Brevet FR2942499A1 — publié le 20100827

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne les turbines à gaz et plus particulièrement leur protection contre sur-poussée et sur-vitesse. Le domaine d'application de l'invention est plus particulièrement, mais non exclusivement, celui des moteurs aéronautiques à turbine à gaz. Aujourd'hui, de façon habituelle, la protection contre les sur-poussées est réalisée en limitant le débit de carburant alimentant la chambre de combustion de la turbine à gaz, tandis que la protection contre les sur-vitesses d'arbre de turbine est réalisée en coupant l'alimentation de la chambre de combustion en carburant. Dans le cas d'un moteur d'avion, une telle coupure prive le moteur de toute poussée, ce qui peut être pénalisant lors de certaines phases de vol, en particulier au décollage. Objet de l'invention L'invention a pour but de proposer un système de protection pour turbine à gaz ne présentant pas un tel inconvénient tout en ayant une structure particulièrement simple. Ce but est atteint grâce à un système de protection contre sur- poussée et sur-vitesse pour une turbine à gaz qui comprend une conduite d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion de la turbine à gaz et un doseur de carburant piloté pour fournir un débit de carburant contrôlé à la conduite d'alimentation en carburant, le système de protection comprenant : - une vanne de dérivation à ouverture commandée branchée en dérivation sur la conduite d'alimentation en carburant, - une servo-valve de commande de la vanne de dérivation, et - une unité électronique agencée pour commander la servovalve afin de pouvoir : - ouvrir partiellement la vanne de dérivation en réponse à une détection de sur-poussée de la turbine à gaz de manière à réduire la poussée en dérivant une fraction du débit de carburant circulant dans la conduite d'alimentation, - ouvrir partiellement la vanne de dérivation en réponse à une détection de sur-vitesse d'un arbre de la turbine à gaz de manière à réduire la vitesse d'arbre en dérivant une fraction du débit de carburant circulant dans la conduite d'alimentation, et - ouvrir la vanne de dérivation de manière à couper l'alimentation de la chambre de combustion en carburant en dérivant sensiblement tout le débit de carburant circulant dans la conduite d'alimentation. Ainsi, le système de protection selon l'invention est remarquable en ce que les fonctions de protection contre les sur-poussées, de protection contre les sur-vitesses et de coupure d'alimentation en carburant peuvent être assurées par une même vanne de dérivation et sa servo-valve de commande associée pilotée par une unité électronique qui peut être l'unité de régulation électronique de la turbine à gaz ou une unité électronique indépendante. Selon une particularité du système de protection, l'unité électronique est agencée pour commander, en réponse à une détection de sur-poussée, une ouverture partielle de la vanne de dérivation d'une quantité déterminée en fonction de l'écart entre le débit du carburant effectif dans la conduite d'alimentation et un débit de carburant de consigne. Le débit effectif de carburant dans la conduite d'alimentation peut être déterminé par l'unité électronique à partir d'une détection de position du doseur de carburant. Selon une autre particularité du système de protection, l'unité électronique est agencée pour commander, en réponse à une détection de sur-vitesse, une ouverture partielle incrémentale de la vanne de dérivation pour ramener la vitesse d'arbre à une valeur n'excédant pas un maximum autorisé, ou une ouverture partielle de la vanne de dérivation d'une quantité déterminée en fonction de l'écart entre une valeur mesurée de vitesse d'arbre de turbine et une valeur de consigne de vitesse d'arbre. Selon encore une autre particularité du système de protection, l'unité électronique est agencée pour commander l'ouverture de la vanne de dérivation pour dériver sensiblement tout le débit de carburant circulant dans la conduite d'alimentation en réponse à l'une au moins des situations suivantes : - inefficacité de réduction de sur-poussée ou de sur-vitesse par ouverture partielle de la vanne de dérivation, - détection d'une sur-poussée excédant un seuil maximum de sur-poussée prédéterminé, - détection d'une sur-vitesse excédant un seuil maximum de sur-vitesse d'arbre prédéterminé. