EP0046698B1 - Procédé et dispositif de détection de décollement tournant - Google Patents

Procédé et dispositif de détection de décollement tournant Download PDF

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EP0046698B1
EP0046698B1 EP81401162A EP81401162A EP0046698B1 EP 0046698 B1 EP0046698 B1 EP 0046698B1 EP 81401162 A EP81401162 A EP 81401162A EP 81401162 A EP81401162 A EP 81401162A EP 0046698 B1 EP0046698 B1 EP 0046698B1
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rotary
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Pierre Edouard Deneux
Patrick Jean Faure
Denis René Guy Laffitte
Michel Eugène Marcel Lemaoult
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/001—Testing thereof; Determination or simulation of flow characteristics; Stall or surge detection, e.g. condition monitoring

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting a rotating detachment in a turbomachine having two rotating bodies: a high pressure body and a low pressure body, method of the type according to which the speed of rotation of each of said bodies is measured.
  • the gas turbine engine illustrated in Figure 1 is an example of the different types of engines for which the present invention can be used.
  • the invention also relates to a rotating detachment detection device.
  • Document US-A-2 918 790 thus describes a system for regulating a turbomachine of the double body type in which the input parameters are the rotational speeds of the low-pressure and high-pressure bodies, but also the temperature d 'turbine inlet, which leads to a very complex method or device of implementation where inter-actions are provided between these parameters and others such as the fuel flow rate or the nozzle opening section.
  • the operating laws adopted are also complex and must be translated by particular profiles of the connecting cam in the device.
  • the invention aims to reduce the number of parameters used and to define simple relationships between them which facilitate implementation.
  • Document FR-A-2 332 427 relates to a blockage warning detector and a blockage detection method for a turbomachine in which various parameters are also associated: turbine temperature (inlet or outlet), speed reduction speed of the compressor (high or low pressure), position of the compressor relief valves.
  • Document GB-A-1 492 924 relates to a fuel flow control device for a turbomachine in which the parameters chosen are a speed of rotation (possibly of high-pressure body) and another parameter increasing with speed but decreasing in case of rotary detachment which is the outlet pressure of the compressor.
  • GB-A-1 422 572 also relates to a control device using an electronic tachometer.
  • a comparator receiving two shaft speed signals is associated with a speed differentiator and a threshold switch, the output signals being supplied to an AND gate.
  • an object of the invention is to propose a method for investigating the operating parameters of a turbomachine, evolving before the appearance of rotary detachment, in a characteristic manner.
  • Another object of the invention consists in making a device capable of using the data coming from appropriate sensors, of processing them in a function generator, of discriminating if two conditions are met, and of triggering an alarm in the cockpit of the turbomachine.
  • the method according to the invention according to which the speed of rotation N HP , N BP of each of the rotating bodies is measured, is characterized in that the derivative with respect to time is deduced of the rotation speed N HP of the high pressure body and a control signal is generated as soon as we have: and where A, B and C are constant values.
  • control signal is used to trigger an alarm.
  • said control signal serves to trigger an operation making it possible to return to normal operating conditions of the turbomachine.
  • the detection device is due to type comprising a first detector measuring the speed of rotation (N HP ) of the high pressure body and a second detector measuring the speed of rotation (N BP ) of the low pressure body; this detection device is characterized in that it further comprises: a multiplier by a constant A, this multiplier receiving the signal (N BP ) emitted by the second detector; a subtractor subtracting from the signal (N HP ) emitted by the first detector, the signal (A - N BP ) supplied by the multiplier; a first comparator comparing the signal (Nnp ⁇ A ⁇ N BP ) supplied by the subtractor with a reference signal (B) supplied by a reference signal source; a derivative receiving the signal (N HP ) emitted by the first detector; a second comparator comparing the signal ( ) supplied by the diverter with a second reference signal (C) supplied by a second reference signal source, the first and second comparators each being of the type providing a logic signal "0" or "1
  • the gas turbine engine illustrated in FIG. 1 is a double flow axial flow motor comprising an engine casing 1 in which are mounted, as is known, a low pressure compressor 2 and its drive turbine 3 , as well as a high pressure compressor 4 and its drive turbine 5.
  • a combustion device 6 burns the fuel it receives from a command (not shown) by releasing drive gas from the turbines 3, 5, these gases then being evacuated by a nozzle in order to produce the thrust.
  • the parameters used are the rotational speeds of the high pressure and low pressure bodies.
  • the law for the correct adaptation of these regimes is established in the form:
  • a discriminating criterion eliminates the normal deceleration phases of the engine in the form of a test on the derivative of the rotation regime of the high pressure body with respect to time:
  • the device for detecting a rotating detachment shown in FIG. 2 comprises: a first detector 7 measuring the speed of rotation (N H p) of the high pressure body 4a, 5 and a second detector 8 measuring the speed of rotation (N BP ) of the low pressure body 2a, 3; a multiplier by a constant A, 9, this multiplier receive the signal (N BP ) emitted by the second detector 8; a subtractor 10 subtracting from signal (N HP ) emitted by the first detector 7, the signal (A ⁇ N) supplied by the multiplier 9, a first comparator 11 comparing the signal (NHP-A ⁇ N BP ) supplied by the subtractor 10 with a reference signal (B) provided by a reference signal source 12; a shunt 13 receiving the signal (N HP ) emitted by the first detector 7; a second comparator 14 comparing the signal ( ) supplied by the differentiator 13 with a second reference signal (C) supplied by a second reference signal source 15, the first 11 and second 14 comparators each
  • the logic circuit 11, 12, 14, 15, 16 causes the operation of an optical or audible alarm system (or both) 17 which warns the pilot that the engine is in revolving take-off.
  • the latter can then apply a setpoint making it possible to return to normal engine operating conditions.
  • the detection device 7 to 16 can optionally control the automatic execution of a maneuver making it possible to find these normal operating conditions (for example, programming a negative flow step) and a gradual return to the initial operating point.
  • the device shown in Figure 2 can use conventional electronic components; however, other elements, for example fluidics, can be used. It may be advantageous to use for the detection of N HP and N BP the detectors already existing in the regulator; alternatively, these detectors can also be specific to the device.

