FR2749884A1 - METHOD FOR CONTROLLING A TURBOJETACTOR - Google Patents
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Abstract
Procédé de régulation d'un turboréacteur comprenant un compresseur haute pression, une chambre de combustion et une turbine haute pression, dans lequel les ailettes de rotor de la turbine haute pression sont refroidies au moyen d'air de refroidissement du compresseur haute pression. On mesure la température des ailettes du rotor (Tmetal ) de la turbine haute pression pour éviter une surchauffe. Selon l'invention, on détermine une température relative (Trel ) à l'entrée du rotor à partir de valeurs de mesure de la température de sortie du compresseur (T3 ), de la température des ailettes du rotor (Tmetal ) et d'une valeur ( etaK ) du rendement de refroidissement des ailettes du rotor. Cette valeur représentative est utilisée pour réguler le moteur de telle sorte qu'il n'y ait pas de surchauffe.Method for regulating a turbojet comprising a high pressure compressor, a combustion chamber and a high pressure turbine, in which the rotor fins of the high pressure turbine are cooled by means of cooling air from the high pressure compressor. The temperature of the rotor fins (Tmetal) of the high pressure turbine is measured to prevent overheating. According to the invention, a relative temperature (Trel) at the inlet of the rotor is determined from measured values of the outlet temperature of the compressor (T3), of the temperature of the rotor fins (Tmetal) and of a value (etaK) of the cooling efficiency of the rotor fins. This representative value is used to regulate the motor so that there is no overheating.
Description
La présente invention concerne un procédé de ré-The present invention relates to a method for
gulation d'un turboréacteur comprenant un compresseur haute pression, une chambre de combustion et une turbine haute regulation of a turbojet comprising a high pressure compressor, a combustion chamber and a high turbine
pression dont les ailettes du rotor de la turbine haute pres- pressure of which the rotor blades of the high-pressure turbine
sion sont refroidies par de l'air de refroidissement amené par le compresseur haute pression, la température des ailet- tes du moteur étant mesurée pour éviter une surchauffe. Dans un turboréacteur, la puissance de la turbine dépend directement de la température de sortie de la chambre de combustion qui ne doit pas dépasser une valeur maximale, car sinon on risque une surchauffe des pièces de la turbine are cooled by cooling air supplied by the high pressure compressor, the temperature of the engine fins being measured to prevent overheating. In a turbojet, the power of the turbine depends directly on the outlet temperature of the combustion chamber which must not exceed a maximum value, otherwise there is a risk of overheating of the turbine parts
et en particulier de la couronne de guidage d'entrée. La tem- and in particular the input guide ring. The weather
pérature de sortie de la chambre de combustion ne peut pas se Exhaust temperature of the combustion chamber can not be
mesurer directement, aussi, en pratique, on mesure une tempé- to measure directly, also in practice we measure a temperature
rature dans la zone de la turbine. Pour cela, on utilise des thermoéléments ou des dispositifs de mesure pyrométriques disposés en amont ou en aval de la turbine basse pression qui erosion in the turbine area. For this purpose, thermoelements or pyrometric measuring devices arranged upstream or downstream of the low pressure turbine are used.
mesurent directement la température des ailettes de la tur- directly measure the temperature of the fins of the tur-
bine haute pression ou de la turbine basse pression. high pressure or low pressure turbine.
Pour une mesure pyrométrique, on utilise essen- For a pyrometric measurement, it is essential to use
tiellement la température moyenne du métal des ailettes du rotor à un rayon représentatif de la turbine. Dans le cas the average temperature of the rotor blade metal at a representative radius of the turbine. In the case
d'un moteur dans lequel les ailettes de la turbine sont re- of an engine in which the blades of the turbine are
froidies par de l'air de refroidissement venant de la sortie du compresseur haute pression, la température ne dépend pas uniquement de la température du gaz du flux principal mais cooled by the cooling air coming from the outlet of the high-pressure compressor, the temperature does not depend solely on the temperature of the main flow gas but
également de la température de l'air de refroidissement. also the temperature of the cooling air.
