Brevet FR2618899A1 — publié le 19890203

_ 1 _ PROCEDE D'ANALYSE DE VIBRATIONS PAR UN SYSTEME DE MESURE AVEC TEST AUTOMATIQUE DE LA CHAINE DE MESURE COMPLETE POUR TURBINES A GAZ, PLUS PARTICULIEREMENT LES TURBINES A GAZ EMBARQUEES ET DISPOSITIF POUR LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE La présente invention concerne un procédé d'analyse de vibrations par un systèmne de mesure avec test automa- tique de la chaine de mesure complète pour turbines à gaz, plus particulierement les turbines a gaz embar- quées et un dispositif pour la mise en oeuvre du procé- dé. Il existe actuellement dans le domaine des turbines à gaz une tendance à placer l'électronique du système de propulsion directement sur le propulseur, ce qui nécessite une simplification de cette électronique. Par simplification, on entend ici une réduction du nombre des composants, ce qui conduit à une augmentation de la fiabilité. On sait en outre que dans l'aviation, chaque unité électronique qui traite des informations importan- tes doit être surveillée continuellement quant à son bon fonctionnement. Cette surveillance ou "self test" est exécutée la plupart du temps par des circuits électroniques relativement évolués pouvant comporter selon le cas jusqu'à 1/4 ou 1/3 du nombre total des composants de l'unité. En outre, dans le cas de systèmes de surveillance vibratoire, ces circuits ne sont pas en mesure de contrôler le bon fonctionnement des cap- teurs, cables ou lignes de transmission et connecteurs. En conséquence, le but de la présente invention est de simplifier le système de surveillance vibratoire et en particulier le circuit de test automatique (self test) de l'unité électronique, permettant de diminuer le nombre de composants de ce circuit et d'inclure la surveillance des capteurs, cables et connecteurs. Pour résoudre ce problème, le dispositif selon l'in- vention est réalisé comme décrit dans la revendication 1 2 - et le dispositif pour sa mise en oeuvre.comme décrit dans la revendication 3. La phase du balourd a la propriété de rester constante à moyen terme dans le cas o le système de mesure englobant l'unité électronique, les capteurs, cables et connecteurs est en état de bon fonctionnement. Par contre, toute panne ou défaut dans ce système, en principe à n'importe quel niveau de celui-ci, rend la phase du balourd extrêmement insta- ble, sautante ou aléatoire. L'observation de la phase du balourd donne donc une indication facile à interpréter sur l'état de fonctionnement de l'unité à surveiller et de ses annexes (capteurs, cables, connecteurs). Sachant qu'au moins une partie des capteurs de vitesse sont déjà présents dans la turbine pour un autre but, il est facile pour le spécialiste de comprendre que le principe de l'observation de la phase du balourd men- tionné ci-dessus permet une simplification de l'électro- nique, c'est-à-dire une diminution du nombre des compo- sants de cette électronique. En outre, la connaissance de l'amplitude du balourd déterminée par les capteurs d'accélération et de sa phase déterminée par corrélation entre les capteurs d'accélération et les capteurs de vitesse permet une correction du balourd lorsque celui- ci atteint et dépasse une valeur limite. Cette correc- tion du balourd rend la turbine beaucoup plus silen- cieuse et contribue à protéger les paliers ou roulements à billes des arbres de la turbine ainsi que les divers accessoires tels que réservoirs, boîtes de vitesse, etc. L'invention va être décrite plus en détail ciaprès à l'aide d'un exemple d'exécution illustré dans le dessin dans lequel: La figure 1 montre schématiquement la disposition des capteurs de vitesse et d'accélération dans une turbine à gaz, 3- La figure 2-montre une unité de surveillance de vibra- tions selon l'invention, La figure 3 est un diagramme montrant le signal détecté dû au balourd, et La figure 4 est un diagramme montrant le signal de vitesse avec référence de phase. La figure 1 montre schématiquement les modules 1 à 4 d'un réacteur d'avion, respectivement le compresseur basse pression 1, le compresseur haute pression 2, la turbine haute pression 3 et la turbine basse pression 4. On voit que le réacteur comporte deux arbres coaxiaux 5 et 6, l'arbre 5 reliant les modules 1 et 4 et l'arbre 6 les modules 2 et 3. Des capteurs inductifs de vitesse/ référence 7A,7B, 8A et 8B sont disposés par paires au voisinage des extrémités des arbres 5 et 6 en face de disques D porteurs de dents, montés aux extrémités des arbres 5 et 6. Chaque dent passant devant le capteur produit une variation du champ magnétique dans celui-ci et le signal de sortie du capteur 7A est représenté en figure 4, chaque capteur délivrant un signal semblable à celui de cette figure. Ces signaux de sortie sont désignés en figure 1 par N1A, N1B pour l'arbre 5 et par N2A, N2B pour l'arbre 6. Les paires de capteurs 7A, 7B; 8A, 8B sont reliées à une unité de traitement de l'information 9. Cette unité détermine le couple Cnl, Cn2 sur chaque arbre à partir de la différence de phase des signaux N1A, N1B et N2A, N2B de chaque paire