FR2640690A1 - Systeme et procede de commande d'un moteur a turbines a gaz - Google Patents
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Abstract
Un système 300 pour commander un moteur à turbines à gaz comprend un moyen récepteur d'un signal d'erreur 310 représentant un paramètre du moteur; un moyen 312 pour traiter ce signal, afin d'engendrer un signal 314 de commande primaire du carburant, la sortie dudit moyen 312 étant connectée à un moyen 316 combinant les signaux; des moyens de réception 318 et de traitement 328 de signaux de demande, pour délivrer un signal 330 de commande anticipée du carburant; et des moyens 350, 354 réglant la valeur de ce signal 330, raccordés audit moyen de traitement 328, et dont la sortie est connectée audit moyen de combinaison 316.
Description
SYSTEME ET PROCEDE DE COMMANDE D'UN MOTEUR A TURBINES A GAZ
La présente invention se rapporte à un système et à un procédé de commande d'un moteur à turbines à gaz et, plus
particulièrement, d'un turbomoteur ou d'un turbopropulseur.
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION
Dans un moteur à turbines à gaz destiné à être utilisé dans un hélicoptère, il est souhaitable de maintenir la
vitesse du rotor dans une plage de fonctionnement stable.
Par exemple, si le rotor est fixé à une turbine de basse pression, et si la vitesse de ce rotor excède la plage de fonctionnement stable de façon telle que la vitesse de la
turbine devient excessive, il peut en résulter des condi-
tions propices à une détérioration. En revanche, si la vitesse du rotor chute en deçà de la plage de fonctionnement stable, l'hélicoptère perd assurément de l'altitude. Une commande de la vitesse rotorique devient difficile lorsque le moteur est appliqué, par exemple, à un hélicoptère dont le pilote peut être amené à faire varier fréquemment et rapidement la charge imposée au moteur, par exemple en faisant varier le pas général sur le rotor. Ces variations
de charge peuvent impliquer un écart par rapport à la vi-
tesse souhaitée du rotor, typiquement désignée par "coeffi-
cient d'uniformité". Au premier chef, des systèmes de com-
mande sont typiquement conçus en vue d'assurer la stabili-
té, et c'est pourquoi la réaction du système au coefficient d'uniformité est relativement lente jusqu'au rétablissement de la vitesse souhaitée. A l'inverse, d'autres systèmes
de commande sont conçus en vue d'un rétablissement rela-
tivement rapide, bien que ces systèmes soient caractérisés par une faible stabilité en présence de laquelle la sortie
du système entre en résonance, ce qui se traduit par d'indé-
sirables perturbations du couple. De ce fait, il est sou-
haitable de disposer d'un système de commande d'un moteur à turbines à gaz, qui prodigue un rétablissement rapide
de la vitesse rotorique sans instabilité excessive.
CARACTERISTIQUES ESSENTIELLES DE L'INVENTION
Conformément à l'invention, un système de commande pour un moteur à turbines à gaz comprend un moyen pour recevoir un signal d'erreur représentatif d'un paramètre
du moteur, ainsi qu'un moyen pour traiter un signal d'er-
reur en vue d'engendrer un signal de commande primaire du carburant. Ce moyen de traitement est raccordé au moyen
récepteur, et la sortie dudit moyen de traitement est con-
nectée à un moyen de combinaison de signaux. Le système de commande comporte, par ailleurs, un moyen pour recevoir et traiter des signaux de demande, en vue de délivrer un signal de commande anticipée du carburant, ainsi qu'un moyen pour régler la valeur de ce signal de commande anticipée, sur la base de la valeur du signal d'erreur. Le moyen de réglage est raccordé au moyen de traitement des signaux de demande, et la sortie de ce moyen de réglage est connectée
au moyen de combinaison.
Comme mentionné ci-avant, l'invention a également trait à un procédé pour commander un moteur à turbines à gaz, englobant les étapes consistant à recevoir un signal d'erreur, puis à traiter ce signal d'erreur pour former un signal de commande primaire. Au moins un signal de demande anticipée est également reçu et traité, en vue de former un signal de commande anticipée du carburant. Ce signal de commande anticipée est réglé sur la base de la valeur du signal d'erreur, puis le signal de commande primaire du carburant et le signal réglé de commande anticipée de ce
carburant sont combinés pour obtenir un signal de régula-
tion dosée du carburant.
