Brevet FR2563278A1 — publié le 19851025

i "Procèdé pour commander, régler ou contrôler des turbo- machines thermiques suivant le critère de la solicita- tion des matériaux. L'invention a pour objet un prodèdé pour Commander, régler ou contrôler des turbomachines thermi- Ques, notamment des groupes motopropulseurs-d'avions, sui- vant le critère de la sollicitation des matériaux de com- pOant tournants et soumis à la chaleur, pour lesquels il n'est pas possible d'effectuer une mesure directe des températures régnantes ni des sollicitations thermiques correspondantes, les paramètres de fonctionnement pré- sentant en outre des variations rapides qui provoquent dans les composants une relation fortement non linéaire entre la condition de fonctionnement, d'une part,et de la température d'autre part. Dans les composants de machines et d'ins- tallations qui sont soumis en service à des températures élevées et à de fortes variations de température, il se produit des différences de température en fonction des conditions de fonctionnement. Dans le cas stationnaire, les différencesdépendent des conditions de fonctionnement régnant à l'instant considéré, mais dans le cas non sta- tionnaire elles dépendent aussi des conditions de fonc- tionnement précédentes ainsi que des températures sup- portées précédemment par les éléments de construction. Ces différences de température provoquent des contraintes thermiques qui se superposent aux contraintes dues aux charges extérieures telles que charges concentrées, pres- sions, etc... Il n'est pas rare que les contraintes ther- miques constituent une fraction importante de la sollici- tation totale des matériaux. En outre, les températures élevées entraînent une réduction de la résistance des matériaux, et parfois une réduction considérable. La sollicitation instantanée du matériau, lorsqu'elle dépasse certaines valeurs, ainsi que la sollicitation cyclique qui se produit pendant l'ensemble du fonctionnement (fatigue en cycle bas désignée dans la suite par LCF), conduisent à une détérioration des com- posants. Ces deux sollicitations doivent donc être surveil- lées et, si possible, être prises en compte lors de la commande ou du réglage de la machine. Pour cela, les températures des matériaux et la sollicitation des composants due à la chaleur doi- vent être déterminées en fonction du déroulement effectif du fonctionnement. Il arrive souvent que la mesure directe de ces grandeurs ne soit pas possible. Il est notamment très fréquent qu'on ne puisse pas mesurer les tempéra- tures et les contraintes thermiques de composants tour- nants. Cependant, leur détermination suffisamment pré- cise à partir d'autres grandeurs de mesure plus faci- lement accessibles se heurte jusqu'à maintenant à des difficultés, en particulier lorsque la forme géométri- que des composants est compliquée et en raison du monde de variation de la température en fonction du temps à l'intérieur des composants. On ne peut pas, en général, obtenir une règle explicite, à partir des lois physico- mécaniques, pour la répartition de la température et la sollicitation thermique. Pour les problèmes de commande et de réglage mentionnés précédemment, les températures et les sollicitations des matériaux doivent être déter- minées en temps réel. Cette situation existe notamment pour les groupes miotopropulseurs d'avion. Pour l'opération de con- ception en fonction- des résistances ainsi que pour la détermination de la déterioration LCF en service il faut déterminer, non seulement les contraintes dues à la force centrifuge, mais aussi les contraintes thermiques qui s'établissent en fonction du fonctionnement du groupe notopropulseur. En tant qu'informations relatives à la conaition du fonc- tionnement instantanée, on ne dispose que de paramètres généraux du vol et du fonctionnement, notamment des conditions globales à l'entrée du groupe motopropulseur, des vitesses de rotation du rotor et d'une température de gaz dans le flux primaire allant vers la chambre de combustion. I1 n'est pas possible d'effectuer des mesures de température sur le rotor. A partir des paramètres mentionnés précédemment, on doit déterminer les variations correspondantes, en fonction du temps, de la répartition des températures et des contraintes ther- miques. Par le brevet des E.U.A. n 42 28 359, on connaît une installation pour la commande de turbo- machines thermiques du type indiqué dans le préambule et dans laquelle, pour déterminer les températures du rotor, on traite le rotor en tant que conducteur ther-- mique essentiellement à une seule dimension, à savoir en tant que cylindre infiniment long avec transmission de chaleur superficielle constante sur la surface pé- riphérique (voir les lignes 1 à 10 de la colonne 16 du brevet des E.U.A.). On a constaté que l'installation divulguée dans ce brevet, dans laquelle la dépendance mutuelle des températures des différentes zones du rotor est négligée, ne permettait pas une détermination suffisamment précise de la distribution effective des températures dans le fonctionnement en temps réel. La raison en est que, notamment, les rotors du turbomachines sont des composants dont la forme de base est sensiblement celle d'un disque. Avec une telle forme, il se produit une transmission de chaleur considérable par les faces latérales. Etant donné qu'à chaque instant les tempé- ratures du fluide de travail varient considérablement le long des faces latérales des disques, qu'elles peuvent également être différentes sur les deux faces latérales et que, de plus, ces répartitions de températures du fluide de travail subissent dans le temps des modifications considérables le long des surfaces latérales des disques, la transmission de chaleur sur les faces latérales des 2563278' disques est déterminante pour la répartition des tempé- ratures dans le rotor. Le fait de négliger cette trans- mission de chaleur conduit donc à des imprécisions con- sidérables. -En conséquence, la présente invention a pour but de créer une installation du type indiqué dans le préambule, convenant pour la détermination de la ré- partition des températures dans des composants de forme géométrique compliquée avec une forme de base en disque, notamment pour des disques de turbines, avec lesquels il se produit une transmission de chaleur non négligeable aussi bien sur la surface péryphérique que sur les faces latérales des disques. On doit alors tenir compte éga- lement des variations dans le temps de la température du fluide de travail sur les faces latérales du disque et/ou d'un échange de chaleur avec d'autres éléments de cons- truction avec lesquel le disque est en liaison. Enfin, on ne doit alors utiliser que des grandeurs de mesure décrivant le fonctionnement de la machine et qui sont déjà connues à d'autres fins ou qui sont aisément dis- ponibles mais qui ne nécessitent pas d'emplacements de mesure supplémentaires sur le composant condidéré. A cet effet, l'invention concerne un pro- cédé du type ci-dessus caractérisé en ce que dans un dis- positif transportable disposé près de la turbomachine, on détermine par intervalles d'acroissement de temps la répartition instantanée des températures des composants tournants à partir de la répartition des températures régnant dans ce composant au début de chacun des inter- valles de temps et à partir d'un taux actuel de varia- tion de température, et en ce qu'à partir de la répar- tition des températures, on détermine ensuite les con- traintes thermiques'et la fatigue des matériaux dans le composant, le taux actuel de variation de température du composant étant obtenu comme suit: a) la répartition des températures régnant dans le composant au début d'un intervalle de temps est comparée à un jeu de répartitions de températures déter- minées au préalable pour ce composant dans des condi- tions de fonctionnement définies et stockées dans une mémoire du dispositif (échantillon de répartitions de températures), b) on choisit dans un sélecteur du dispo sitif, dans le jeu échantillon de répartitions de tempé- ratures, les répartitions qui sont les plus rapprochées de la répartition des températures dans le composant au début de l'intervalle de temps, c) les taux de variation de température (= réponse indicielle de température) déterminés à partir des répartitions de températures de l'échantillon exis- tant dans la mémoire sont modifiés suivant la différence entre les conditions de fonctionnement effectives (vi- tesse de rotation, température des gaz, pression des gaz) et les conditions de fonctionnement définies lors de la détermination des répartitions de températures de l'échan- tillon, d) à partir des taux de variation de tem- pérature modifiés, on détermine par interpolation le taux de variation de température actuel cherché pour l'inter- valle de temps considéré. Les avantages de la solution conforme à l'invention sont multiples: Elle permet de déterminer les répartitions de températures instantanées et les sollicitations ther- miques des matériaux d'éléments de construction qui ne sont pas accessibles pour une mesure directe des tempéra- tures et des contraintes. Elle tient alors compte du comportement dans le temps de la structure conductrice de la chaleur. Elle est aInsi très précise. Le procédé conforme à l'invention peut être incorporée dans la ma- chine ou dans l'appareil et détermine les résultats en temps réel. A partir des températures et des sollici- tations