FR2921974A1 - Dispositif de detection de rupture d'arbre de turbine de turbocompresseur - Google Patents
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Abstract
Un dispositif de détection de rupture d'arbre (22) de turbine de turbocompresseur comprend une première roue (32) et une deuxième roue (34) portées par l'arbre de turbine, un capteur (36) situé en regard de la première roue lorsque l'arbre de turbine est intact, et en regard de la deuxième roue lorsque l'arbre de turbine est rompu entraînant un déplacement axial des roues, le capteur étant conçu pour délivrer un signal (SN) ayant une caractéristique représentative de la vitesse de rotation de la roue située en regard, et une unité de traitement (38) reliée au capteur et conçue pour analyser ladite caractéristique de signal et fournir un signal d'anomalie lorsque ladite caractéristique de signal a une valeur qui franchit un seuil correspondant à une vitesse de rotation de roue prédéterminée et/ou lorsque ladite caractéristique de signal a un taux de variation dans le temps qui franchit une limite correspondant à un taux d'accroissement prédéterminé de la vitesse de rotation de roue.
Description
Arrière-plan de l'invention L'invention concerne la détection de la rupture d'un arbre de turbine dans un turbocompresseur. Un domaine particulier d'application de l'invention est la détection de la rupture d'un arbre de turbine à gaz dans un moteur aéronautique ou une turbine industrielle. Dans une turbine de turbocompresseur, les disques de turbine sont dimensionnés pour supporter sans dommage une vitesse de rotation allant jusqu'à une vitesse maximale prédéterminée. En cas de rupture d'arbre de turbine reliant la turbine à un compresseur, la turbine n'est plus contrôlée et sa vitesse de rotation, ou régime, augmente brusquement ce qui peut provoquer l'éclatement des disques lorsque la vitesse de rotation dépasse la vitesse maximale pour laquelle les disques ont été dimensionnés. La présence d'un dispositif de détection de rupture d'arbre de turbine permet de commander une coupure d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion située en amont de la turbine en réponse à la détection d'une rupture d'arbre, donc de limiter la vitesse de rotation maximale atteinte par la turbine. On peut donc alors limiter la masse des disques de turbine qui doivent être dimensionnés en fonction de la vitesse de rotation maximale. Divers dispositifs de détection de la rupture d'un arbre de turbine sont connus. La détection peut être réalisée par un système mécanique ou par comparaison entre les vitesses de rotation mesurées de la turbine et du compresseur. Un autre dispositif connu, décrit dans le document US 4 833 405, utilise deux capteurs associés à une roue phonique portée par l'arbre de turbine afin de détecter un déplacement ou recul de l'arbre causé par sa rupture.
Objet et résumé de l'invention L'invention a pour but de fournir un dispositif de détection capable de réagir de façon fiable à la rupture d'un arbre de turbine de turbocompresseur, par des moyens particulièrement simples.35 Ce but est atteint grâce à un dispositif comprenant : - une première roue et une deuxième roue portées par l'arbre de turbine, - un capteur situé en regard de la première roue lorsque l'arbre de turbine est intact, et en regard de la deuxième roue lorsque l'arbre de turbine est rompu entraînant un déplacement axial des roues, le capteur étant conçu pour délivrer un signal ayant une caractéristique représentative de la vitesse de rotation de la roue située en regard, et - une unité de traitement reliée au capteur et conçue pour analyser ladite caractéristique de signal et fournir un signal d'anomalie lorsque ladite caractéristique de signal a une valeur qui franchit un seuil correspondant à une vitesse de rotation de roue prédéterminée et/ou lorsque ladite caractéristique de signal a un taux de variation dans le temps qui franchit une limite correspondant à un taux d'accroissement prédéterminé de la vitesse de rotation de roue. Comme indiqué plus haut, la rupture de l'arbre de turbine se traduit par une augmentation brusque de la vitesse de rotation de la turbine. En cas de rupture, et grâce à la deuxième roue, le capteur fournit toujours un signal ayant une caractéristique représentative de la vitesse de rotation d'une roue située en regard du capteur, en dépit du déplacement axial de l'arbre rompu. L'analyse de cette caractéristique de signal par mesure de sa valeur et/ou de la valeur de son taux de variation permet donc de détecter cette brusque variation et de réagir en fournissant un signal d'anomalie.
