Brevet FR2571098A1 — publié le 19860404

La présente invention concerne les commandes de moteur à turbine à gaz et, plus particulièrement, un type de commande appelé compensateur d'affaiblissement de poussée. Un tel compensateur diminue l'affaiblissement de la poussée qui certainement fois peut avoir lieu du fait des différentes vitesses de dilatation thermique des différents composants du moteur pendant l'accélération de ce dernier. La figure 1 représente un moteur à turbine à gaz d'avion connu de la technique. Les gaz chauds 3 fournis par la chambre de combustion 6 fournissent de l'énergie à une turbine haute pression 9 qui est entourée. par une virole 12. Un jeu de bout d'aube 15 existe entre la turbine 9 et la vi- role 12. Lorsque le moteur est en régime de croisière, par exemple à 11770 tours/minute, il existera un jeu de bout d'aube donné tel que 0,12 cm. Cependant, pendant une accélé- ration soudaine, telle qu'atteindre 16140 tours/minute en 4 secondes, l'accroissement des forces centrifuges dû à la plus grande vitesse de rotation provoque la dilatation de la tur- bine, diminuant ainsi le jeu de bout d'aube jusqu'à 0,041 cm. La température dans la zone de la turbine de haute pession 9 augmentera, provoquant ainsi la dilation thermique de la tur- bine 9 et de la virole 12. Cependant, puisque la masse ther- mique de la virole 12 est de beaucoup inférieure à celle de la turbine 9, la virole 12 s'échauffe plus vite et se dilate donc plus vite. Par conséquent, le jeu de bout d'aube 15 au- - 2 - gmentera initialement, jusqu'à 0,071 cm, et diminuera ensuite jusqu'au niveau de régime permanent à 0,041 cm lorsque la température de la turbine 9 atteint sa valeur de régime per- manent. Ce jeu initial de bout d'aube augmenté n'est pas souhaité parce qu'il pénalise le rendement du moteur: les gaz chauds peuvent contourner la turbine 9 du fait de fuites par la zone du jeu de bout d'aube 15, et donc ces gaz de fui- te n'effectuent peu ou pas du tout de travail sur la turbine 9. La présente invention a pour but de réaliser une nouvelle commande perfectionné de moteur à turbine à gaz. Elle a aussi pour but de réaliser une nouvelle com- mande perfectionnée de moteur à turbine à gaz qui compense l'affaiblissement de la poussée se produisant après l'accélé- ration du moteur. Dans un mode de réalisation de la présente inven- tion on suppose la poussée d'un moteur à turbine à gaz. Si on a prédit un affaiblissement de la poussée, on module les com- posants du moteur de manière à restaurer cette poussée. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement; figure 1, un moteur à turbine à gaz, figures 2 - 5, les modifications subies par les différents composants du moteur en fonction du temps pendant l'accélération, - figure 6, une mode de réalisation de la présente invention. La figure 2 représente une courbe de la température transitoire 16 (appelée T5) de l'éjection d'une turbine basse pression 18 pendant l'accélération. On mesure T5 au point 21 de la figure 1, en aval de la turbine basse pression 18. L'axe vertical de la figure 2 représente T5 en degrés centi- grades, mais en référence à un zéro arbitraire qui est en fait la température maximum programmée pour T5, qui, en pra- tique, est d'environ 816 C. Pendant l'intervalle 24 d'une durée de 60 secondes et avant, le moteur fonctionne en régime de croisière, et au temps T = 0, le moteur subit une accelé- ration, qui provoque une augmentation rapide de T5 d'environ 427 C pendant l'intervalle 27 d'une durée de 4 secondes. Les figures 3 - 5 représentent l'effet de cette augmentation rapide de TS sur les températures de la turbine 9 et de la virole 12 de la figure 1. La figure 3 représente la courbe transitoire 30 du diamètre de virole, et la figure 4 représente la courbe transitoire 33 du diamètre de turbine, toutes les deux en fonction du temps. Les axes verticaux dans ces deux