Brevet FR2681377A1 — publié le 19930319

DESCRIPTION La présente invention a pour objet un système de protection contre l'extinction d'une turbomachine en cas d'ingestion d'eau massive ou de grêles. Les turbomachines classiquement utilisées dans l'aviation comportent à l'amont au moins un compresseur axial qui fournit à la chambre de combustion, située à l'aval du compresseur, suffisamment d'air comprimé pour que celui-ci soit mélangé à une quantité de carburant convenable qui sera brûlé. De tels compresseurs axiaux absorbent de façon frontale le débit d'air nécessaire au bon fonctionnement de la20 turbomachine mais peuvent aussi absorber, selon les conditions atmosphériques, de l'eau massive ou des grêles, par exemple lorsque l'avion rencontre un orage ou traverse un corps de nuages L'eau ou les grêles ainsi absorbées peuvent alors créer des dysfonctionnements de la turbomachine.25 Si le moteur fonctionne au régime plein gaz, le compresseur élèvera suffisamment la température de l'air qui le traverse et de l'eau ingérée pour que cette eau soit vaporisée et portée à une température suffisamment élevée pour ne pas30 provoquer l'extinction de la chambre de combustion. Au contraire, si l'avion est sur la trajectoire de descente, en approche, en phase d'atterrissage, le moteur est au régime ralenti et le taux de compression est faible Dans ce cas,35 l'eau peut parvenir à l'état liquide ou sous forme de particules de glace jusqu'à la chambre de combustion, provoquant l'extinction d'un ou plusieurs brûleurs, voire de la chambre de combustion et l'arrêt du moteur, impliquant ainsi un atterrissage particulièrement critique. 4, Le but de la présente invention est d'éviter de telles situations critiques par l'élévation automatique du régime de ralenti du moteur dès que la concentration d'eau détectée dans le moteur dépasse une limite donnée. Les solutions apportées par l'art antérieur au problème de l'ingestion d'eau massive ou de grêles par les turbomachines consistent à placer sur le trajet de l'air qui doit être ingéré par la turbomachine des obstacles mécaniques ou des dispositifs séparateurs des particules de l'air, par exemple des écopes, séparateurs centrifuges ou capots de nez provoquant la déviation des particules Toutefois, de telles conceptions sont plus ou moins complexes et ne sont pas totalement satisfaisantes. Une autre solution de l'art antérieur consiste en l'intervention du pilote sur la manette des gaz pour augmenter le régime moteur lorsque l'avion traverse une zone20 de forte pluie ou d'orage qui est susceptible de créer un dysfonctionnement du moteur si le régime n'est pas augmenté. Une telle solution a pour incovénient de nécessiter une intervention du pilote. La présente invention a pour objet d'agir sur la régulation moteur grâce à l'utilisation de paramètres mesurés en fonctionnement sur le moteur, ces paramètres étant déjà utilisés à d'autres fins de contrôle et de régulation. L'invention a donc pour avantage d'utiliser des paramètres mesurés par des capteurs existants, un dispositif électronique simple et peu coûteux et de ne pas nécessiter d'intervention pilote. L'invention a donc pour objet un système comprenant au moins deux dispositifs principaux: un premier dispositif de détection de concentration critique d'eau dans le moteur et un deuxième dispositif permettant l'élévation du régime de ralenti du moteur lorsqu'une concentration critique d'eau est détectée par le premier dispositif. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatif et dans lesquels:10 la figure 1 montre deux courbes représentatives de l'élévation de température dans un compresseur en fonction de la vitesse de rotation du moteur, lorsque l'air est sec et lorsque l'air est chargé d'eau dans une concentration15 critique, la figure 2 montre deux courbes représentatives de l'évolution du rendement de combustion lorsque l'air est sec, et lorsque l'air est chargé d'eau dans une concentration20 critique, la figure 3 montre un schéma du système selon l'invention, la figure 4 représente un mode de réalisation de la présente invention. Le premier dispositif de détection de la concentration critique d'eau dans le moteur est basé, selon un mode de réalisation de l'invention, sur le fait qu'un compresseur30 élève la température de l'air qui le traverse selon des caractéristiques déterminées, illustrées par la figure 1, o sont tracées les courbes 1 et 2, représentatives de la différence de températures A T entre la sortie T 3 et l'entrée T 2 du compresseur en fonction de la vitesse de rotation du35 compresseur, lorsque l'air ingéré est sec suivant la courbe 1 et lorsque l'air contient une concentration critique d'eau suivant la courbe 2. La différence de température AT est également fonction du degré hygrométrique de l'air absorbé par le compresseur En effet, lorsque le compresseur comprime de l'air chargé d'eau, une partie de l'énergie fournie par le compresseur permet la vaporisation totale ou partielle de l'eau