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Description

  • La présente invention concerne un procédé de détection d'un décollement tournant dans une turbomachine ayant deux corps tournants: un corps haute pression et un corps basse pression, procédé du type selon lequel on mesure la vitesse de rotations de chacun desdits corps.
  • Le moteur à turbine à gaz illustré en figure 1 est un exemple des différents types de moteurs pour lesquels la présente invention peut être utilisée.
  • L'invention concerne aussi un dispositif de détection de décollement tournant.
  • Le décollement tournant est un phénomène qui affecte toutes les turbomachines à divers régimes de fonctionnement. Si les causes en sont encore mal connues, les effets sur les moteurs double-corps se manifestent presque toujours de la même manière:
    • - chute brutale de la pression de sortie du compresseur 2,4 suivie d'une croissance de cette pression inférieure au taux de croissance normal;
    • - augmentation brutale de la température T du flux de gaz à l'entrée des turbines 5, 3, se traduisant parfois par une cassure dans la pente de la courbe de cette température en fonction du temps, et une stabilisation de cette température à des niveaux plus élevés que le niveau normal de consigne;
    • - une croissance du régime de rotation NHP du corps haute pression 4a, 5 inférieure au taux de croissance normal;
    • - une stabilisation instantanée du régime de rotation NBP du corps basse pression 2a, 3, suivie d'une croissance faible de ce régime NBP;
    • - parfois des grondements et une inversion de fonctionnement dite »pompage« du compresseur 2, 4.
  • Au bout d'un intervalle de temps de plusieurs secondes, ces paramètres T, NHP, NBP se stabilisent à des valeurs différentes de celles correspondant à une stabilisation normale, mais, dans certaines conditions des accidents graves peuvent survenir brutalement: extinction au niveau du dispositif de combustion 6, rupture d'aubes, etc...
  • Le document US-A-2 918 790 décrit ainsi un système de régulation d'une turbomachine du type double corps dans lequel les paramètres d'entrée sont les vitesses de rotation des corps basse-pression et haute-pression, mais également la température d'entrée turbine, ce qui conduit à une méthode ou un dispositif de mise en oeuvre très complexe où sont prévues des inter-actions entre ces paramètres et d'autres tels que le débit de carburant ou la section d'ouverture de tuyère. Les lois de fonctionnement retenues sont également complexes et doivent être traduites par des profils particuliers de came de liaison dans le dispositif. L'invention vise à réduire le nombre de paramètres utilisés et à définir entre eux des relations simples facilitant la mise en oeuvre.
  • Le document FR-A-2 332 427 concerne un détecteur avertisseur de blocage et un procédé de détection de blocage pour turbomachine dans lesquels divers paramètres sont également associés: température de turbine (entrée ou sortie), régime de réduction de vitesse du compresseur (haute ou basse pression), position des soupapes de décharge du compresseur. Le document GB-A-1 492 924 concerne un dispositif de commande de débit de carburant pour turbomachine dans lequel les paramètres choisis sont une vitesse de rotation (éventuellement de corps haute-pression) et un autre paramètre croissant avec la vitesse mais décroissant en cas de décollement tournant qui est la pression de sortie du compresseur. Le document GB-A-1 422 572 concerne également un dispositif de commande utilisant un tachymètre électronique. Dans un mode de réalisation, un comparateur recevant deux signaux de vitesse d'arbre est associé à un dérivateur de vitesse et à un interrupteur à seuil, les signaux de sortie étant délivrés à une porte ET.
  • Il importe donc que le pilote ou autre utilisateur soit informé rapidement de l'apparition du décollement tournant ou de l'imminence de son déclenchement afin de pouvoir prendre à temps les mesures propres à le prévenir.
