FR2682428A1 - Dispositif de commande et de controle en rotation d'une turbine pneumatique. - Google Patents

Dispositif de commande et de controle en rotation d'une turbine pneumatique. Download PDF

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Abstract

L'invention consiste en la réalisation d'un moteur pneumatique de type à turbine, équipé en amont de la turbine, d'un injecteur à effet Venturi (8), et en aval d'un divergent (9). Ledit injecteur transforme une commande de pression en une commande de débit masse propre à assurer une régulation de la vitesse de rotation de ladite turbine. La boucle de regulation est constituee par au moins deux capteurs piezoelectrique de pression differentielle (4) et (5) entre l'amont et l'aval de la turbine, un ensemble d'acquisition (6) et de traitement (7) des signaux issus desdits capteurs, un regulateur de pression à commande proportionnelle (2). Le divergent (9) augmente la precision relative de la commande en pression. Une vanne d'arret à commande electrique (1) assure la mise en securite du moteur, conjointement avec le regulateur de pression (2).

Description

La presente invention concerne un dispositif permettant l'utilisation d'une turbine pneumatique b des vitesses de rotation et des niveaux de puissance variables en continue
Le domaine privilegie des turbines pneumatiques sont les hautes vitesses de rotation qui permettent d'obtenir des puissances massiques elevees.
Cependant le contrôle et la commande en continue du regime de rotation et du niveau de puissance en fonction de l'application envisagee, sont délicates.
Ils peuvent, entre autre, être realises par des dispositifs:
- mecaniques: ils sont en général lourds, fragiles,
couteux et peu fiables en raison des régimes de
rotation eleves. ils ont souvent recours h
l'utilisation de la force centrifuge.
- électro-mécaniques: ayant les mêmes
caracteristiques que les precedents, ils sont
cependant plus précis; ils ont recours, parfois
associe à un reducteur de vitesse de rotation, à
une génératrice tachymetrique, ou a un générateur
d'impulsion, dont le signal traité par voie
électronique ou numerique permet l'élaboration d'un
signal de commande.
- fluidique: associe å des dispositifs mécaniques,
électriques ou electroniques de traitement du
signal, ils sont delicats S mettre en oeuvre car la
connaissance et le contrôle de phénomènes du type
couche limite ou du type instationnaire ne sont pas
à ce jour maitrisés sur de tels moteurs.
L'invention est constitue de deux ensembles. Un ensemble dit "mécanique", un ensemble dit "surveillance contrer constituant la boucle d'asservissement.
L'ensemble "mécanique" comprend dans le sens d'écoulement normal du fluide:
- un injecteur et son canal de mélange.
- un canal convergent termine par un distributeur.
- une turbine.
- un canal divergent d'éjection.
L'ensemble "surveillance contrôle" comprend typiquement les éléments suivant:
- au moins deux capteurs piewzo-électrique de pression differentielle.
- un sous ensemble de traitement du signal electrique
issu des capteurs de pression.
- un sous ensemble de conduite pneumatique å commande
proportionnelle.
- une vanne d'arrêt de securite å commande electrique.
Constatant que la validite du signal issu des capteurs de pression differentielle est lie à l'absence de phenomènes perturbateurs et instables tels que des ondes de choc ou de détente, notamment sur les aubes du ditributeur et de la roue mobile de turbine, un but de l'invention consiste en la realisation d'un ecoulement globalement subsonique dans l'ensemble mecanique.
Constatant ques par application du theoreme des quantitees de mouvement à l'ecoulement de fluide, a travers la turbine, suppose monodimensionnel dans un calcul en première approximation, la force s'exercant sur les aubes de turbine est de la forme:
F=Qm. (We.sin(sse) -Ws.sin(sss))
ou:
F: force radiale s'exercant sur les aubes de la turbine.
Qm: débit masse du fluide traversant la turbine.
pe: angle d'attaque des aubes de la turbine.
angle de bord de fuite des aubes de la turbine.
We: module de la vitesse relative (repere tournant avec
la turbine) d'entree du fluide dans la turbine.
Ws: module de la vitesse relative de sortie du fluide
dans la turbine.
un but de l'invention est de realiser un fort débit masse sous une vitesse relativement faible.
Constatant que le controle de la force F ne peut se faire, pour des raisons de fiabilité et de court de maintenance et fabrication, que par le contrôle du debit masse du fluide, un but de l'invention est de realiser un dispositif de regulation du débit masse.