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue très schématique d'un moteur d'avion à turbine à gaz ; - la figure 2 est une vue partielle d'un dispositif d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion de turbine à gaz incorporant un système de protection selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est un ordinogramme montrant un mode de réalisation de la fonction de protection contre sur-poussée ; et - les figures 4 et 5 sont des ordinogrammes montrant deux modes de réalisation de la fonction de protection contre sur-vitesse. Description détaillée d'un mode de réalisation Un mode de réalisation d'un système de protection selon l'invention sera décrit ci-après dans le cadre de son application à un moteur d'avion à turbine à gaz tel que celui représenté très schématiquement sur la figure 1. Le moteur de la figure 1 comprend une chambre de combustion 1, les gaz de combustion issus de celle-ci entraînant une turbine haute-pression (HP) 2 et une turbine basse-pression (BP) 3. La turbine 2 est couplée par un arbre HP à un compresseur HP alimentant la chambre de combustion en air sous pression tandis que la turbine 3 est couplée par un autre arbre BP à une soufflante 5 en entrée du moteur. Une boîte de transmission ou boîte de relais d'accessoires AGB 7 est reliée par une prise de puissance mécanique à un arbre de turbine et comprend un ensemble de pignons pour couplage mécanique à un certain nombre d'accessoires. La figure 2 montre partiellement un circuit d'alimentation en carburant de la chambre de combustion du moteur, ce circuit comprenant : - un ensemble de dosage 10 qui reçoit du carburant sous haute-pression et délivre un débit de carburant régulé pour alimenter des injecteurs de la chambre de combustion, - une vanne d'arrêt 30 pour commander l'arrêt du moteur par interruption de l'alimentation de la chambre de combustion en carburant, et - un ensemble de limitation 40 qui peut prélever une partie du débit de carburant fourni par l'ensemble de dosage en cas de sur-poussée ou sur-vitesse et qui peut dériver tout ce débit pour provoquer la coupure du moteur. L'ensemble de dosage 10 comprend un doseur 12 ayant une entrée 12a à laquelle est raccordée une conduite 14 amenant du carburant sous haute-pression. Celui-ci est fourni par une pompe carburant haute-pression 16 dont l'entrée est reliée à un circuit de carburant basse-pression 24. La pompe 16 est par exemple une pompe à engrenages entraînée par la boîte de relais d'accessoires (AGB) du moteur. A la sortie 12b du doseur est raccordée une conduite 18 d'alimentation de la chambre de combustion du moteur en carburant. Une différence de pression AP sensiblement constante est maintenue entre la pression P1 à l'entrée 12a du doseur et la pression P2 à la sortie 12b du doseur. On utilise à cet effet une vanne de dérivation 20 qui a une entrée 20a reliée à la sortie de la pompe 16 et une sortie 20b reliée au circuit de carburant basse-pression 24. La section de passage à travers la vanne 20 est déterminée par la position d'un obturateur coulissant 20ç qui est soumis, d'un côté à la pression P1 et, de l'autre côté, à la pression P2 et à l'action d'un ressort 20d dont la force exercée règle la valeur de AP. Le maintien d'une différence de pression AP relativement constante est ainsi obtenu par dérivation d'une partie plus ou moins importante du débit de carburant issu de la pompe 16. Le débit de carburant fourni par le doseur 12 à la conduite 18 est commandé par ajustement de la section de passage à travers le doseur au moyen d'un tiroir 12ç. La position du tiroir est commandée par une servo-valve 22 qui a une entrée haute-pression 22a portée à la pression P1 en étant reliée par une liaison 15 à la