Brevet FR2564144A1 — publié le 19851115

La présente invention concerne un proc4dri et un appareil pour commander le nettoyage des aubes d'une turbine d'un turbocompresseur utilisé avec un moteur et elle est plus particulièrement relative à la détection d'un parambtre de fonctionnement du turbocompresseur et au démarrage d'une opération de nettoyage, en vue d'éliminer les dépôts accumu- lés, en réponse à une dégradation des performances ddtermi- née à partir de la détection du paramètre précité. Les turbocompresseurs sont utilisés en combinaison avec un moteur pour de nombreuses raisons. Un turbocompres- seur entrain4 par les gaz d'échappement d'un moteur utilise l'énergie des gaz d'échappement qui serait autrement per- due. Le turbocompresseur agit de manière à accroître la puissance du moteur en fournissant une densité d'air de charge plus elevée si bien que davantage de combustible peut être brûlé au cours de chaque cycle du moteur, il assure un balayage avec de l'air afin de vider les cylindres des pro- duits de combustion et il agit également de manière à re- froidir additionnellement des parties du moteur, ce qui 2n permet un accroissement de puissance. L'utilisation d'un turbocompresseur avec un moteur se traduit par une puissance accrue, une pression effective moyenne au freinage plus élevée, parce que la densité d'air plus élevée améliore les performances du moteur aux faibles charges, et elle permet au moteur de fonctionner non seulement à un point de rende- ment optimal mais encore à des vitesses et charges réduites. L'utilisation d'un turbocompresseur peut intervenir addi- tionnellement pour rétablir les normes de fonctionnement au niveau de la mer avec des moteurs fonctionnant à des alti- 3q tudes 4levées, grâce h la compensation des pressions atmos- phériques réduites, et elle permet d'obtenir une accéléra- tion maximale possible de la vitesse jusqu'à la vitesse rynchrone pour des départs fiables et rapides, ainsi qu'une réduction de la consommation de combustible et d'huile. Les gaz d'échappement sortant des moteurs sont uti- ]isés en tant que fluide moteur pour entraîner la partie formant turbine du turbocompresseur. Cette partie formant turbine est accouptlée, par I'intermndiaire d'un arbre, h la partie formant compresseur du turbocompresseur, laquelle agit pour comprimer l'air d'admission devant être fourni au motcur. Les gaz d'échappement entraînant le turbocompresseur contiennent des agents contaminants et des particules ré- sultant d'une combution incomplete et d'agents contaminants présents dans le combustible. La quantité d'agents conta- minants libérés par le moteur dans les gaz d'échappement est fonction du combustible utilisé. Si on utilise dans le moteur un combustible "sale", tel qu'une huile lourde pour moteur diesel, des particules appréciables peuvent être alors évacuées avec les gaz d'échappement. L'utilisation d'huiles lourdes pour moteur diesel provoque la formation de dépOts d'agent contaminant sur les aubes de la turbine, ce qui entraîne une réduction de la zone de passage de l'écoulement entre les aubes et affecte d'une manière néfaste les performances du turbocompresseur. Il est nécessaire de placer et de dimensionner d'une manière appropriée des buses d'eau de lavage afin de nettoyer pério- diquement les aubes, pour amener celles-ci à l'état propre et rétablir par conséquent les performances totales du tur- bocompresseur, tout en maintenant celui-ci en service. Il est en outre avantageux de prévoir un système de commande pour exécuter cette fontion automatiquement ou semi-automa- tiquement. Un but de la présente invention est de fournir un appareil pour nettoyer efficacement les aubes d'un turbo compresseur en enlevant les dépôts formés sur ces aubes. Un autre but de la présente invention est de four- nir un procédé pour déterminer l'instant ofJ doit commencer l'opération de nettoyage des aubes d'un turbocompresseur. Uin autre but de la présente invention est de détec- ter un paramètre de fonctionnement de la partie formant compresseur d'un turbocompresseur et de démarrer le netto- yage des aubes de la turbine en réponse 5 une déqradation des performances du compresseur du turbocompresseur. 