  • C'est pourquoi un objet de l'invention est de proposer un procédé d'investigation de paramètres de fonctionnement d'une turbomachine, évoluant avant l'apparition du décollement tournant, d'une manière caractéristique.
  • Selon ce procédé on utilise une loi d'évolution constante pour plusieurs couples de paramètres, cette loi étant caractéristique de l'apparition du décollement.
  • Un autre objet de l'invention consiste à réaliser un dispositif capable d'utiliser les données en provenance de capteurs appropriés, de les traiter dans un générateur de fonctions, de discriminer si deux conditions sont réunies, et de déclencher une alarme au poste de pilotage de la turbomachine.
  • A ces effets, le procédé conforme à l'invention, selon lequel on mesure la vitesse de rotation NHP, NBP de chacun de corps tournants, est caractérisé en ce qu'on déduit la dérivée par rap port au temps
    Figure imgb0001
     de la vitesse de rotation NHP du corps haute pression et on génère un signal de commande dès que l'on a:
    Figure imgb0002
    et
    Figure imgb0003
    où A, B et C sont des valeurs constantes.
  • C'est ainsi que, dans une application particulière de l'invention à un moteur connu, on détermine les valeurs suivantes, lorsque les vitesses de rotation interviennent en % de la valeur nominale:
    • A est compris entre 1 et 1,5, B est compris entre 8 et 30, C est compris entre -0,6 et - 0,2 et dans un cas particulier, A est égal à 1,26; B est égal à 18,2 et C est égal à - 0,4.
  • Lorsque les vitesses de rotation interviennent en valeur absolue, on choisit A égal à 1,62; B égal à 4106 tours/mn et C égal à - 250 tours/mn/s.
  • Par exemple, ledit signal de commande sert à déclencher une alarme.
  • Alternativement ou simultanément, selon un aspect de l'invention, ledit signal de commande sert à déclencher une manoeuvre permettant de revenir à des conditions normales de fonctionnement de la turbomachine.
  • Le dispositif de détection conforme à l'invention est due type comprenant un premier détecteur mesurant la vitesse de rotation (NHP) du corps haute pression et un second détecteur mesurant la vitesse de rotation (NBP) du corps basse pression; ce dispositif de détection est caractérisé en ce qu'il comporte en outre: un multiplicateur par une constante A, ce multiplicateur recevant le signal (NBP) émis par le second détecteur; un soustracteur soustrayant du signal (NHP) émis par le premier détecteur, le signal (A - NBP) fourni par le multiplicateur; un premier comparateur comparant le signal (Nnp―A · NBP) fourni par le soustracteur avec un signal de référence (B) fourni par une source de signal de référence; un dérivateur recevant le signal (NHP) émis par le premier détecteur; un deuxième comparateur comparant le signal (
    Figure imgb0004
    ) fourni par le déri- vateur avec un deuxième signal de référence (C) fourni par une deuxième source de signal de référence, les premier et second comparateurs étant chacun du type fournissant un signal logique »0« ou »1 selon que le signal de référence reçu par ce comparateur est supérieur ou inférieur à l'autre signal appliqué à ce comparateur; et une porte ET à deux entrées recevent chacune le signal de sortie d'un comparateur respectif, et dont la sortie délivre un signal de commande.
  • Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, description faite en référence aux annexés dans lesquels:
    • - la figure 1 est une coupe axiale schématique à travers un moteur à turbine à gaz double flux; et
    • - la figure 2 est un schéma synoptique d'un dispositif de détection selon un mode de réalisation de l'invention.
  • Le moteur à turbine à gaz illustré en figure 1 est un moteur à débit axial double flux comportant une enveloppe de moteur 1 dans laquelle sont montés, de manière rotative, comme il est connu, un compresseur basse pression 2 et sa turbine d'entraînement 3, ainsi qu'un compresseur haute pression 4 et sa turbine d'entraînement 5. Un dispositif de combustion 6 brûle le carburant qu'il reçoit d'une commande (non représentée) en dégageant de gaz entraînement les turbines 3, 5, ces gaz étant ensuite évacués par une tuyère afin de produire la poussée.
