Brevet FR2648867A1 — publié le 19901228

La présente invention concerne un procédé pour programmer un flux d'air de refroidissement servant à une commande de jeu, dans un turbomoteur ou appareil similaire. La commande du jeu radial entre les bouts d'ailettes rotatives et la couronne périphérique, dans des turbomoteurs à flux axial est d'une technique connue pour améliorer le rendement du moteur. En réduisant le jeu entre les bouts des ailettes et l'enveloppe, les concepteurs de ces moteurs peuvent réduire la quantité de fluide actif de la turbine qui s'écoule en dérivation par rapport aux ailettes, ce qui augmente par conséquent la puissance de sortie disponible du moteur pour une alimentation en carburant donnée ou une autre entrée du moteur. L'expression "commande active du jeu" concerne les dispositifs de commande du jeu dans lesquels une quantité d'air de refroidissement est utilisée par le dispositif du jeu afin de régler la température de certaines structures du moteur et de commander ainsi le jeu entre les bouts des ailettes et l'enveloppe résultant de la dilatation ou de la contraction thermique de la structure refroidie. Une caractéristique de tels dispositifs de commande active du jeu est que le flux d'air de refroidissement peut être commuté ou modulé en fonction de divers paramètres du moteur, de l'aéronef, de l'environnement de manière à produire une réduction du jeu entre les bouts des ailettes et l'enveloppe pendant les parties de la gamme de variation de la puissance de fonctionnement d'un moteur dans lesquelles une telle commande du jeu est la plus avantageuse. Une réduction du jeu entre les bouts des ailettes et l'enveloppe doit être obtenue judicieusement. Par exemple un refroidissement excessif du carter de la turbine supportant la couronne tel que cet enveloppe vienne interférer avec les bouts des ailettes rotatives, se traduit par une usure prématurée de l'enveloppe ou une abrasion et des dommages causés au bouts des ailettes. Il est donc important que la réduction du jeu entre les bouts des ailettes et l'enveloppe obtenue par de tels dispositifs de commande du jeu soit conçue de manière à éviter l'apparition d'une interférence entre les bouts des ailettes et l'enveloppe, interférence qui peut provoquer finalement une détérioration du rendement du fonctionnement du moteur dans son ensemble ou, ce qui est pire, des dommages causés au composant internes du moteur. Par conséquent un but de la présente invention est de fournir un procédé de commande du jeu radial entre les bouts d'une pluralité d'ailettes rotatives et une couronne les entourant, disposées dans un turbomoteur ou appareil similaire. La présente invention fournit un procédé pour programmer un flux modulé d'air de refroidissement en direction du turbomoteur, afin de commander thermiquement le jeu entre les bouts des ailettes et la couronne. Ce procédé est basé sur la reconnaissance de certains faits à savoir qu'un flux d'air de refroidissement destiné à obtenir un jeu radial donné varie avec le niveau effectif de puissance du moteur et le jeu entre les bouts des ailettes et la couronne, en régime permanent, obtenu par le fonctionnement du moteur à un niveau de puissance donné, subit une diminution notable pendant une période transitoire faisant immédiatement suite à un accroissement du niveau de puissance du moteur. Suivant la présente invention un programme de flux d'air de refroidissement a été terminé pour au moins une plage de variation de la puissance du moteur en fonctionnement normal. Le programme est établi de manière à obtenir au moins un jeu minimal entre les bouts des ailettes et la couronne, pour n'importe quelle puissance de fonctionnement en régime permanent à l'intérieur de la plage, augmenté d'un jeu additionnel déterminé de manière à encaisser la diminution transitoire du jeu qui fait suite à un changement par palier de la puissance du moteur, pour chaque niveau de puissance compris dans la plage de fonctionnement. La présente invention permet d'optimiser le fonctionnement en régime permanent du moteur, à l'intérieur de la plage de variation de la puissance, en établissant le programme de manière à obtenir le jeu minimal exigé pour le niveau de puissance maximal dans la plage de variation de la puissance. Le programme prévoit en outre un jeu additionnel, pour des niveaux de puissance inférieurs à l'intérieur de la plage, de telle façon qu'un accroissement par palier de la puissance du moteur, entre un niveau de puissance inférieur donné et le niveau de puissance maximal de la plage, se traduise par une diminution transitoire du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne qui est approximativement égale au jeu additionnel prévu pour chaque niveau de puissance inférieur. Le procédé suivant la présente invention fournit ainsi, pour chaque niveau de puissance