Brevet FR2664651A1 — publié le 19920117

La présente invention concerne une turbomachine de propulsion par réaction, plus connue sous le nom de turboréacteur. Le turboréacteur selon l'invention comprend un premier et un second conduit de flux, un compresseur, qui envoie de l'air dans les deux conduits, le premier conduit contenant en série dans le flux un groupe de combustion du carburant actionnable de façon continue et une turbine reliée de manière à entraîner le compresseur, puis un groupe de combustion du carburant actionnable sélectivement pour chauffer le flux dans le second conduit, une tuyère à section variable à la sortie du second conduit, des organes de manoeuvre pour faire varier le débit du carburant vers le groupe de combustion dernier cité et pour faire varier la section de la tuyère, des moyens pour actionner arbitrairement un des organes de manoeuvre, et un circuit de commande à boucle fermée comprenant des moyens pour produire un signal de demande représentant le nombre de Mach que le flux dans le second conduit doit avoir en amont du groupe de combustion actionnable sélectivement pour satisfaire une condition de fonctionnement donnée du compresseur, des moyens pour produire un signal de retour représentant le nombre de Mach réel du flux dans le second conduit, en amont du dit groupe de combustion, et des moyens aptes à réagir à la différence entre les signaux précités pour produire un signal d'erreur dirigé de façon à rendre inopérante l'action des moyens arbitraires et à faire fonctionner au moins un des organes de manoeuvre dans le sens de l'établissement d'une coincidence entre les dits signaux. Le groupe de combustion actionnable sélectivement a pour fonction de fournir une poussée secondaire qui s'ajoute à la poussée primaire obtenue au moyen du groupe de combustion actionnable de façon continue et qui lui est même supérieure. Le circuit de commande est destiné à faire en sorte que, quelle que soit la variation de température dans le second conduit par suite du fonctionnement du groupe de combustion actionnable sélectivement, une condition choisie de fonctionnement du compresseur, ctest-à-dire son taux de compression et son débit massique pour des vitesses non-dimensionnelles données, est maintenue. Le second conduit peut avoir une partie amont, qui constitue en quelque sorte une dérivation du premier conduit, et une partie aval commune au flux venant de la partie amont et à celui qui sort de la turbine, le groupe de combustion actionnable sélectivement étant disposé de façon à chauffer le flux dans la dite partie commune et la tuyère étant placée à l'extrémité aval de cette dernière. Le premier et le second conduit peuvent, au contraire, être disposés de façon à déboucher sur des tuyères séparées, auquel cas le groupe de combustion actionnable sélectivement est prévu pour chauffer le flux qui s'écoule dans le second conduit et à travers la tuyère associée. Dans les turboréacteurs qui ont la partie commune précitée, il est connu de commander la relation entre le débit du carburant et la section de la tuyère au moyen d'un circuit à boucle fermée réagissant au rapport entre les pressions en amont et en aval de la turbine. On a constaté que ce circuit est relativement insensible aux conditions de fonctionnement réelles du compresseur. Il est en outre difficile d'obtenir une détection précise et fiable de la pression dans le milieu hostile des gaz chauds de la turbine. Il est également connu de commander la relation entre le débit du carburant et la section de la tuyère par un programme au moyen duquel ces paramètres sont modifiés l'un en fonction de l'autre. Un tel système assure une réponse rapide, mais il ne satisfait pas les conditions de fonctionnement du compresseur pour faibles pressions avec une précision suffisante. L'invention est basée sur la découverte du fait que les conditions de fonctionnement du compresseur sont uniquement en rapport avec le nombre de Mach du flux dans le second conduit en amont du groupe de combustion actionnable sélectivement et que ce nombre fournit une base pour une commande de ces conditions beaucoup plus précise que ce n'est le cas dans les deux systèmes connus précités. Une turbomachine selon l'invention peut comporter des moyens comprenant un programme monté entre les organes de manoeuvre de façon que lorsqu'on actionne un organe de manoeuvre, l'au- tre organe de manoeuvre varie conformément au dit programme, et le signal d'erreur est envoyé à au moins un des organes de manoeuvre indépendamment du programme, toutes ces caractéristiques ayant pour effet de combiner la réponse rapide du programme à la précision du circuit à boucle fermée. Il est clair que l'action du programme doit être d'augmenter la section de la tuyère lorsque le débit du carburant augmente et vice versa, tandis que le signal d'erreur peut atteindre son but en faisant varier soit le débit du carburant, soit la section de la tuyère, soit l'un et 1' autre. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, dont l'unique figure est une vue en coupe fortement schématisée de cette turbomachine associée à un schéma du circuit de commande de son réchauffage. La turbomachine représentée dans la figure, désignée par la référence générale 10, comporte un carter Il de forme générale cylindrique, qui contient un compresseur pour faibles pressions ou soufflante 15. En amont de la soufflante, le carter définit un orifice d'entrée d'air 12. La soufflante envoie de l'air à un premier conduit 16, qui contient le générateur de gaz proprement dit, et aussi à un second conduit, dont une partie 13 constitue une dérivation du conduit 16 et qui comporte une autre partie 14, dans laquelle le flux venant de la soufflante est chauffé et celui sortant du générateur de gaz est réchauffé.Le générateur de gaz comprend, en série dans le flux, un compresseur pour hautes pressions 17, un groupe de combustion de carburant 18, actionnable de façon continue, une turbine pour hautes pressions 19, reliée de manière à entraîner le compresseur 17, et une turbine pour basses pressions 20, reliée de manière à entrainer la soufflante 15. La jonction du conduit de dérivation 13 et de celui de réchauffage 14 est définie approximativement à l'extrémité aval 16B du conduit 16. Il est évident que le conduit de réchauffage 14 constitue un passage commun pour le flux venant du conduit de dérivation 13 et celui qui sort de la turbine 20. Un groupe de combustion de carburant 21, actionnable de façon sélective, comporte un conduit 22 d'amenée du carburant, dans lequel sont montées en série une pompe 23 et un régulateur 24, et qui se termine par un brûleur 25. Le régulateur de débit est actionné par un organe de manoeuvre, qui est en l'occurrence un moteur électrique 26. A son extrémité de sortie, le conduit 14 est muni d'une tuyère à section variable 27, par exemple du type de celles qui comportent des volets pivotants 28. La section du flux à la sortie de la tuyère peut être modifiée au moyen d'un organe de manoeuvre, en l'occurrence un vérin pneumatique 29, relié de façon à faire pivoter les volets 28. Lorsque la turbomachine fonctionne sans réchauffage, seul le groupe de combustion 18 est en action. Lorsqu'il est nécessaire d'augmenter la puissance de la turbomachine par réchauffage, du carburant est envoyé aussi au brûleur 21. Ceci exige une commande correspondante de la section du flux à la sortie de la tuyère 27. La nécessité de modifier la section de la tuyère découle de celle d'éviter une augmentation de la pression dans le conduit de réchauffage, une telle augmentation ayant une influence défavorable sur les conditions de fonctionnement de la soufflante 15.Pour une vitesse de rotation non-dimensionnelle donnée, la soufflante a en effet une condition de fonctionnement unique, définie par la relation entre le taux de compression et le débit massique, et lorsqu'on met en action le système de ré- chauffage, il est indispensable de réguler la section de la tuyère en fonction du débit du carburant de réchauffage de façon que la dilatation des gaz résultant de l'augmentation de température ne modifie pas la condition de fonctionnement de la soufflante au-delà d'une tolérance acceptable. A cet effet, la turbomachine selon l'invention comporte un circuit de commande du réchauffage désigné par la référence générale 30 et comprenant une partie à boucle fermée 30A, dans laquelle la relation entre le débit du carburant de réchauffage et la section de la tuyère est commandé en réponse aux variations du nombre de Mach du flux dans le conduit de dérivation 13.Ce mode de régulation est basé sur la constatation du fait que, pour une vitesse non-dimensionnelle donnée de la soufflante, il y a,a la sortie de celle-ci un nombre de Mach qui correspond à la