BR112015010774B1

BR112015010774B1 - Processo de monitoramento de uma sequência de ignição de um motor, produto programa de computador, meio de armazenamento legível por um equipamento informático e sistema de monitoramento

Info

Publication number: BR112015010774B1
Application number: BR112015010774-5A
Authority: BR
Inventors: Guilhem Foiret; Benjamin Pierre Lamoureux; François Demaison
Original assignee: Snecma
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2021-08-10
Also published as: BR112015010774A2; US20150285093A1; CA2890619C; CA2890619A1; FR2998003B1; WO2014072652A1; EP2917536B1; RU2636602C2; US9896958B2; CN104813005B; RU2015122765A; BR112015010774B8; FR2998003A1; EP2917536A1; CN104813005A

Abstract

PROCESSO DE MONITORAMENTO DE UMA SEQUÊNCIA DE IGNIÇÃO DE UM MOTOR, PRODUTO PROGRAMA DE COMPUTADOR, MEIO DE ARMAZENAMENTO LEGÍVEL POR UM EQUIPAMENTO INFORMÁTICO E SISTEMA DE MONITORAMENTO. A presente invenção refere-se a um processo de monitoramento (1) de uma sequência de ignição de um motor, em particular de turbomáquina, que compreende as seguintes etapas: (i) determinação (30) de uma duração da ignição do motor para um parâmetro de partida determinado; (ii) comparação (50) da duração da ignição do motor assim determina da com uma duração da ignição de referência esperada para um motor de referência e para esse parâmetro de partida; (iii) dedução (60) de um indicador da operação de entrada em funcionamento do motor; (iv) repetição das etapas (i) a (iii) para esse parâmetro de partida, para operação de entrada em funcionamento do motor da sequência; e (v) em função da evolução do indicador, geração (90) de um alerta de degradação da sequência de ignição do motor.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção trata, de modo geral, das turbomáquinas, em particular dos turborreatores e turbopropulsores de aviões e das turbinas industriais a gás.

[002] Mais precisamente, a presente invenção trata do monitoramento das degradações de um sistema que pode impactar o bom andamento de uma sequência para uma operação de entrada em funcionamento de um motor de uma turbomáquina.

ANTEDECENTES DA INVENÇÃO

[003] Uma sequência inadequada para uma operação de entrada em funcionamento de um motor de turbomáquina pode se traduzir, em particular, por uma ignição insatisfatória da mistura ar-combustível no motor. A falta de ignição pode ter várias origens, entre as quais a insuficiência e mesmo a ausência de combustível, que podem resultar da degradação da bomba de combustível, do dosador, ou dos injetores, ou a insuficiência e mesmo a ausência de energia, que podem resultar da degradação da vela de ignição ou ainda do sistema de geração de faíscas.

[004] Geralmente, a degradação do sistema do motor que ocorre em uma sequência para uma operação de entrada em funcionamento do motor é monitorada através da duração de ignição da mistura ar-combustível, que é definida como a duração entre a injeção de combustível na câmara de combustão do motor e a detecção da ignição dessa mistura.

[005] Assim, para um determinado motor, a duração da ignição é utilizada como indicador da degradação do sistema que serve para a operação de entrada em funcionamento de um motor de uma turbomáquina. Esse indicador é, portanto, seguido ao longo do tempo, por medição a cada partida do motor, e um alerta pode ser emitido em caso de desvio confirmado da duração de ignição medida em relação a uma duração de referência. É então possível antecipar eventuais falhas do motor e verificar o sistema a fim de limitar os eventuais custos provocados por uma não partida do motor.

[006] Por exemplo, os documentos FR 2 942 001 e US 2007/026030 descrevem um processo de monitoramento do estado de saúde dos equipamentos que intervêm na capacidade de partida de um motor, durante o qual são determinadas, entre outras coisas, a duração de ignição do motor, e valor obtido é comparado com uma duração de ignição de referência esperada para um motor de referência, a fim de inferir disso se um equipamento do motor apresenta uma anomalia.

