Brevet FR2658562A1 — publié le 19910823

La présente invention concerne un procédé pour corriger une condition de démarrage en surchauffe dans un turbomoteur. Le processus de démarrage d'un turbomoteur est une procédure compliquée qui exige une surveillance continuelle de divers paramètres du moteur afin d'éviter l'endommagement de composants du moteur Une condition susceptible de provoquer des dommages, laquelle peut apparaître pendant le démarrage d'un moteur, est celle d'un démarrage en surchauffe La cause exacte d'une condition de démarrage en surchauffe dans un turbomoteur a été l'objet de nombreuses hypothèses et théories et la détection de l'apparition d'une condition de démarrage en surchauffe est bien connue. Une condition de démarrage en surchauffe apparaît lorsque la température du fluide de travail sortant de la section de turbine du turbomoteur dépasse, d'une certaine valeur, la loi de variation de la température des gaz d'échappement qui est attendue pour le moteur pendant un démarrage normal Comme le comprendront les hommes de l'art, une condition de démarrage en surchauffe imprévue peut amener la température des gaz dans la section de turbine à dépasser des limites de température admissibles pour les matériaux, ce qui entraîne par conséquent un raccourcissement ou une fin de la vie des composants internes du moteur tels qu'ailettes, disques, joints d'étanchéité, etc Par conséquent des procédures courantes pour le démarrage d'un moteur exigent une surveillance attentive de la température des gaz d'échappement et un arrêt immédiat de la séquence de démarrage si la température des gaz d'échappement dépasse la limite appropriée. Comme on le comprendra aisément, l'arrêt d'une séquence de démarrage est particulièrement gênant car il exige que le rotor du moteur continue à tourner sous l'influence du lanceur du turbomoteur pendant une période de temps suffisante pour vider le moteur de la totalité du carburant et des produits de combustion La totalité de la séquence de démarrage est ensuite relancée Le retard qui en résulte peut être particulièrement coûteux, notamment dans l'environnement du trafic aérien actuellement encombré, lorsqu'un retard d'un départ de quelques minutes peut perturber le programme chargé de régulation du trafic d'un aéroport. La présente invention fournit un procédé pour corriger rapidement une condition de démarrage en surchauffe dans un turbomoteur qui n'exige pas un arrêt puis un relancement de l'ensemble du processus de démarrage Le procédé suivant la présente invention interrompt brièvement la séquence de démarrage afin de faire disparaître la condition de démarrage en surchauffe, et il reprend la procédure de démarrage au point de la détection de la condition de démarrage en surchauffe, sans avoir à passer par la totalité du processus de "purge et relancement" de la technique antérieure. Suivant la présente invention la détection de la présence d'une condition imminente de démarrage en surchauffe ammène la commande du carburant du moteur à interrompre brièvement et instantanément l'écoulement du carburant en direction de la chambre de combustion du moteur L'écoulement du carburant est repris, à la fin de la brève période, avec approximativement le débit de carburant précédent, ce qui permet au moteur de continuer la séquence de démarrage à partir du point de la détection d'une condition de démarrage en surchauffe. Suivant un autre perfectionnement du procédé suivant l'invention l'écoulement du carburant est maintenu pendant une période de temps prédéterminée à la suite de son rétablissement, et ce nonobstant des paramètres du moteur qui peuvent tendre à indiquer la continuation d'une condition de démarrage en surchauffe Si l'indication d'un démarrage en surchauffe n'a pas disparu à l'expiration de la période prédéterminée, l'écoulement du carburant est de nouveau interrompu, conformément au procédé suivant l'invention, pendant une brève période de temps et les étapes précitées sont répétées. On décrira ci-après, 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 un diagramme représentant la variation de la température des gaz d'échappement d'un moteur en fonction de la vitesse du rotor pendant un démarrage courant et une condition de démarrage en surchauffe. La figure 2 représente la variation du débit de carburant vers le moteur, en fonction du temps, pendant un démarrage d'un moteur utilisant le procédé de correction suivant la présente invention. La figure 3 est un schéma d'un turbomoteur et d'une commande de carburant mettant en oeuvre le procédé suivant 1 'invention. Si on se réfère aux figures du dessin, on voit que la figure 3 représente une vue en coupe longitudinale schématique d'un turbomoteur 10 comportant une section de compresseur 12, une section de combustion 13 et une section de turbine 14 Le moteur particulier 10 représenté sur la figure 3 est du type à deux rotors, et il comporte un compresseur basse pression 16 entraîné par une turbine basse pression 20 et un compresseur haute pression 18 entraîné par une turbine haute pression 22 Les rotors haute pression et basse pression tournent sur des arbres concentriques séparés 24,26 ainsi qu'il est représenté La section de combustion 13 comporte un collecteur de distribution de carburant 28 pour fournir du carburant à la chambre de combustion 30 Le carburant est fourni à travers une canalisation