FR2687729A1 - Dispositif d'autocommande de l'angle de positionnement des aubages a calage variable de turbomachines. - Google Patents

Abstract

Un dispositif d'autocommande de l'angle de positionnement d'aubages à calage variable de compresseur axial de turbomachine comporte: - un moyen de mesure (10) de la vitesse de rotation N de la turbomachine, - un moyen de mesure (21) de la pression Ps en sortie du compresseur, dépendant de l'angle de positionnement des aubages à calage variable, - un moyen de comparaison (17-20, 22) établie entre les deux valeurs précédemment mesurées, ledit moyen de comparaison élaborant un signal de sortie appliqué à l'entrée de commande d'un moyen d'actionnement (30) d'un moyen de déplacement (29) desdits aubages a calage variable (29a).

Description

DISPOSITIF D'AUTOCOMNANDE DE L'ANGLE DE POSITIONNENENT DE8
AUBADES A CALAGE VARIABLE DE TURBOMACHINES
La présente invention concerne un dispositif d'autocommande de l'angle de positionnement des aubages à calage variable de turbomachines, applicable notamment aux compresseurs axiaux.

Un souci permanent des concepteurs de moteurs d'avions est d'optimiser les conditions de fonctionnement en tous points, du démarrage au fonctionnement plein gaz. Un des éléments de cette optimisation est la réduction des instabilités aérodynamiques, notamment des risques de pompage ou de décollement tournant, au niveau des aubes. De tels phénomènes ont souvent pour origine des angles d'attaque de l'écoulement de l'air très importants par rapport aux profils d'aubes, provoquant le décollement de l'écoulement de l'air sur l'extrados des aubes et l'apparition des instabilités de fonctionnement. La figure 1 jointe schématise ce phénomène. La flèche 1 désigne la direction d'écoulement de l'air et la flèche 2 le sens de rotation de l'aube 3. Le décollement est symbolisé en 4.Afin de limiter ces phénomènes, il est désormais connu d'utiliser des grilles d'aubes, statoriques et/ou rotoriques, réglables en position, également dénommées aubages à calage variable.

Toutefois, dans les solutions actuellement utilisées, cette géométrie variable est commandée par une loi programmée en boucle ouverte, donc sans retour d'asservissement, ce qui présente de nombreux inconvénients parmi lesquels une certaine imprécision de commande et une optimisation incomplète des conditions de fonctionnement de la turbomachine.

Par ailleurs, le doçument US.A.4.252.498 décrit un système de contrôle pour compresseurs axiaux comprenant des aubages redresseurs à calage variable.

Ce système comprend - un premier capteur détectant une pression du compresseur dépendant de l'angle de positionnement des aubes, - un deuxième capteur détectant une pression indépendante de l'angle de positionnement des aubes mais en relation avec la vitesse de rotation du moteur, - un moyen pour effectuer le rapport des deux pressions détectées, - une unité de contrôle connectée au mécanisme de commande de l'ajustement de l'angle de positionnement des aubes.

La solution proposée dans ce document permet l'autocommande de l'angle de positionnement des aubages à calage variable, par la détection de deux pressions dans le compresseur et par l'utilisation de moyens pneumatiques. Cette solution qui ne donne pas entière satisfaction dans toutes les applications laisse cependant subsister le besoin d'une solution plus satisfaisante ne mettant pas en oeuvre des moyens pneumatiques et faisant appel à des paramètres différents.

Le dispositif d'autocommande de l'angle de positionnement d'aubages à calage variable de compresseur du type précité, conforme à l'invention et répondant aux conditions notées cidessus est caractérisé en ce qu'il comporte - un moyen de mesure de la vitesse de rotation de la turbomachine, - un moyen de mesure de la pression en sortie du compresseur, dépendant de l'angle de positionnement des aubages à calage variable, - un moyen de comparaison établie entre les deux valeurs mesurées par les deux moyens précédents respectivement et en ce que le signal de sortie élaboré par ledit moyen de comparaison est appliqué à l'entrée de commande d'un moyen d'actionnement d'un moyen de déplacement desdits aubages à calage variable.