[007] Todavia, o uso da duração de ignição como um indicador é limitado, pois sua medição apresenta uma dispersão muito elevada para ser utilizável, visto que ela pode variar de acordo com as condições da partida do motor sem que o próprio sistema possa ser modificado por isso. O grafo da figura 1, que mostra a evolução da duração de partida no decorrer de quinhentas partidas consecutivas para um determinado motor sadio, isto é, não danificado, ilustra essa dispersão, ao passo que o grafo da figura 1b, que mostra a evolução alisada em cinco partidas consecutivas desse indicador, ilustra o ruído resultante dessa dispersão. Ora, esse ruído é realimente muito grande para detectar de modo confiável degradações do sistema para uma operação de entrada em funcionamento do motor. O desvio-padrão é, de fato, da ordem de 1,2, de forma que somente as degradações de grande intensidade podem ser detectadas.

[008] O documento EP 2 256 319 descreve por sua vez um processo de acompanhamento (rastreamento) dos desempenhos do motor durante os quais diferentes parâmetros são medidos e depois comparados com valores previamente registrados (gravados) a fim de identificar eventuais anomalias.

[009] De modo geral, os processos de monitoramento do estado da técnica propõem monitorar um grande número de parâmetros, a fim de identificar mais facilmente o equipamento na origem da anomalia. Entretanto, esses processos são geralmente difíceis de aplicar e requerem diversos sensores. Além disso, eles não permitem levar suficientemente em conta o ambiente do motor, que pode, no entanto, afetar o valor dos parâmetros que são monitorados sem que os equipamentos do motor envolvidos em sua ignição tenham sofrido degradações.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[010] Um objetivo da presente invenção é, portanto, propor um processo de monitoramento de uma sequência para uma operação de entrada em funcionamento de um motor de uma turbomáquina, que permite determinar de modo confiável degradações de toda ou parte do sistema do motor que intervêm durante a operação de entrada em funcionamento da turbomáquina a fim de melhorar a previsão das panes, que seja rápido, simples e pouco dispendioso de aplicar.

[011] Para isso, a presente invenção propõe um processo de monitoramento de uma sequência de ignição de um motor, em particular de turbomáquina, que compreende as seguintes etapas:* i) determinação de uma duração de ignição do motor para um parâmetro de partida determinado,* ii) comparação da duração de ignição do motor assim determinada com uma duração de ignição de referência esperada para um motor de referência e para esse parâmetro de partida,* iii) dedução de um indicador da operação de entrada em funcionamento do motor,* iv) repetição das etapas (i) a (iii) para esse parâmetro de partida, para cada operação de entrada em funcionamento do motor da sequência, e* v) em função da evolução do indicador, geração de uma alerta de degradação da sequência de ignição do motor.

[012] Certas características preferidas, mas não limitativas do processo de monitoramento são as seguintes:* o parâmetro de partida compreende pelo menos um dos parâmetros da seguinte lista:* um estado térmico do motor durante a sequência de operação de entrada em funcionamento,* uma partida em terra ou uma partida em voo,* uma altitude na qual o motor dá partida,* uma pressão ambiente,* um regime de rotação do motor que corresponde a uma injeção de combustível em uma câmara de combustão do motor,* um fluxo de combustível injetado em uma câmara de combustão no momento da ignição,* características do ar na entrada de uma câmara de combustãodo motor,* as durações de ignição são determinadas a partir de um número de descargas de uma vela de ignição do motor necessário para o motor entrar em funcionamento,* durante a etapa de comparação, é determinada uma diferença entre o número de descargas de a vela de ignição do motor necessário para o motor entrar em funcionamento, com um número de descargas de uma vela de ignição esperado para pôr o motor de referência em funcionamento,* um alerta de degradação é gerada quando o indicador for superior ou igual a um determinado limiar,* o motor compreende duas velas de ignição, e o indicador é determinado independentemente para cada vela de ignição, e- ele compreende ainda uma etapa durante a qual é determinado, para um determinado motor de referência e um conjunto de valores do parâmetro de partida, um conjunto de durações de ignição de referência.