du moteur à l'intérieur de la plage de fonctionnement normal, un débit d'air de refroidissement programmé et un jeu résultant en régime permanent correspondants. Le jeu en régime permanent, pour n'importe quel niveau de puissance donné, est déterminé de manière à juste permettre la diminution transitoire du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne qui fait suite à un accroissement par palier jusqu'à la puissance maximale de la plage. Le programme du flux d'air fournit ainsi une base de commande du jeu qui permet d'obtenir le rendement maximal en régime permanent, tout en évitant une interférence ou abrasion entre les bouts des ailettes et la couronne par suite d'une variation transitoire. Une autre caractéristique de la présente invention résulte de la reconnaissance du fait que la plage de puissance normale et le programme du flux d'air de refroidissement associé, tel qu'il est établi en fonction de certains paramètres du moteur, telle que la vitesse angulaire du rotor N2, sont également fonction des conditions de fonctionnement ambiantes. Ces conditions, comprenant par exemple la température ambiante et la pression ambiante, sont utilisées, dans une variante d'exécution suivant la présente invention, pour fournir une pluralité de programmes du flux d'air particulièrement adaptés aux conditions ambiantes présentes, afin d'optimiser additionnellement le rendement du moteur dans toute la plage des conditions ambiantes attendues. Le procédé suivant la présente invention procure ainsi divers avantages comparativement aux dispositifs de commande de jeu du type "tout ou rien", suivant la technique antérieure, et qui sont également appelés dispositifs à "jeu constant". 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 illustrant la variation du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne en fonction de la vitesse de rotation, dans la plage de puissance normale, ce diagramme comprenant des courbes représentant la variation transitoire du jeu par suite d'une variation par palier du niveau de puissance du moteur. La figure 2 est un diagramme illustrant la variation du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne, dans la plage de puissance normale, dans le cas de plusieurs pressions ambiantes différentes. La figure 3 est un diagramme illustrant la variation du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne, dans la plage de puissance normale, dans le cas de plusieurs températures ambiantes différentes. La figure 4 est un diagramme illustrant la variation, suivant la technique antérieure, du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne en fonction de la vitesse du rotor, ce diagramme comprenant des courbes représentant la variation transitoire du jeu par suite de variations par palier du niveau de puissance du moteur. On décrira maintenant le fonctionnement d'un dispositif typique de commande active du jeu pour un turbomoteur, en se référant aux figures du dessin et plus particulièrement à la figure 4. Cette figure 4 représente la variation, en régime permanent et en régime transitoire, du jeu radial 9, porté suivant l'axe vertical, entre les bouts des ailettes et la couronne, en fonction du niveau de puissance du moteur, porté suivant l'axe horizontal et représenté par la vitesse angulaire N2 du rotor haute pression, dans le cas d'un turbomoteur à double corps. La puissance du moteur varie normalement dans une plage 10 comprenant un niveau de puissance minimal 12 et un niveau de puissance maximal 14. Le jeu entre les bouts des ailettes et la couronne ne doit pas tomber, de préférence, en-dessous d'une valeur minimal, correspondant à la distance gmin' afin d'éviter toute interférence entre les bouts des ailettes et la couronne. Les dispositifs de refroidissement suivant la technique antérieure, du type "tout ou rien", utilisés pour la commande active du jeu, se traduisent habituellement par les courbes inclinées 16,18 de variation du jeu radial en régime permanent, en fonction de la vitesse du rotor haute pression, lorsque le flux d'air de refroidissement du carter externe et la force centrifuge s'exerçant sur les ailettes augmentent tous les deux. Ainsi les dispositifs du type "tout ou rien" suivant la technique antérieure sont conçus habituellement de manière à assurer que le jeu entre les bouts des ailettes et la couronne, pour la puissance maximale attendue 14 du moteur, n'est pas inférieur au jeu minimal désiré S min 20. Les courbes 16,18 de variation du jeu en fonction de la vitesse du rotor de la figure 4 représentent le jeu S en régime permanent pour n'importe quel niveau de puissance donné N2. Ce qui n'a pas été reconnu jusqu'à présent c'est que le jeu entre les bouts des ailettes et la couronne, au cours de la période de temps qui fait immédiatement suite à un changement du niveau de puissance du moteur, ne