PRESENTATION SUCCINCTE DES DESSINS
La figure 1 est une demi-vue demi - coupe schématique d'un moteur à turbines à gaz auquel la présente invention peut être appliquée; la figure 2 est un schéma synoptique d'un système de commande classique; et la figure 3 est un schéma synoptique de l'une des formes de réalisation d'un système de commande selon la
présente invention.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UNE FORME DE REALISATION
PREFERENTIELLE
Sur la figure 1, un groupe moteur 10 à turbines à gaz présente un turbomoteur 12 à gaz muni d'un arbre menant de sortie 14. Cet arbre menant 14 est accouplé à une boite d'engrenages 16, laquelle est accouplée à au moins un plan de sustentation. Sur la figure 1, la boite d'engrenages 16 est reliée à des premier et second plans de sustentation, respectivement désignés par 18a et 18b. Si l'on considère l'exemple de systèmes appliqués à des hélicoptères, le
premier plan de sustentation 18a et le second plan de sus-
tentation 18b représentent, respectivement, le plan de
sustentation principal et un plan de sustentation supplé-
mentaire. Un système 20 de commande du carburant pilote
une valve 22 de commande du carburant qui régule la quan-
tité de carburant en circulation, et commande par conséquent
le fonctionnement de l'arbre menant de sortie 14. Le sys-
tème de commande 20 reçoit diverses données d'entrée 24 représentatives d'instructions du pilote et de paramètres du moteur, qui fournissent les signaux sur la base desquels
l'edit système 20 fonctionne.
La figure 2 illustre un système de commande dépourvu des avantages de la présente invention, et muni d'un moyen différenciateur 210 pour recevoir une instruction d'entrée 212 représentative de la vitesse souhaitée de l'arbre de sortie. Le moyen différenciateur 210 reçoit également un signal d'entrée 214 représentatif de la vitesse mesurée de l'arbre de sortie, puis délivre un signal 216 d'erreur de vitesse qui représente la différence entre les signaux 212 et 214 exprimant, respectivement, la vitesse souhaitée et la vitesse mesurée. Le signal 216 d'erreur de vitesse est appliqué à un intégrateur 218, pour faire tendre l'erreur vers zéro sur un certain laps de temps. Le signal de sortie
de cet intégrateur 218 est appliqué à un moyen interpréta-
teur 220, engendrant un signal 222 de commande primaire du carburant qui est appliqué à un moyen 224 sommateur de signaux de carburant. Un moyen 230 sommateur de signaux de demande reçoit des signaux qui contribuent à anticiper les besoins du moteur en carburant. Par exemple, ce moyen sommateur de signaux de demande peut recevoir un signal 232 de demande de puissance de l'arbre, ainsi qu'un signal
de demande 234 de la valve de guidage d'admission du venti-
lateur (FIVG). Le moyen sommateur 230 est raccordé à un moyen de traitement 236 qui traite le signal, puis délivre un résultat approprié pour former un signal 240 de commande anticipée du carburant, appliqué au moyen 224 sommateur de
signaux de carburant. Le signal de sortie de ce moyen som-
mateur 224 est un signal de régulation dosée du carburant qui est typiquement appliqué à un actuateur de carburant,
tel qu'une valve 242 de commande du carburant, pour mai-
triser le débit de carburant affluant au moteur. En servi-
ce, après que les signaux de demande anticipée 232 et 234
ont été traités pour former le signal de commande antici-
pée du carburant, ces signaux fournissent au système de commande une indication relative aux besoins du moteur en
carburant, sur la base des variations de charge. En antici-
pant sur les besoins en carburant, ce système réduit le
coefficient d'uniformité lorsque les charges sont augmentées.
Toutefois, dans de nombreuses applications, le moteur est
soumis à des variations de charge rapides et extrêmes.
Dans ces applications, il est malaisé de fournir un système de commande qui réagisse rapidement en anticipant les besoins en carburant, tout en maintenant la vitesse du moteur dans les limites de la plage de fonctionnement stable. En outre,
ces systèmes deviennent typiquement instables à des fré-
quences indicatives de l'entrée en résonance du groupe moteur, se traduisant par d'indésirables perturbations du couple. C'est pourquoi il est souhaitable de disposer d'un
système de commande qui réagisse rapidement à des varia-
tions de demande, sans soumettre ce système de commande à
des perturbations de couple excessives.