Avantageusement des moyens hydromécaniques comportant notamment une balance en équilibre entre les efforts générés par lesdits moyens de mesure, respectivement de vitesse et de pression, sont utilisés de manière à répercuter, notamment par potentiomètre hydraulique double, les variations relevées sur le moyen d'actionnement du déplacement des aubages, constitué par un vérin à double effet alimenté par une pompe hydraulique volumétrique.

D'autres 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, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 qui a été précédemment décrite représente schématiquement un écoulement d'air au voisinage d'une aube de compresseur - la figure 2 représente une vue schématique d'ensemble du dispositif d'autocommande de l'angle de positionnement des aubages à calage variable de compresseur conforme à l'invention - la figure 3 représente schématiquement le triangle des vecteurs de vitesse de l'écoulement d'air dans le compresseur - la figure 4 montre une courbe représentant les variations du coefficient de portance Cz d'un aubage, en ordonnées, en fonction de l'angle d'incidence i dans l'écoulement, en abscisses ; - la figure 5 représente, selon une vue partielle analogue à celle de la figure 2, une variante de réalisation du dispositif représenté sur la figure 2.

Un dispositif d'autocommande de l'angle de positionnement des aubages à calage variable de compresseur réalisé conformément à l'invention est schématiquement représenté sur la figure 2.

Ce système comprend - un détecteur de vitesse de rotation 10 d'un type connu en soi à masselottes, - une came coulissante 11 suspendue sur des glissières 12 et 13 et associée, d'une part, à un ressort 14 et à un galet 15 et ressort 16.

- une balance constituée d'un levier 17 articulé autour d'un axe 18 et associé à - d'un côté, un galet d'appui 19 réglable en position au moyen d'un dispositif 20, par exemple à vis et soumis à l'action d'un soufflet 21 relié à la pression de sortie Ps du compresseur à haute pression d'une turbomachine.

- de l'autre côté, un double potentiomètre hydraulique 22 dont les deux branches 23, 24 sont terminées par une buse 25, 26 respectivement et comportent une restriction, 27 et 28 respectivement.

Le contact entre la came 11 et la coupelle 16a du ressort 16 est assuré au moyen d'un ressort 16b.

Un dispositif de déplacement des aubages est schématisé en 29 et est actionné par un vérin 30 à double effet qui est alimenté par une pompe volumétrique 31 par l'intermédiaire dudit potentiomètre hydraulique double 22 lié à la balance.

On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif d'autocommande qui vient d'être décrit.

La figure 3 définit une somme vectorielle 5 de la vitesse 2 due à la rotation du rotor et de la vitesse 6 de l'écoulement d'air.

Le résultat recherché, afin d'éviter les instabilités aérodynamiques en cours de fonctionnement du compresseur et les phénomènes préjudiciables associés tels que pompage ou décollement tournant, comme cela a été précédemment évoqué dans l'introduction, est de maintenir un angle d'incidence i constant par rapport au profil de l'aube, i étant l'angle de la vitesse 5 définie ci-dessus.

La figure 4 montre les variations du coefficient de portance
Cz du profil en fonction des variations dudit angle i d'incidence du profil dans l'écoulement. La valeur d'angle io correspond à la zone d'instabilité du profil où le coefficient Cz, après avoir augmenté en même temps que i, va décroître si l'incidence i devient supérieure à io. L'angle constant i choisi devra être inférieur à io et la différence i - io constitue une garde au pompage de l'aubage concerné.

Le détecteur à masselottes 10 est entraîné par la turbomachine par l'intermédiaire de la chaîne cinématique de prise de mouvement des équipements qui lui est toujours adjointe. La vitesse de rotation des masselottes symbolisée par la flèche 32 sur la figure 2 est par conséquent égale ou proportionnelle à la vitesse de rotation N de la turbomachine et de forme KN, K étant un facteur constant.La force F générée par les masselottes 10 a la forme
F = KN2 (A)
Par l'intermédiaire de la came 11 qui peut glisser sur les glissières 12 et 13 et venir s'appuyer sur le ressort 14, la force F, si kl désigne la rigidité du ressort 14 et x le déplacement, est équilibrée suivant
F = kl x (B)
Des relations (A) et (B), on déduit
KN2 = f(x)
Le profil de la came 11 a été déterminé de façon à obtenir y = g(x) avec KN2 = y2 d'où il résulte : y = N
Le déplacement obtenu au ressort 16 est donc une fonction linéaire de la vitesse de rotation N de la turbomachine. Si k2 désigne la rigidité du ressort 16, on obtient un effort F1 exercé sur le levier 17 de balance F1 = k2Y et cet effort F1 est proportionnel à la vitesse de rotation au régime N de la turbomachine.Le point d'application de cet effort F1 sur le levier 17 est à une distance a de l'axe 18.