des matériaux déterminées par ce procédé, on peut déterminer dans une unité de calcul branchée à la suite, conformément à l'état de la technique, la déterioration LCF produite, cumuler cette détérioration sur l'ensemble du temps de fonctionnement et l'afficher à chaque instant. Sur la base de ces indications, on peut déterminer de façon optimale, en fonction de la détérioration qui se produit effectivement en service, les intervalles d'entretien et de contrôle ou les dates de remplacement des éléments. Elle permet en outre de déterminer l'évo- lution en fonction du temps de répartitions des tempé- ratures sur des éléments de construction à partir d'une répartition initiale quelconque avec des hypothèses de variation des paramètres de fonctionnement (vitesse de rotation, température, pression, puissance et similaires). On peut ainsi prédire de façon relativement simple et à chaque instant les sollicitations thermiques des maté- riaux ainsi que la fatigue qui en résulte. Cela est utilisé pour déterminer, dans les cas o sont requises des variations de charges ou des variations de paramètres individuels, les températures des éléments de construc- tion et les sollicitations thermiques des matériaux aux- quelles on peut s'attendre. Suivant le résultat, la va- riation demandé de la charge ou des paramètres de fonc- tionnement de la machine est acceptée ou réduite à une valeur admissible. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexes repré- sentant des exemples de réalisation de l'invention. Dans ces dessins: -la fig. 1 est un schéma d'un processeur pour déterminer la répartition des températures en fonc- tion du fonctionnement; - la fig. 2 représente des variations en service correspondant aux variations de température de l'échantillon dans un cas d'application type; - la fig. 3 représente un procédé pour déterminer et contr8ler la durée de vie de rotors de groupes motopropulseurs d'avions en se référant à leur détérioration LCF; - la fig. 4 est un graphique de compav raison des températures déterminées à l'aide du nou- veau procédé avec des résultats de calculs par éléments finis; - la fig. 5 représente un disque de rotor avec ses points critiques; - la fig. 6 représente un procédé pour commander ou régler une installation fixe de groupes turbo-alternateurs en tenant compte de la déterioration LCF dépendant des conditions de fonctionnement. La construction de principe du processeur, qui détermine la variation, en fonction du temps, de la repartition des températures du composant de la machine dans des conditions de fonctionnement déterminées, est représentée sur la fig. 1. La répartition continue des températures dans le composant est représentée approximativement par les températures d'un nombre limité de points dans le composant. L'évolution non stationnaire de telles ré- partitions de températures T (t) est déterminée par in- tervalles d'accroissement de temps, la valeur _t de l'intervalled'accroissement de temps devant être choisie de façon appropriée. En tant que signal d'entrée, il faut pour le processeur celles des températures dépendant des conditions de fonctionnement (par exemple la tempéra- ture du fluide de travail) ou des grandeurs équivalentes qui déterminent la température du composant (la grandeur d'entrée décrite est appelée "température pilote" TF) ainsi que d'autres grandeurs éventuelles 1 spécifiques de la machine. Ces grandeurs agissent notamment sur le comportement de tansmission et de conduction de chaleur du composant (il s'agit par exemple de la vitesse de rotation et de la pression du fluide de travail). Dans la mémoire morte '2 est stocké un jeu échantillon de variations de température. Ces va- riations représentent l'évolution dans le temps de cer- taines répartitions de températures initiales dans des conditions de fonctionnement choisies à titre d'échan- tillon et sont constituées par une suite de répartitions de températures non stationnaires. La répartition de températures actuelle T (t-4t)(13) du composant est comparée au début de chacun des intervalles de temps aux répartitions de températures de l'échantillon pro- venant de la mémoire morte 2 qui sert de mémoire d'in- formations. Dans le sélecteur 3, on choisit celles des répartitions de températures de l'échantillon non sta- tionnaires 4 qui s'écartent le moins de la répartition des températures actuelle en considérant la différence entre la température pilote actuelle et la température pilote prise comme base lors, de la détermination des variations de température de l'échantillon. Dans l'ana- lyseur 5, on détermine des coefficients de pondération 6 tels que la répartition de températures actuelle puisse-être représentée par une moyenne pondérée