Brevet FR2664696A1 — publié le 19920117

La présente invention concerne les moteurs à turbine à gaz et, plus particulièrement, un procédé et un dispositif pour la mesure d'un couple dans le but de déterminer la puissance de sortie d'un moteur à turbine à gaz. I1 est généralement souhaitable de connaître la puissance de sortie d'un moteur à turbine à gaz. On sait qu'une telle puissance de sortie peut etre déterminée en mesurant le couple développé par un arbre s'étendant à travers le moteur, sur lequel sont montés les divers composants du moteur, tels que, par exemple, les ailettes du compresseur et les aubes de la turbine. On peut déterminer le couple en mesurant le déplacement angulaire de l'arbre du moteur entre l'entrée d'air ou côté antérieur du moteur et le côté échappement. Dans le passé, on a su fixer des capteurs de la position angulaire de l'arbre à chacune de ses extrémités et mesurer sa déviation angulaire en utilisant de tels ensembles.Les capteurs de position d'arbre sont généralement chers et deviennent de plus en plus difficiles à utiliser avec augmentation des dimensions des moteurs à turbine à gaz. I1 s'agit d'un disque qui passe au-devant d'un pyromètre. Le signal développé par le pyromètre est par conséquent un signal présentant des cretes qui correspondent au passage de chaque aube au droit du pyromètre. Un dispositif de traitement du signal procède au traitement du signal provenant du pyromètre de manière à développer un train impulsionnel de signaux mis en forme qui correspondent à la position angulaire de chaque aube de la turbine alors qu'elle passe au droit du pyromètre.Le dispositif détermine la différence relative des phases entre les signaux développés par le capteur de vitesse et les signaux développés sur le pyromètre dans de faibles conditions de charge et stocke cette information comme différence de phase de référence. En charge, toute déviation angulaire de l'arbre du moteur se traduit par un déplacement additionnel des phases entre les signaux provenant du capteur de vitesse et ceux du pyromètre et cette différence de phase peut etre comparée à une différence de phase initiale stockée de manière à déterminer la valeur de la rotation de l'arbre du moteur. Le degré de la rotation est directement proportionnel au couple développé par l'arbre du moteur. Le couple développé par l'arbre du moteur est directement proportionnel à sa puissance de sortie.Par conséquent, la présente invention fournit un procédé et un dispositif pour déterminer la puissance d'un moteur en utilisant le matériel existant et des signaux développés dans le moteur à partir d'un capteur de vitesse et d'un pyromètre et élimine le besoin d'un matériel supplémentaire pour détecter la position angulaire de 1' arbre. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement figure 1, une vue simplifiée en coupe d'un moteur à turbine à gaz donné à titre d'exemple, représentant l'emplacement du capteur de vitesse et du pyromètre par rapport à l'arbre du moteur ; et figure 2, une vue schématique simplifiée du capteur de vitesse et du pyromètre développant des signaux pour application à un dispositif électronique dans le but d'obtenir, à partir des signaux, la puissance de sortie. La figure 1 est une vue simplifiée partielle en coupe d'un moteur 10 à turbine à gaz à soufflante canalisée avec lequel on peut utiliser la présente invention. Le moteur 10 est identique dans ses moitiés supérieure et inférieure de sorte que seule la moitié supérieure se trouvant au-dessus de l'axe 9 est représentée. Le moteur 10 comprend une soufflante canalisée 12, des sections 14 et 16 compresseur à pression intermédiaire et haute pression, respectivement, une chambre de combustion 18, un étage turbine 20, et une tuyère d'échappement 22. L'étage turbine 20 peut etre divisé en sections haute, basse et intermédiaire, pour fournir de l'énergie à la soufflante 12 et aux sections 14 et 16 des compresseurs par l'intermédiaire d'éléments correspondants d'un arbre central 24.L'air comprimé par la soufflante 12 et les sections 14 et 16 des compresseurs est mélangé à du carburant et brûlé dans le chambre de combustion 18. Les produits de la combustion se détendent dans l'étage turbine 20 et s'échappent par l'intermédiaire de la tuyère 22. La poussée de propulsion est fournie par l'air déplacé à l'extérieur du moteur par la soufflante 12, en conjonction avec une certaine poussée due à l'échappement à partir de la tuyère 22. Près de l'extrémité antérieure du moteur 10, un capteur de vitesse 26 est monté à un endroit contigu à une roue dentée 28 sur l'arbre 24. Le capteur de vitesse 26 fournit