Brevet FR2749884A1 — publié le 19971219

La présente invention concerne un procédé de ré- gulation d'un turboréacteur comprenant un compresseur haute pression, une chambre de combustion et une turbine haute pression dont les ailettes du rotor de la turbine haute pres- sion sont refroidies par de l'air de refroidissement amené par le compresseur haute pression, la température des ailet- tes du moteur étant mesurée pour éviter une surchauffe. Dans un turboréacteur, la puissance de la turbine dépend directement de la température de sortie de la chambre de combustion qui ne doit pas dépasser une valeur maximale, car sinon on risque une surchauffe des pièces de la turbine et en particulier de la couronne de guidage d'entrée. La tem- pérature de sortie de la chambre de combustion ne peut pas se mesurer directement, aussi, en pratique, on mesure une tempé- rature dans la zone de la turbine. Pour cela, on utilise des thermoéléments ou des dispositifs de mesure pyrométriques disposés en amont ou en aval de la turbine basse pression qui mesurent directement la température des ailettes de la tur- bine haute pression ou de la turbine basse pression. Pour une mesure pyrométrique, on utilise essen- tiellement la température moyenne du métal des ailettes du rotor à un rayon représentatif de la turbine. Dans le cas d'un moteur dans lequel les ailettes de la turbine sont re- froidies par de l'air de refroidissement venant de la sortie du compresseur haute pression, la température ne dépend pas uniquement de la température du gaz du flux principal mais également de la température de l'air de refroidissement. Comme l'air de refroidissement de la turbine haute pression vient de la sortie du compresseur haute pression, sa tempéra- ture dépend directement du point de fonctionnement du com- presseur. Dans le cas de différentes mesures d'air et de puissance de l'arbre haute pression, pour une température constante de sortie de chambre de combustion, le point de fonctionnement du compresseur haute pression et la tempéra- ture de l'air de refroidissement changent alors que la tempé- rature relative par rapport au rotor de la turbine haute pression reste constante. Du fait que la température de l'air de refroidissement change avec les prises d'air et de puis- sance, la température du métal change elle aussi. Un réglage en fonction d'une température du métal prédéterminée comme cela se fait généralement de nos jours pour les turboréac- teurs militaires, conduit ainsi à ce que la température de sortie de la chambre de combustion se modifie avec la prise d'air et de puissance. On risque ainsi une surchauffe des pièces statiques de la turbine et en particulier de la cou- ronne de guidage d'entrée dans le cas d'une forte prise d'air et de puissance. La présente invention a pour but de fournir un procédé de régulation d'un turboréacteur permettant de régler la température de sortie de la chambre de combustion à une température constante, indépendamment de la prise d'air et de puissance, sans mesurer les quantités d'air et la puissance. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que: - on détermine une température relative représentative à l'entrée du rotor (Trel) à partir des valeurs de mesure de la température de sortie du compresseur et de la tempéra- ture des ailettes du rotor et d'une valeur (YK) du rende- ment de refroidissement et - on utilise la température relative (Trel) pour réguler le réacteur, de sorte qu'il n'y ait pas de surchauffe. Un avantage essentiel du procédé selon l'inven- tion est que les parties statiques de la turbine haute pres- sion sont protégées contre un dépassement de la température sans qu'il ne faille pour cela mesurer les quantités d'air et de prise de puissance. Selon un développement de l'invention, à partir de la température relative à l'entrée du rotor, on détermine, au moyen d'une corrélation empirique, une température de sor- tie de chambre de combustion ou une température absolue d'entrée de rotor et on régule le moteur de telle sorte que la température de sortie de chambre de combustion ou la tem- pérature d'entrée du rotor ne dépassent pas une valeur prédé- terminée. Cela présente l'avantage qu'avec la température de sortie de chambre de combustion ou la température d'entrée du rotor, on a une valeur de température absolue qui ne doit pas dépasser une température prédéterminée, ou une valeur maximale, pour éviter des dommages causés à la turbine par une surchauffe. Selon une autre réalisation de l'invention, on mesure la température des ailettes du rotor au moyen d'un py- romètre à rayonnement et on utilise la valeur de la tempéra- ture des ailettes mesurée par le pyromètre pour déterminer la température relative représentative. Selon une autre caractéristique de l'invention, la valeur du rendement de refroidissement est prise comme constante. Selon un autre mode de réalisation de l'inven- tion, la valeur du rendement de refroidissement est détermi- née en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur. Cela présente l'avantage que la valeur de la température re- présentative relative à l'entrée du rotor et le cas échéant les valeurs délivrées à partir de cela de la température de sortie de la chambre de combustion, ou de la température d'entrée du rotor puissent être déterminées avec encore plus de précision et ce qui permet d'augmenter la puissance du mo- teur sans risquer une surchauffe. Selon un autre développement de l'invention, la température de sortie de chambre de combustion ou la tempéra- ture absolue d'entrée du rotor est obtenue à partir de la température relative à l'entrée du rotor au moyen d'une rela- tion fonctionnelle qui comporte la vitesse de rotation du mo- teur comme