des repartitions de températures de l'échantillon choisies. Les taux de variations avec lesquels varient les répartitions de température de l'échantillon peuvent être repris dans la mémoire d'informations 2 des répartitions de température de l'échantillon. Dans l'adap- teur 7, les taux de variation de températures sont adaptes aux conditions de fonctionnement actuelles. Pour cela, on détermine dans cet adapteur un coefficient de pondération par lequel sont affectés, les taux de variation des répartitions des températures de l'échantillon (cela a lieu de façon homo- gène pour tous les points considérés du composant). La détermination de ce coefficient a lieu de façon spéci- fique pour la machine et dépend des paramètres de fonc- tionnement mesurés 1 dont on peut disposer. Les taux de variation de température 8 ainsi obtenus sont pondérés avec les coefficients de pondération 6 déterminés dans l'analyseur 5. A partir de là, on obtient les taux de variation de températures actuels 9 pour le présent cas de fonctionnement. Apres exploitation de l'intervalle d'accroissement de temps t dans l'intégrateur 10, il est fourni à la sortie 11 une température résultante sous la forme souhaitée. Dans l'intervalle de temps suivant, cette température est disponible en tant que température actuelle 13 à la sortie de l'élément de temporisation 12. Les sollicitations thermiques des maté- riaux peuvent être déterminées de façon empirique pour chaque zone de l'élément de construction considéréeà partir de la répartition des températures considérée en fonction des données constructives correspondantes. La fig. 4 montre la bonne concordance qui existe entre les températures T déterminées à l'aide du procédé suivant l'invention et celle qui sont cal- culées exactement à l'aide de la méthode des éléments finis pour une longue durée de fonctionnement; La figure correspond à des points fortement chargés, à savoir le moyeu 27 d'un disque de rotor 30, le perçage d'axe 28 et'le fond 29 d'une rainure d'aube du disque 30 qui est représenté sur la fig. 5. Les températures des trois points 27 à 29 du disque 30 sont reportées en fonction du temps t sur la fig. 4. Les symboles désignent les résultats de calcul suivant la méthode des éléménts finis et les lignes tracées correspondent aux temp- pératures déterminées à l'aide du procédé suivant l'in- vention. La vitesse de rotation est désignée par N. La figure 6 représente un exemple de réa- lisation correspondant à une installation de turboalter- nateurs pour la production d'électricité. Lors de fortes variations des conditions de fonctionnement, qui se pro- duisent en particulier lors du démarrage ou lors de fortes variations de charge, des répartitions de températures non stationnaires s'établissement dans le rotor de la turbine. Ces répartitions peuvent conduire à des con- traintes thermiques considérables et par suite à des détériorations LCF. L'installation conforme à l'inven- tion agit dans cet exemple de réalisation, en tant que composant supplémentaire du régulateur, pour que les détériorations LCF qui se produisent avec les variations de fonctionnement soient réduites le plus possible ou que certaines valeurs limites ne soient pas dépassées par les contraintes thèrmiques qui s'établissent. A partir de la valeur de consigne 31 et de la valeur réelle 32 de la puissance de l'alternateur 33, le régulateur 34 calcule une valeur 35 de la grandeur de réglage de la vanne de régulation 39 de la turbine 40. L'installation conforme à l'invention 36 détermine la contrainte thermique ou la détérioration LCF 37 résul- tant de cette valeur demandée. Suivant le résultat, la valeur 35 de la grandeur réglante est acceptée ou réduite à une valeur admissible, de sorte que la vanne 39 est sollicitée avec la valeur 38 de la grandeur de réglage. Sur la f9ig. 2, on a représenté dans un cas d'application du type les variations en service en fonc- tion du.temps t de l'évolution des températures, calculées à l'aide de la méthode des éléments finis. Ces variations sont stockées en tant que variations de températures échantillon dans la mémoires morte 2. Ces variations en service oscillent entre deux conditions de fonctionnement désignées par a et b. Ces conditions de fonctionnement sont alors maintenues constantes pendant des temps choisis t1 et t2 ainsi qu'au niveau pris en dernier lieu jusqu'à ce que soit atteinte une répartition des températures stationnaire. La répartition des températures au début de chacune des variations de températures de l'échantillon a été supposée stationnaire, mais elle peut en principe être définie de façon quelconque. La fig. 3 représente un exemple de réali- sation correspondant à un groupe motopropulseur à