figures sont gradués en unités arbitraires de mesure de diamètre. Cependant, bien que 1-a'turbine 9 et la virole 12 se dilatent après avoir été chauffées, la courbe transitoire de la virole a une pente positive tandis que la courbe tran- sitoire de la turbine 33 a une pente négatiye. Ceci par ce qu'on prend comme référence pour les courbes le jeu en bout d'aube 15 de la figure 1 et non le diamètre absolu. Puisque la dilatation de la virole 12 de la figure 1 provoque l'aug- mentation du jeu de bout d'aube 15, on-attribue à la courbe transitoire de virole 30 de la figure 3 une pente positive. Cependant, puisque la dilatation de la turbine 9 provoque la diminution du jeu de bout d'aube 15, on attribue à la courbe transitoire 33 de la turbine avec une pente négative. Les courbes transitoires des figures 3 et 4 sont additionnées algébriquement pour produire la courbe transi- toire 36 de la figure 5. La courbe transitoire 36 représente le jeu en bout d'aube net 15 de la figure 1 en fonction du temps pendant l'accélération. A nouveau, l'axe vertical de la figure 5 est gradué en unités arbitraires indiquant la dimen- sion du jeu. Le lecteur notera qu'il existe initialement un jeu maximum au point 39 qui diminue graduellement vers la valeur en régime permanent 42. Comme la figure le représente, cela prend environ 4 à 5 minutes pour que le jeu en bout d'aube 15 atteigne sa valeur de régime permanent 42. 4- La figure 6 représente un mode de réalisation de la présente invention qui compense l'effet de la courbe transi- toire 36 de jeu en bout d'aube de la figure 5 sur la poussée. Le bloc 50 dans la figure 6 engendre un signal de sortie nu- mérique en fonction du temps qui est similaire à la courbe transitoire 30 de la figure 3, et le bloc 53 engendre un si- gnal similaire à la courbe transitoire 33 de la figure 4. La sommation dans le sommateur 56 de la figure 6 fournit un si- gnal de sortie effectif sur la ligne S9 semblable à la courbe transitoire 36 de la figure S. Le signal de sortie effectif est soustrait du sommateur 62 de la figure 6 dans lequel on a ajouté par le bloc 64 sur la ligne 65 le signal TS réel, me- suré. On a aussi soustrait dans le sommateur 62 un signal TS de référence provenant d'un programme indiqué par le bloc 68. Ce dernier bloc 68 est un programme, ou une liste, des diffé- rentes valeurs de TS qui sont calculées à l'avance pour diffé- rentes conditions de fonctionnement du moteur. Ainsi, la va- leur soustraite au niveau du sommateur 62 par le bloc 68 va- riera, en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. Les blocs 64 et 68 (ignorant l'effet du signal de sortie effectif sur la ligne 59) fournissent sur la ligne 72 un signal TS ERREUR, en ce sens que ce signal d'erreur indi- que une déviation de la température réelle TS par rapport au T5 programmé. L'addition du signal de sortie effectif (prove- nant du sommateur 56) sur la ligne 59 modifie le signal TS ERREUR en un signal TS ERREUR à affaiblissement compensé (T5E-DC). On intègre le signal T5E-DC dans le bloc 75 désigné par le symbole 1/S (1/S étant un terme -de transformée de LaPlace) et ayant un gain indiqué par le terme K. Le signal de sortie, sur la ligne 78, est un signal d'ajustement de section de tuyère d'éjection à section variable (TEV). La tuyère d'éjection à section variable (TEV) se réfère à la tuyère 95 de la figure 1 dont on module la sec- tion comme représenté par la tuyère 95A en traits discontinus pour modifier la pression au point 21 du moteur. Cette modi- - 5 - 09 fication de la pression, d'une manière qui ne nécessite pas de description ici, modifie la poussée produite par le mo- teur. La commande de cette modulation est réalisée par un appareil bien connu de la technique et indiqué ci-dessous. Le signal fourni par le bloc 101, un signal de commande de sec- tion de TEV sur la ligne 103, est additionné dans le somma- teur 