[013] A presente invenção propõe igualmente um produto programa de computador que compreende instruções de código para a execução de tal processo de monitoramento, um meio de armazenamento legível por um equipamento informático no qual tal produto programa de computador compreende instruções de código para a execução do processo de monitoramento, bem como sistema de monitoramento associado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[014] Mais características, finalidades e vantagens da presente invenção aparecerão melhor com a leitura da descrição detalhada que a seguir, feita em relação às figuras anexas dadas a título de exemplos não limitativos e nas quais:a figura 1 é um grafo que ilustra, para um exemplo de um determinado motor, durações de ignição (em segundos) em função do número de partidas;a figura 1b ilustra a evolução alisada da duração de ignição pra qual foi tirada a média de cinco partidas consecutivas (em segundos) em função do número de partidas;a figura 2 é um grafo no qual as durações de ignição do grafo da figura 1 foram convertidas em número de descargas necessárias da vela de ignição em função do número de partidas;a figura 3 é um grafo que ilustra, para um exemplo de motor de referência, o número de descargas necessárias da vela de ignição para a entrada do motor de referência em funcionamento, em função de um exemplo de parâmetro de partida, aqui o estado térmico do motor de referência (temperatura EGT em °C); ea figura 4 representa diferentes etapas de um exemplo de realização do processo de monitoramento de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[015] A presente invenção propõe monitorar uma sequência de operação de entrada em funcionamento de um motor, em particular de uma turbomáquina, determinando o contexto de partida do motor, a fim de poder medir e comparar, nesse contexto, a duração de ignição do motor com uma duração de ignição de referência.

[016] A duração de ignição de um motor de uma turbomáquina durante uma sequência de operação de entrada em funcionamento depende, em particular, de três dados.

[017] Um primeiro dado diz respeito à qualidade do fluxo de ar na saída do compressor de alta pressão do motor. Se esse fluxo for muito grande (por exemplo após um atraso de descarga de uma vela de ignição durante a sequência de operação de entrada em funcionamento) ou de má qualidade (em virtude de uma distorção radial ou azimutal dos perfis de velocidade do fluxo), o fornecimento de ar da câmara de combustão do motor pode ser degradado, o que pode influir sobre a ignição do motor.

[018] Um segundo dado diz respeito à quantidade do combustível e sua pulverização pelos injetores na câmara de combustão. De fato, da mesma forma que para o suprimento de ar da câmara, a degradação de uma injeção (coquefação do combustível estagnado (parado) no injetor ou desvio da característica fluxo / pressão) pode perturbar o fluxo do combustível e formar bolsos de instabilidade em torno da câmara de combustão.

[019] Um terceiro dado diz respeito à qualidade da energia conferida para a combustão do mistura ar-combustível. É de fato necessário que o sistema de ignição, formado pela caixa, pelos cabos e pelas velas, seja de boa qualidade e forneça a quantidade de energia necessária, sabendo que uma parte da energia é igualmente conferida pelo motor que não é adiabático.

[020] Isso conduz, portanto, à conclusão que a qualidade e, portanto, a duração da ignição, dependem principalmente do estado dos diferentes sistemas que intervêm na operação de entrada em funcionamento do motor, bem como do contexto de partida do motor da turbomáquina.

[021] O processo de monitoramento 1 propõe,consequentemente, eliminar toda ou parte da influência do contexto para uma operação de entrada em funcionamento do motor 10, a fim de poder identificar a eventual degradação desses sistemas.