6 4 1 4 4 lin autre but de la présente invention est de four- nir un procédé et un appareil pour déterminer effectivement la nécessite d'un nettoyage et pour démarrer le nettoyage ides dépôts accumulés sur les aubes d'une turbine d'un turbo- compresseur. Un autre but de la présente invention est de four- nir une commande de lavage à l'eau intégrale qui soit fia- ble, peu coûteuse, et qui peut être aisément entretenue en vue d3 nettoyer les aubes d'un turbocompresseur. D'autres but résulteront de la description qui va suivre. Les buts précités sont atteints, suivant une forme d'exécution préférée de l'invention, au moyen d'un appareil pour commander le nettoyage des aubes de turbine de la par- tie formant turbine d'un turbocompresseur entraîné par des gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de nettoyage avec de l'eau à haute pression pour injecter de l'eau dans le courant des gaz d'échappement, des moyens pour détecter une diminution des performances du turbocompresseur indiquant que les aubes de la turbine de- viennent encrassées et pour produire un signal en réponse à cette détection, et des moyens de commande pour démarrer une opération des moyens de nettoyage à l'eau en réponse à la détection du signal délivré par les moyens de détection. L'invention a également pour objet un procédé pour déterminer l'instant o doit démarrer l'injection d'eau pour effectuer le nettoyage d'aubes de turbine encrassées de la partie formant turbine d'un turbocompresseur qui comprime de l'air pour un moteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à détecter la pression du gaz déchargé à partir du turbocompresseur, à produire un signal de dé- merrage lorsque la pression du gaz ainsi détectée est infé- rieure 5 un seuil prédéterminé, et h commencer l'injection i 'e;,u, pour effectuer le nettoyage, en réponse à la détec- tion du signal de démarrage. On décrira ci-aprs,à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention,en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en coupe axiale, partielle- ment schématique, d'un turbocompresseur pourvu d'un système d'injection d'eau de lavage, d'un moteur relié au turbo- cbmpresseur et des connexions électriques sélectionnées. La figure 2 est un schéma de la logique utilisée pour commander le nettoyage des aubes de la turbine. La figure 3 est une vue en élévation d'une commande utilisée avec le turbocompresseur. On décrira, dans ce qui va suivre, l'appareil et le procédé suivant l'invention à propos de leur utilisation pour le nettoyage des aubes de turbine d'un turbocompres- seur d'un type particulier. On comprendra toutefois que la présente invention peut s'appliquer de la même façon è des systèmes similaires dans lesquels une mesure des performan- ces d'une partie d'un système peut être utilisée pour dé- terminer l'instant o l'on doit démarrer une opération de nettoyage. On comprendra aussi-que, bien que dans l'exemple particulier illustré dans lequel on utilise la pression de décharge de la partie formant compresseur du turbocompres- seur pour déterminer l'instant o doit commencer le nettoya- ge, un paramètre quelconque parmi les nombreux paramètres de fonctionnement pourrait être mesuré afin de déterminer les performances du turbocompresseur, ce paramètre étant uti- lisé en tant que valeur permettant de déterminer à quel moment l'opération de nettoyage doit commencer. Si on se réfère tout d'abord à la figure 1, on peut y voir un schéma complexe qui comporte une vue en coupe axiale d'un turbocompresseur et une vue schématique du turbocompresseur incorporé dans un système fermé avec un 3n moteur à-combution interne. Des connexions électriques choi- sies additionnellement sont également représentées. Comme on peut le voir sur la figure 1, un turbo- compresseur 10 comporte une section formant turbine 31 et une section formant compresseur I1l. La section formant compresseur Il comporte des aubes rotoriques 15 faisant partie d'un rotor 14 pour aspirer, à travers un orifice d'admission d'air 12, l'air devant être comprimé par le rotor. Une flèche f] représente l'écoulement de l'air à 2564 144 travers l'orifice d'admission d'air 12 en direction dlu rotor 14. Les aubes rotoriques 15 agissent de manire h acc4lérer l'air et h le décharger vers l'extérieur, à travers un dif- fuseur 16 dans lequel la pression dynamique de l'air est convertie en pression statique afin de fournir de l'air comprimé. Cet air comprimé est reçu dans un collecteur lq et il est dvacud à partir de celui-ci, comme l'indique la flè- che f2, à travers un conduit d'évacuation de l'air 20, en direction d'un autre conduit d'évacuation de l'air 50. Le ln rotor 14 est monté sur un arbre 22 qui est entraîné par la section formant turbine 31. Dans la section formant turbine 31 est représenté un orifice 32 d'entrée des gaz d'échappement dans lequel sont tracées des flèches f3 montrant que les gaz d'échappement provenant du moteur pénètrent dans