de capteurs, cette différence de phase étant proportionnelle à la torsion de l'arbre. L'unité 9 détermine ensuite la puissance Pnl, Pn2 transmise par chaque arbre en effectuant le produit du couple par le nombre de tours par unité de temps: Pnl = Cnl x N1; Pn2 = Cn2 x N2. La figure 1 montre que l'unité 4- 9 délivre des signaux représentatifs des vitesses N1, N2, des couples Cnl, Cn2 et des puissances Pnl, Pn2 ainsi qu'un signal de référence représentant une impul- sion par tour de chaque arbre 1/Rev N1, 1/Rev N2 et des signaux Lnl, Ln2 qui sont les signaux de contrôle des capteurs de vitesse. Ce contrôle se fait par comparai- son des signaux de la paire de capteurs d'un arbre qui doivent être identiques en amplitude et en fréquence. L'invention n'est pas limitée aux turbines à gaz à deux arbres, mais elle s'applique aussi aux turbines ou réacteurs à plus de deux arbres. La puissance globale est obtenue à partir des puissances partielles sur les arbres. La connaissance de la puissance sur chaque arbre et la corrélation avec d'autres paramètres tels que pression et température, permet, en cas de chute de la puissance globale ou de la poussée, de déceler facilement l'arbre ne fournissant plus la puissance assignée. A partir de cette information et par la connaissance de certains paramètres tels que tempéra- ture et pression déjà normalement mesurés dans la turbine, il est possible de localiser le module défec- tueux et de le réparer. On voit que le principe de surveillance selon l'invention permet d'éviter un démontage du réacteur complet tel que pratiqué jusqu'- ici, ce qui conduit à un important gain de temps de l'opération de révision et à une importante diminution des heures d'immobilisation du réacteur. L'invention permet donc d'augmenter considérablement l'efficacité de la surveillance et de l'entretien des turbines à gaz, plus particulièrement des turbines à gaz embarquées. En outre, la puissance globale calculée par la somme des puissances partielles peut, avec d'autres paramètres, être mise en rapport avec la consommation de fuel, ce qui permet de connaitre l'efficacité de la turbine à gaz. Si nécessaire, la puissance globale peut aussi servir à déterminer la poussée d'un réacteur d'avion. - 5 - Dans la présente invention, la puissance est déterminée par un petit nombre de paramètres multipliés l'un par l'autre, à savoir le couple et la vitesse de rotation de chaque arbre de la turbine. La détermination de la puissance est donc relativement simple en comparaison de la méthode conventionnelle par mesure de la pression et de la température utilisée jusqu'à présent. Elle n'exige qu'un nombre plus restreint de composants de l'électronique de surveillance vibratoire, ce qui augmente la fiabilité de cette dernière. La figure Y montre en outre un dispositif de surveillan- ce des vibrations dans une turbine à gaz, plus particu- lièrement dans une turbine à gaz embarquée ou un réac- teur d'avion. On voit que le dispositif 10 illustré schématiquement est couplé dans l'exemple illustré à quatre accéléromètres A1 à A4 disposés respectivement au voisinage des modules de la turbine. En principe, deux accéléromètres sont nécessaires. De même, le dispositif 10 reçoit de l'électronique 9 les signaux de vitesse N1 et N2 et les signaux de référence formés d'une impulsion par tour 1/Rev N1 et 1/Rev N2. La figure 3 représente l'amplitude A du balourd telle que détectée par l'accéléromètre A1 en fonction du temps, c'est-à-- dire de la rotation de l'arbre 5. Chaque accéléromètre détecte le balourd du module auquel il est associé et il délivre un signal semblable à celui de la figure 3. La figure 4 montre le signal de sortie N1A du capteur de vitesse 7A. Chacun des autres capteurs de vitesse 7B, 8A et 8B délivre un signal semblable à celui de la figure 4. On remarque que ce signal comporte des périodes de plus grande amplitude que les périodes normales, ces périodes de plus grande amplitude étant espacées l'une de l'autre d'un temps T correspondant à la durée d'une révolution de l'arbre. Les périodes de plus grande amplitude servent de référence 1/ Rev par rapport à laquelle la phase e du balourd est mesurée, elles sont -6 produites en principe par une dent plus longue que les autres sur les disques à dents D associés aux capteurs de vitesse 7A, 7B, 8A et 8B. Pour obtenir la position angulaire du balourd, il suffit au préalable de régler la position angulaire de la roue D de manière que la longue dent soit alignée sur une position particulière bien déterminée de la turbine, par exemple en alignement avec l'aube 1. La position angulaire eP du balourd est alors déterminée par rapport à cette position de réfé- rence. Le dispositif est donc en mesure de donner une indication de la grandeur du balourd et de sa position. Ces informations permettent de corriger le balourd si celui-ci a une valeur égale ou supérieure à une limite prédéterminée. En règle générale, la correction du balourd n'est exécutée que sur les modules d'extrémité LPT (Low Pressure Turbine) et LPC (Low Pressure Compres- sor) à l'aide de vis