Le point d'application du galet 19 sur le levier 17 est à une distance Z de l'axe 18. Par suite l'effort F3 produit par le soufflet 21 soumis à la pression Ps de sortie du compresseur à haute pression est de la forme
F3 = Ps X S
S étant la section efficace dudit soufflet 21.

L'équilibre du levier 17 de balance conduit à la relation a.F1 = Z. Ps. S
La variable de pression Ps varie comme le débit d'air Q qui traverse le compresseur et on obtient al.N = Z.Q + C
La constante C du système peut être annulée au moyen d'un ressort 33 lié au levier 17 et permettant la remise à zéro.

Comme il est connu, le débit d'air Q peut s'exprimer en fonction de V1, vitesse d'écoulement d'air représentée en 6 sur la figure 3 et de Sv, section de la veine fluide dans le compresseur
Q = V1 . Sv d'où al . N = Z . V1 . Sv et Z = al . N / V1 . Sv ou Z = k4 . N / V1 (C)
Si on se reporte à la figure 3, en désignant par u la vitesse 2 de rotation du rotor tg i = u : V1
Régler la valeur N / V1 équivaut à régler, dans le triangle des vitesses, comme représenté sur la figure 3, l'angle i d'incidence relative de l'écoulement de l'air sur les aubes.

Comme u = k5 . N si V1/N = V1 / u / K5 = C1 alors 1 / tg i = C2 et i = C3
C1, C2 et C3 étant des constantes
On tire de la relation (C) ci-dessus
Z = k4 . N / V1 ou Z = k4 . u / K5 . V1 et Z = k6 . u / V1 d'où : Z = k6 . 1 / tg i
Il en résulte que la valeur choisie de l'angle i d'incidence est réglée par le paramètre Z, quelle que soit la valeur de
N, vitesse de rotation du moteur.

Comme précédemment indiqué, le dispositif 20 permet de régler la valeur du paramètre Z.

La pompe volumétrique 31 qui alimente le vérin 30 de commande du dispositif 29 de déplacement des aubages est associé à un diaphragme 34 vers un circuit à la pression de carter P2 et a un débit Q1 = k7 . N1 = k8 (P1 - Par N1 étant la vitesse de rotation de la pompe 31 et P1 la pression à la sortie de la pompe 31.

Or P1 - P2 = c . N12 = c' . N2
En conséquence, si N croît, P1 croit aussi. Par suite les efforts de commande disponibles sur les aubages croissent avec la vitesse du moteur. Cet accroissement est avantageux car on sait par ailleurs que les efforts aérodynamiques s'exerçant sur les aubes sont proportionnels au carré de la vitesse relative de l'air.

L'asservissement en position des aubages, notamment en maintenant l'angle d'incidence i de la vitesse représentée en 5 sur la figure 3, somme de la vitesse due à la rotation du rotor et de la vitesse d'écoulement de l'air constant par rapport au profil de l'aube, est obtenu de la manière suivante. Le fluide hydraulique délivré par la pompe 31 à la pression P1 par un conduit 35 et à travers un filtre 36 alimente le double potentiomètre hydraulique 22 et à travers les restrictions 27, 28 les buses 25 et 26 dont les perçages sont identiques. Lorsque le levier 17 de balance est en équilibre, les écarts el entre la buse 26 et le levier et e2 entre la buse 25 et le levier sont égaux. Les débits traversant les restrictions 27 et 28 sont égaux et produisent par conséquent la même perte de charge.Les deux chambres 37 et 38 du vérin à double effet 30 alimentées respectivement par les circuits 39 et 40 sont à la même pression et le vérin 30 qui actionne le dispositif 29 de déplacement des aubages en calage est immobilisé.