ingérée et la différence des températures entre la sortie et l'entrée du compresseur est alors plus faible que si l'air est sec. Dans ces conditions et selon l'invention, le dispositif de détection de la concentration critique d'eau est basé sur la mesure des températures de l'air à l'entrée T 2 et à la sortie T 3 du compresseur, sur la mesure de la vitesse de rotation du compresseur N, sur le calcul de AT = T 3 T 2, et sur la comparaison du point de fonctionnement ainsi obtenu, T 3 T 2 = f (N 2), à la valeur critique de la différence de température, A Tc correspondant à la même vitesse de rotation du compresseur N. Il est à noter que les courbes 1 et 2 représentées sur la figure 1 sont propres à chaque moteur et sont déterminées à partir des résultats d'essais, et que la courbe 2 est déterminée en fonction de la concentration d'eau maximum acceptable pour ne pas provoquer de dysfonctionnement du moteur.25 Lorsque le point de fonctionnement mesuré du compresseur se situe dans la zone 3, selon la figure 1, le dispositif de détection de concentration critique d'eau joue son rôle par la transmission de cette information au deuxième dispositif30 permettant l'élévation du régime de ralenti du moteur. Selon une variante de l'invention, un dispositif auxiliaire peut être adjoint au premier dispositif de détection de la concentration critique d'eau Ce dispositif auxiliaire35 détecte également la concentration critique d'eau et permet ainsi la confirmation de l'information fournie par le premier dispositif. 2681377 Le dispositif auxiliaire est basé sur le fait que, au delà d'une concentration d'eau donnée, de l'eau non vaporisée par le compresseur pénètre dans la chambre de combustion Dans un tel cas, le rendement de combustion est réduit, une partie de l'énergie fournie par la chambre de combustion étant utilisée à la vaporisation de l'eau. Le dispositif auxiliaire est alors basé sur la mesure du rendement de combustion et, par exemple, par surveillance de la relation T 49 T 3 = f (Wf k N 2) P 3 o Wf = débit masse de carburant P 3 = pression à la sortie du compresseur N = vitesse de rotation de la turbine et du compresseur. T 49 = température à la sortie de la turbine T 3 = température à l'entrée de la chambre de combustion20 La figure 2 représente les courbes 4 et 5 représentatives de la relation T 49 T 3 = f(Wf k N 2) lorsque l'air ingéré par P 3 la turbomachine est sec, suivant la courbe 4, et lorsque l'air contient une concentration critique d'eau, suivant la courbe 5. Après mesure des paramètres de fonctionnement WF, P 3, N, T 49 et T 3, les valeurs (Wf k N 2) et (T 49 T 3) sont calculées30 P 3 puis le point de fonctionnement ainsi obtenu est comparé à la valeur critique de (T 49 T 3) c correspondant au même (Wf k N 2) que celui mesuré. P 3 Sur la figure 2, on observe donc une concentration critique d'eau lorsque le point de fonctionnement se situe dans la zone hachurée 6 Si tel est le cas, le diagnostic établi par le premier dispositif de détection est confirmé par le dispositif auxiliaire et le système constitué de ces deux dispositifs est redondant Une action peut alors être entreprise par le deuxième dispositif d'élévation du régime de ralenti du moteur. Le système préféré selon l'invention utilisant le dispositif redondant de détection de la concentration critique d'eau peut être globalement schématisé comme représenté en figure 3. On donne ci-après un exemple de réalisation de l'invention, en référence à la figure 4 qui représente un schéma possible de la régulation moteur utilisant l'invention, sans redondance au niveau de la détection de la concentration20 critique d'eau. Selon la position de la manette des gaz 7 du pilote, une consigne 8 de la vitesse de rotation du moteur No est délivrée Le calculateur du moteur fournit alors au doseur de25 carburant 9 les informations nécessaires pour que ce doseur délivre un débit de carburant Wf correspondant au régime moteur désiré De manière à réguler convenablement le débit de carburant, la vitesse de rotation effective du moteur N est mesurée et comparée à la vitesse de consigne No par un30 comparateur 10 pour obtenir l'écart de ces deux vitesses e et corriger le débit de carburant afin d'obtenir une vitesse effective du moteur égale à la vitesse de consigne No. Selon l'invention, les paramètres de température en sortie du compresseur T 3, à l'entrée du compresseur T 2, et la vitesse de rotation du moteur N sont mesurés. Le calculateur effectue le calcul de la différence T 3 T 2 et compare le point de fonctionnement 4 T = T 3 T 2 = f (N 2) à la valeur critique 4 T correspondant à la vitesse de rotation N mesurée. Si la différence de température T 3 T 2 mesurée est inférieure au 4 Tc pour la vitesse de rotation du moteur N mesurée, le calculateur calcule un A correspondant à l'écart10 entre le AT mesuré et le A Tc, puis le calculateur associe à cette valeur a un a N représentant l'augmentation nécessaire de la vitesse de rotation du moteur. Ce AN sera