la section formant turbi- ne 31 à travers l'orifice d'entrée 32.Les gaz d'échappement s'écoulent sur des aubes fixes 36, sur des stators 38 et ils.viennent en contact avec des aubes mobiles 40 montés sur un disque rotorique 42 de la turbine qui est fixé sur l'ar- bre commun 22. Les gaz chauds s'écoulent à travers l'orifice d'entrée 32 et ils sont dirigés par les aubes 36 et les stators 38 de manière à venir au contact des aubes 40 du disque rotorique 42 de la turbine afin d'amener l'arbre 22 à tourner et à entraîner en rotation le rotor 14 du compres- seur afin de comprimer l'air. Après avoir traversa les aubes du rotor 42 de la turbine les gaz sont évacués h partir d'une chambre de décharge des gaz d'échappement 3n et ils s'écoulent vers l'extérieur en direction d'une cheminée ou de tout autre zone d'évacuation. Une flèche f4 indique la x0 position à partir de laquelle les gaz sont évacués. Le moteur 80 est représenté schématiquement comme comportant huit cylindres. Les détails du moteur tels que le circuit d'alimentation en combustible, la commande des soupapes et d'autre composants du moteur ne sont pas repré- sentds. Le moteur qQ est illustré comme étant relié à un collecteur d'alimentation 52 qui est relié au conduit de décharge de l'air 50 si bien que l'air comprimé provenant du turbocompresseur peut être fourni travers le collecteur d'alimentation ou d'admission 52, afin d'alimenter lus c>- lindres du moteur en air. UIn collecteur d'échappement 62 qui s'étend h partir du moteur 80, est relie, par un conduit d'échappement 64, à l'orifice d'entrée des gaz d'échappement 32 du turbocompresseur. C'est grâce 3 un tel agencement que les gaz d'échappement chauds provenant des cylindres du moteur sont dirigés vers la partie formant turbine du turbo- compresseur afin d'entratner celui-ci. Un arbre 86 sortant du moteur délivre la puissance d'entraînement en rotation transmise à un utilisateur quelconque. Un régulateur 82 est représenté comme étant connecté au moteur pour commander la vitesse de ce moteur. Une commande 100 est montée dans l'angle inférieur gauche de la figure 1 et cette command-e est connectée, par l'intermédiaire de fils 83, au régulateur 82, par l'inter- médiaire de fils 56 à un capteur de pression 54 et par l'intermédiaire de fils 78 à une pompe 74. Le capteur de pression 54 est branché de manière à détecter la pression de l'air qui est déchargé à travers le conduit de décharge d'air 2n. On utilise une baisse de cette pression pour dé- terminer l'instant o l'encrassement des aubes de la turbine a atteint un point tel qu'il est nécessaire d'utiliser une injection d'eau pour effectuer le nettoyage de ces aubes. Des injecteurs d'eau 70 sont représentés s'étendant à travers le carter des gaz d'échappement 34 du turbocom- presseur, pour injecter de l'eau directement dans le courant de gaz d'échappement en amont des aubes 36 et stators 38 du turbocompresseur. Une buse d'injection d'eau 71 est repré- sentée à l'extrémité de chaque injecteur d'eau 70 afin x0 d'émettre le courant approprié de gouttelettes assurant le nettoyage désiré. La pompe 74 est destinée à fournir de l'eau à haute pression, provenant d'une canalisation d'a- limentation en eau 76, à un conduit d'eau 72 qui dirige l'eau vers les injecteurs 70 espacés tout autour du turbo- compresseur. Le nombre d'injecteurs utilisés est choisi en fonction des circonstances particulières. L'alimentation électrique de la commande 100 est assurge par des lignPs L1 et L2. La commande 100 agit par l'intermédiaire des lianes 7 pour alimenter le moteur entraînant la pompe 74 afin de pomper l'eau lorsque cela est dêsir3. La commande Inn est également connectée par les fils 83 au régulateur 82 pour effectuer une commande de vitesse de ce moteur. Si on se réfère plus particulièrement à la figure 2, on peut y voir un schéma logique de la façon dont est réali- sée la commande pour le démarrage du fonctionnement du dispositif de nettoyage. Lors de la première étape 200 le moteur et le turbocompresseur sont alimentés. A partir de là le schéma logique passe à l'étape 202 pour alimenter un contrôleur d'encrassement afin de placer la commande dans un mode déterminant si les aubes sont ou non encrassés. A par- tir de l'étape 202 le schéma logique passe h l'étape 204 pour détecter la pression-de deécharge du turbocompresseur. Cette pression est détectée, ainsi qu'il est représenté sur la figure 1, par le capteur de pression 54 de cette figure. Lorsque les aubes de la turbine du turbocompresseur devien- nent encrassées, le rendement de ce turbocompresseur