Comme l'air de refroidissement de la turbine haute pression As the cooling air of the high pressure turbine
vient de la sortie du compresseur haute pression, sa tempéra- comes from the output of the high-pressure compressor, its temperature
ture dépend directement du point de fonctionnement du com- ture depends directly on the operating point of the com-
presseur. Dans le cas de différentes mesures d'air et de puissance de l'arbre haute pression, pour une température constante de sortie de chambre de combustion, le point de presser. In the case of different air and power measurements of the high-pressure shaft, for a constant temperature of combustion chamber outlet, the point of
fonctionnement du compresseur haute pression et la tempéra- operation of the high-pressure compressor and the temperature
ture de l'air de refroidissement changent alors que la tempé- cooling air change while the temperature of
rature relative par rapport au rotor de la turbine haute pression reste constante. Du fait que la température de l'air relative height with respect to the rotor of the high pressure turbine remains constant. Because the air temperature
de refroidissement change avec les prises d'air et de puis- of cooling changes with the air intakes and
sance, la température du métal change elle aussi. Un réglage en fonction d'une température du métal prédéterminée comme the temperature of the metal changes as well. An adjustment according to a predetermined metal temperature as
cela se fait généralement de nos jours pour les turboréac- this is usually done nowadays for turbo-jet engines.
teurs militaires, conduit ainsi à ce que la température de sortie de la chambre de combustion se modifie avec la prise d'air et de puissance. On risque ainsi une surchauffe des the combustion chamber outlet temperature changes with the intake of air and power. This can lead to overheating
pièces statiques de la turbine et en particulier de la cou- static parts of the turbine and in particular of the
ronne de guidage d'entrée dans le cas d'une forte prise d'air guideway in the case of a strong air intake
et de puissance.and power.
La présente invention a pour but de fournir un procédé de régulation d'un turboréacteur permettant de régler la température de sortie de la chambre de combustion à une température constante, indépendamment de la prise d'air et de The object of the present invention is to provide a method for regulating a turbojet engine enabling the combustion chamber outlet temperature to be adjusted to a constant temperature, independently of the air intake and the temperature of the combustion chamber.
puissance, sans mesurer les quantités d'air et la puissance. power, without measuring the quantities of air and power.
A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que: - on détermine une température relative représentative à l'entrée du rotor (Trel) à partir des valeurs de mesure de For this purpose, the invention relates to a method of the type defined above, characterized in that: - a representative relative temperature at the rotor inlet (Trel) is determined from the measurement values of
la température de sortie du compresseur et de la tempéra- the outlet temperature of the compressor and the temperature
ture des ailettes du rotor et d'une valeur (YK) du rende- rotor blades and a YK value of
ment de refroidissement et - on utilise la température relative (Trel) pour réguler le cooling and the relative temperature (Trel) is used to regulate the
réacteur, de sorte qu'il n'y ait pas de surchauffe. reactor, so that there is no overheating.
Un avantage essentiel du procédé selon l'inven- An essential advantage of the process according to the invention
tion est que les parties statiques de la turbine haute pres- tion is that the static parts of the high pressure turbine
sion sont protégées contre un dépassement de la température sans qu'il ne faille pour cela mesurer les quantités d'air et are protected against exceeding the temperature without the need for measuring the quantities of air and
de prise de puissance.power take-off.