conduite 14 en sortie de la pompe haute pression 16 et une entrée basse-pression 22b reliée au circuit de carburant basse-pression 24. La liaison 15 est aussi reliée à un orifice réglable 26 dont la sortie est reliée à la conduite 18 pour faciliter le réglage de la caractéristique de dosage en production. La servo-valve 22 a des sorties qui délivrent des pressions respectives sur deux entrées de commande du doseur 12 afin d'ajuster la position du tiroir 12c. La servo- valve 22 est actionnée électriquement sous la commande de l'unité 60 de régulation électronique de la turbine à gaz, désignée aussi par ECU (� Engine Control Unit �), la position du tiroir 12c étant asservie à une position de consigne correspondant à la fourniture d'un débit de carburant souhaité. Pour cet asservissement, un capteur 12d fournit à l'ECU 60 une information représentant la position réelle du tiroir 12c. Un ensemble de dosage tel que décrit ci-avant est bien connu en soi. La vanne d'arrêt et de pressurisation carburant haute-pression 30 ou HPSOV ('High Pressure Shurt-Off Valve") est montée sur la conduite 18. Elle est commandée par l'ECU 60 par une liaison 32 en réponse à une instruction d'arrêt moteur et/ou par le pilote par une liaison 34, de façon bien connue en soi. La chambre de combustion est alimentée en carburant par la conduite 18 à travers la vanne d'arrêt 30 et un débit- mètre 36. L'ensemble de limitation 40 comprend une vanne ou clapet de dérivation 42 montée en dérivation sur la conduite 18 entre la sortie du doseur 12 et la vanne d'arrêt et de pressurisation 30. La vanne de dérivation 42 comprend une entrée 42a reliée à la conduite 18, une sortie 42b reliée au circuit de carburant basse-pression 24 et un obturateur 42c qui peut coulisser dans un cylindre 42d entre une position de pleine fermeture et une position de pleine ouverture de la communication entre l'entrée 42a et la sortie 42b. L'obturateur 42c est soumis d'un côté à la pression P2 en sortie 12b du doseur 12 et, de l'autre côté, à la pression régnant dans une chambre de commande 42e et à l'action d'un ressort 42f. La pression dans la chambre de commande 42e est fixée par une servo-valve 44 qui a une entrée haute-pression 44a portée à la pression P1 en étant reliée à la sortie de la pompe haute pression 16 par la liaison 15 et une entrée basse-pression 44b reliée au circuit carburant basse-pression 24. La servo-valve 44 a une sortie de commande 44c reliée à la chambre de commande pour délivrer une pression fonction de la position d'un organe mobile 44d actionné électriquement par l'ECU 60. La servo-valve 44 est une servo-valve double étage dont un seul port de sortie est utilisé pour commander le tiroir 42c soit en état intermédiaire, soit fermé totalement, soit ouvert totalement, comme décrit plus loin. La position de l'obturateur 42c est asservie à une position de consigne fixée par l'ECU 60 pour dériver éventuellement vers le circuit carburant basse-pression 24 une partie déterminée ou pratiquement la totalité du débit de carburant circulant dans la conduite 18. Pour cet asservissement, un capteur 42g fournit à l'ECU 60 une information représentant la position réelle de l'obturateur 42c. En fonctionnement normal du moteur (pas de sur-poussée, pas de sur-vitesse), l'organe mobile 44d de la servo-valve est dans la position illustrée. La pression transmise à la chambre de commande 42e est la pression présente sur l'entrée haute-pression 44a de la servo-valve 44 de sorte qu'avec l'assistance du ressort 42f, l'obturateur 42c est maintenu dans la fonction de pleine fermeture et aucun débit de carburant n'est dérivé de la conduite 18. Lorsque la pression dans la chambre de commande 42e est diminuée, un déplacement de l'obturateur 42ç peut être provoqué par la pression à l'entrée 42a, à l'encontre de la pression dans la chambre 42e et du ressort 42f, ouvrant au moins partiellement la communication entre l'entrée 42a et la sortie 42b. L'unité de régulation ou ECU 60 est apte à détecter une sur-poussée à partir de la surveillance de paramètres de