[022] O contexto de aplicação do motor compreende o conjunto dos parâmetros de partida que podem ter uma influência sobre a duração de ignição do motor. Esses parâmetros de partida são variáveis, e podem compreender em particular:- o estado térmico do motor na partida,- o fato de que a operação de entrada em funcionamento seja realizada em terra ou em voo,- a altitude na qual o motor dá partida,- a pressão ambiente,- o regime de rotação do motor que corresponde a uma injeção de combustível na câmara de combustão,- o fluxo de combustível injetado na câmara de combustão no momento da ignição,- as características do ar na entrada na câmara de combustão.

[023] A Depositante percebeu que o estado térmico do motor era um dos parâmetros de partida que tinha a maior influência sobre a duração de ignição do motor da turbomáquina. Entretanto, os outros parâmetros de partida podem igualmente ser utilizados para o monitoramento da operação de entrada em funcionamento do motor de uma turbomáquina, isoladamente ou em combinação.

[024] No texto a seguir, um exemplo de aplicação de um processo de monitoramento 1 de acordo com presente invenção vai ser descrito utilizando o estado térmico do motor no momento da operação de entrada em funcionamento do motor como parâmetro de partida.

[025] O estado térmico do motor no momento da operação de entrada em funcionamento do motor, isto é, durante sua partida, pode ser, em particular, estimado pela medição da temperatura de escapamento dos gases EGT do motor em uma determinada seção desse motor, por exemplo por meio de um termopar. Pode se tratar, por exemplo de termopares T49.5, que são habitualmente utilizados nos distribuidores da turbina de baixa pressão do motor da turbomáquina, a jusante da câmara de combustão. Pode-se consultar, em particular, o pedido de patente francês FR 2 971 543 em nome da Depositante para mais informações referente à determinação do estado térmico na partida do motor por meio temperatura de escapamento dos gases EGT.

[026] Em uma variante, o estado térmico do motor pode igualmente ser estimado determinando a duração transcorrida a partir da última partida do motor, ou a temperatura do cárter (Tcase).

[027] Durante o processo de monitoramento 1 da operação de entrada em funcionamento do motor, o estado térmico do motor é determinado 20, e depois a duração da ignição do moto é estimada 30 nesse estado térmico (ou inversamente). A duração assim obtida pode ser comparada 50 a uma duração de ignição de referência, previamente determinada para um motor de referência, de preferência do mesmo tipo que o motor da turbomáquina, e para um estado térmico idêntico ou similar. Portanto, valor medido para a duração da ignição não é simplesmente comparado com um limiar registrado (gravado) no sistema, mas com o valor que a duração da ignição deveria ter se o motor estivesse sadio, em condições de partida idênticas ou similares, e essas condições de partida são fixadas pelo estado térmico do motor no momento de da medição. De acordo com a diferença entre o valor medido e a duração da ignição de referência para esse estado térmico, é possível então determinar se a sequência de ignição está ou não degradada, e gerar 90 um alerta, se necessário.

[028] A duração da ignição pode ser difícil de medir de modo confiável e rápido. As medidas apresentam, de fato, uma imprecisão da ordem de 125 ms, o que provoca uma ligeira dispersão das durações de ignição em torno de quatro patamares, como ilustrado na figura 1. Foi proposto, consequentemente, converter a duração da ignição, medida determinando o tempo transcorrido entre a injeção de combustível na câmara de combustão do motor e a detecção da ignição do mistura ar-combustível, em um número de descargas necessárias da vela de ignição a fim de provocar a ignição da mistura ar-combustível. De fato, a iniciação da combustão do mistura só pode ocorrer durante a geração de uma faísca pela vela de ignição. Como a frequência de descarga das velas de ignição é conhecida, aqui da ordem de 1,25 Hz, é possível então transformar facilmente uma determinada duração da ignição em número de descargas que foram necessárias para o motor entrar em funcionamento. E, então, possível estimar 30 a duração da ignição de modo mais preciso do que por medida direta.

[029] O grafo assim obtido está ilustrado na figura 2, na qual as durações de ignição foram convertidas em número de descargas necessárias, que é um número inteiro que pode assumir valores discretos compreendidos aqui entre 1 e 4, o que permite não somente simplificar a medição da duração de ignição, mas ainda reduzir as incertezas sobre as medidas e facilitar as etapas ulteriores de comparação 50.