turbine à gaz pour avion/ Les disques de rotors 14 du compresseur et de rotors 15 de ma turbine présentent une série de zones dont la détérioration LCF agissant sur la durée de vie doit être surveillée. La température globale Tt et la pression globale pt du fluide de travail à l'entrée 16 du groupe motopropulseur ainsi que la vitesse de rotation N de l'arbre 17 sont mesurées en tant que paramètres ca- ractérisant le fonctionnement. Les signaux de mesure sont envoyés à une unité de calcul 23 qui, pour les étages de compresseur et de turbine considérés pour un rotor donné, détermine la température pilote Tf, dans le cas présent la température du fluide de travail sur l'étage considéré. A partir de cette température pilote Tf et de la vitesse de rotation N, on détermine dans le processeur 24 pour chaque inter- valle d'accroissement de temps 6t la répartition de température T du disque considéré et les contraintes thermiques correspondantes. Ces valeurs sont transmises à une unité de calcul 25 qui calcule chaque détérioration D correspondante, cumule les détériorations et affiche le résultat sur l'organe de sortie 26. REVENDICATIONS 1) Procédé pour commander, régler ou con- trôler des turbomachines thermiques, notamment des groupes motopropulseurs d'avion, suivant le critère de la solli- citation des matériaux de composants tournants et soumis à la chaleur (30), pour lesquels il n'est pas possible d'effectuer une mesure directe des températures régnantes ni des sollicitations thermiques correspondantes, les paramètres de fonctionnement présentant en outre des va- riations rapides qui provoquent dans les composants une relation fortement non liméaire entre la condition de fonctionnement, d'une part, et la température, d'autre part, caractérisé en ce que dans un dispositif transpor- table (23, 24, 25) disposé près de la turbomachine, on détermine par intervalles d'accroissement de temps la répartition instantanée des températures du composant tournant (30), à partir de la répartition des températu- res dans ce composant (30) au début de chacun des inter- valles de temps et à partir d'un taux actuel (9) de va- riation de température, et en ce qu'à partir de la répar- tition des températures, on détermine ensuite les con- traintes thermiques et la fatigue des matériaux dans le composant, le taux actuel (9) de variation de température du composant (30) étant déterminé comme suit:- a) la répartition des températures régnant dans le composant (30) au début d'un intervalle de temps est comparée à un jeu de répartitions de températures déterminées au préalable pour ce composant dans des conditions de fonctionnement défi- nies et stockées dans une mêmoire (2) du dispositif (23,24,25) (échantil- lon de répartitions de températures), b) on choisit dans un sélecteur (3) du dis- positif, dans le jeu échantillon de répartitions de tempé- ratures, les répartitions qui sont les plus rapprochées de la répartition des températures dans le composant (30) au début de l'intervalle de temps, c) les taux de variation de température (: réponse indicielle de température) déterminé à partir des répartitions de températures de l'échantillon exis- tant dans la mémoire (2) sont modifiés suivant la diffé- rence entre les conditions de fonctionnement effectives (vitesse de rotation, température des gaz, pression des gaz) et les conditions de fonctionnement définies lors de la détermination des répartitions de température de l'échantillon, d) à partir des taux de variation de tem- pérature modifiés, on détermine par interpolation le taux de variation de température actuel cherché pour l'inter- valle de temps considéré. 2 ) Procédé selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'à partir des taux connus de variation de température, appartenant aux répartitions de tempéra- ture choisies par le sélecteur (3), on obtient les taux effectifs (9) de variation de température par interpola- tion pondérée, et en ce que les coefficients de pondéra- tion utilisés pour l'interpolation sont déterminés de manière qu'une interpolation, effectuée avec eux, des répartitions connues de températures des fonctions de l'échantillon qui s'écartent le toins de la répartition des températures régnant à l'instant précédent, donne la répartition des températures régant à l'instant précédent. 