variable. Dans ce cas, on peut établir la température abso- lue d'entrée du rotor à partir de la température relative d'entrée du rotor au moyen de la fonction: T41/Trel = f (NH/T411/2 1/2- NH/T41 étant la vitesse de rotation NH corrigée, de la turbine haute pression. Selon l'invention, on mesure directement la tem- pérature de sortie du compresseur haute pression. Selon une autre caractéristique de l'invention, la température de sortie du compresseur haute pression est établie à partir de paramètres de fonctionnement du moteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, la température de sortie du compresseur haute pression est utilisée directement pour déterminer la température relative à l'entrée du rotor. Enfin, selon une autre caractéristique de l'invention, pour déterminer la température relative à l'entrée du rotor, on utilise une valeur obtenue à partir de la température de sortie du compresseur haute pression et d'autres paramètres de fonctionnement du moteur qui servent pour la température de l'air de refroidissement dans la zone des ailettes du rotor. Un exemple de réalisation de l'invention sera dé- crit à l'aide de l'unique figure. La figure montre très schématiquement, un réac- teur pour décrire l'exemple de réalisation du procédé selon l'invention. Comme le montre la figure, le réacteur à réguler, selon le procédé de l'invention, comprend une chambre de com- bustion 2, un compresseur haute pression 1 relié en amont à la chambre de combustion 2 et une turbine haute pression 4 reliée en aval à la chambre de combustion 2 mise en rotation par le flux de gaz fourni par la chambre de combustion 2 et entraînant le compresseur haute pression 1 par un arbre 6. Une partie du flux d'air quittant le compresseur haute pres- sion 1 contourne la chambre de combustion 2 pour refroidir les ailettes du rotor de la turbine haute pression 4. Un com- presseur basse pression, non représenté, peut être monté en aval du compresseur haute pression 1, de même, qu'une turbine basse pression, non représentée, peut être montée en aval de la turbine haute pression 4. L'air, à une température T1 et une pression P1 aspiré par le réacteur, est comprimé par le compresseur haute pression 1 et est délivré à une température T3 et une pres- sion P3. La partie principale de l'air délivré par le com- presseur haute pression 1 entre dans la chambre de combustion 2 pour y être brûlé avec le carburant fourni. A la sortie de la chambre de combustion 2, le flux de gaz a une température de sortie de chambre de combustion T4 et une pression P4. Une partie de l'air de refroidissement est mélangée au flux prin- cipal dans une couronne de guidage d'entrée 3 de la turbine haute pression 4. La température chute alors de T4 à T41 et la pression de P4 à P41. Le flux de gaz, entrant dans la tur- bine haute pression 4, est alors à la température T41 et à la pression P41. La partie de l'air comprimé, délivré par le compresseur haute pression 1 contournant la chambre de com- bustion 2 pour le refroidissement des ailettes du rotor de la turbine haute pression 4, quitte le compresseur haute pres- sion 1 également à la température T3 et atteint les ailettes du rotor sous la forme d'air de refroidissement à la tempéra- ture TK. La température du flux de gaz peut être décrite par une température relative, représentative, à l'entrée du rotor Trel. Entre cette température relative Trel, la température de l'air de refroidissement TK et la température du métal Tmetal mesurée au métal des ailettes du rotor, on a une rela- tion donnée par le rendement de refroidissement des ailet- tes: Trel- Tmetal (1 Trel - Tk La température des ailettes du rotor Tmetal peut être mesurée au moyen d'un dispositif de mesure pyrométrique 5. Comme la température de l'air de refroidissement TK est étroitement couplée à la température de sortie du com- presseur T3, la formule précédente peut être résolue selon la température relative Trel à l'entrée du rotor: Tmetal - Ik T3 Trel 1 (2) Ainsi, on peut déterminer la température relative Trel à l'entrée du rotor à partir des valeurs des mesures de la température de sortie du compresseur T3 et de la tempéra- ture des ailettes du rotor Tmetai et la valeur %K pour le rendement de refroidissement des ailettes du rotor. Cette va- leur de la température relative Trel est celle utilisée pour réguler le moteur de sorte à éviter une surchauffe de la tur- bine haute pression 4 et plus particulièrement de la couronne de guidage d'entrée 3 fixe. A partir de la température relative Trel à l'entrée du rotor, on peut obtenir, au moyen d'une corréla- tion empirique, la température de sortie de la chambre de combustion T4 ou la température d'entrée du rotor T41 en re- lation étroite avec celle-ci. Pour éviter une surchauffe des parties 3 et 4 de la turbine haute pression, le moteur est réglé de telle sorte que la température de sortie de la cham- bre de combustion T4 ou de la température d'entrée du rotor T41 ne dépasse pas une valeur prédéterminée, ou une valeur maximale. Le rendement de refroidissement %K est approxima- tivement une constante. Suite à une observation plus précise, il s'est avéré que lK ne dépend que faiblement du nombre de Reynold. Le profil de température, radial, du flux des gaz sortant de la chambre de combustion 2 peut influencer locale- ment le rendement de refroidissement lK. De plus, on a une relation entre la pression de sortie P3 et la température de sortie T3 du compresseur haute pression 1. On a une relation étroite entre la température relative d'entrée du rotor Trel et la température absolue d'entrée du rotor T41. Comme on peut le montrer, par la rela- tion de continuité (système d'air constant) dans la turbine, le rapport de la