[030] O número de descargas de uma determinada vela de um motor de uma determinada referência, e consequentemente sua duração da ignição, pode então ser medida de modo simples e confiável para um conjunto de valores de estado térmico diferentes, por exemplo para temperaturas de gases de escapamento EGT que variam de 0°C a 600°C. Deve-se notar que por motor de referência, entende-se um motor de um tipo similar ou idêntico ao motor que se deseja monitorar, cujo sistema que intervém na operação de entrada em funcionamento do motor não apresenta falha e permite, portanto, obter medidas sadias.

[031] É então possível construir 40, para esse motor de referência, uma base de dados que permite definir o número de descargas esperado para um determinado estado térmico do motor.

[032] Um grafo que representa o número de descargas de uma vela de ignição necessário para dar partida um motor de referência em função do estado térmico do motor (temperatura EGT) está ilustrado em figura 3. Para esse motor de referência, o número de descargas esperado é de 4 quando a temperatura EGT for inferior a 10°C, de 3 quando a temperatura EGT estiver compreendida entre 10°C e 80°C, de 2 quando a temperatura EGT estiver compreendida entre 80°C e 190°C, e de 1 quando a temperatura EGT for superior a 190°C.

[033] As eventuais zonas de superposição das faixas de temperaturas são devidas ao fato de que apenas um parâmetro do contexto de partida, aqui o estado térmico do motor durante sua partida, foi levado em conta entre o conjunto dos parâmetros que podem ter uma influência sobre a ignição do motor. Todavia, veremos a seguir que, graças ao indicador de acompanhamento escolhido, a precisão das medidas é suficiente para reduzir o desvio-padrão das medidas para 0,3, em comparação com o desvio-padrão da ordem de 1,2 para o indicador convencional. O desvio-padrão foi, então, dividido por 4 graças a esse processo de monitoramento.

[034] Durante cada partida do motor, é determinado então o estado térmico do motor 20 e o número de descargas da vela de ignição necessárias 30 para provocar a ignição da mistura ar-combustível. Esse número de descargas é então comparado 50 ao número de descargas esperado para esse estado térmico, graças à base de dados, calculando a diferença (ou resíduo) entre o número de descargas determinado e o número de descargas esperado a fim de obter um indicador. A evolução desse indicador pode então ser seguida 70 de uma operação de entrada em funcionamento a outra da turbomáquina, por exemplo por meio de uma média deslizante.

[035] Quando o resíduo ou a média deslizante ultrapassar um limiar definido (etapa 80), e eventualmente quando essa ultrapassagem é confirmada em vários voos, infere-se então que o sistema que intervém na operação de entrada em funcionamento do motor pode estar degradado. Um alerta é então enviado 90 a um operador designado, por exemplo um técnico, a fim de que o sistema possa ser verificado e, se for o caso, reparado.

[036] No caso do motor compreender mais de uma vela de ignição, o que é habitualmente o caso na maior parte dos motores de turbomáquinas atual, que compreendem duas velas de ignição para fins de redundância, utilizadas alternativamente para homogeneizar o estado de degradação do sistema, o resíduo, e se for o caso, a média deslizante, são calculados para cada uma das velas independentemente, a fim de detectar uma eventual degradação dos sistemas que lhes está associado independentemente. Consequentemente, o conhecimento da vela de ignição utilizada durante uma determinada partida é importante a fim de determinar se o resíduo calculado corresponde a uma ou outra das velas.