Constatant que la variation de dbit masse à travers un ajutage fixe se réalise avantageusement au niveau coout et fiabilité par une variation de pression, un but de l'invention est de contrôler la variation de debit masse par un régulateur de pression dit " a commande proportionnelle" agissant en amont d'un ajutage interchangeable.
Constatant que la précision du contrôle d'un fort débit masse est incompatible avec un faible niveau de pression, un but de l'invention est de réaliser un transformateur préssion-débit masse par l'utilisation d'un injecteur à effet
Venturi, permettant de plus une réduction sensible des encombrements et masses des dispositifs d'amenée de fluide moteur, et l'utilisation de compresseur standard et économique.
constatant que le niveau de vitesse atteint au sortir du canal de mélange de l'injecteur, est faible, un but de l'invention est de reajuster ledit niveau par une décompression à l'aide d'un canai convergent subsonique, accroissant les vitesses We et Ws sus nommées, donc la puissance du moteur.
Constatant que la chute de pression statique entre l'amont et l'ava@ de la turbine est liée à la vitesse de rotation de la dite turbine. un but de l'invention est de réaliser la surveillance du dit régime par la mesure de la dite chute de pression à l'aide de capteur de pression différentielle pié@o-électrique.
Constatant que la dite mesure represente un paramêtre essentiel de la fonction de contrôle du régime de rotation, un but de l'invention est d'installer au moins deux capteurs du type mentionné ci avant, afin de comparer leur valeur et d'activer si nécessaire une vanne d'arrêt installée sur la canalisation d'alimentation en fluide comprimé.
Constatant que la loi de variation de la pression différentielle entre l'amont et l'aval de la turbine en fonotion de la vitesse de rotation de la dite turbine peut être approchée correctement par caloul théorique et affinée par des mesures d'étalonnage, un but de l'invention est de comparer en temps réel la valeur moyenne issue des dit capteurs au point de fonctionnement choisi sur la dite loi, et de commander par l'écart issu de cette comparaison le dit régulateur de pression, la stabilité d'une telle régulation etant acquise par des voies ciassiques.
Constatant que le niveau de pression au sortir de la turbine doit etre adaptê au niveau de pression du milieu exterieur, un but de l'invention est de réaliser un divergent en aval de la turbine qui améliore d'une part classiquement le rendement global du moteur, d'autre part la precision relative de la commande par un accroisement du niveau de vitesse 9 travers la turbine, soit donc un accroissement du debit masse aspire par effet Venturi.
Dans ce qui suit la pressente invention est explicitée par un exemple concret de realisation donné à titre non limitatif ni exhaustif des differentes realisations pouvant utiliser l'esprit de la dite invention, et par des dessins annexes dans lesquels:
- la figure i represente le schema general
décrivant l'invention.
- la figure 2 représente une vue en coupe du moteur
pneumatique.
Une vanne d'arrêt 1 (figure 1) å commande electrique est situes en amont du dispositif sur la canalisation 10 d'amenee du fluide sous pression. Un régulateur de pression å commande proportionnelle 2, situé en aval de la dite vanne d'arret i, asservit la pression du fluide notes Pr pénétrant par la canalisation il dans le moteur 3, å la pression consigne definie par l'organe d'elaboration d'ordre 7 . Le moteur pneumatique 3 delivre aux capteurs de pression piezoelectrique 4 et 5 les informations de pression différentielle entre l'amont et l'aval de la turbine. Les informations électriques issues des dits capteurs sont injectes à l'organe d'acquisition 6.L'organe d'élaboration d'ordre 7 qui a en memoire la loi d'évolution de la pression differentielîs entre l'amont et l'aval de la turbine en fonction de la vitesse de rotation de la dite turbine, d'une part teste la validite des informations issues de l'organe d'acquisition 6 par comparaison et eventuellement arrête le fonctionnement du moteur par action simultanée sur la vanne d'arrêt I et sur le regulateur de pression 2, d'autre part compare la valeur moyenne des informations de pression differentielle a celle du point de fonctionnement prescrit.