Sur la figure 3, un système de commande 300 de la pré-
sente invention comprend un moyen pour recevoir un signal d'erreur 310 représentatif d'un paramètre du moteur, ainsi qu'un moyen 312 pour traiter ce signal en vue de former un signal 314 de commande primaire du carburant, appliqué à
un moyen 316 de combinaison de signaux. Le système de com-
mande 300 présente également un moyen 318 pour recevoir des signaux de demande anticipée, tels qu'un signal 320
de demande de puissance de l'arbre et un signal 322 de de-
mande FIVG. Le moyen récepteur 318 est raccordé à une en-
trée d'un moyen 324 sommateur de signaux de demande. La sortie de ce moyen sommateur 324 est connectée à un moyen 328 de traitement de signaux de demande anticipée, dont la sortie délivre un signal 330 de commande anticipée du carburant. Un élément interprétateur variable 350 renferme également un moyen pour recevoir le signal d'erreur 310
et, sur la base de la valeur de ce signal d'erreur, il engen-
dre un signal de sortie pour régler la valeur du signal
330 de commande anticipée du carburant. La sortie de 1'élé-
ment interprétateur variable 350 et la sortie du moyen 328 de traitement de signaux de demande sont connectées à des entrées d'un moyen multiplicateur 354. La sortie de ce moyen multiplicateur 354 est connectée à une entrée du moyen 316 de combinaison de signaux de carburant, et la sortie
de ce moyen de combinaison 316 délivre le signal de régula-
tion dosée du carburant qui est appliqué, typiquement, à
un actuateur de carburant.
Le moyen destiné à recevoir le signal d'erreur 310 peut être n'importe quel moyen destiné à recevoir soit un signal
électrique, soit un signal mécanique; de préférence cepen-
dant, ce moyen récepteur est constitué par une entrée d'un système de commande électronique numérique (DEC), conçu
pour recevoir des signaux de commande électronique. Le si-
gnal d'erreur est typiquement un signal d'erreur de vitesse.
Néanmoins, d'autres signaux d'erreur sont également appli-
cables, tels qu'un signal relatif au taux de compression
du moteur. Le signal d'erreur est engendré par des techni-
ques bien connues dans l'art antérieur; typiquement en
faisant usage d'un moyen différenciateur qui reçoit un si-
gnal d'entrée représentatif de la vitesse souhaitée, puis soustrait un signal de la vitesse de sortie mesurée, obtenu par l'intermédiaire de capteurs associés au moteur. Ce moyen différenciateur peut également être intégré dans le système DEC. Le moyen de traitement du signal d'erreur 310,
en vue de former le signal 314 de commande primaire du car-
burant, est typiquement un algorithme bien connu dans l'art antérieur, par exemple: k (T1s + 1) (T2s + 1) '
formule dans laquelle k est un multiplicateur ou une fonc-
tion d'amplification pour régler le signal au niveau sou-
haité; s est la variable de fréquence complexe; et T1 et T2 sont des constantes temporelles telles que décrites par l'algèbre laplacienne qui est employée pour décrire la
réaction de systèmes de commande à divers signaux d'entrée.
Le moyen 318 récepteur de signaux de demande anticipée est typiquement matérialisé par une ou plusieurs entrées du DEC et, dans ce système DEC, le moyen de traitement est équipé de techniques logicielles normalisées, présentant de préférence la fonction de transfert suivante: ks Ts --1 ' formule dans laquelle k est la fonction d'amplification,
s est la variable de fréquence complexe et T est une cons-
tante temporelle, Il est bien évident que la demande en
puissance de l'arbre et la demande FIVG représentent seule-
ment deux signaux d'entrée d'anticipation possibles. Le cadre de la présente invention englobe d'autres signaux d'entrée, simples ou multiples. Le moyen 328 de traitement d'anticipation, l'élément interprétateur variable 350 et
le moyen multiplicateur 354 sont préférentiellement alimen-
tés par le système DEC, par l'intermédiaire de techniques normalisées. L'élément interprétateur variable comporte, typiquement, une sortie constante égale soit à un, soit
à zéro, valeurs entre lesquelles est intercalée une fonc-
tion variable. Par exemple, comme illustré sur la figure 3, une fonction de tracé diagonal se trouve entre une sortie zero et une sortie un. De toute évidence, il peut être prévu de nombreuses autres fonctions en présence desquelles la sortie de l'élément interprétateur variable 350 fournit un résultat différent sur ia base de la sortie souhaitée du système de commande. De préférence, le moyen 316 de combinaison de signaux consiste en un moyen pour former une moyenne ou bien, optimalement, pour additionner les signaux d'anticipation respectivement primaire 314 et réglé 330, et il est préférentiellement alimenté par des techniques électroniques, par l'intermédiaire du système DEC. Il va de soi que d'autres moyens de combinaison,
tels que des moteurs à enroulement double, peuvent égale-
ment être appliqués à la présente invention.