[037] Obtém-se, portanto, um indicador de acompanhamento utilizável, que apresenta um pequeno desvio-padrão, e fácil de obter. Além disso, considerando a discretização das medidas do tempo de partida, graças a sua conversão em número de descargas da vela de ignição, uma degradação pode ser detectada a partir do momento que o número de descargas esperado aumenta de pelo menos uma unidade - ou seja, quando o resíduo for igual a 1 ou mais. Como um resíduo de 1 é três vezes maior que o valor do desvio- padrão (que é da ordem de 0,3), infere-se que a detecção das eventuais degradações do sistema é de boa qualidade, em comparação, em particular, com o desvio-padrão de 1,2 do indicador habitual, com o qual uma pequena degradação do sistema não podia ser detectada em virtude do ruído das medidas.

Claims

1. PROCESSO DE MONITORAMENTO (1) DE UMASEQUÊNCIA DE IGNIÇÃO DE UM MOTOR, em particular de turbomáquina, caracterizado por compreender as seguintes etapas:(i) determinação (30) de uma duração da ignição do motor para um parâmetro de partida determinado, em que as durações de ignição são determinadas (30) a partir de um número de descargas de uma vela de ignição do motor, necessário para o motor entrar em funcionamento;(ii) comparação (50) da duração da ignição do motor assim determinada com uma duração da ignição de referência esperada para um motor de referência e para esse parâmetro de partida, em que a etapa de comparação é implementada através da comparação entre o número de descargas da vela de ignição do motor com um número de descargas de uma vela de ignição esperado do motor de referência;(iii) dedução (60) de um indicador da operação de entrada em funcionamento do motor;(iv) repetição das etapas (i) a (iii) para esse parâmetro de partida, para operação de entrada em funcionamento do motor da sequência; e(v) em função da evolução do indicador, geração (90) de um alerta de degradação da sequência de ignição do motor.

2. PROCESSO DE MONITORAMENTO (1), de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo parâmetro de partida compreender pelo menos um dos parâmetros da seguinte lista:- um estado térmico do motor durante a sequência de operação de entrada em funcionamento;- uma partida em terra ou uma partida em voo;- uma altitude na qual o motor dá partida;- uma pressão ambiente; - um regime de rotação do motor que corresponde a uma injeção de combustível em uma câmara de combustão do motor;- um fluxo de combustível injetado em uma câmara de combustão no momento da ignição;- características do ar na entrada de uma câmara de combustão do motor.

3. PROCESSO DE MONITORAMENTO (1), de acordocom a reivindicação 2, caracterizado por, durante a etapa de comparação (50), ser determinada uma diferença entre o número de descargas da vela de ignição do motor necessário para o motor entrar em funcionamento, com um número de descargas de uma vela de ignição esperado para a entrada do motor de referência em funcionamento.

4. PROCESSO DE MONITORAMENTO (1), de acordo comqualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por um alerta de degradação ser gerado quando o indicador for superior ou igual a um determinado limiar.

5. PROCESSO DE MONITORAMENTO (1), de acordo comqualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo motor compreender duas velas de ignição, e o indicador é determinado independentemente para cada vela de ignição.

6. PROCESSO DE MONITORAMENTO (1), de acordo comqualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender ainda uma etapa durante a qual é determinado (40), para um determinado motor de referência e um conjunto de valores do parâmetro de partida, um conjunto de durações de ignição de referência.

7. PRODUTO PROGRAMA DE COMPUTADOR,caracterizado por compreender instruções de código para a execução de um processo de monitoramento (1) de uma sequência de uma operação de entrada em funcionamento de um motor, em particular de turbomáquina, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.

8. MEIO DE ARMAZENAMENTO LEGÍVEL POR UMEQUIPAMENTO INFORMÁTICO, caracterizado por um produto programa de computador compreender instruções de código para a execução de um processo de monitoramento (1) de uma sequência de operação de entrada em funcionamento de um motor, em particular de turbomáquina, conforme em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.

9. SISTEMA DE MONITORAMENTO, de uma sequência deoperação de entrada em funcionamento de um motor, em particular de turbomáquina, caracterizado por compreender meios configurados para aplicar um processo de monitoramento (1) de uma sequência de operação de entrada em funcionamento de um motor, em particular de turbomáquina, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.