température absolue d'entrée du rotor T41 et de la température représentative relative Trel dépend exclu- 1/2 sivement de la vitesse de rotation corrigée NH/T41 1 NH étant la vitesse de rotation de la turbine haute pression: T41/Trel = f (NH/T4 1/2) (3) Cette fonction peut être par exemple mise sous forme de tableau et être utilisée pour la régulation du mo- teur. Ainsi, la température d'entrée du rotor T41 peut être déterminée en fonction de la vitesse de rotation de la tur- bine NH et de la température relative Tre1 représentative. Cette dernière peut elle même être calculée à partir de la température Tmetal des ailettes du rotor mesurée par le dis- positif de mesure pyrométrique, de la température de sortie du compresseur T3 et du rendement de refroidissement %K des ailettes du rotor, comme montré précédemment. On peut facilement déterminer la température de sortie de chambre de combustion T4 à partir de la température d'entrée du rotor T41 à l'aide d'une multiplication par un facteur constant. D'après le procédé de l'invention, à la place d'une valeur limite pour la température Tmetal des ailettes de la turbine mesurée par un dispositif de mesure pyrométri- que, on utilise pour la régulation du moteur une valeur li- mite de la température de sortie de la chambres de combustion T4 ou de la température d'entrée du rotor T41. Ainsi, les pièces de la turbine, en particulier les parties statiques 3 peuvent être garanties contre les hautes températures qui ap- paraissent dans une régulation conventionnelle par les mesu- res des grandes quantités d'air et de puissances importantes. La mesure de la quantité d'air et de la puissance n'est pas nécessaire. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Procédé de régulation d'un turboréacteur comprenant un compresseur haute pression, une chambre de combustion et une turbine haute pression, dont les ailettes du rotor de la tur- bine haute pression sont refroidies par de l'air de refroi- dissement amené par le compresseur haute pression, la température des ailettes du rotor de la turbine haute pres- sion étant mesurée pour éviter une surchauffe, caractérisé en ce qu' - on détermine une température relative représentative à l'entrée du rotor (Trel) à partir des valeurs de mesure de la température de sortie du compresseur et de la tempéra- ture des ailettes du rotor et d'une valeur (1K) du rende- ment de refroidissement et - on utilise la température relative (Trel) pour réguler le réacteur, de sorte qu'il n'y ait pas de surchauffe. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' à partir d'une température relative (Trel) à l'entrée du ro- tor, on détermine une température de sortie de chambre de combustion (T4) par une corrélation empirique et on régule le moteur de sorte que la température de sortie de chambre de combustion (T4) ne dépasse pas une valeur prédéterminée. 3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine une température d'entrée du rotor, absolue, (T) à partir de la température relative à l'entrée du rotor (Trel), au moyen d'une corrélation empirique et on régule le moteur de sorte que la température d'entrée du rotor (T41) ne dépasse pas une valeur prédéterminée. 4 ) Procédé selon une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la température des ailettes du rotor est mesurée à l'aide d'un pyromètre à rayonnement et on utilise la valeur ainsi mesurée avec le pyromètre de la température des ailettes du rotor (Tmetal) pour déterminer la température relative repre- sentative (Trel) - ) Procédé selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la valeur du rendement de refroidissement (1K) est considérée comme une constante. 6 ) Procédé selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la valeur du rendement de refroidissement (11K) est déterminée sous la forme d'une fonction des paramètres de fonctionnement du moteur. 7 ) Procédé selon une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la température de sortie de chambre de combustion (T4) ou la température absolue d'entrée du rotor (T41) est déterminée au moyen d'une relation fonctionnelle dans laquelle la vitesse de rotation du moteur est la variable. 8 ) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la température absolue d'entrée du rotor (T41) est déterminée à partir de la température relative à l'entrée du rotor (Trel) au moyen de la relation fonctionnelle: T41/Trel = f (NH/T41 1/2) NH/T411/2 étant la vitesse de rotation NH corrigée de la tur- bine haute pression. ) Procédé selon une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la température de sortie du compresseur haute pression (T3) est mesurée directement. ) Procédé selon une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la température de sortie de compresseur haute pression (T3) est déterminée à partir de paramètres d'utilisation du mo- teur. 11 ) Procédé selon une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la température de sortie du compresseur haute pression (T3) est utilisée directement pour déterminer la température de fonctionnement à l'entrée du rotor (Trel) - 12 ) Procédé selon une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que pour déterminer la température relative à l'entrée du rotor (Trel) on utilise une valeur obtenue à partir de la tempéra- ture de sortie du compresseur haute pression (T3) et d'autres paramètres de fonctionnement du moteur pour la température de l'air de refroidissement dans la zone des ailettes du rotor de la turbine haute pression. 13 ) Procédé selon une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le compresseur haute pression, la chambre de combustion et la turbine haute pression font partie d'une turbine à gaz à plu- sieurs arbres.