relation entre le taux de compression et le débit massique et que ce nombre de Mach est particulièrement utile pour une régulation sensible et précise, car des variations du taux de compression de la soufflante produisent des variations relativement grandes du nombre de Mach à sa sortie et parce que le capteur nécessaire peut être placé dans l'ambiance relativement inoffensive du conduit de dérivation. Dans la forme d'exécution décrite ici, la partie à boucle fermée 30A est utilisée pour fournir un réglage fin complétant le réglage de base du débit du carburant et de la section de la tuyère, lequel est déterminé par une partie à boucle ouverte 30B du circuit 30. Cette partie a boucle ouverte est prévue pour fournir une réponse rapide, tandis que la partie à boucle fermée apporte aux réglages de ce débit et de cette section une precision que la boucle ouverte ne pourrait fournir seule. Dans la partie à boucle ouverte 30B, un levier de commande 32 actionné par le pilote est relié par l'intermédiaire d' une boucle fermée locale 31 de façon à convertir, en premier lieu, le changement de position du levier en un réglage donné de la section de la tuyère. Plus précisément, l'angle O du levier est converti par un transducteur 33 en un signal électrique de demande de section de tuyère envoyé à une jonction de sommation 35, dont le signal d'erreur 36 est converti par un transducteur 37 en un signal pneumatique 38, qui arrive au vérin pneumatique 29. Un signal de retour 39, représentant la position du vérin, est ramené à la jonction 35 pour fermer la boucle 31. Le signal 39 est utilisé pour faire fonctionner une boucle fermée locale 40, qui commande le débit du carburant. Plus précisément, ce signal 39 est envoyé à travers un générateur de fonction ou programme 41 pour fournir un signal de demande de carburant 42, qui arrive à une jonction de sommation 43, à la sortie de laqualle apparaît un signal d'erreur 44, qui est envoyé à un moteur électrique 26. Un signal de retour 45,représentant la position du moteur, est ramené à la jonction 43 pour compléter la boucle 40. Le fait que le signal de demande 34 produit par le levier 32 représente une demande de section de tuyère et non une demande de débit de carburant est une simple question de commodité pour le technicien concepteur.On peut tout aussi bien, pour réaliser la liaison entre la section de la tuyère et le débit du carburant, envoyer le signal 34 au moteur électrique 26 et utiliser le signal de retour de ce moteur pour actionner le vérin pneumatique 29 et utiliser d'autres variantes encore. La fonction du programme 41 est de définir la relation entre le débit du carburant et la section de la tuyère sur toute l'étendue de la plage des conditions de fonctionnement générales de la turbomachine. Dans la partie à boucle fermée 30A du circuit de commande 30, un capteur 48 de la vitesse de rotation de la soufflante 15 et un capteur 49 de la température à l'entrée de cette dernière produisent respectivement des signaux N et T, qui sont envoyés à un calculateur 50 pour obtenir la valeur N/ 2En, qui est la vitesse non-dimensionnelle de la soufflante. Cette valeur N/ 2i' est envoyée à un générateur de fonction 51, qui produit un signal Md correspondant aux nombres-deMach du flux sortant de la soufflante pour des valeurs données de Il doit être bien entendu que ces nombres de Mach sont déterminés empiriquement alors que la soufflante tourne dans des conditions optimales de taux de compression et de débit massique et sans à-coup.Les nombres de Mach ainsi obtenus sont incorporés au générateur de fonction, dont le signal de sortie Md est donc un signal de demande correspondant au nombre de Mach optimal pour une vitesse nondimensionnelle donnée de la soufflante. Un signal de retour Ma représentant le nombre de Mach effectif du flux est tiré d'un appareil de mesure du nombre de Mach 53, dont une tête détectrice 54 est placée dans le conduit de dérivation 13. Dans la forme d'exécution décrite ici, la tête détectrice comporte un tube de Pitot 55 tourné vers l'amont, dont le signal de sortie correspond à la pression totale, et un tube de Pitot 56, tourné vers l'aval et dont le signal de sortie correspond à la pression statique, les deux signaux étant désignés respectivement par Pt et Ps. Ces signaux Pt, Ps sont envoyés à travers des transducteurs appropriés jusqu'à un calculateur 57 pour