d'alimentation en carburant 32 elle-même alimentée par une pompe 34 et un réservoir de carburant 36 représentés schématiquement sur la figure 3 Le débit du carburant est réglé par une vanne 38 qui est à son tour commandée par un appareil de commande 40 suivant la technique antérieure bien connue. Pendant le démarrage du turbomoteur 10, un lanceur, (non représenté) entraîne le compresseur 18 et la turbine 22 haute pression de manière à créer un flux d'air à travers le moteur 10 Du carburant est introduit dans la chambre de combustion 30 à partir du collecteur 28 et il allumé par un ou plusieur allumeurs à étincelles à haute énergie (également non représentés) Une séquence de démarrage courante se traduit par une montée lente du débit de carburant en fonction de la vitesse croissante du rotor haute pression, le taux d'augmentation du débit de carburant étant choisi de manière à permettre aux composants du moteur de monter en vitesse et en température à une vitesse qui ne provoque pas des dommages ou une surchauffe des composants du moteur. Si on se réfère à la figure 1, on voit que la température T des gaz d'échappement, mesurée à la sortie de la turbine haute pression 22, est représentée comme étant comparée à la vitesse N 2 du rotor haute pression dans le cas d'une séquence de démarrage courante La vitesse N 2 du rotor haute pression est augmentée jusqu'à une valeur de seuil, par le lanceur du moteur, et en ce point du carburant est introduit, l'allumage dans la chambre de combustion se produit et la température T des gaz d'échappement commence à s'élever ainsi qu'il est représenté par la courbe en trait plein 42 qui représente un démarrage normal du moteur. Lorsque la vitesse du rotor tend vers la vitesse de ralenti N 2 r, la température T des gaz d'échappement atteint une crête 44 et descend ensuite jusqu'à la température de ralenti Tr 46. Un démarrage en surchauffe est représenté par la courbe en tirets 48 qui s'écarte de la courbe normale 42 en s'élevant rapidement avec un accroissement minimal de la vitesse N 2 du rotor Des procédés et systèmes suivant la technique antérieure, prévus pour détecter une condition imminente d'un démarrage en surchauffe, sont basés sur une loi de variation de la température maximale au démarrage qui est représentée, sur la figure 1, par la ligne en tirets 50, en vue d'une comparaison avec la température effectivement mesurée des gaz d'échappement A tout instant pendant la séquence de démarrage, si la température T des gaz d'échappement dépasse la courbe de température maximale 50, l'appareil de commande identifie une condition imminente de démarrage en surchauffe et amorce une action de correction. Dans les systèmes suivant la technique antérieure, telles que décrits cidessus, une telle action de correction est limitée à un arrêt complet de l'écoulement du carburant vers le moteur et à un blocage de toute autre tentative éventuelle de la part de l'opérateur du moteur pour relancer la séquence de démarrage jusqu'à ce qu'une période préétablie, couramment de 30 secondes, se soit écoulée A ce moment la technique antérieure exige le lancement de la totalité de la séquence de démarrage, à partir d'un instant zéro ce qui constitue essentiellement une nouvelle tentative complète de démarrage du moteur. Le procédé suivant la présente invention, au lieu de mettre fin complètement à la séquence de démarrage et d'exiger que l'opérateur relance cette séquence, assure une brève période d'interruption du débit de carburant, de préférence de l'ordre de 2 secondes environ, période durant laquelle toute instabilité de l'écoulement ayant pu provoquer l'apparition de la condition de démarrage en surchauffe a disparu du moteur A l'expiration de la brève période d'interruption du débit de carburant, le procédé suivant l'invention rétablit l'écoulement du carburant avec un débit approprié aux conditions de fonctionnement présentes du moteur, ce qui continue ainsi la séquence de démarrage pratiquement à partir du point de la détection de la condition imminente d'un démarrage en surchauffe. Si on se réfère de nouveau à la figure 1, on voit que la courbe 48 qui représente une condition imminente de démarrage en surchauffe, s'écarte de la courbe de la température de démarrage normale 42 et s'élève rapidement, en recoupant la courbe de température maximale 50 au point 52. Lorsque ce point 52 est atteint, l'appareil 40 de commande du moteur, lequel surveille la température par l'intermédiaire d'un moyen 54 de mesure de la température disposé à la sortie de la turbine haute pression 22, commande une fermeture immédiate de la vanne de commande du carburant 38, ce qui entraîne la coupure temporaire de la totalité de l'écoulement du carburant en direction de la chambre de combustion 30. Cette coupure d'alimentation en carburant se poursuit pendant une courte période de temps, de préférence de 2 secondes environ, après quoi l'écoulement du carburant reprend avec approximativement le même débit qu'avant la détection de la condition de démarrage en surchauffe. Comme on peut le voir sur la figure 1, la coupure de l'alimentation en carburant se traduit rapidement par une chute 56 de la température T des gaz d'échappement Cette brève coupure permet en outre une stabilisation du flux d'air à travers la section de compresseur 12 et la section de combustion 13 et elle évite habituellement, sur la base