suit pas une courbe de régime permanence 16,18 mais il s'écarte au contraire d'une telle courbe si bien que le jeu entre les bouts des ailettes et la couronne, pendant une telle réponse transitoire, peut diminuer notablement par rapport à la valeur du jeu en régime permanent. Par exemple les courbes en traits mixtes 18' et 18" représentent des enveloppes du -jeu effectif entre les bouts des ailettes et la couronne d'un moteur soumis à un accroissement par palier du niveau de puissance du moteur, à partir de niveaux de puissance intermédiaires correspondants 22,24, jusqu'au niveau de puissance maximal 14 du moteur. Les courbes 18' et 18" montrent que le jeu effectif plonge d'une manière appréciable endessous de la courbe 18 de régime permanent, au moins temporairement, lorsque la puissance du moteur augmente entre les niveaux de puissance inférieurs 22,24 et le niveau de puissance maximal 14. Une telle "accélération brutale" ou un tel changement par palier du niveau de puissance du moteur est une situation bien connue et apparaissant régulièrement dans le cas d'un turbomoteur assurant la propulsion d'un aéronef ou d'un appareil similaire. De tels accroissements par palier du niveau de puissance du moteur peuvent se produire, par exemple, pendant un changement d'altitude pour éviter des turbulences, etc. Il est important de noter que, à la fois pendant le fonctionnement (courbe 18) en régime permanent et pendant les conditions transitoires (courbes 18',18"), le jeu S entre les bouts des ailettes et la couronne les entourant est à tout instant, sauf lors du fonctionnement avec le niveau de puissance maximal 14 du moteur, supérieur au jeu minimal sélectionné 20. Ainsi le jeu 18 d'un moteur équipé d'un dispositif de commande active du jeu suivant la technique antérieure, bien qu'il soit mieux approprié que celui d'un moteur non équipé d'un tel dispositif de commande active du jeu, permet cependant à un flux notable de fluide de travail de s'écouler en dérivation par rapport à l'étage des ailettes, à travers le jeu existant entre les bouts des ailettes et la couronne. Des essais antérieurs, effectués dans le but de refroidir plus fortement le carter externe tout en conservant un jeu minimal entre les bouts des ailettes et la couronne pour la puissance maximale 14, et sans avoir connaissance de la réponse transitoire du jeu 8, peuvent donner une courbe de régime permanent 16 ainsi qu'il est représenté sur la figure 4. Une telle courbe, nettement inacceptable comme il sera expliqué ci- dessous, permet de réduire le jeu en excès 26 pour des niveaux de puissance inférieurs dans la plage 10 mais elle ne tient pas compte d'une manière appropriée de la diminution transitoire faisant suite à un accroissement par palier de la puissance du moteur. Les courbes en traits mixtes 16' et 16" représentent les enveloppes de la diminution du jeu correspondant à des accroissements par palier du niveau de puissance du moteur, par exemple à partir du niveau de puissance minimal 12 dans la plage 10 et d'un niveau de puissance intermédiaire 22 jusqu'au niveau de puissance maximal 14 du moteur. Les courbes en trait mixtes 16',16" plongent non seulement en- dessous du jeu minimal sélectionné S min 20 mais encore, dans le cas de la courbe 16', celle-ci plonge en fait en-dessous du jeu zéro ce qui laisse prévoir l'apparition d'une interférence entre les bouts des ailettes et la couronne les entourant. Une telle interférence, dans le cas de moteurs ayant des couronnes érodables et des bouts d'ailettes abrasifs, se traduit par un meulage de la couronne provoquant une augmentation du jeu pendant le fonctionnement normal du moteur et en fait une élévation de la courbe 16 en régime permanent sur la figure 4. Dans le cas de moteurs ayant des couronnes non érodables, une telle interférence peut se traduire par des dommages causés aux ailettes et aux couronnes, ce qui compromet le rendement du moteur et/ou son aptitude au fonctionnement. La technique antérieure indique également qu'un flux modulé d'air de refroidissement peut être utilisé pour obtenir un jeu constant entre les bouts des ailettes et la couronne, dans la totalité de la plage de puissance 10 du moteur. Un tel jeu constant, pouvant correspondre au jeu minimal sélectionné 9 min 20, est hautement indésirable, comme le comprendront les spécialistes de la technique connaissant la variation transitoire de î dans le cas d'un changement par palier de la puissance du moteur. En fait, ce qui est pire, une interférence entre les bouts des ailettes et la couronne pourrait même se produire dans un moteur ayant une commande active du jeu conçue pour essayer de maintenir un jeu constant en régime permanent. La reconnaissance de l'écart du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne, par rapport aux courbes de régime permanent 16,18 suivant