecter la température d'entrée T du moteur; calculer une vitesse de compresseur corrigée NC d'après N et T et engendrer une valeur de taux de pression critique prédéterminée Pc basée sur cette vitesse et qui varie directement avec cette dernière; détecter un taux de pression PR en travers du compresseur; et engendrer un signal de calage lorsque PR est égal ou inférieur à P. c 11. Procédé selon la revendication 10, carac- térisé en ce que le signal de calage est engendré uni- quement lorsque PR reste continuellement égal ou infé- rieur à Pc pendant un court laps de temps prédétermine. PAR PROCURATION DE: UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION LE MANDATAIRE: R. BAUDIN