L'encart éventuel entre la vitesse prescrite et la vitesse instantanse, après traitement pour les commandes en vitesse et acceleration propres à assurer une stabilité d'une telle regulation, est injecte au dit regulateur 2 qui assure l'exécution de l'ordre consistant en une augmentation, maintien ou diminution de la pression Pr du fluide sous pression.
La canalisation 11 est branchee sur un gicleur 12 (figure 2). Le dit gicleur est solidaire du corps du canal d'admission 14. Le dit gicleur est demontable. Le canal d'admission 14 est constitue d'une partie convergent 15, d'une partie à section constante 16 de surface A0 faisant office de chambre d'homogénéisation et de tranquilisation, d'une partie convergente 17 assurant la variation de la section de surface A0 à la section de surface Ae. L'ensemble constitue par le gicleur 12 et le canal d'admission forme un injecteur a effet Venturi. Le fluide injecté par le gicleur 12, dit fluide primaire de débit masse note Dmi, entraine par effet Venturi le fluide du milieu extérieur, dit fluide secondaire de dbit masse note Dmm, dans le canal d'admission de la partie 15 a la partie 17.La partie convergente 15 accélère le fluide secondaire jusqu'à un mach MO nettement subsonique dans le plan d'injection 16. Dans ce dit plan, le fluide primaire est injecte d un mach M1, eventuellement supersonique. Le canal 16 opère le mêlange des fluides primaire et secondaire pour amener l'écoulement du fluide de débit masse Dm, égale à la somme des debit masse Dmi et
Dmm, au mach Mme et à la pression Pme à l'entrée de la partie convergente 17.La dite partie convergente 17 opère une acceleration subsonique du fluide jusqu'à un mach Me et une pression Pe, valeur définies par le rapport des sections AO et Ae et les valeurs initiales amonts Mme et Pme. Cette acceleration du mach Mme au mach Me a pour objet d'augmenter le niveau de la vitesse incidente sur la turbine 21 et donc d'augmenter le niveau de puissance de la dite turbine.Ainsi l'injecteur 9 effet Venturi realise une transformation pression-debit masse qui permet par une variation precise et significative sur le niveau de pression Pr du fluide injecte par 12, d'obtenir une variation precise et sensible du debit masse Dm, donc des forces radiales agissant sur les aubes de la turbine, donc sur le régime de rotation de la dite turbine.
Le distributeur 20 est une roue fixe qui a pour objet de modifier le sens du vecteur vitesse de l'écoulement general, de manière à ce que l'incidence du dit ecoulement sur le plan d'entre de la turbine 21 est une valeur optimale au point de fonctionnement nominal du moteur pneumatique.
Cette valeur optimale se définit comme étant la valeur telle que l'angle du vecteur vitesse resultant de la difference vectorielle entre le vecteur vitesse issu du plan de sortie 22 du distributeur 20, et du vecteur vitesse lineaire circonférencielle de l'ecoulement moyen à travers îa turbine 21, avec le plan d'entres de la dite turbine soit egal à l'angle ss sse defini çi avant, au point nominal de fonctionnement. Une variante possible peut titre une roue fixe 20 dont le canal inter-aube constitue un convergent aerodynamique de manière à remplir la meme fonction que la partie convergente 17.
L'ejection du fluide se fait radialement en sortie de la turbine dans l'exemple decrit. Une variante possible de la realisation pratique du dispositif peut etre une éjection axiale. Le canal constitue entre le plan d'section 23 de la roue de turbine 21 et les plans de sortie 24 constitue un canal un divergent subsonique. Le dit divergent realise une recompression generale de l'ecoulement a un niveau proche de la pression du milieu exterieur. A titre d'exemple, et pour un point de fonctionnement donne, la dite recompression peut amener un gain de 20% sur le débit masse Du, et un gain de 30% sur la puissance disponible.
Une variante du dispositif consiste à réaliser au niveau des plans d'ejection 24 une pression P'a inferieur au niveau general Pa du milieu exterieur. Le niveau de puissance nominal du moteur ne varie pas sensiblement; par contre le debit masse injecte Dmi par l'injecteur 12, diminue sensiblement, ce phenoméne caractérisant l'introduction d'une deuxième source d'ewnergie materialisee par P'a au détriment de la source d'energie definie par le fluide primaire sous pression; cependant la precision du contrôle de la vitesse de rotation de la turbine par action sur la pression Pr précitée, diminue.
Les prises de pression statique 27 et 28 sont placees au plus près des plan d'entree et de sortie de la turbine1 en des points les moins perturbés possible.