  • Ainsi, selon l'invention, les paramètres utilisés sont les vitesses de rotation des corps haute pression et basse pression. La loi d'adaptation correcte de ces régimes est établie sous la forme:
    Figure imgb0005
  • Un critère discriminateur élimine les phases de décélération normale du moteur sous la forme d'un test sur la dérivée du régime de rotation du corps haute pression par rapport au temps:
    Figure imgb0006
  • Un cas particulier d'application de ce procédé donne les valeurs suivantes, les valeurs de NHP et NBP étant exprimées en % des régimes nominaux des corps haute pression et basse pression et le temps dt exprimé en secondes:
    • A = 1,26;
    • B = 18,2;
    • C = -0,4.
  • Lorsque NHP et NBP sont exprimés en tours par minute et le temps dt en secondes, on choisit:
    • A = 1,62;
    • B = 4106tours/mn;
    • C = 250tours/mn/s.
  • Ce procédé de détection présente de nombreux avantages:
    • - les paramètres NHP et NBP sont obtenus avec une grande precision et présentent une dispersion faible;
    • - les conditions ISA (International Standard Atmosphère) ont une faible influence sur ces paramètres;
    • - le temps maximal de détection est de l'ordre de 3 secondes;
    • - ces paramètres nécessaires à la détection sont déjà utilisés la régulation normale.
  • Le dispositif de détection d'un décollement tournant représenté à la figure 2 comprend: un premier détecteur 7 mesurant la vitesse de rotation (NHp) du corps haute pression 4a, 5 et un second détecteur 8 mesurant la vitesse de rotation (NBP) du corps basse pression 2a, 3; un multiplicateur par une constante A, 9, ce multiplicateur recevent le signal (NBP) émis par le second détecteur 8; un soustracteur 10 soustrayant du signal (NHP) émis par le premier détecteur 7, le signal (A · N) fourni par le multiplicateur 9, un premier comparateur 11 comparant le signal (NHP-A · NBP) fourni par le soustracteur 10 avec un signal de référence (B) fourni par une source de signal de référence 12; un dérivateur 13 recevant le signal (NHP) émis par le premier détecteur 7; un deuxième comparateur 14 comparant le signal (
    Figure imgb0007
    ) fourni par le dérivateur 13 avec un deuxième signal de référence (C) fourni par une deuxième source de signal de référence 15, les premier 11 et second 14 comparateurs étant chacun du type fournissant un signal logique »0« ou »1« selon que le signal de référence reçu par ce comparateur est, respectivement, inférieur ou supérieur à l'autre signal appliqué à ce comparateur; et une porte ET, 16 à deux entrées 16a, 16b recevant chacune le signal de sortie d'un comparateur respectif 11, 14. A partir des détecteurs de régime HP et BP 7 et 8, les divers générateurs de fonction 9, 10 et 13 calculent les valeurs de NHP-A · NBP et
    Figure imgb0008
     dt
  • Lorsque les deux conditions:
    Figure imgb0009
    sont réunies, le circuit logique 11, 12, 14, 15, 16 entraîne le fonctionnement d'un système d'alarme optique ou sonore (ou les deux) 17 qui prévient le pilote que le moteur est en décollement tournant. Celui-ci peut alors appliquer une consigne permettant de revenir à des conditions normales de fonctionnement du moteur.
  • Le dispositif de détection 7 à 16 peut éventuellement commander l'exécution automatique d'une manoeuvre permettant de retrouver ces conditions normales du fonctionnement (par exemple, programmation d'un échelon de débit négatif) et un retour progressif au point de fonctionnement initial.
  • Le dispositif représenté sur la figure 2 peut utiliser des composants électroniques classiques; cependant d'autres éléments, par exemple fluidiques, sont utilisables. Il peut être avantageux d'utiliser pour la détection de NHP et NBP les détecteurs existant déjà dans le régulateur; alternativement, ces détecteurs peuvent également être particuliers au dispositif.