produire l'expression (Pt-Ps)/Ps, qui est uniquement en relation avec le nombre de Mach réel dans le conduit 13 et à la sortie duquel apparaît le signal Ma.Les signaux Md, Ma sont envoyés à une jonction de sommation 58, qui produit un signal d' erreur 59, dont une branche arrive à la jonction de sommation 43 de la boucle de commande 40 du débit de carburant. L'ensemble est agencé de façon que si Ma Le signal d'erreur 59 peut etre envoyé à travers une unité logique 64, agencée de façon à déconnecter la partie à boucle fermée 30A pendant la variation transitoire du signal 34 et qui détermine par ailleurs Si la correction doit etre faire par l'un ou l'autre des signaux 60, 610u par l'un et l'autre. Ordinairement, il serait préférable de laisser le si- gnal d'erreur 59 agit uniquement sur le signal de demande de carburant 60 pour corriger les distorsions causées par le programme 41. Ceci s'applique en particulier au cas où le signal 34, tel qu'il arrive à l'unité logique 64, correspond à un réglage inférieur à la demande de réchauffage maximale. Par contre, pour la demande de réchauffage maximale, lorsque le débit de carburant est maintenu à des proportions stoechiométriques il est préférable d'agir sur le signal de demande de section de tuyère 61 en gardant le débit de carburant constant, de façon à ne pas réduire la poussée de la turbomachine en s'écartant du rapport stoechiomé- trique. On peut arriver à un compromis satisfaisant en agissant simultanément sur les signaux 60, 61, le programme 63 étant prévu pour commander la relation entre ces deux signaux. - REVENDICATIONS 1.- Turbomachine de propulsion par réaction, comprenant un premier et un second conduit de flux, un compresseur, qui envoie de l'air dans les deux conduits, le premier conduit contenant en série dans le flux un groupe de combustion de carburant actionnable de façon continue et une turbine reliée de manière à entraîner le compresseur, puis un groupe de combustion de carburant actionnable sélectivement pour chauffer le flux dans le second conduit, une tuyère à section variable à la sortie du second conduit, des organes de manoeuvre pour faire varier le débit du carburant vers le groupe de combustion dernier cité et pour faire varier la section de la tuyère, des moyens pour actionner arbitrairement un des organes de manoeuvre, et un circuit de commande à boucle fermée, caractériséeen ce que le circuit de commande a boucle fermée comprend des moyens pour produire un signal de demande (Md) représentant le nombre de Mach que le flux dans le second conduit (13, 14) doit avoir en amont du groupe de combustion actionnable sélectivement (21) pour satisfaire une condition de fonctionnement donnée du compresseur (15), des moyens (51) pour produire un signal de retour (Ma) représentant le nombre de Mach réel du flux dans le second conduit, en amont du dit groupe de combustion, et des moyens (58) aptes à réagir à la différence entre les signaux précités pour produire un signal d'erreur (59) dirigé de façon à rendre inopérante l'action des moyens arbitraires (32) et à faire fonctionner au moins un des organes de manoeuvre (24, 29) dans le sens de l'établissement d'une colncidence entre les dits signaux. 2.- Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le second conduit comporte une partie amont (13), qui constitue un conduit de dérivation du premier conduit, et une partie aval (14) commune au flux venant de la partie amont et à celui qui sort de la turbine (20), le groupe de combustion actionnable sélectivement étant disposé de façon à chauffer les deux flux de la partie commune et la tuyère (27) étant placée à l'extrémité aval de cette dernière. 3.- Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier (16) et le second conduit (13, 14) sont disposés de façon à déboucher sur des tuyères séparées et en ce que le groupe de combustion actionnable sélectivement est prévu pour chauffer le flux qui stécoule dans le second conduit et à travers la tuyère associée. 4. - Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens comprenant un programme (41) monté entre les organes de manoeuvre (24, 29) de façon que lorsqu'on actionne arbitrairement un organe de manoeuvre (29), l'autre organe de manoeuvre (24) est réglé en conformité avec ce programme, et en ce que le signal d'erreur (59) est envoyé à au moins un des organes de manoeuvre indépendamment du programme.