Claims (2)

  1. REVENDICATIONS
    exterieur.
    - un canal convergent 15 d'admission du fluide
    - un injecteur à efffet Venturi constituè de:
    Revendication l@ un moteur p@eumatique de type à turbine, avec asservissement à une vitesse de rotation, la dite vitesse pouvant varier en continue. comportant:
    - un canal à section constante 16.
    - un canal convergent 17.
    sous pression dans le moteur.
    interchangeable, par lequel est injecté le fluuide
    - un injecteur 12, équipé d'un ajutage
    - une roue fixe de distribution 20.
    - une roue mobile de turbine 21.
    - un divergent 25.
    turbine.
    dans les plans d'entrée 22 et de sortie 23 de la
    et 28. représentatives des pressions statiques régnant
    - un corps 26 équipé de prises de pression statiques 27
    28.
    difrérentielle 4 reilés aux prises de pressions 27 et
    - deux capteurs pié@o-é@e@trique de pression
    - à une valeur consigne.
    validant puis compacant les siggnaux issus des capteurs
    - un ensemble d'aoquisition 6 et de traitement 7
    - un régguiateur@de pressi@n à commande proportinnelle
  2. 2. situe en amont de l'injecteur 12. et sur lequel agit
    l'ordre d'asservissement issu de 7.
    amont du dit régulateur 2.
    - une vanne d'arrêt à commende électrique @, située en
    effet Venturi réalise une transformation de la commande en pression en une commande en débit masse. telle qu'une augmentation dérinie de la pression du fluide injecté par l'ajutage 12. gènère une augmentation définie du débit masse du fluide entrainé par effet Venturi et par voie de conséquence une augmentation définie de la vitesse de rotation de la turbine, et inversement.
    @ le dit moteur stant caracterise an ce que l'injecteur à
    Revendication 2: un moteur pneumatique suivant la revendication 1 caracterise en ce que le regime general de l'écoulement du fluide dans le moteur est subsonique.
    Revendication 3: un moteur pneumatique suivant les revendications 1 et 2 caracterise en ce que le convergent 17 realise une augmentation du niveau de vitesse de l'écoulement du fluide aspire par effet Venturi, augmentant å vitesse de rotation constante de la turbine 21 le niveau de puissance du moteur.
    Revendication 4: un moteur pneumatique suivant les revendications I et 2 caracterise en ce que le divergent 25 augmente la precision relative de la commande en pression par un accroissement du de'bit masse asporé à pression de commande constante.
    Revendication 5: un moteur suivant la revendication I caracterise en ce que la puissance est obtenue par la realisation dlun fort debit masse a l'aide d'un injecteur à effet Venturi.
    Revendication 6: un moteur pneumatique suivant les revendication 1 et 2 caracterise en ce que la différence de pression entre les plans d'entree 22 et de sortie 23 de la turbine, grandeur fiable, significative et representative d la vitesse de rotation de la dite turbine, est acquise par un capteur piezo-electrique de pression différentielle.
    Revendication 7: un moteur pneumatique suivant les revendication 1, 2 et 6 caracterise en ce que au moins deux capteurs piezo-electrique de pression différentielle delivrent chacun une grandeur electrique dont la comparaison permet de deceller une éventuelle anomalie de fonctionnement d'un des dits capteurs, organes de surveillance de la vitesse de rotation instantannee de la turbine.
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