Par contre, lorsque la vitesse N de rotation de la turbomachine croît, le détecteur 10 suit et l'effort qu'il produit augmente. Le ressort 14 est comprimé et la came 11 se déplace, comprimant le ressort 16 par l'intermédiaire du galet 15. L'effort F1 exercé sur le levier 17 augmente et le levier 17 est déséquilibré et a un mouvement autour de l'axe 18 dans le sens anti-horaire, selon la représentation d'un mode de réalisation sur la figure 2. Il en résulte une modification des écarts el et e2 au niveau des buses 25 et 26 du potentiomètre hydraulique 22 : el augmente et e2 diminue.

La réduction de e2 diminue le débit de fluide traversant la buse 25 et la restriction 27. La baisse de charge correspondante décroît et le niveau de pression augmente dans le circuit 40 et dans la chambre 38 du vérin 30. Par un effet inverse, l'augmentation de el augmente le débit de fluide traversant la buse 26 et la restriction 28. L'augmentation de charge correspondant fait chuter le niveau de pression dans le circuit 39 et dans la chambre 37 du vérin 30. Sous ces actions, le piston 41 du vérin 30 va se déplacer vers la droite, selon la représentation de la figure 2 et par l'intermédiaire du dispositif 29, les aubages sont repositionnés à l'angle d'incidence î optimal correspondant aux nouvelles conditions aérodynamiques du flux.Il en résulte une amélioration des performances du compresseur, d'où une augmentation de la pression de sortie Ps. La force
F3 produite par le soufflet 21 augmente. Le levier 17 de la balance revient ainsi à son équilibre, égalisant les écarts el et e2 à nouveau. Les pressions dans les circuits 39 et 40 et dans les chambres 37 et 38 du vérin 30 s'égalisent également et le vérin 30 est immobilisé.

De manière similaire, lorsque la vitesse N de rotation de la turbomachine décroît, le détecteur 10 suit également et l'effort produit diminue.

L'effort F1 diminue également et le levier 17 tourne dans le sens horaire autour de l'axe 18, selon la représentation de la figure 2.

Il en résulte une diminution de l'écart el et une augmentation de l'écart e2 au niveau respectif des buses 26 et 25. Le niveau de pression augmente dans le circuit 39 et dans la chambre 38 du vérin 30 et le niveau de pression diminue dans le circuit 40 et dans la chambre 37 du vérin 30.

Le piston 41 du vérin 30 se déplace par conséquent vers la gauche, selon la représentation de la figure 2 et par l'intermédiaire du dispositif de déplacement 29, les aubages sont réorientés à l'incidence i optimale.

En outre, par suite des nouvelles conditions de fonctionnement et de la diminution du régime N de la turbomachine, la pression Ps à la sortie du compresseur diminue, d'où une réduction de l'effort F3 produit par le soufflet 21. En conséquence, le levier 17 de balance retrouve son équilibre
Le potentiomètre hydraulique 22 revient également à l'équilibre et à l'égalité des écarts respectifs el et e2 des buses 26 et 25. Le niveau de pression redevient égal dans les conduits 39 et 40 et dans les chambres 37 et 38 du vérin 30 qui s'immobilise.

L'invention permet par conséquent d'obtenir un asservissement de l'angle d'incidence relative de l'air par rapport aux aubages de compresseur en fonction des conditions de fonctionnement de la turbomachine de manière à éviter l'apparition de phénomènes d'instabilité aérodynamique au niveau des aubages provoquant le pompage du compresseur ou un phénomène de décollement tournant. C'est ainsi un paramètre physique, l'angle d'incidence relative de l'aubage directement concerné par ces phénomènes, qui est régulé. Les paramètres choisis, vitesse de rotation de la turbomachine et pression de sortie du compresseur, sont directement liés au triangle de vitesse de l'écoulement d'air dans les aubages.

Une optimisation permanente est obtenue dans toutes les conditions de fonctionnement, ralenti ou plein gaz, de la turbomachine. L'asservissement proposé par l'invention est ensuite associé à des moyens classiques de réglage du débit d'air dans les étages d'entrée du compresseur tels que vannes de décharge, stators à calage variable ou roue directrice d'entrée à calage variable.