di- minue, ce qui provoque une diminution de la vitesse à la- quelle le rotor est entrainé en rotation. Lorsque la vitesse de ce rotor diminue, la pression de l'air comprimé par le compresseur du turbocompresseur diminue. C'est cette dimi- nution de la pression d'air qui est détectée par le capteur de pression 54 pour indiquer que les aubes sont encrassées. A partir de l'étape logique 204 le schéma logique passe à l'étape 206 dans laquelle la question est posée de savoir si la pression de décharge du turbocompresseur est ou non inférieure à la valeur préréglée. Si la réponse est "non", le schéma logique passe 5 l'étape 214, ce qui indique que le nettoyage n'est pas nécessaire. Si la réponse est "oui", ce qui indique que le nettoyage est nécessaire, le schMma logique passe alors h l'étape 2n8. Cette étape 208 agit pour réduire à la fois la vitesse du moteur et celle du turbocompresseur, tout en permettant à ceux-ci de conti- nuer à fonctionner. Au cours de l'étape suivante 210, une fois que la vitesse du turbocompresseur a été réduite à une valeur désirée, le système d'injection d'eau est actionné pour injecter de l'eau sous pression 5lev e, sous forme de 256414-4 gouttelettes, dans le courant de gaz d'échappement, afin d'effectuer le nettoyage des aubes. L'étape d'injection d'eau continue pendant un intervalle de temps prédétermine. De l'étape 210 le schéma logique passe -l'étape 212 a'u cours de laquelle les vitesses de fonctionnement du mo- teur et du turbocompresseur sont accélérées jusqu'h la vitesse de fonctionnement normale, après que l'opération de nettoyage a été achevée. A partir de l'étape 212 le schéma logique passe à l'étape 214 afin d'être recyclé à l'étape 202 et de recommencer le déroulement de la totalité du sché- ma logique. Le moteur peut être piloté par un régulateur tel qu'un régulateur "Woodward" fabriqué par la Société Woodward Company, Engine and Turbine Controls Division de Fort Collins Colorado. Un tel régulateur a des réglages de vi- tesses multiples et il agit de manière à faire varier la vi- tesse entre ces réglages, sur une base progressive suivant une rampe. Ainsi en réponse à l'étape logique 208 o il est indiqué de réduire les vitesses du moteur et du turbocom- presseur, le régulateur agit de manière à réduire la vitesse à partir de la valeur de la vitesse de fonctionnement nor- male jusqu'à la vitesse convenant pour le nettoyage qui peut être égale à 20% de la vitesse de fonctionnement nor- male, suivant une variation du type rampe telle que la vi- tesse soit diminuée progressivement. L'inverse se produit lors de l'étape 212 o la vitesse du moteur et celle du turbocompresseur augmentent toutes les deux jusqu'à la va- leur de la vitesse de fonctionnement normale. La figure 3 représente une vue frontale d'un panneau de commande 100 pour l'actionnement d'un turbocompresseur et d'un moteur, en vue d'effectuer le nettoyage du turbo- compresseur. Sur la figure 3 on peut voir que le panneau 100 comprend des boutons-poussoirs 102,104,106,108. Le bouton- poussoir 102 est prévu pour démarrer une opération de sur- veillance afin déterminer si un encrassement est ou non en train de se produire. Le bouton-poussoir 104 est prévu pour remettre à zéro la totalité de la séquence, afin de faire tourner le moteur et le turbocompresseur à la vitesse de fonctionnement normale. Le boutonpoussoir 106 est prévu pour permettre une commande manuelle de l'étape d'injection d'eau afin de nettoyer les aubes. Le bouton-poussoir 108 est prévu en tant que commande pour interrompre l'injection d'eau de nettoyage et le fonctionnement du turbocompresseur aux vitesses de fonctionnement normales. Une lampe-témoin 120 est prévue pour indiquer que l'unité fonctionne suivant le mode moniteur, une lampe-té- moin 122 indique que les aubes sont encrassées, une lampe- témoin 124 indique que le moteur se trouve dans un cycle de démarrage après avoir été mis en marche, une lampe-témoin 126 indique la vitesse est en train de descendre juste avant un cycle d'injection d'eau, une lampe-témoin 128 indique que l'unité se trouve en cours de cycle d'injection d'eau et une lampe-témoin 130 indique que le cycle d'injection d'eau a été achevé. Ces lampes-témoins sont prévues pour indiquer à l'opérateur de la machine le mode suivant lequel celle-ci fonctionne de telle façon qu'il puisse, en réponse à ce mode de fonctionnement, commander le cycle automatique en utili- sant les boutons qui sont prévus à cet effet. La commande particulière prévue telle que représen- tée sur les figures 1 et 3 est une commande électromécanique