fonctionnement du moteur à l'aide de capteurs appropriés. Par exemple, l'existence d'une sur- poussée est établie lorsque la vitesse de rotation ou régime N1 de l'arbre BP excède une valeur corrélée à la poussée demandée par le pilote en fonction de la position de la manette des gaz. Comme montré sur la figure 3, en cas de sur-poussée détectée (test 70), il est examiné si cette sur-poussée est d'une amplitude telle qu'elle excède un seuil maximum prédéterminé (test 71). Dans l'affirmative, la servo-valve 44 est commandée pour ouvrir totalement la vanne de dérivation 42 et dérive ainsi pratiquement tout le débit de carburant circulant dans la conduite 18, provoquant l'extinction du moteur (étape 72). Sinon, pour effectuer une correction de sur-poussée, une fraction à dériver du débit de carburant circulant dans la conduite 18 est déterminée. A cet effet, la valeur réelle du débit fourni par le doseur 12 est déterminée en fonction de la position détectée du tiroir 12c, à partir du capteur 12d, et une valeur d'excès de débit carburant est déterminée en comparant la valeur réelle et une valeur de consigne pour le régime moteur courant. Cette valeur d'excès de débit correspond au débit à prélever sur la conduite 18. Le degré d'ouverture partielle nécessaire de la vanne de dérivation est alors déterminé, ce qui se traduit par une valeur de consigne de position de l'obturateur 42d (étape 73). La servo-valve 44 qui pilote la vanne de dérivation 42 est alors commandée pour moduler la pression dans la chambre 42e entre la haute pression P1 et la basse pression du circuit de carburant 24, afin d'amener la position de l'obturateur 42c à cette valeur de consigne et ouvrir partiellement la vanne de dérivation 42 (étape 74). Si la sur-poussée est ainsi maîtrisée (test 75), on retourne au test 70. Sinon, l'extinction du moteur est provoquée en passant à l'étape 72. En l'absence de sur-poussée détectée, la servo-valve 44 maintient la vanne de dérivation 42 totalement fermée. L'unité de régulation ou ECU 60 est apte à détecter une sur-vitesse à partir de la mesure au moyen d'un capteur de la vitesse de rotation d'un arbre de turbine, par exemple la vitesse N1 de l'arbre BP. Comme montré sur la figure 4, en cas de sur-vitesse détectée (test 80), il est examiné si cette sur-vitesse est d'une amplitude telle qu'elle excède un seuil maximum prédéterminé (test 81). Dans l'affirmative, la servo-valve 44 est commandée pour ouvrir totalement la vanne de dérivation 42, provoquant l'extinction du moteur (étape 82). Sinon, si la sur-vitesse reste dans la limite du seuil maximum pour effectuer une correction de sur-vitesse, une fraction du débit de carburant circulant dans la conduite 18 est dérivée en commandant une ouverture partielle de la vanne de dérivation 42. A cet effet, la servo-valve 44 est commandée pour moduler la pression dans la chambre 42e entre la haute pression P1 et la basse pression du circuit de carburant 24, afin d'amener le tiroir 42c dans une position correspondant à un incrément d'ouverture de la vanne de dérivation 42, par exemple une fraction d'ouverture de l'ordre de 10 % (étape 83). Si la sur-vitesse persiste (test 84), il est vérifié si elle excède le seuil maximum de sur-vitesse (test 85). Dans l'affirmative, on passe à l'étape 82. Sinon, un nouvel incrément d'ouverture de la vanne de dérivation 42 est commandé (étape 83). Par incréments éventuellement successifs d'ouverture de la vanne de dérivation 42 on s'efforce ainsi de ramener la vitesse à une valeur n'excédant pas un maximum de vitesse autorisé qui peut être un peu supérieur à la valeur de vitesse nominale correspondant au régime courant du moteur. Si l'on n'y parvient pas tout en restant en deçà du seuil maximum de sur-vitesse, on aboutit à l'ouverture totale de la vanne de dérivation et à l'extinction du moteur. En l'absence de sur-vitesse détectée, la servo-valve 44 maintient la vanne de dérivation 42 totalement fermée. En variante, comme montré sur la figure 5, lorsque le test 81 est négatif, on peut commander une ouverture partielle