105. On soustrait du sommateur 105 le signal de sortie du sommateur 108 qui reçoit comme signaux d'entrée un signal de réaction sur la ligne 110 qui est fourni par un transduc- teur (non représenté) qui mesure la section réelle de TEV. L'autre signal d'entrée du sommateur 108 est le signal d'ajustement de section de TEV sur la ligne 78 et il est soustrait de ce sommateur. Le signal de sortie du sommateur , sur la ligne 115, est traité selon des techniques con- nues par le bloc 121 de trajectoire normale dynamique de TEV, qui comporte des filtres numériques pour stabiliser la boucle de commande de TEV et les composants analogiques électriques et hydromécaniques nécesaires pour moduler la section de tuyère 95 des figures 1 et 6. Le fonctionnement du circuit représenté figure 6 peut être décrit comme suit. Pendant la courbe transitoire 16 de la température T5 de la figure 2, un signal semblable à la courbe du signal de sortie effectif 36 de la figure 5 est soustrait, figure 6, du sommateur 62 au moyen de la ligne 59. Ceci, a pour effet, d'élever le T5 de référence du bloc 68 parce que les deux signaux provenant du sommateur 56 et du bloc 68 sont appliqués au sommateur 62 avec le même signe algébrique. En conséquence, le signal TS ERREUR sur la ligne 72 augmente, de sorte que le signal d'ajustement de section de TEV sur la ligne 78 oblige la section de TEV à s'approcher d'une dimension qui diminuera le signal T5 ERREUR, et par conséquent augmentera la poussée. (On a trouvé de manière empirique que la poussée est une fonction de T5, et en outre, une fonction généralement linéaire pour des valeurs intermé- diaires de poussée, de sorte que le réglage de T5 est l'équi- - 6 - valent du réglage de la poussée). Les symboles 110, 112 et 114 indiquent des limi- teurs de signaux, connus de la technique, que l'on considére- ra comme s'expliquant d'eux-mêmes. Par exemple, le limiteur 110 limite le signal qui doit apparaître sur la ligne 116 à une gamme de valeurs comprises entre O et -SO,4C. Le terme dans le bloc 50, appelé est une transformée de LaPlace. Ainsi, le traiteoment du si- gnal qui a lieu entre le point 120 et le point 122 peut être décrit par la fonction de transfert suivante (en ignorant l'action des lisiteurs tel que le limiteur 110): T5 COMP [TS-TSUSF1 r-r. + TS-TSU3 r &.. dans lequel TSCOMP est le signal engendré sur la ligne 59. On a décrit une invention dans laquelle un affai- blissement de la poussée se produisant pendant l'accélération d'un moteur à turbine à gaz est compensé. L'affaiblissement est provoqué par l'augmentation transitoire du jeu en bout d'aube entre le turbine haute pression et la virole qui l'en- toure. Le jeu transitoire est provoqué par les dilatations thermiques différentielles de la turbine et de la virole- La- présente invention augmente la poussée du moteur en jouant sur des paramètres tels que la section de tuyère d'éjection et le débit de combustible en fonction du jeu en bout d'aube de manière à compenser la perte induite par le jeu transi- toire. Un aspect important de cette invention tient à ce que les formes générales des signaux produits par les blocs 50 et 53 de la figure 6 sont prédéterminés. C'est-à-dire que - 7 - les signaux décroissent avec des constantes de temps prédé- terminées comme les signaux représentés aux figures 3 et 4. Cependant, les valeurs initiales des signaux produits par ces blocs est une fonction du signal présent sur la ligne 122 de S la figure 6. En ce sens, les signaux produits par les blocs et 53 sont produits selon des fonctions predétermlinées: les temps de décroissance (dictés par les constantes de temps des blocs 50 et 53) sont prédéterminés mais les valeurs ini- tiales sont dictées par le signal T5 ERREUR. On peut apporter de nombreuses modifications et substitutions à la présente invention sans s'éloigner de l'esprit et du domaine de cette invention. Par