Selon un développement de l'invention, à partir de la température relative à l'entrée du rotor, on détermine, According to a development of the invention, from the temperature relative to the rotor inlet, it is determined,
au moyen d'une corrélation empirique, une température de sor- by means of an empirical correlation, a temperature of
tie de chambre de combustion ou une température absolue d'entrée de rotor et on régule le moteur de telle sorte que combustion chamber or an absolute rotor inlet temperature and the engine is regulated so that
la température de sortie de chambre de combustion ou la tem- the combustion chamber outlet temperature or the temperature
pérature d'entrée du rotor ne dépassent pas une valeur prédé- rotor inlet temperatures do not exceed a pre-determined
terminée. Cela présente l'avantage qu'avec la température de sortie de chambre de combustion ou la température d'entrée du rotor, on a une valeur de température absolue qui ne doit pas dépasser une température prédéterminée, ou une valeur maximale, pour éviter des dommages causés à la turbine par completed. This has the advantage that with the combustion chamber outlet temperature or the rotor inlet temperature, there is an absolute temperature value which must not exceed a predetermined temperature, or a maximum value, to avoid damage. caused to the turbine by
une surchauffe.overheating.
Selon une autre réalisation de l'invention, on According to another embodiment of the invention,
mesure la température des ailettes du rotor au moyen d'un py- measures the temperature of the rotor blades by means of a py-
romètre à rayonnement et on utilise la valeur de la tempéra- radiation meter and the value of the temperature is used.
ture des ailettes mesurée par le pyromètre pour déterminer la of the fins measured by the pyrometer to determine the
température relative représentative. representative relative temperature.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la valeur du rendement de refroidissement est prise comme constante. According to another characteristic of the invention, the value of the cooling efficiency is taken as constant.
Selon un autre mode de réalisation de l'inven- According to another embodiment of the invention
tion, la valeur du rendement de refroidissement est détermi- the value of the cooling efficiency is determined
née en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur. based on the engine operating parameters.
Cela présente l'avantage que la valeur de la température re- This has the advantage that the value of the temperature
présentative relative à l'entrée du rotor et le cas échéant les valeurs délivrées à partir de cela de la température de sortie de la chambre de combustion, ou de la température d'entrée du rotor puissent être déterminées avec encore plus present on the rotor inlet and, if applicable, the values delivered from that of the outlet temperature of the combustion chamber, or the inlet temperature of the rotor can be determined with even more
de précision et ce qui permet d'augmenter la puissance du mo- precision and which makes it possible to increase the power of
teur sans risquer une surchauffe.without risk of overheating.
Selon un autre développement de l'invention, la According to another development of the invention, the
température de sortie de chambre de combustion ou la tempéra- combustion chamber outlet temperature or temperature
ture absolue d'entrée du rotor est obtenue à partir de la Absolute input of the rotor is obtained from the
température relative à l'entrée du rotor au moyen d'une rela- temperature relative to the rotor inlet by means of a relative
tion fonctionnelle qui comporte la vitesse de rotation du mo- which includes the speed of rotation of the
teur comme variable.as a variable.
Dans ce cas, on peut établir la température abso- In this case, the absolute temperature can be
lue d'entrée du rotor à partir de la température relative d'entrée du rotor au moyen de la fonction: T41/Trel = f (NH/T411/2 1/2- NH/T41 étant la vitesse de rotation NH corrigée, de la the rotor input from the relative rotor input temperature by means of the function: T41 / Trel = f (NH / T411 / 2 1 / 2- NH / T41 being the corrected rotation speed NH, the
turbine haute pression.high pressure turbine.
Selon l'invention, on mesure directement la tem- According to the invention, the temperature is measured directly.
pérature de sortie du compresseur haute pression. output temperature of the high pressure compressor.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la température de sortie du compresseur haute pression est établie à partir de paramètres de fonctionnement du moteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, la température de sortie du compresseur haute pression est utilisée directement pour déterminer la température relative According to another characteristic of the invention, the outlet temperature of the high-pressure compressor is established from operating parameters of the engine. According to another characteristic of the invention, the outlet temperature of the high-pressure compressor is used directly to determine the relative temperature
à l'entrée du rotor.at the rotor inlet.