Par ailleurs, en fonction de divers paramètres influant sur les conditions de fonctionnement de la turbomachine tel que son état thermique, son état de vieillissement, les conditions de distorsion d'écoulement à l'entrée, une optimisation est recherchée à la valeur de consigne qui est donnée à l'angle i d'incidence relative.

Certaines variantes de réalisation peuvent être envisagées en conservant les caractéristiques de l'invention qui restent associées aux mêmes avantages..

Par exemple, comme schématiquement représenté sur la figure 5, un étage de puissance 42 complémentaire peut être adjoint pour obtenir un temps de réponse plus bref du système et tenir compte de la valeur des efforts à fournir aux vérins de commande 30.

La solution décrite en référence à la figure 2 comportant l'utilisation de moyens hydromécaniques peut être associée à des moyens électroniques à calculateur qui permettent d'élaborer une valeur de consigne de l'angle i d'incidence relative de la vitesse de l'air par rapport à l'aubage.

Par ailleurs, des moyens à technologie électronique numérique peuvent être utilisés pour la mesure des paramètres utilisés, l'élaboration d'une valeur de consigne et les corrections de la boucle de commande des moyens d'actionnement proprement dits qui peuvent être hydromécaniques à servovalve ou à moteur électrique.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'autocommande de l'angle de positionnement

d'aubages à calage variable de compresseur axial de

turbomachine caractérisé en ce qu'il comporte - un moyen de mesure (10) de la vitesse de rotation N de la

turbomachine, -un moyen de mesure (21) de la pression Ps en sortie du

compresseur, dépendant de l'angle de positionnement des

aubages à calage variable, - un moyen de comparaison (17-20,22) établie entre les deux

valeurs mesurées par les deux moyens précédents

respectivement

et en ce que le signal de sortie élaboré par ledit moyen

de comparaison est appliqué à l'entrée de commande d'un

moyen d'actionnement (30) d'un moyen de déplacement (29)

desdits aubages à calage variable (29a).

2. Dispositif d'autocommande selon la revendication 1 dans

lequel ledit moyen de comparaison est constitué par une

balance comportant un levier (17) articulé autour d'un axe

(18), deux forces sont appliquées sur ledit levier (17) de

part et d'autre de l'axe (18), une première force F1

générée par ledit moyen de mesure (10) de la vitesse de

rotation N de la turbomachine et une deuxième force F3

générée par ledit moyen de mesure (21) de la pression Ps

en sortie du compresseur, de manière que le déséquilibre

de la balance correspondant à un déplacement dudit levier

(17) répercuté sur ledit moyen d'actionnement (30)

provoque une variation de l'angle de positionnement des

aubages (29a).

3. Dispositif d'autocommande selon l'une des revendications 1

ou 2 dans lequel ledit moyen d'actionnement est constitué

par un vérin à double effet (30) alimenté par une pompe

hydraulique volumétrique (31) par l'intermédiaire d'un

potentiomètre hydraulique double (22) comportant deux

buses (25,26) respectivement disposés de part et d'autre

d'une extrémité dudit levier (17) de balance.

4. Dispositif d'autocommande selon l'une des revendications 2

ou 3 dans lequel ledit moyen de mesure de la vitesse N de

rotation de la turbomachine comporte un détecteur à

masselottes (10) qui génère ladite force F1 au moyen d'un

ressort (16), un galet (15) et une came (11) qui se

déplace à l'encontre d'un ressort (14).

5. Dispositif d'autocommande selon l'une quelconque des

revendications 2 à 4 dans lequel ledit moyen de mesure de

la pression Ps en sortie du compresseur comporte un

soufflet (21) appliquant ladite force F3 sur le levier

(17) par l'intermédiaire d'un galet (19).

6. Dispositif d'autocommande selon la revendication 5 dans

lequel un dispositif de réglage (20) permet de régler la

distance entre ledit galet (19) et l'axe (18)

d'articulation du levier (17) de balance.

7. Dispositif d'autocommande selon la revendication 3 dans

lequel un étage de puissance complémentaire (42) est

disposé sur le circuit d'alimentation dudit vérin (30).

8. Dispositif d'autocommande selon la revendication 1 dans

lequel lesdits moyens de mesure et de comparaison sont

réalisés par des moyens technologiques d'électronique

numérique.