La première roue et la deuxième roue peuvent être des roues phoniques présentant des discontinuités, telles que des dents ou reliefs, réparties de façon régulière à leur périphérie. Dans un mode de réalisation, la première roue et la deuxième roue présentent vis-à-vis du capteur des caractéristiques sensiblement identiques lorsqu'elles sont en regard du capteur de sorte que ladite caractéristique de signal est sensiblement la même avec la deuxième roue qu'avec la première roue pour une même vitesse de rotation. La première et la deuxième roue peuvent être alors deux parties d'une même roue. Dans un autre mode de réalisation, la première roue et la deuxième roue présentent vis-à-vis du capteur des caractéristiques sensiblement différentes lorsqu'elles sont en regard du capteur, de sorte que ladite caractéristique de signal est sensiblement différente avec la deuxième roue en comparaison avec la première roue, pour une même vitesse de rotation. L'unité de traitement peut être conçue pour fournir un signal d'anomalie lorsque ladite caractéristique de signal a une valeur qui franchit un seuil correspondant à un seuil maximum prédéterminé de vitesse de rotation de roue. Le dispositif de détection réagit donc à une rupture d'arbre puisque la vitesse de rotation de la deuxième roue qui se situe alors en regard du capteur augmente brusquement et atteint rapidement le seuil maximum de vitesse prédéterminé. Toutefois, le dispositif de détection peut alors aussi fournir un signal d'anomalie en cas de sur-vitesse de la turbine, la vitesse de rotation de la première roue pouvant atteindre le seuil maximum de vitesse prédéterminé par suite, par exemple, d'un dysfonctionnement au niveau de l'alimentation en carburant de la chambre de combustion située en amont de la turbine. Une distinction peut être possible entre rupture d'arbre de turbine et sur-vitesse en surveillant le taux de variation dans le temps de la caractéristique de signal, l'accroissement de vitesse de rotation étant sensiblement plus élevé dans le cas d'une rupture de l'arbre en comparaison avec une sur-vitesse. Ainsi, l'unité de traitement peut être conçue pour fournir un signal de détection de rupture d'arbre lorsque ladite caractéristique de signal a un taux de variation dans le temps qui franchit une limite correspondant à une limite maximale prédéterminée de taux d'accroissement de vitesse de rotation de roue. On peut aussi concevoir l'unité de traitement pour fournir un signal de détection de rupture d'arbre lorsque ladite caractéristique de signal a une valeur qui franchit un seuil correspondant à un seuil maximum prédéterminé de vitesse de rotation de roue et a un taux de variation dans le temps qui franchit une limite correspondant à une limite maximale prédéterminée de taux d'accroissement de vitesse de roue. Ainsi, on évite la fourniture du signal de détection de rupture d'arbre en cas d'une forte accélération momentanée sans franchissement du seuil maximum de vitesse.
Dans les deux derniers cas ci-dessus, l'unité de traitement peut être conçue pour fournir un signal de détection de sur-vitesse de rotation de l'arbre de turbine lorsque ladite caractéristique de signal a une valeur qui franchit un seuil correspondant à un seuil maximum prédéterminé de vitesse de rotation de roue et a un taux de variation dans le temps qui ne franchit pas une limite correspondant à une limite maximale prédéterminée de taux d'accroissement de vitesse de roue. La caractéristique du signal fourni par le capteur est avantageusement la fréquence de ce signal, représentative de la vitesse de rotation de la roue située en regard du capteur. Selon la technologie choisie pour les roues portées par l'arbre de 10 turbine et pour le capteur, d'autres caractéristiques de signal de capteur peuvent être utilisées, par exemple l'amplitude.
Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description 15 faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue très schématique montrant l'implantation d'un dispositif de détection de rupture d'arbre de turbine selon l'invention, appliqué à un arbre de turbine basse pression dans un 20 moteur à turbine à gaz double corps ; -les figures 2A et 2B sont des vues partielles de détail à échelle agrandie montrant la configuration de l'unité de détection du dispositif de détection de la figure 1 respectivement avec un arbre de turbine intact et après rupture de l'arbre de turbine, selon un mode de réalisation de 25 l'invention ; - la figure 3 montre une courbe illustrant la variation en fonction du temps d'une caractéristique du signal délivré par le capteur de l'unité de détection des figures 2A et 2B, en cas de rupture d'arbre et en cas de sur-vitesse ; 30 - les figures 4A et 4B sont des vues partielles de détail à échelle agrandie montrant la configuration de l'unité de détection du dispositif de détection de la figure 1 respectivement avec un arbre de turbine intact et après rupture de l'arbre de turbine, selon un autre mode de réalisation de l'invention ; 35 - la figure 5 montre une courbe illustrant la variation en fonction du temps d'une caractéristique du signal délivré par le capteur de l'unité de détection des figures 4A et 4B, en cas de rupture d'arbre et en cas de sur-vitesse ; et - la figure 6 à 8 montrent les étapes successives de différents processus de traitement du signal fourni par le capteur de l'unité de détection dans un dispositif de détection conforme à l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci-après dans le cadre de son application à la détection de rupture d'un arbre de turbine basse pression (BP) d'un moteur d'avion à turbine à gaz à deux corps. L'invention n'est toutefois pas limitée à une telle application et peut tout aussi bien être utilisée pour la détection de la rupture de tout arbre de turbine dans une turbine à gaz monocorps ou multicorps pour moteur aéronautique ou turbine industrielle.
La figure 1 montre très schématiquement un moteur d'avion à turbine à gaz avec, de l'amont vers l'aval dans le sens de l'écoulement du flux gazeux, un compresseur basse pression (BP) 10, un compresseur haute pression (HP) 12, une chambre de combustion 14, une turbine HP 16 et une turbine BP 18. La turbine HP 16 est reliée au compresseur HP 12 par un arbre 20 tandis que la turbine BP 18 est reliée au compresseur BP 10 par un arbre 22, les arbres 20 et 22 étant coaxiaux. Une telle configuration est bien connue en elle-même. Une unité 30 de détection de rupture de l'arbre 22 de turbine BP est montée au niveau de la turbine BP 18 ou à proximité de celle-ci et comprend une première roue 32 et une deuxième roue 34 portées par l'arbre 22 et un capteur 36 délivrant un signal ayant une caractéristique représentative de la vitesse de rotation de la roue qui lui fait face. De façon en soi bien connue, les roues 32, 34 peuvent être des roues phoniques, c'est-à-dire des roues présentant des discontinuités régulièrement réparties à leur périphérie. Ces discontinuités peuvent être des dents ou des reliefs. Lorsque l'arbre 22 est intact, le capteur 36 est situé en regard de la première roue 32. La deuxième roue 34 est disposée en amont de la première roue 32 en un emplacement tel qu'elle vient en regard du capteur 36 lorsque l'arbre 22 se rompt, ce qui provoque un déplacement axial, en l'espèce un recul, des roues 32, 34. L'amplitude du recul est connue et fonction du montage de l'arbre 22. L'unité de détection 30 est de préférence disposée au voisinage de l'extrémité aval de la turbine BP 18 pour que l'emplacement de rupture probable de l'arbre se situe en amont de l'unité de détection 30. Le capteur 36 est par exemple de type magnétique ou optique et délivre un signal SN dont une caractéristique S est représentative de la vitesse de rotation de la roue située en regard du capteur, par exemple proportionnelle à la fréquence de passage devant le capteur des discontinuités portées par la roue. La caractéristique S est par exemple la fréquence du signal SN. Une unité de traitement 38 est reliée au capteur 36 de l'unité de détection 30 pour recevoir le signal SN délivré par le capteur. L'unité de traitement 38 peut être intégrée à un boîtier électronique assurant d'autres fonctions de contrôle ou de commande de la turbine ou du moteur, ou peut être logée dans un boîtier indépendant. L'unité de traitement analyse la caractéristique S du signal SN pour fournir un signal d'anomalie lorsque cette caractéristique traduit une vitesse de rotation excessive et/ou un accroissement excessif de vitesse de rotation de la roue située en regard du capteur 36. Dans le mode de réalisation des figures 2A, 2B, les roues 32 et 34 présentent des caractéristiques semblables à leur périphérie, à savoir ici un même nombre de discontinuités. En cas de rupture de l'arbre 22, la roue 34 vient se placer en regard du capteur 36 (figure 2B).