des résultats d'essais, une réapparition de la condition de démarrage en surchauffe à la suite d'une reprise de l'alimentation en carburant, comme il a été indiqué précédemment Ceci est représenté sur la figure 1 par la dernière partie 58 de la courbe 48 qui montre que la température T des gaz d'échappement demeure en-dessous de la courbe de température maximale 50 et qu'elle revient éventuellement à la température de ralenti 46. La figure 2 représente la variation du débit de carburant Wf en fonction du temps dans le cas d'une séquence de démarrage d'un moteur comportant une coupure de l'alimentation en carburant en réponse à la détection d'une condition imminente de démarrage en surchauffe A l'instant t 1 qui coïncide avec la détection du fait de la température T des gaz d'échappement dépasse la température de démarrage maximale programmée, le débit de carburant est réduit immédiatement à zéro et il est maintenu à cette valeur pendant une brève période de temps représentée par l'intervalle tl-t 2 A la fin de cette brève période de temps t 1-t 2, l'alimentation en carburant est reprise et la séquence de démarrage se poursuit. Un autre point caractéristique du procédé suivant l'invention reconnaît la nature transitoire de la condition de démarrage en surchauffe et ajoute en outre l'exigence que l'appareil 40 de commande du carburant maintienne l'écoulement du carburant en direction du moteur pendant une période de temps présélectionnée après l'apparition d'une coupure de l'alimentation en carburant Cette période de temps présélectionnée, représentée sur la figure 2 par l'intervalle entre t 2 et t 3, permet à tous les effets transitoires qui résultent de la condition de démarrage en surchauffe et/ou de la coupure de l'alimentation en carburant, de disparaître du moteur, en donnant ainsi à l'appareil de commande une meilleure indication quant à la condition présente du moteur En particulier l'appareil de commande, suivant une autre forme d'exécution suivant la présente invention, reçoit l'ordre d'ignorer une indication d'une température T des gaz d'échappement dépassant la courbe de température maximale 50 pendant la période de temps présélectionnée faisant suite à la coupure de l'alimentation en carburant Cette période de temps présélectionnée est de préférence de l'ordre de 10 secondes et elle est choisie en se basant sur la réponse transitoire du type ou de la dimension du moteur particulier. Si la température T des gaz d'échappement, à la fin de la période de temps présélectionnée, dépasse encore la limite de température admissible 50, le procédé suivant la présente invention amorce de nouveau une coupure d'alimentation en carburant pendant la brève période de temps, ce qui donne de nouveau au moteur la possibilité de faire disparaître la condition de démarrage en surchauffe et de continuer avec la condition de démarrage. Ainsi qu'il apparaîtra clairement aux hommes de l'art, l'apparition d'une coupure d'alimentation en carburant en réponse à la détection d'une condition imminente de démarrage en surchauffe retarde de seulement quelques secondes l'obtention du régime de ralenti du moteur, à la différence du procédé suivant la technique antérieure, qui exige, pour tenir compte de la détection d'une condition de démarrage en surchauffe, que l'opérateur du moteur arrête la séquence de démarrage, purge le moteur de la totalité du carburant et des produits de combustion et relance la totalité de la séquence à partir du début. REVENDICATIONS 1. Procédé pour corriger une condition de démarrage en surchauffe dans un turbomoteur ayant un appareil ( 40) de commande de carburant comportant un moyen ( 54) pour mesurer la température T des gaz d'échappement sortant de la section de turbine ( 14) du turbomoteur, un moyen ( 38) pour commander un débit de carburant en direction de la section de combustion ( 13) du moteur, et un moyen pour surveiller la vitesse de rotation (N 2) du rotor de la turbine, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant: a) à déterminer l'apparition d'une condition imminente de démarrage en surchauffe dans le moteur; b) à interrompre le débit de carburant (Wf) en direction du moteur pendant une brève période de temps (tl-t 2), en réponse à une condition de démarrage en surchauffe, et c) à reprendre le débit de carburant en direction du moteur après l'écoulement de la brève période de temps (tl-t 2). 2 Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de détermination de l'apparition d'une condition de démarrage en surchauffe comporte l'étape consistant à comparer la température mesurée des gaz d'échappement avec une température admissible, l'apparition imminente d'une condition de démarrage en surchauffe étant déterminée à la suite d'une température mesurée des gaz d'échappement dépassant la température admissible. 3. Procédé suivant la revendication 2 caractérisé en ce que la température admissible est fonction de la vitesse (N 2) du rotor de la turbine. il 4. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la brève période de temps (tl-t 2) est d'environ deux secondes. 5. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à maintenir le débit de carburant, à la suite de l'étape de reprise de l'écoulement, pendant une période de temps présélectionnée. 6.-Procédé suivant la revendication 5 caractérisé en ce que la période de temps présélectionnée est de dix secondes.