Enfin, selon une autre caractéristique de l'invention, pour déterminer la température relative à l'entrée du rotor, on utilise une valeur obtenue à partir de la température de sortie du compresseur haute pression et d'autres paramètres de fonctionnement du moteur qui servent pour la température de l'air de refroidissement dans la zone Finally, according to another characteristic of the invention, in order to determine the temperature relative to the rotor inlet, a value obtained from the outlet temperature of the high-pressure compressor and other operating parameters of the engine which serve for the temperature of the cooling air in the area
des ailettes du rotor.rotor blades.
Un exemple de réalisation de l'invention sera dé- An exemplary embodiment of the invention will be
crit à l'aide de l'unique figure.written using the single figure.
La figure montre très schématiquement, un réac- The figure shows very schematically, a reaction
teur pour décrire l'exemple de réalisation du procédé selon l'invention. Comme le montre la figure, le réacteur à réguler, to describe the exemplary embodiment of the method according to the invention. As shown in the figure, the reactor to be regulated,
selon le procédé de l'invention, comprend une chambre de com- according to the method of the invention, comprises a chamber of
bustion 2, un compresseur haute pression 1 relié en amont à la chambre de combustion 2 et une turbine haute pression 4 reliée en aval à la chambre de combustion 2 mise en rotation par le flux de gaz fourni par la chambre de combustion 2 et bustion 2, a high-pressure compressor 1 connected upstream to the combustion chamber 2 and a high-pressure turbine 4 connected downstream to the combustion chamber 2 rotated by the gas flow supplied by the combustion chamber 2 and
entraînant le compresseur haute pression 1 par un arbre 6. driving the high pressure compressor 1 by a shaft 6.
Une partie du flux d'air quittant le compresseur haute pres- Part of the airflow leaving the high pressure compressor
sion 1 contourne la chambre de combustion 2 pour refroidir sion 1 bypasses the combustion chamber 2 to cool
les ailettes du rotor de la turbine haute pression 4. Un com- the rotor blades of the high-pressure turbine 4. A
presseur basse pression, non représenté, peut être monté en aval du compresseur haute pression 1, de même, qu'une turbine basse pression, non représentée, peut être montée en aval de low pressure presser, not shown, can be mounted downstream of the high pressure compressor 1, likewise, a low pressure turbine, not shown, can be mounted downstream of
la turbine haute pression 4.the high pressure turbine 4.
L'air, à une température T1 et une pression P1 aspiré par le réacteur, est comprimé par le compresseur haute The air, at a temperature T1 and a pressure P1 sucked by the reactor, is compressed by the high compressor
pression 1 et est délivré à une température T3 et une pres- pressure 1 and is delivered at a temperature T3 and a pressure of
sion P3. La partie principale de l'air délivré par le com- P3. The main part of the air delivered by the com-
presseur haute pression 1 entre dans la chambre de combustion 2 pour y être brûlé avec le carburant fourni. A la sortie de la chambre de combustion 2, le flux de gaz a une température de sortie de chambre de combustion T4 et une pression P4. Une 1 high pressure press enters the combustion chamber 2 to be burned with the fuel supplied. At the outlet of the combustion chamber 2, the gas flow has a combustion chamber outlet temperature T4 and a pressure P4. A
partie de l'air de refroidissement est mélangée au flux prin- part of the cooling air is mixed with the main flow
cipal dans une couronne de guidage d'entrée 3 de la turbine haute pression 4. La température chute alors de T4 à T41 et in the inlet guide ring 3 of the high-pressure turbine 4. The temperature then drops from T4 to T41 and
la pression de P4 à P41. Le flux de gaz, entrant dans la tur- the pressure of P4 to P41. The flow of gas, entering the tur-
bine haute pression 4, est alors à la température T41 et à la pression P41. La partie de l'air comprimé, délivré par le 4, is then at the temperature T41 and at the pressure P41. The part of the compressed air delivered by the
compresseur haute pression 1 contournant la chambre de com- high pressure compressor 1 bypassing the chamber
bustion 2 pour le refroidissement des ailettes du rotor de la bustion 2 for the cooling of the rotor blades of the
turbine haute pression 4, quitte le compresseur haute pres- high pressure turbine 4, leaves the high pressure compressor
sion 1 également à la température T3 et atteint les ailettes sion 1 also at temperature T3 and reaches the fins
du rotor sous la forme d'air de refroidissement à la tempéra- of the rotor in the form of cooling air at room temperature.