La figure 3 montre la variation en fonction du temps de la caractéristique S du signal SN (par exemple sa fréquence) lorsque se produit, au temps ti, une rupture de l'arbre de turbine, à partir d'un régime de ralenti RAL (courbe A) ou à partir d'un régime plein gaz PG (courbe B). La courbe C montre la variation de la caractéristique S lors d'un passage normal du régime RAL au régime PG. La valeur Smax représente la valeur maximale de la caractéristique S (valeur de seuil) qui correspond à une vitesse de rotation de roue pour un seuil maximum prédéterminé de vitesse de la turbine qui se situe au-delà du régime PG. La prolongation en tirets de la courbe C montre la variation de la caractéristique S en cas de sur-vitesse de la turbine au-delà du régime PG.
Dans le mode de réalisation des figures 4A, 4B, les roues 32 et 34 présentent des caractéristiques différentes à leur périphérie, à savoir ici un nombre plus important de discontinuités à la périphérie de la roue 34 en comparaison avec la roue 32. En cas de rupture de l'arbre, la roue 34 vient se placer en regard du capteur 36 (figure 4B). La figure 5 montre la variation en fonction du temps de la caractéristique S du signal SN (par exemple sa fréquence) lorsque se produit, au temps ti, une rupture de l'arbre de turbine. La venue de la roue 34 en regard du capteur se traduit par une augmentation brutale de la valeur de la caractéristique S. La valeur Smax est alors très rapidement atteinte en partant d'un régime ralenti RAL (courbe E) ou est atteinte immédiatement en partant d'un régime élevé, tel que le régime PG (courbe D) ou même un régime un peu inférieur à celui-ci. La courbe F représente la variation de la caractéristique S lors d'un passage normal du régime RAL au régime PG avec sa prolongation en tirets symbolisant une sur-vitesse, la courbe F étant semblable à la courbe C de la figure 3. Un premier mode de traitement du signal SN par l'unité de traitement 38 est montré par la figure 6. La caractéristique S est mesurée (étape 60) et est comparée à la valeur Smax (étape 62). En cas de non-dépassement de Smax, on revient à l'étape 60. En cas de dépassement de Smax, un signal d'anomalie est fourni (étape 64). En se référant aux figures 3 et 5, on constate que le signal d'anomalie est fourni par l'unité de traitement 38 lorsque l'arbre de turbine s'est rompu, mais aussi en cas de sur-vitesse. En réponse au signal d'anomalie, une interruption de l'alimentation en carburant de la chambre de combustion 14 est commandée. Un deuxième mode de traitement du signal SN par l'unité de traitement 38 est illustré par la figure 7. La caractéristique S est mesurée (étape 70) et le taux de variation dans le temps dS de la caractéristique S est calculé (étape 72). Le taux dS peut être calculé par (Sn-Sn_1)/At dans lequel Sn_1 et Sn sont deux échantillons successifs de S et At la période d'échantillonnage de la valeur de S. Le taux dS est comparé à une valeur limite supérieure dSmax (étape 74). Si la limite dSmax n'est pas dépassée, on revient à l'étape 72. Si la limite dSmax est dépassée, un signal de détection de rupture d'arbre est fourni (étape 76) et on commande l'interruption de l'alimentation en carburant de la chambre de combustion. En se référant aux figures 3 et 5, on constate que le taux d'accroissement de S en cas de rupture d'arbre est sensiblement supérieur au taux d'accroissement de S en cas de passage normal du régime RAL au régime PG et en cas de sur-vitesse. On choisira donc une limite dSmax intermédiaire entre les pentes des courbes A et C de la figure 3 ou entre les pentes des courbes E et F de la figure 5. Un troisième mode de traitement du signal SN par l'unité de traitement 38 est illustré par la figure 8. La caractéristique S est mesurée (étape 80) et le taux de variation dans le temps dS est calculé (étape 82) et comparé à dSmax (étape 84) comme dans le cas de la figure 7. Parallèlement, la valeur de S est comparée à Smax (étape 86) comme dans le cas de la figure 6. Si le seuil Smax est franchi et si la limite dSmax est également franchie, un signal de détection de rupture d'arbre est fourni (étape 90) et on commande l'interruption de l'alimentation en carburant de la chambre de combustion. Si le seuil Smax est franchi et si la limite dSmax n'est pas franchie, un signal de détection de sur-vitesse est fourni (étape 92). On pourra alors commander l'interruption de l'alimentation en carburant de la chambre de combustion, ou forcer une alimentation à débit réduit.