comparé à e par un circuit à prépondérance maximum 11, également dénommé "highest win", de type connu, fonctionnant à la manière d'une butée de décélération, c'est à dire que le circuit à prépondérance maximum 11 fournit au doseur 9 l'information représentant la plus grande valeur parmi e et AN pour l'augmentation du débit de carburant Wf correspondant. Une variante peut être apportée au mode de réalisation de l'invention décrit ci-dessus, par l'utilisation d'un25 dispositif auxiliaire de détection de la concentration critique d'eau basé sur le calcul du rendement de la chambre de combustion Le système de détection de la concentration critique d'eau fonctionne alors en double détente, le dispositif auxiliaire permettant d'éliminer les fausses30 alarmes dues à un éventuel dysfonctionnement du premier dispositif de détection. D'après la description qui a été faite ci-dessus, il ressort que l'invention a pour avantage d'utiliser des paramètres35 déjà mesurés à d'autres fins de régulation de la turbomachine et couramment utilisés dans les régulations électroniques modernes dites FADEC. 8 2681377 Il conviendra, pour la mise en oeuvre de l'invention, de prédéfinir, à l'aide des résultats d'essais, les limites critiques propres à chaque moteur et de vérifier, en cours de fonctionnement du moteur, que celui- ci fonctionne bien dans les champs définis, selon des lois cohérentes. Par ailleurs, le système selon l'invention doit être tel que la régulation qui commande la réaccélération du moteur en cas d'ingestion d'eau prenne également en compte la protection contre le pompage et le décrochage A cette fin, des dispositifs connus peuvent être utilisés. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, à partir desquels on15 pourra prévoir d'autres formes et d'autres modes de réalisation, sans pour autant sortir de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 Système de protection contre l'extinction d'une turbomachine en cas d'ingestion d'eau massive ou de grêles, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un premier dispositif de détection de la concentration critique d'eau dans ladite turbomachine couplé à un deuxième dispositif permettant l'élévation automatique du régime de ladite turbomachine lorsqu'une concentration critique d'eau est détectée par ledit premier dispositif. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier dispositif est basé sur la mesure de la concentration d'eau dans le compresseur. 3 Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit premier dispositif comprend: l'acquisition des mesures de la température à la sortie du compresseur T 3, de la température à l'entrée du compresseur T 2, de la vitesse de rotation du moteur N, le calcul du point de fonctionnement T 3 T 2 = f (N 2) la comparaison de ce point de fonctionnement à la limite critique (T 3 T 2) critique acceptable pour la turbomachine à la vitesse de rotation mesurée N. 4 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'on adjoint au premier dispositif de détection de la concentration critique d'eau un dispositif auxiliaire de détection de la concentration critique d'eau basé sur la détection d'un phénomène indépendant de celui utilisé par ledit premier dispositif. Système selon la revendication 4 caractérisé en ce que le dispositif auxiliaire est basé sur la surveillance du rendement de combustion. 6 Système selon la revendication 5 caractérisé en ce que le rendement de combustion est exprimé par la relation T 49 T 3 = f (Wf KN 2 P 3 dans laquelle T 49 = température à la sortie de la turbine. T 3 = température à l'entrée de la chambre de combustion Wf = débit- masse de carburant P 3 = pression à la sortie du compresseur N = vitesse de rotation du moteur et en ce que ledit dispositif auxiliaire comprend l'acquisition des mesures de T 49, T 3,Wf,P 3 et N le calcul du point de fonctionnement T 49 T 3 = f (Wf KN 2) P 3 la comparaison de ce point de fonctionnement à la limite critique (T 49 T 3) critique acceptable pour la turbomachine pour la valeur de (Wf KN 2) P 3 calculée à partir des mesures. 7 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit premier dispositif de détection fournit audit deuxième dispositif une information d'augmentation du régime moteur, lorsqu'une concentration critique d'eau est détectée, ledit deuxième dispositif comprenant un circuit à prépondérance maximum qui compare l'information d'augmentation du régime moteur issu du premier dispositif à l'information issue de la régulation du régime moteur par rapport à la consigne fournie par la position de la manette des gaz, ledit circuit à prépondérance maximum fournissant au doseur de il 2681377 carburant l'information la plus grande parmi les deux informations susdites, le doseur délivrant la quantité de carburant correspondant à l'augmentation nécessaire du régime moteur. 8 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comprend également une protection contre le pompage et/ou le décrochage de la turbomachine.