la technique antérieure, constitue la base du procédé de régulation du flux d'air de refroidissement pour un dispositif de commande active du jeu suivant la présente invention. Suivant. cette invention le flux d'air de refroidissement, en régime permanent, en direction d'un dispositif de commande active thermique du jeu, dans un turbomoteur, est programmé, dans la plage 10 de variation de la puissance de fonctionnement du moteur, de manière à obtenir un jeu minimal présélectionné 9 min 20 dans toute la plage de fonctionnement 10 ainsi qu'un jeu additionnel pour des niveaux de puissance inférieurs au niveau de puissance maximal 14 de la plage. Ce jeu additionnel De est choisi de manière à être sensiblement équivalent à la diminution transitoire du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne qui apparaît au cours de la période faisant immédiatement suite à un accroissement par palier de la puissance du moteur, à partir du niveau de puissance du moteur inférieur correspondant jusqu'au niveau de puissance maximal 14. La figure 1 montre une courbe 28 qui représente la variation du jeu 8 en fonction de la vitesse N2 du rotor haute pression, avec une programmation conforme au procédé de la présente invention. Le jeu minimal5min est obtenu pour le niveau de puissance maximal 14 du moteur, ce jeu augmentant de la quantité &s/ pour des niveaux de puissance compris à l'intérieur de la plage 10 de variation de la puissance du moteur. A la différence de la technique antérieure on peut voir que les enveloppes représentant la variation transitoire du jeu, à la suite de variations par palier de la puissance du moteur, à partir de niveaux de puissance inférieurs 12,22,24 jusqu'au niveau de puissance maximal 14, comme il est représenté par les courbes en traits interrompus correspondantes 28',28" et 28"', ne tombent jamais en dessous du jeu minimal désiré S min 20. En déterminant d'une manière appropriée le jeu en excès S' pour chaque niveau de puissance inférieur dans la plage de fonctionnement 10, le procédé suivant la présente invention fournit un programme de flux d'air de refroidissement pour la commande active du jeu qui permet d'obtenir le jeu minimal, en régime permanent, entre les bouts des ailettes et la couronne, en n'importe quel point dans la plage 10 de variation de la puissance, jeu qui est compatible avec la protection du moteur à la suite d'un accroissement par palier de la puissance de ce moteur. Un autre élément essentiel de la présente invention est la reconnaissance du fait que la vitesse du rotor, correspondant au niveau de puissance maximal 14, est fonction de la pression et de la température ambiantes. Ainsi la courbe 28 suivant la présente invention, établie de manière à obtenir un jeu minimal désiré 6 min pour un niveau de puissance maximal 14 dans des conditions ambiantes normales, au niveau de la mer, peut être inappropriée pour un fonctionnement du moteur à des altitudes plus élevées et avec des températures de l'air ambiant différentes. La figure 2 représente une variation de la vitesse du rotor N2 correspondant à la puissance maximale du moteur, dans une plage de fonctionnement normale avec une pression ambiante Pa' Le point 14 représente la puissance maximale d'un turbomoteur particulier, déterminée dans les conditions régnant au niveau de la mer, des points de valeurs inférieures 34,36 représentant la vitesse du rotor haute pression pour des niveaux de puissance maximaux du moteur dans le cas de pressions ambiantes inférieures à celle au niveau de la mer, comme cela peut correspondre à un fonctionnement de l'aéronef et du moteur à des altitudes plus élevées. Il ressort clairement de la figure 2 que, lorsque la vitesse du rotor correspondant à la puissance maximale du moteur, dans la plage de fonctionnement, diminue, il est approprié et désirable de reprogrammer le flux d'air de refroidissement de manière à maintenir le jeu minimal 20 entre les bouts des ailettes et la couronne pour un fonctionnement du moteur à la puissance maximale de la plage. Ainsi, à des altitudes plus élevées, les courbes 30 et 32 représentent le jeu & en régime permanent compatible avec un rendement optimal du fonctionnement du moteur et l'encaissement des effets transitoires potentiels du jeu qui font suite à un accroissement par palier de la puissance du moteur. La figure 3 représente la variation de la vitesse N2 du rotor haute pression en fonction d'un accroissement ou d'une diminution de la température ambiante Ta, variation indiquée par des points 40 et 38. De telles variations de température peuvent être attendues dans le cas d'un fonctionnement dans des climats ou saisons très chauds, ainsi qu'à des altitudes élevées. Comme dans le cas des courbes représentées sur la figure 2, la variation de la vitesse du rotor haute pression, correspondant à la puissance