apportées ou enlevées à un disque de ces modules. A partir des signaux reçus. des accéléro- mètres A1 à A4, des signaux de vitesse N1 et N2 et de référence 1/Rev N1 et 1/Rev N2, le dispositif 10 déter- mine la grandeur des balourds des modules LPC, HPC (High Pressure Compressor), HPT (High Pressure Turbine) et LPT ainsi que les phases correspondantes e' LPC, 6 HPC,.e HPT et e- LPT. Le dispositif délivre encore un signal Vib. Syst. OK de commande d'un affichge, indi- quant que la vibration du système est dans une limite acceptable. La possibilité offerte par l'invention de pouvoir corriger le balourd permet un fonctionnement plus silencieux du réacteur et contribue à diminuer l'usure par exemple -dans les paliers des arbres 5 et 6 du réacteur. En outre, l'observation des phases des quatre modules permet de connaître si le système d'autosurveillance des unités électroniques de traite- ment de l'information, englobant ces unités elles-mêmes, les capteurs de vitesse et d'accélération, la ligne de transmission jusqu'a un dispositif d'affichage (non représenté) et les connecteurs le long de cette ligne -7fonctionne normalement ou non. En effet, dans le cas d'un fonctionnement normal, la phase du balourd reste constante à moyen terme. Par contre, dans le cas d'un fonctionnement anormal, par exemple en présence d'un mauvais signal de vitesse dû à un contact intermittent ou à un défaut de sensibilité du capteur, en présence d'un signal de référence de trop faible amplitude ou intermittent ou encore variable dans le temps, ou en présence d'harmoniques élevées de forte amplitude masquant le signal de balourd, la ou les phases détec- tées se comportent de manière sautante, instable ou aléatoire, ce qui indique un défaut du système. Si la ligne de transmission est coupée, l'affichage ne reçoit plus de signal, ce qui est également une indication d'un défaut dans le système. On voit qu'il n'existe prati- quement pas de panne ou de défaut du système d'auto- surveillance qui ne puisse être détecté par l'observa- àtion du comportement de la phase affichée du balourd. Ce qui précède montre que le principe d'utiliser la mesure de la phase du balourd tel que décrit ci-dessus pour réaliser une autosurveillance des unités électroni- ques de' traitement de l'information, y compris les capteurs, la ligne de tranmsmission et les connecteurs est particulièrement simple et qu'il ne demande qu'un nombre réduit de composants, ce qui augmente sa fiabili- té. - 8 - REVENDICATIONS 1. Procédé d'analyse de vibrations pour un système de mesure avec test automatique de la chaine de mesure complète pour turbines à gaz, plus particulièrement les turbines à gaz embarquées, caractérisé en ce que l'on équippe au moins un module de la turbine à gaz avec des capteurs et que l'on détermine à partir des signaux reçus de ces capteurs la grandeur et la phase du balourd de chaque module, le comportement de ladite phase donnant une indication du fonctionnement correct ou erroné de l'unité électronique de surveillance vibratoi- re et des capteurs, cables et connecteurs auxquels elle est raccordée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les capteurs sont des capteurs d'accélération (A1,A2,A3,A4) et de vitesse/référence (7A,7B;8A,8B), détectant respectivement l'amplitude (A) et la phase (4) du balourd par rapport au signal de référence du capteur de vitesse. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des capteurs (A1-A4;7A-8B)) montés aux modules de la turbine à gaz, ces capteurs étant connectés à une électronique de surveillance (10) des vibrations déter- minant l'amplitude et la phase du balourd de chaque module, le comportement de cette phase donnant une indication de l'état de bon ou de mauvais fonctionnement de l'unité électronique de surveillance vibratoire et des capteurs, cables et connecteurs auxquels elle est connectée. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les capteurs sont des capteurs d'accélération (A1,A2,A3,A4) et de vitesse/référence (7A,7B;8A,8B) dé- 9- tectant respectivement l'amplitude (A) et la phase (0) du balourd, la phase étant déterminée par rapport à un signal de référence formé d'une impulsion par révolu- tion de l'arbre et délivré par un capteur de vitesse par arbre. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'en fonctionnement correct de l'unité électronique de surveillance vibratoire, la phase du balourd reste constante à moyen terme, tandis que toute panne ou défaut de cette unité électronique, des capteurs, cables ou connecteurs, donne lieu à une phase instable, sautante ou de comportement aléatoire. 6. Utilisation du dispositif selon la revendication 4 pour déterminer et corriger le balourd des deux mobiles en rotation de turbines à gaz, plus particulièrement de turbines à gaz embarquées, caractérisée par la détermination de la grandeur et de la phase du balourd, la phase étant déterminée par rapport à un signal de référence correspondant à une position angulaire bien déterminée par rapport au module à corriger et délivrée par le capteur de vitesse correspondant.