ture TK. La température du flux de gaz peut être décrite par une température relative, représentative, à l'entrée du rotor Trel. Entre cette température relative Trel, la température de l'air de refroidissement TK et la température du métal TK. The temperature of the gas flow can be described by a representative, representative temperature at the entrance of the Trel rotor. Between this relative temperature Trel, the temperature of the cooling air TK and the temperature of the metal
Tmetal mesurée au métal des ailettes du rotor, on a une rela- Tmetal measured at the metal of the rotor blades, we have a relationship
tion donnée par le rendement de refroidissement des ailet- given by the cooling efficiency of the
tes: Trel- Tmetal (1 Trel - Tk La température des ailettes du rotor Tmetal peut être mesurée au moyen d'un dispositif de mesure pyrométrique 5. Comme la température de l'air de refroidissement Tes: Trel-Tmetal (1 Trel - Tk) The temperature of the Tmetal rotor blades can be measured by means of a pyrometer 5. As the temperature of the cooling air
TK est étroitement couplée à la température de sortie du com- TK is closely coupled with the outlet temperature of the
presseur T3, la formule précédente peut être résolue selon la température relative Trel à l'entrée du rotor: Tmetal - Ik T3 Trel 1 (2) Ainsi, on peut déterminer la température relative Trel à l'entrée du rotor à partir des valeurs des mesures de pressure T3, the previous formula can be solved according to the relative temperature Trel at the rotor inlet: Tmetal - Ik T3 Trel 1 (2) Thus, one can determine the relative temperature Trel at the rotor inlet from the values of the measures of
la température de sortie du compresseur T3 et de la tempéra- compressor outlet temperature T3 and the temperature
ture des ailettes du rotor Tmetai et la valeur %K pour le rendement de refroidissement des ailettes du rotor. Cette va- leur de la température relative Trel est celle utilisée pour Tmetai rotor blades and the% K value for the cooling efficiency of the rotor blades. This value of the relative temperature Trel is that used for
réguler le moteur de sorte à éviter une surchauffe de la tur- regulate the motor so as to avoid overheating the tur-
bine haute pression 4 et plus particulièrement de la couronne high pressure 4 and more particularly of the crown
de guidage d'entrée 3 fixe.input guide 3 fixed.
A partir de la température relative Trel à From the relative temperature Trel to
l'entrée du rotor, on peut obtenir, au moyen d'une corréla- the rotor inlet, it is possible to obtain, by means of a correlation
tion empirique, la température de sortie de la chambre de empirical example, the outlet temperature of the chamber of
combustion T4 ou la température d'entrée du rotor T41 en re- T4 combustion or the inlet temperature of the rotor T41 in re-
lation étroite avec celle-ci. Pour éviter une surchauffe des parties 3 et 4 de la turbine haute pression, le moteur est close relationship with it. To avoid overheating parts 3 and 4 of the high pressure turbine, the engine is
réglé de telle sorte que la température de sortie de la cham- adjusted so that the outlet temperature of the chamber
bre de combustion T4 ou de la température d'entrée du rotor T41 ne dépasse pas une valeur prédéterminée, ou une valeur maximale. Combustion point T4 or the inlet temperature of the rotor T41 does not exceed a predetermined value, or a maximum value.