En service, le moyen récepteur d'erreurs recoit un signal d'erreur 310 relatif à une variation intervenant dans le régime du moteur. Le moyen de traitement 312 traite ensuite ce signal, en appliquant des techniques normalisées,
pour former le signal 314 de commande primaire du carburant.
Le moyen 318 récepteur de signaux de demande anticipée reçoit les signaux de demande anticipée, ces signaux étant
combinés par le moyen sommateur 324. Le moyen 328 de trai-
tement de signaux d'anticipation traite cette information de sortie, pour obtenir le signal 330 de commande anticipée du carburant. L'élément interprétateur variable 350 et le moyen multiplicateur 354 font office de moyen pour régler la commande anticipée du carburant sur la base de la valeur reçue par le moyen récepteur de signaux d'erreur. Comme
illustré sur la figure 3, l'élément interprétateur varia-
ble 350 présente typiquement une fonction non linéaire, comprenant une plage de fonctionnement instable délimitée par deux plages de fonctionnement stable. L'une de ces plages de fonctionnement stable délivre une valeur de sortie égale à un, auquel cas la valeur du réglage du signal de
commande anticipée du carburant est égale à zéro. La secon-
de plage de fonctionnement stable correspond à la valeur zéro de la sortie de l'élément interprétateur variable, de sorte que le signal d'erreur agit comme un régulateur
pour éliminer tous les effets du signal de demande-anticipée.
Sur la figure 3, par exemple, lorsque le signal d'erreur est une erreur de vitesse, et lorsque la valeur de cette erreur de vitesse excède celle correspondant à un point B (comme tel est le cas dans un régime de sousvitesse), la valeur de sortie de l'élément interprétateur est égale à un et le signal de commande anticipée du carburant exerce
pleinement son effet sur le signal de commande du carbu-
rant, pour amener rapidement la vitesse du moteur à la plage souhaitée. Si la valeur de l'erreur de vitesse est inférieure à celle correspondant à un point A (tel est le cas dans un régime de survitesse), la valeur de sortie de l'élément interprétateur est égale à zéro et le signal de commande anticipée du carburant n'exerce aucun effet sur le signal de commande du carburant. Entre les points A et
B, le système de commande fonctionne dans une plage insta-
ble et, lorsque l'erreur de vitesse indique que le moteur avoisine un régime de sous-vitesse (c'est-à-dire au point B), la valeur de sortie de l'élément interprétateur est
d'autant plus grande et, par conséquent, le signal de com-
mande anticipée du carburant exerce un effet d'autant plus fort. De surcroît, plus le moteur est proche d'un régime de survitesse, plus la valeur de sortie de l'élément
interprétateur est faible, et le signal de commande anti-
cipée du carburant exerce assurément un moindre effet sur le signal de régulation dosée de ce carburant. Ainsi, lorsqu'on tente d'appliquer un algorithme d'anticipation à toutes les valeurs transitoires possibles de puissance
et de FIVG, dans une application donnée à un moteur à tur-
bines à gaz, il est possible d'obliger d'autres systèmes
à minimiser ou éliminer l'effet de signaux de commande an-
ticipée du carburant. Le présent système prodigue un effet maximal des signaux de demande anticipée en-carburant, tout
en assurant la non-occurrence de-régimes dangereux de sur-
vitesse ou de sous-vitesse dans le moteur à turbines à gaz.