dans laquelle la commande 100, telle qu'illustrée sur la figure 3, reçoit des signaux d'entrée à partir des quatre boutons-poussoirs 102,104,106,10f et du capteur de pression 54. Cette commande délivre additionnellement des signaux de sortie qui agissent pour allumer l'une quelconque des cinq lampes-témoins ainsi que pour commuter la position du régu- luteur 82 commandant la vitesse du moteur et pour commander le fonctionnement de la pompe 74 pour injecter de l'eau dans le turbocompresseur.Naturellement le système ne, doit pas être nécessairement du type électromécanique mais il pour- rait être constitué par un microprocesseur préprogrammné i circuit intégré ou bien encore il pourait être du type tota- lement manuel. Le degré d'automatisation de la commande est au choix du concepteur et des exigences d'une application particulière. REVENDICATIONS 1.- Appareil pour commander le nettoyage des aubes de turbine de la partie formant turbine d'un turbocompres- seur entraînd par des gaz d'échappement, caractérisa en ce qu'il comporte des moyens (7n-76) de nettoyage avec de l'eau à haute pression pour injecter de l'eau dans le courant des gaz d'échappement, des moyens (54) pour détecter une diminu- tion des performances du turbocompresseur indiquant que les aubes (40) de la turbine deviennent encrassées et pour produire un signal en réponse à cette détection, et des moyens de commande (100) pour démarrer une opération des moyens de nettoyage h l'eau en réponse à la détection du signal délivré par les moyens de détection. 2.- Appareil suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le turbocompresseur (10) décharge un gaz comprimé et les moyens de détection comprennent des moyens (5a) pour relever la pression du gaz déchargé et pour produire un signal lorsque cette pression est inférieure à un niveau de pression prédéterminé. 3.- Appareil suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens réducteurs de vitesse (82) pour effectuer une réduction de la vitesse de rotation de la partie formant turbine (31) du turbocompresseur (10) avant de faire dé- marrer le fonctionnement des moyens de nettoyage h l'eau (70-76). 4.- Appareil suivant la revendication 3 caractérisé en ce que les moyens de nettoyage avec de l'eau à haute pression comportent une pompe (74) entraînée par un moteur électrique afin de fournir de l'eau h des injecteurs d'eau (70) disposés dans le courant des gaz d'échappement et la commande (100) est reliée au moteur électrique pour faire démarrer ce moteur en vue d'injecter de l'eau pour le netto- yage. 5.- Appareil suivant la revendication 4 caracteri- sé en ce que la commande (lnn) comprend en outre un indica- teur pour signaler le moment o le signal produit par les moyens de détection est relevé. 6.- Procêd4 pour dt4'rminer l'instant o&l doit,d- marrer l'injection d'eau pour effectuer le nettoyage d'aubes de turbine encrassées de la partie formant turbine d'un turbocompresseur qui comprime de l'air pour un moteurs, ca- ractérisé en ce qu'ii comporte les étapes consistant a dé- tecter la pression du gaz déchargé à partir du turbocom- presseur (10), à produire un signal de démarrage lorsque la pression du gaz ainsi détectée est inférieure à un seuil prédéterminé, et à commencer l'injection d'eau, pour effec- tuer le nettoyage, en réponse à la détection du signal de démarrage. 7.Procédé suivant la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'otape consistant à diminuer la vitesse du turbocompresseur avant de démarrer l'injec- tion d'eau. 8.- Procédé suivant la revendication 7 caractérisé en ce que l'étape de réduction de la vitesse comprend une diminution progressive de cette vitesse suivant une fonction rampe, à partir de la vitesse de fonctionnement normale jusqu'à la vitesse désirée pour le nettoyage. 9.- Procédé suivant la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à prolonger l'étape de démarrage de l'injection d'eau pendant une pério- de de temps prédéterminée afin d'effectuer le nettoyage des aubes de turbines (40). 10.- Procédé suivant la Revendication 9 caractérisé en ce que le turbocompresseur cemporte des buses d'injec- tion d'eau (71) alimentées en eau partir d'une pompe à haute pression (74) entraînée par un moteur électrique et t0 l'étape de démarrage de l'injection d'eau comprend l'alimen- tation en énergie électrique pour faire fonctionner le moteur de la pompe (74). 11.- Procédé suivant la revendication 10 caractéri- s6 en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant 5 indi- quer visuellement la présence du signal de démarrage.