de la vanne de dérivation 42 en fonction de l'écart de vitesse entre vitesse mesurée et vitesse de consigne, par exemple la vitesse maximale autorisée (étape 83'). Le degré d'ouverture peut être par exemple proportionnel à l'écart de vitesse constaté. Si la sur-vitesse est ainsi maîtrisée, on retourne au test 80. Sinon, on commande l'arrêt du moteur par passage à l'étape 82 d'ouverture totale de la vanne de dérivation. Dans ce qui précède, il est indiqué que la détection de sur-poussée ou sur-vitesse et la commande résultante de la servo-valve 44 sont réalisées par l'ECU 60. Pour des raisons de sécurité, on pourra prévoir que ces fonctions soient réalisées par une unité électronique indépendante de l'ECU 60, y compris pour son alimentation électrique. REVENDICATIONS1. Système de protection contre sur-poussée et sur-vitesse pour une turbine à gaz qui comprend une conduite (18) d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion de la turbine à gaz et un doseur de carburant (12) piloté pour fournir un débit de carburant contrôlé à la conduite d'alimentation en carburant, le système de protection comprenant : - une vanne de dérivation (42) à ouverture commandée branchée en dérivation sur la conduite (18) d'alimentation en carburant, - une servo-valve (44) de commande de la vanne de dérivation, et - une unité électronique (60) agencée pour commander la servo-valve (44) afin de pouvoir : - ouvrir partiellement la vanne de dérivation (42) en réponse à une détection de sur-poussée de la turbine à gaz de manière à réduire la poussée en dérivant une fraction du débit de carburant circulant dans la conduite d'alimentation (18), - ouvrir partiellement la vanne de dérivation (42) en réponse à une détection de sur-vitesse d'un arbre de la turbine à gaz de manière à réduire la vitesse d'arbre en dérivant une fraction du débit de carburant circulant dans la conduite d'alimentation (18), et - ouvrir la vanne de dérivation (42) de manière à couper l'alimentation de la chambre de combustion en carburant en dérivant sensiblement tout le débit de carburant circulant dans la conduite d'alimentation (18). 2. Système de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité électronique (60) est agencée pour commander en réponse à une détection de sur-poussée, une ouverture partielle de la vanne de dérivation (42) d'une quantité prédéterminée en fonction de l'écart entre le débit de carburant effectif dans la conduite d'alimentation (18) et un débit de carburant de consigne. 3. Système de protection selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'unité électronique (60) est agencée pour déterminer le débit de carburant effectif dans la conduite d'alimentation (18) à partir d'une détection de position d'un organe mobile du doseur (12). 4. Système de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'unité électronique (60) est agencée pour commander, en réponse à une détection de sur-vitesse, une ouverture partielle incrémentale de la vanne de dérivation (42) pour ramener la vitesse d'arbre à une valeur n'excédant pas un maximum autorisé. 5. Système de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'unité électronique (60) est agencée pour commander, en réponse à une détection de sur-vitesse, une ouverture partielle de la vanne de dérivation (42) d'une quantité déterminée en fonction de l'écart entre une valeur mesurée de vitesse d'arbre de turbine et une valeur de consigne de vitesse d'arbre. 6. Système de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'unité électronique (60) est agencée pour commander l'ouverture de la vanne de dérivation (42) pour dériver sensiblement tout le débit de carburant circulant dans la conduite d'alimentation en réponse à l'une au moins des situations suivantes - inefficacité de réduction de sur-poussée ou de sur-vitesse par ouverture partielle de la vanne de dérivation (42), - détection d'une sur-poussée excédant un seuil maximum de sur-poussée prédéterminé, - détection d'une sur-vitesse excédant un seuil maximum de sur-vitesse d'arbre prédéterminé.