3 ) Procédé numérique selon l'une quelcon- que des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'en des instants différents d'un intervalle de temps fixe (b t): - on determine dans un sélecteur (3) - en tenant compte de la "température pilote" Tf qui détermine le comportement thermique de l'élément de construction - les répartitions de température s'écartant le moins de la répartition destempératures de l'élément de construction régnant à l'instant précédent, à partir d'une série de va- riations de température (échantillon) connues et stockées dans une mémoire morte (2), - à partir de là, on obtient dans un ana- lyseur (5) des coefficients de pondération (6) de façon telle qu'une interpolation avec ces coefficients de pon- dération des répartitions de température fournies par le sélecteur donne la répartition des températures de l'élé- ment de construction à l'instant précédent, - les taux de variation de température, avec lesquels varient les répartitions de température con- tenues dans la mémoire morte et choisies par le sélecteur (3) sont adaptés, dans un adapteur (7), aux paramètre de fonctionnement de base régnants et à la température pilo- te régnante (Tf) et on en fait la moyenne pondérée, et à partir du taux de variation ainsi obtenu de la répartition des températures de lélément de construction, on détermi- ne dans un intégrateur, en partant de la température de l'élément de construction à l'instant précédent, la répar- tition destempératures de l'élément de construction exis- tant dans les conditions de fonctionnement régnantes. 4 ) Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on détermine à chaque instant du fonctionnement la sollicitation de l'élé- ment de construction considéré, résultant des contraintes thermiques, à partir de la répartition des températures de l'élément de construction régant à cet instant et à partir des valeurs actuelles des paramètresde fonction- nement de base, ainsi que pour des conditions de fonction- nement hypothétiques (valeur de consigne demandée) à par- tir des répartitions de températures s'établissant dans ces conditions et à partir des valeurs des paramètres de fonctionnement de base résultant des conditions de fonctionnement de base et pouvant être obtenues à partir de ces conditions. ) Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que pour la détermi- nation des températures et des contraintes thermiques de l'élément de construction considéré relatives à la ré- gulation, à la commande et au contrôle, seules sont né- cessaires les grandeurs de mesure déjà. utilisées ou fa- cilement disponible pour le réglage de la machine sui- vant les critères de réglage principaux. 6 ) Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que pour des élé- ments tournants de turbomachines, notamment pour des dis- ques de rotors de groupes motopropulsuers d'avion et de turbines à. gaz fixes, on détermine les températures de l'élément de construction s'établissant en fonctionnement et des grandeurs supplémentaires éventuelles, obtenues à partir des températures et représentatives de la sollici- tation instantanée des matériaux, notamment la contrainte, l'allongement élastique et/ou plastique et l'allongement de fluage, de sorte que, par affichage de ces grandeurs, on contrôle le respect de leurs limites admissibles ou qu'un circuit logique électronique effectue la comparai- son entre les valeurs réelles et le domaine admissible et indique les dépassements de ce domaine. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérise en ce que pour des élé- ments tournants de turbomachines, notamment pour des dis- ques de rotor de groupes motopropulseurs d'avions et de turbines à gaz fixes, on détermine les sollicitations thermiques provoquées par des manoeuvres de service in- dividuelles telles que, par exemple, le démarrage et les variations de charge, ou par des déroulements de service complets tels que, par exemple, les vols complets, et on déduit de ces sollicitations les grandeurs représentatives de la sollicitation cyclique ou fatigue des matériaux (LCP) due à ces sollicitations thermiques, notamment les variations de contraintes et d'allongements et le fluage, de sorte que la réalisation de ces manoeuvres est surveil- lée en ce qui concerne l'usure qui en résulte et qui agit sur la durée de vie, par affichage des grandeurs représenta- tives mentionnées, ou par calcul effectué à la suite de la détérioration et affichage de cette détérioration, et/ou des dates d'entretien optimales sont déterminées. 8 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que dans la commande ou le réglage d'une turbomachine thermique, notamment d'une turbine à vapeur ou à gaz fixe, les températures et les sollicitations thermiques des matériaux d'éléments de construction fortement charges, dépendant du fonctionnement effectif, déterminées avec l'installation sans possibilité de mesure directe des sollicitations, notamment dans le cas de disques de rotor, sont prises en compte de manière qu 'il ne s'établisse pas de températures et de sollicitations des matériaux pouvant provoquer de fortes détériorations.