des signaux de sortie qui sont représentatifs de la vitesse de rotation de l'arbre 24. Le signal de vitesse est généralement utilisé par le système de commande (non représenté) du moteur afin d'éviter les survitesses et de commander le débit du carburant vers le moteur selon une manière bien connue dans la technique. Le moteur 10 comprend également d'une façon typique un pyromètre 30 monté à proximité d'au moins l'un des disques 32 d'une turbine à aubes multiples dans l'étage turbine 20.Le pyromètre est généralement un pyromètre optique qui fournit un signal modulé en amplitude représentatif de la température de chacune des aubes d'au moins l'un des disques 32 alors que chaque aube pase à sa hauteur. Le signal sortant du pyromètre optique est modulé en amplitude car il varie avec des cretes coïncidant avec l'étroite proximité de chacune des aubes et du pyromètre, c'est-à-dire que le signal de sortie a sa valeur la plus élevée lorsque les aubes se trouvent au point le plus proche du pyromètre et sa valeur la plus faible à la position mi-aube alors que celles-ci tournent au droit du pyromètre. On a constaté que les signaux développés par le capteur de vitesse 26 et le pyromètre optique 30 constituent des signaux représentatifs de la position angulaire de l'arbre 24 à deux emplacements différents. En utilisant les techniques de mise en forme des impulsions, on peut obtenir à partir du signal du capteur de vitesse et du signal du pyromètre, des premier et second jeux de trains d'impulsions qu'on peut utiliser pour déterminer la position angulaire de points situés sur l'arbre du moteur. En particulier, la roue dentée 28 comporte une multitude de dents qui sont circonférentiellement distantes les unes des autres de manière uniforme autour de l'arbre 24 du moteur à proximité de l'extrémité antérieure ou côté d'entrée du moteur. Les aubes de la turbine sont également distantes circonférentiellement et uniformément les unes des autres autour de l'arbre de la turbine à proximité du côté échappement du moteur. De manière à utiliser ces deux jeux de signaux de trains d'impulsions pour indiquer le couple de l'arbre, il faut seulement établir la relation des phases entre les deux signaux à quelque faible valeur présélectionnée du couple comme cela pourrait se produire au moment du démarrage du moteur. Ensuite, alors que le moteur est amené à ses conditions de charge, la différence des phases entre les deux signaux peut etre déterminée et comparée à la différence originale des phases afin d'obtenir le déplacement angulaire de l'arbre du moteur. Comme ce déplacement est directement proportionnel au couple, le déphasage alors que le moteur est amené à ses conditions de charge devient directement proportionnel au couple du moteur. En outre, le couple du moteur est directement proportionnel à la puissance de sortie. La conversion entre couple et puissance de sortie peut etre faite en utilisant les techniques standards de conversion qu'on connaît bien dans l'art. En liaison maintenant avec la figure 2, on a représenté un schéma simplifié d'un dispositif pour développer une information sur le couple de sortie du moteur en utilisant le capteur de vitesse 26 et le pyromètre 30. Le capteur de vitesse 26 est monté à proximité d'une roue dentrée 28 fixée à l'arbre 24 de sorte qu'il fournit une séquence d'impulsions ou un signal modulé en amplitude qui correspond au passage de chaque dent 34 de la roue 28 au droit du capteur 26. A l'autre extrémité de l'arbre 24, les aubes 36 de la turbine (représentées schématiquement comme des dents d'engrenage) passent au droit du capteur optique 30 de sorte que ce capteur fournit un signal modulé en amplitude qui correspond à la température des aubes alors qu'elles passent à la hauteur du pyromètre.Comme les aubes 36 sont surveillées en matière de température, le signal provenant du pyromètre 30 présente des crêtes qui correspondent au passage de chaque aube dans le champ de vision du pyromètre. Le signal provenant du pyromètre 30 et le signal dû au capteur de vitesse 26 sont tous deux appliqués à un circuit 38 de mise en forme d'impulsions permettant de transformer les signaux en trains d'impulsions dans lesquels le front de chaque impulsion correspond à l'une des dents 34 de la roue 28 ou à l'une des aubes 36 du disque 32 de la turbine. Le circuit 38 de mise en forme des impulsions peut etre n'importe quel type approprié qu'on connait dans la technique, par exemple, un déclencheur de Schmitt.Bien que représenté sous forme d'un seul bloc, on remarquera que le circuit 38 de mise en forme des impulsions peut etre constitué de deux circuts