Bien que les principes de l'invention aient été décrits en se référant au système de commande 300, il est bien
entendu que ces principes sont applicables à d'autres sys-
témes de commande, tels que ceux renfermant d'autres fonc-
tions à l'intérieur de l'élément interprétateur variable, et d'autres moyens pour traiter à la fois les signaux de
commande primaire et les signaux de commande anticipée.
Il va donc de soi que de nombreuses modifications peu-
vent être apportées à l'invention telle que décrite et
représentée, sans sortir de son cadre.
Claims (12)
1. Système de commande (300) pour un moteur (10) à turbines à gaz, système caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour recevoir un signal d'erreur (310) représentatif d'un paramètre du moteur; un moyen (312) pour traiter un signal d'erreur (310) en vue d'engendrer un signal (314) de commande primaire du carburant, ce
moyen de traitement (312) étant raccordé audit moyen récep-
teur du signal d'erreur, et la sortie dudit moyen de trai-
tement (312) étant connectée à un moyen (316) de combinai-
son de signaux; des moyens pour recevoir (318) et pour traiter (328) des signaux de demande, en vue de délivrer un signal (330) de commande anticipée du carburant; ainsi
que des moyens (350, 354) pour régler la valeur de ce si-
gnal (330) de commande anticipée du carburant, sur la base de la valeur dudit signal d'erreur (310), ces moyens de réglage étant raccordés audit moyen (328) de traitement des signaux de demande, et la sortie desdits moyens de réglage
(350, 354) étant connectée au moyen de combinaison (316).
2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le signal d'erreur (310) est un signal d'erreur
de vitesse.
3. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moteur à turbines à gaz est un turbomoteur
(12), conçu pour une utilisation dans un hélicoptère.
4. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens (350, 354) pour régler le signal de commande anticipée du carburant comprennent, par ailleurs, un élément interprétateur variable (350) présentant un
moyen pour recevoir le signal d'erreur (310), et pour engen-
drer un signal de sortie sur la base de la valeur de ce
signal d'erreur; et un moyen (354) pour multiplier la va-
leur de sortie dudit élément interprétateur variable (350) et dudit moyen (328) de traitement des signaux de demande, afin de former un signal réglé (330) de commande anticipée
du carburant.
5. Système selon la revendication 4, caractérisé par
le fait que l'élément interprétateur variable (350) déli-
vre une valeur de sortie comprise entre zéro et un.
6. Système selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'élément interprétateur variable (350) pré- sente une fonction de tracé diagonal, intercalée entre des
valeurs de sortie respectives de zéro et un.
7. Système selon la revendication 5, caractérisé par
le fait que l'élément interprétateur variable (350) présen-
te une valeur de sortie égale à zéro en régime de survitesse du moteur,et égale à un en régime de sous-vitesse de ce moteur.
8. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens (350, 354) pour régler le signal (330) de commande anticipée du carburant renferment des
moyens pour minimiser l'effet de ce signal de commande anti-
cipée, en régime de survitesse du moteur, et pour maximali-
ser l'effet dudit signal de commande anticipée en régime
de sous-vitesse dudit moteur.
9. Procédé pour commander un moteur à turbines à gaz, procédé caractérisé par le fait qu'il englobe les étapes consistant à: recevoir un signal d'erreur, puis traiter
ce signal d'erreur pour former un signal de commande pri-
maire; recevoir au moins un signal de demande anticipée, puis traiter ce signal pour former un signal de commande anticipée du carburant; régler la valeur de ce signal de commande anticipée du carburant, sur la base de la valeur du signal d'erreur; et combiner le signal de commande
primaire du carburant et le signal réglé de commande anti-
cipée de ce carburant, pour former un signal de régulation
dosée de carburant.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que l'étape consistant à combiner le signal de commande primaire et le signal réglé de commande anticipée du carburant englobe, par ailleurs, l'étape consistant à
additionner la valeur de ces signaux.
11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que l'étape consistant à combiner le signal de commande primaire et le signal réglé de commande anticipée du carburant englobe, par ailleurs, l'étape consistant à
former la moyenne de la valeur de ces signaux.
12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que l'étape de réception d'au moins un signal de demande anticipée consiste, par ailleurs, à recevoir un signal de demande de puissance et un signal de demande de
la valve de guidage d'admission du ventilateur.
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