Le dispositif selon l'invention est remarquable en ce que, par des moyens simples, notamment avec un seul capteur, une réaction à une rupture d'arbre de turbine est produite de façon fiable et que le traitement du signal délivré par le capteur peut permettre de différencier entre rupture d'arbre et sur-vitesse.
Claims (10)
1. Dispositif de détection de rupture d'arbre de turbine de turbocompresseur, le dispositif comprenant : - une première roue (32) et une deuxième roue (34) portées par l'arbre de turbine (22), - un capteur (36) situé en regard de la première roue lorsque l'arbre de turbine est intact, et en regard de la deuxième roue lorsque l'arbre de turbine est rompu entraînant un déplacement axial des roues, le capteur étant conçu pour délivrer un signal (SN) ayant une caractéristique (S) représentative de la vitesse de rotation de la roue située en regard, et - une unité de traitement (38) reliée au capteur et conçue pour analyser ladite caractéristique de signal et fournir un signal d'anomalie lorsque ladite caractéristique de signal a une valeur qui franchit un seuil correspondant à une vitesse de rotation de roue prédéterminée et/ou lorsque ladite caractéristique de signal a un taux de variation dans le temps qui franchit une limite correspondant à un taux d'accroissement prédéterminé de la vitesse de rotation de roue.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première roue (32) et la deuxième roue (34) sont des roues phoniques présentant des discontinuités régulièrement réparties à leur périphérie.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la première roue (32) et la deuxième roue (34) présentent vis-à-vis du capteur des caractéristiques sensiblement identiques lorsqu'elles sont en regard du capteur de sorte que ladite caractéristique de signal est sensiblement la même avec la deuxième roue qu'avec la première roue pour une même vitesse de rotation.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première roue et la deuxième roue sont deux parties d'une même roue.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la première roue (32) et la deuxième roue (34) présentent vis-à-vis du capteur des caractéristiques sensiblement différentes lorsqu'elles sont en regard du capteur, de sorte que ladite caractéristique de signal est sensiblement différente avec la deuxièmeroue en comparaison avec la première roue, pour une même vitesse de rotation
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'unité de traitement (38) est conçue pour fournir un signal d'anomalie lorsque ladite caractéristique de signal (S) a une valeur qui franchit un seuil correspondant à un seuil maximum prédéterminé de vitesse de rotation de roue.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce l'unité de traitement (38) est conçue pour fournir un signal de détection de rupture d'arbre lorsque ladite caractéristique de signal (S) a un taux de variation dans le temps qui franchit une limite correspondant à une limite maximale prédéterminée de taux d'accroissement de vitesse de rotation de roue.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'unité de traitement (38) est conçue pour fournir un signal de détection de rupture d'arbre lorsque ladite caractéristique de signal (S) a une valeur qui franchit un seuil correspondant à un seuil maximum prédéterminé de vitesse de rotation de roue et a un taux de variation dans le temps qui franchit une limite correspondant à une limite maximale prédéterminée de taux d'accroissement de vitesse de roue.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'unité de traitement (38) est conçue pour fournir un signal de détection de sur-vitesse de rotation de l'arbre de turbine lorsque ladite caractéristique de signal (S) a une valeur qui franchit un seuil correspondant à un seuil maximum prédéterminé de vitesse de rotation de roue et a un taux de variation dans le temps qui ne franchit pas une limite correspondant à une limite maximale prédéterminée de taux d'accroissement de vitesse de roue.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ladite caractéristique de signal (S) est la fréquence du signal (SN) délivré par le capteur (36).
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