séparés pour développer deux trains séparés d'impulsions. Un premier train d'impulsions représentatif des signaux provenant du capteur de vitesse 26 et un second train d'impulsions représentatif des signaux provenant du pyromètre optique 30 sont appliqués à un bloc 40 de comparaison des phases dans lequel la différence de phase entre les impulsions individuelles de chaque train d'impulsions est déterminée.Alors qu'on peut utiliser n'importe quel nombre de dents sur la roue 28 du capteur de vitesse, la comparaison des phases peut etre simplifiée en prévoyant une roue 28 dentée ou à encoches qui comporte le meme nombre de dents ou d'encoches qu'il y a d'aubes 36 dans au moins l'un des disques 32 de la turbine ou au moins un multiple entier de ce nombre d'aubes. La comparaison des phases nécessite aussi un signal temporel qui peut etre fourni au circuit 40 de comparaison des phases à partir d'un oscillateur d'horloge 42 d'un type bien connu dans la technique. Dès que la différence des phases entre les premier et second trains d'impulsions a été déterminée pour de faibles conditions de charge, cette valeur peut etre mise dans un circuit à mémoire 44 pour emploi à des fins de comparaison avec d'autres différences de phases à d'autres conditions de charge.Lorsque le moteur est amené à une condition de charge prédéterminée, la différence de phase entre les premier et second trains d'impulsions est également déterminée par le circuit 40 de comparaison de phases et comparée à la différence de phase déterminée pour les faibles conditions de charge telles que stockées dans le circuit à mémoire 44. Le bloc 46 caractéristique du couple de l'arbre fournit la détermination de la différence des phases à partir de la comparaison de la différence des phases aux deux conditions de charge différentes. Cette information sur la différence des phases est alors fournie à un bloc 48 qui transforme cette différence en couple de l'arbre.La différence des phases sera appréciée comme étant directement proportionnelle à la valeur du déplacement angulaire de l'arbre 24 du moteur, laquelle est directement propor tionnelle au couple appliqué à l'arbre par les aubes 32 de la turbine. Le couple de l'arbre est en outre proportionnel à la puissance de sortie du moteur. Par conséquent, le dispositif de la figure 2 fournit un procédé pour déterminer la puissance de sortie d'un moteur en utilisant un dispositif existant qui est incorporé dans le moteur dans le but d'obtenir d'autres quantités mesurables.Le procédé tel qu'il est exposé ci-dessus permet de déterminer la puissance de sortie du moteur 10 à turbine à gaz en utilisant le capteur de vitesse 26 monté à proximité des sections compresseur 14 et 16 et le pyromètre 30 installé à un endroit contigu à au moins l'un des disques 32 de la turbine à aubes multiples. L'arbre 24 du moteur est mis en rotation dans des conditions de charges relativement faibles et un premier jeu de signaux provenant du capteur de vitesse 26 qui correspond à la rotation angulaire de l'arbre 24 est obtenu. Un second jeu de signaux provenant du pyromètre 30, représentant la température de chaque aube d'au moins l'un des disques 32 alors que chaque aube passe au droit d'un point prédéterminé contigu au pyromètre, est également obtenu. Les premier et second jeux de signaux sont traités par le circuit 38 de mise en forme d'impulsions de manière à développer des premier et second jeux correspondants de signaux impulsionnels dans lesquels chaque signal du premier jeu de signaux impulsionnels présente une première relation entre phases pouvant etre déterminée, par rapport à chaque signal impulsionnel du second jeu de signaux. Le moteur est amené alors à fonctionner dans au moins une autre condition de charge relativement plus élevée et un autre premier jeu de signaux ainsi qu'un autre second jeu de signaux sont obtenus. Après mise en forme, ces autres premier et second jeux de signaux se présentent sous la forme de jeux correspondants de signaux impulsionnels qui peuvent etre comparés de manière à déterminer une autre relation entre phases. La première relation entre phases et l'autre relation entre phases sont alors comparées afin d'obtenir une différence de phases ou changement de phases qu'on peut attribuer à la rotation de l'arbre 24. Le bloc caractéristique du couple de l'arbre transforme alors la rotation de l'arbre en une valeur correspondante du couple de manière déterminer la puissance de sortie du moteur à partir des relations prédéterminées entre couple et puissance. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer la puissance de sortie d'un moteur (10) à turbine à gaz auquel est accouplé un compresseur (14 ; 16), le moteur comprenant un arbre de puissance (24), au moins un disque (32) de turbine à aubes multiples accouplé à l'arbre, un capteur de vitesse (26), et un pyromètre (30), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à faire tourner l'arbre à des conditions de charge relativement faibles et obtenir un premier jeu de signaux à partir du capteur de vitesse qui correspondent à la rotation angulaire de l'arbre et un second jeu de signaux à partir du pyromètre qui représentent la température de chaque disque de la turbine à aubes alors que chaque aube passe au droit d'un point prédéterminé contigu au pyromètre traiter (38) les premier et second jeux de signaux pour développer des premier et second jeux correspondants de signaux impulsionnels dans lesquels chaque signal impulsionnel du premier jeu de signaux présente une première relation entre phases pouvant etre déterminée avec chaque signal impulsionnel du second jeu de signaux faire fonctionner le moteur dans d'autres conditions de charge relativement plus élevées et obtenir un autre premier jeu de signaux à partir du capteur de vitesse et un autre second jeu de signaux à partir du pyromètre traiter les autres premier et second jeux de signaux afin de développer un autre jeu correspondant de signaux impulsionnels déterminer une autre relation entre phases entre au moins une impulsion développée à partir de l'autre premier jeu de signaux et au moins une impulsion développée à partir de l'autre second jeu de signaux comparer (40) la première relation entre phases à l'autre relation entre phases et obtenir une différence entre elles; déterminer (46) le degré de rotation de l'arbre du moteur qui correspond à la différence obtenue des relations entre phases ; et transformer (48) la rotation de l'arbre du moteur en une valeur correspondante du couple qui provoquera une telle rotation afin de déterminer la puissance de sortie du moteur à partir de relations prédéterminées entre couple et puissance. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pyromètre (30) fournit un signal modulé en amplitude, les étapes de traitement comportant les étapes de transformation du signal modulé en amplitude en un train de signaux impulsionnels dans lesquels chaque signal correspond à une crete du signal modulé en amplitude. 3. Dispositif de mesure de couple afin de mesurer le couple développé par un moteur (10) à turbine à gaz comportant au moins un arbre (24) s'étendant à travers lui et au moins un disque (32) de turbine à aubes multiples qui lui est accouplé, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de vitesse (26) monté dans le moteur à proximité du côté antérieur de l'arbre, ce capteur fournissant un premier jeu de signaux représentatifs de la rotation angulaire de l'arbre un pyromètre (30) monté dans le moteur à proximité d'au moins un disque de la turbine, le pyromètre fournissant un second jeu de signaux représentatifs de la température de chaque aube de la turbine alors que celle-ci passe au droit du pyromètre un moyen (38) de mise en forme d'impulsions monté de manière à recevoir les premier et second jeux de signaux et produire à partir d'eux des premier et second jeux de signaux impulsionnels correspondant, respectivement, à des incréments angulaires présélectionnés de la rotation du côté antérieur de l'arbre et au passage de chaque aube de la turbine au droit du pyromètre un moyen (46) pour déterminer une différence de phase entre des signaux sélectionnés parmi les premiers signaux impulsionnels et des signaux sélectionnés parmi les seconds signaux impulsionnels ; et un moyen (48) répondant à ladite différence entre phases pour déterminer le couple développé sur l'arbre. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une roue (28) munie de dents multiples, accouplée à l'arbre à proximité du capteur de vitesse (26), d'où il résulte que le premier jeu de signaux est représentatif du passage de chaque dent au droit du capteur de vitesse. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le nombre de dents de la roue à dents multiples est un multiple entier du nombre des aubes (36) du disque (32) de la turbine. 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen répondant à la différence entre phases comprend un moyen (44) pour stocker une donnée sur la différence entre phases pour un couple de sortie présélectionné du moteur et un moyen pour comparer une donnée sur la différence de phase à un couple de sortie différent à ladite donnée stockée sur la différence afin de déterminer le couple de moteur à ce couple différent.