Claims (7)

1. Procédé de détection d'un décollement tournant dans une turbomachine ayant deux corps tournants: un corps haute pression (4a, 5) et un corps basse pression (2a, 3), du type selon lequel on mesure la vitesse de rotation (NHP, NBP) de chacun desdits corps, caractérisé en ce qu'on déduit la dérivée par rapport au temps
Figure imgb0010
 de la vitesse de rotation NHP du corps haute pression et on génère un signal de commande dès que l'on a:
Figure imgb0011
et
Figure imgb0012
où A, B et C sont des valeurs constantes.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque les vitesses de rotation interviennent en % de la valeur nominale, les coefficients sont calculés en conséquence et A est compris entre 1 et 1,5, B est compris entre 8 et 30 et C est compris entre - 0,6 et - 0,2.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, sensiblement, A est égal à 1,26; B est égal à 18,2 et C à - 0,4.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque les vitesses de rotation interviennent en valeur absolue, les coefficients sont calculés en conséquence et, sensiblement A est égal à 1,62; B est égal à 4106 tours/mn et C est égal à - 250 tours/mn/s.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit signal de commande sert à déclancher une alarme.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit signal de commande sert à déclencher une manoeuvre permettant de revenir à des conditions normales de fonctionnement de la turbomachine.
7. Dispositif de détection pour la mise en oeuvre du procédé de détection d'un décollement tournant dans une turbomachine selon la revendication 1 et comportant un corps tournant haute pression (4a, 5) et un corps tournant basse pression (2a, 3), du type comprenant un premier détecteur (7) mesurant la vitesse de rotation (NHP) du corps haute pression et un second détecteur (8) mesurant la vitesse de rotation (NBP) du corps basse pression, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: un multiplicateur par une constante A, (9), ce multiplicateur recevant le signal (NBP) émis par le second détecteur (8); un soustracteur (10) soustrayant du signal (NHP) émis par le premier détecteur (7), le signal (A - NBP) fourni par le multiplicateur (9); un premier comparateur (11) comparant le signal (NHP-A . NBP) fourni par le soustracteur (10) avec un signal de référence (B) fourni par une première source de signal de référence (12); un dérivateur (13) recevant le signal (NHP) émis par le premier détecteur (7); un deuxième comparateur (14) comparant le signal (
Figure imgb0013
) fourni par le dérivateur (13) avec un deuxième signal de référence (C) fourni par une deuxième source de signal de référence (15), les premier (11) et second (14) comparateurs étant chacun du type fournissant un signal logique »0« et »1« selon que le signal de référence reçu par ce comparateur est inférieur ou supérieur à l'autre signal appliqué à ce comparateur; et une porte ET, (16) à deux entrées (16a, 16b) recevant chacune le signal de sortie d'un comparateur respectif (11, 14), et dont la sortie délivre un signal de commande.
EP81401162A 1980-08-13 1981-07-22 Procédé et dispositif de détection de décollement tournant Expired EP0046698B1 (fr)

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FR8018024 1980-08-13
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Publication Number Publication Date
EP0046698A1 EP0046698A1 (fr) 1982-03-03
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US (1) US4430855A (fr)
EP (1) EP0046698B1 (fr)
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DE (1) DE3162663D1 (fr)
FR (1) FR2488696A1 (fr)

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