Le rendement de refroidissement %K est approxima- The cooling efficiency% K is approximately
tivement une constante. Suite à une observation plus précise, il s'est avéré que lK ne dépend que faiblement du nombre de Reynold. Le profil de température, radial, du flux des gaz a constant. Following a more precise observation, it turned out that lK depends only slightly on Reynold's number. The temperature profile, radial, of the gas flow
sortant de la chambre de combustion 2 peut influencer locale- leaving the combustion chamber 2 can influence local-
ment le rendement de refroidissement lK. De plus, on a une relation entre la pression de sortie P3 et la température de the cooling efficiency lK. In addition, there is a relationship between the outlet pressure P3 and the temperature of
sortie T3 du compresseur haute pression 1. T3 output of the high pressure compressor 1.
On a une relation étroite entre la température relative d'entrée du rotor Trel et la température absolue There is a close relationship between the relative inlet temperature of the Trel rotor and the absolute temperature
d'entrée du rotor T41. Comme on peut le montrer, par la rela- input of rotor T41. As can be shown, by
tion de continuité (système d'air constant) dans la turbine, le rapport de la température absolue d'entrée du rotor T41 et continuity (constant air system) in the turbine, the ratio of the absolute inlet temperature of rotor T41 and
de la température représentative relative Trel dépend exclu- the relative representative temperature Trel depends exclusively
1/2 sivement de la vitesse de rotation corrigée NH/T41 1 NH étant la vitesse de rotation de la turbine haute pression: T41/Trel = f (NH/T4 1/2) (3) Cette fonction peut être par exemple mise sous 1/2 of the corrected rotation speed NH / T41 1 NH being the speed of rotation of the high pressure turbine: T41 / Trel = f (NH / T4 1/2) (3) This function can be for example put under
forme de tableau et être utilisée pour la régulation du mo- table form and be used for the regulation of the
teur. Ainsi, la température d'entrée du rotor T41 peut être tor. Thus, the inlet temperature of the rotor T41 can be
déterminée en fonction de la vitesse de rotation de la tur- determined according to the speed of rotation of the tur-
bine NH et de la température relative Tre1 représentative. Cette dernière peut elle même être calculée à partir de la bine NH and the relative temperature Tre1 representative. The latter can itself be calculated from the
température Tmetal des ailettes du rotor mesurée par le dis- Tmetal temperature of rotor blades measured by the disc
positif de mesure pyrométrique, de la température de sortie du compresseur T3 et du rendement de refroidissement %K des the pyrometer, the compressor outlet temperature T3 and the cooling efficiency% K of the
ailettes du rotor, comme montré précédemment. rotor fins, as shown previously.
On peut facilement déterminer la température de sortie de chambre de combustion T4 à partir de la température d'entrée du rotor T41 à l'aide d'une multiplication par un The combustion chamber outlet temperature T4 can be easily determined from the inlet temperature of the rotor T41 by means of a multiplication by a
facteur constant.constant factor.
D'après le procédé de l'invention, à la place d'une valeur limite pour la température Tmetal des ailettes According to the process of the invention, instead of a limit value for the temperature Tmetal fins
de la turbine mesurée par un dispositif de mesure pyrométri- of the turbine measured by a pyrometric measuring device
que, on utilise pour la régulation du moteur une valeur li- that a motor value is used for the regulation of the engine
mite de la température de sortie de la chambres de combustion T4 ou de la température d'entrée du rotor T41. Ainsi, les pièces de la turbine, en particulier les parties statiques 3 mite of the outlet temperature of the combustion chamber T4 or the inlet temperature of the rotor T41. Thus, the parts of the turbine, in particular the static parts 3
peuvent être garanties contre les hautes températures qui ap- can be guaranteed against the high temperatures that
paraissent dans une régulation conventionnelle par les mesu- appear in conventional regulation by the measures
res des grandes quantités d'air et de puissances importantes. large quantities of air and significant power.
La mesure de la quantité d'air et de la puissance n'est pas nécessaire. The measurement of the amount of air and the power is not necessary.
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