maximale de montée ou au niveau de puissance maximal dans la plage de fonctionnement prévue du moteur, se traduit par une famille de courbes 42,44 qui optimisent les performances et le fonctionnement du moteur. Un élément essentiel de la présente invention est ainsi de prévoir une pluralité de programmes ou, ce qui est équivalent, un programme unique multi-dimensionnel pour commander un flux d'air de refroidissement en direction d'un dispositif de commande active du jeu, répondant par exemple à la vitesse du rotor haute pression, à la température ambiante et à la pression ambiante. On comprendra que le procédé suivant l'invention, qui a été décrit à propos de dispositifs de commande active du jeu qui commandent habituellement le jeu en déchargeant un flux d'air de refroidissement sur l'extérieur du carter de la turbine portant la couronne entourant les ailettes, peut également s'appliquer à des variantes de dispositifs de commande du jeu dans lesquelles le rotor lui-même est refroidi ou chauffé, afin de contracter ou de dilater les bouts des ailettes d'une manière régulière, et de commander ainsi le jeu entre les bouts des ailettes et la couronne pendant le fonctionnement du moteur. Il est ainsi clair que le procédé suivant la présente invention convient bien pour une optimisation des performances globales et du fonctionnement d'un moteur, en maintenant le jeu minimal entre les bouts des ailettes et la couronne pour tous les niveaux de puissance du moteur à l'intérieur de la plage de fonctionnement, de manière à éviter une érosion ou une interférence radiale entre les bouts des ailettes et la couronne les entourant pendant la réponse transitoire qui fait suite à une accélération brutale ou à un changement par palier du niveau de puissance du moteur. Ce procédé peut être mis en oeuvre par une variété de matériels physiques comportant des contrôleurs ou d'autres dispositifs logiques de commande du type analogique, numérique, hydraulique, pneumatique ou autres. Cependant il convient de noter que la description précédente est destinée simplement à illustrer un procédé pour programmer le flux d'air de refroidissement en direction du dispositif de commande active du jeu et qu'elle ne doit pas être interprétée comme limitant la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour moduler un flux d'air de refroidissement en direction d'un turbomoteur fonctionnant dans une plage de variation de la puissance, comprenant les étapes consistant à déterminer un jeu minimal désiré S min entre une pluralité de bouts d'ailettes rotatives à l'intérieur du turbomoteur et une couronne les entourant, et à établir un programme de débit d'air de refroidissement en fonction de la puissance du moteur dans la plage de variation de la puissance, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: a) établir un premier débit d'air de refroidissement correspondant à niveau de puissance maximal, en régime permanent, du moteur, dans la plage de variation de la puissance, ce premier débit d'air de refroidissement étant suffisant pour que le jeu ( puissance du moteur en régime permanent. 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape d'établissement d'une pluralité de débits d'air de refroidissement correspondants comporte en outre l'étape consistant à sélectionner des débits d'air de refroidissement correspondants de manière à conserver le jeu minimal ( min) entre les bouts des ailettes et la couronne à la suite d'un changement par palier du signal de demande de puissance du moteur, entre l'un des autres niveaux de puissance du moteur et le niveau de puissance maximal de ce moteur. 3.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape d'établissement d'une pluralité de débits d'air de refroidissement correspondants comporte en outre l'étape consistant à sélectionner les débits d'air de refroidissement correspondants de manière à obtenir approximativement le jeu minimal (& min) déterminé entre les bouts des ailettes et la couronne à la suite d'un changement par palier de la puissance du moteur, entre l'un des autres niveaux de puissance et le niveau de puissance maximal du moteur. 4.Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de sélection des débits d'air de refroidissement correspondants comporte en outre l'étape consistant à déterminer un débit d'air de refroidissement correspondant pour le niveau de puissance maximal du moteur et les débits d'air de refroidissement correspondants pour la pluralité des autres niveaux de puissance du moteur, dans le cas d'une pluralité de densités de l'air ambiant. 5.- Procédé suivant la revendication 4 caractérisé en ce que l'étape de détermination des débits d'air de refroidissement en fonction de la densité de l'air ambiant comporte en outre l'étape consistant à déterminer la pression statique et la température de l'air ambiant.