exemple, on a essayé un mode de réalisation. dans. lequel des variables sui- vantes avaient les valeurs suivantes: s10 *(8s83\oS -2 85 *1858MOs s dans lequel le terme WFMC fait référence au débit de combus- tible (en kg par heure), mais corrigé par la demande en com- bustible statique au niveau de la mer à puissance intermé- diaire. Faire varier les constantes de temps-Trl et -r2 de cette manière corrige les effets du nombre de Reynolds sur le transfert de chaleur vers le disque de turbine 9 et la virole 12 de la figure 1. Cependant, on admettra qu'il est connu de l'homme de l'art que les commandes pour des moteurs différents utili- sant le concept de la présente invention nécessiteront pres- que certainement des valeurs différentes pour ces variables. Les valeurs pour un moteur différent peuvent être calculées à partir du type de courbe transitoire de la figure 5 qui cor- respond à ce moteur. Les constantes de temps X-r et - 2 - 8 - sont calculées à partir des constantes de temps des courbes des figures 3 et 4 et les gains G sont calculés, comme il est connu de la technique, pour donner une valeur appropriée au signal apparaissant sur la ligne 59 de la figure 6. -9 REVENDICATIONS 1. Commande pour un moteur à turbine à gaz caracte- risée en ce qu elle comprend: (a) des moyens de détection pour prevoir une di- minution de la poussée du moteur (b) des moyens de compensation pour moduler la poussée du moteur selon au moins une fonction prédéterminée. 2. Commanle de moteur à turbine à gaz caracterisee en ce quelle comporte (a) des moyens (50, 53, 56, 64, 68 62) d'obten tion de signal d'erreur de température pour engendrer un signal d erreur, T5 ERREUR, in- diquant la déviation de la température d'un composant du moteur par rapport à une tempé- rature de référence; (b) des moyens (101, 105, 108, 121) de commande de tuyère d'éjection variable pour modifier la section de, la tuyère d'éjection du moteur en fonction du signal T5 ERREUR; et (c) des moyens (62, 75) de compensation du signal TS ERREUR pour modifier ce signal T5 ERREUR de sorte que le signal TS ERREUR augmente tout d'abord puis diminue pour obliger par là les moyens de la tuyère d'ejection variable à premièrement diminuer puis ensuite augmenter la section de tuyère. 3. Commande de moteur à turbine à gaz qui module une tuyère d'éjection variable en fonction de parametres qui comprennent un signal d'erreur de température, T5 ERREUR créé par la comparaison de la température d'un composant du moteur avec un programme de reférence de température carac- térisé en ce qu'elle comprend: (a) des premiers moyens de modification (50) pour modifier le signal T5 ERREUR, (b) des seconds moyens de modification (53) pour - 10- modifier le signal T5 ERREUR de sorte que l'effet combiné des premier et deuxième moyens de modifi- cation est tout d'abord d'augmenter le signal T5 ERREUR selon une contante de temps prédéterminée et ensuite de diminuer le signal T5 ERREUR selon une deuxième constante de temps prédéterminée. 4. Commande selon la revendication 3 caractérisée en ce que: (a) les premiers moyens de modification (50) mo- difient le signal T5 ERREUR pratiquement se- lon la transformée de LaPlace suivante: G1 Y S + 1 1S (b) les deuxièmes moyens de modification (53) modifient le signal T5 ERREUR pratiquement selon la transformée de LaPlace suivante; G2 2 dans lequel]r2 >r 1' 5. Procédé de compensation de l'affaiblissement de la poussée qui a lieu dans un moteur à turbine à gaz après accélération, caractérisé en ce qu'il consiste: (a) déduire la probabilité de l'affaiblissement à partir d'un changement de la température d'éjection T5 de la turbine basse pression; (b) augmenter et ensuite diminuer la différence entre T5 et un signal de référence pour pro- duire un signal de température compensé T5 COMP; et (c) moduler la section de la tuyère d'éjection du moteur en fonction de T5 COMP.