FR3114608A1 - Procédé de commande d’une turbomachine visant à éviter les survitesses - Google Patents

Abstract

Dans le procédé de commande de la turbomachine (2), un flux de gaz (28) alimente une chambre de combustion (10) en vue de faire tourner au moins un organe (14). Le procédé comprend les étapes de :- surveiller si se produit au moins un événement indiquant qu’une vitesse de l’organe (14) dépasse un seuil prédéterminé ; et- si l’événement se produit, dévier au moins une partie du flux (28) afin que cette partie du flux n’alimente pas la chambre de combustion. Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé de commande d’une turbomachine visant à éviter les survitesses

DOMAINE DE L’INVENTION

L'invention concerne les turbomachines, en particulier les turboréacteurs et les turbopropulseurs d’aéronefs.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Un turboréacteur d’avion à double corps comporte, d’amont en aval par référence aux flux de gaz, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. Les compresseurs compressent les gaz avant leur combustion dans la chambre. L’éjection des gaz en sortie de cette dernière entraine en rotation les turbines haute pression et basse pression. La première entraine en rotation le compresseur haute pression et la seconde le compresseur basse pression, ainsi que la soufflante.

Il est connu du document FR-3 075 063 d’équiper un tel turboréacteur d’un système d’arrêt en survitesse pour éviter qu’il s’emballe et qu’il génère un danger et menace l’aéronef, ses passagers et son environnement. Dans ce document, la détection d’une survitesse sur la turbine basse pression déclenche la destruction volontaire d’au moins une aube de la turbine, ce qui entraine son blocage et celui des pièces tournantes du moteur. Il s’agit d’un moyen d’arrêt mécanique qui implique la destruction de la turbine pour stopper le moteur.

Mais cette solution engendre tout de même des problèmes de sécurité puisqu’elle entraine la casse de pièces à l’intérieur du moteur, ce qui à son tour peut entrainer l’expulsion d’éléments hors du moteur. Cette expulsion risque d’endommager l’aéronef, de blesser ses occupants et d’altérer des infrastructures au sol.

Elle pose aussi des problèmes économiques. En effet, alors que la tendance actuelle est de concevoir des moteurs dont la durée de vie soit plus longue et qui puissent être utilisés avec le moins d’interruptions possibles, cette méthode nécessite ensuite d’immobiliser le moteur pour le réparer et de disposer autant que possible de pièces de rechange sans délai.

Un but de l’invention est donc de répondre à une situation de survitesse du moteur sans qu’il représente un danger et sans menacer sa capacité à être réutilisé.

A cet effet, on prévoit selon l’invention un procédé de commande d’une turbomachine dans laquelle un flux de gaz alimente une chambre de combustion en vue de faire tourner au moins un organe, le procédé comprenant les étapes de :

- surveiller si se produit au moins un événement indiquant qu’une vitesse de l’organe dépasse un seuil prédéterminé ; et

- si l’événement se produit, dévier au moins une partie du flux afin que cette partie du flux n’alimente pas la chambre de combustion.

Ainsi, la déviation du flux engendre une perte de charge dans la chambre de combustion. Cela fait chuter la pression dans la turbomachine et y annule rapidement l’effet de détente. Il s’ensuit un effondrement de la performance jusqu’à l’arrêt du moteur. On parvient ainsi à le stopper sans aucune destruction de pièce.

De plus, si la machine est un moteur d’aéronef et dispose d’une soufflante et si la turbine constitue aussi une génératrice d’électricité, la turbine peut continuer à tourner grâce au flux d’air entrant dans la soufflante de sorte que la fourniture d’électricité par la turbine peut se poursuivre.

On peut aussi prévoir de remettre immédiatement la machine en fonctionnement, en particulier si elle continue de tourner grâce à la soufflante, une fois résolu le problème ayant engendré la survitesse.

L’invention permet donc de préserver la durée de vie de la machine et sa fréquence d’utilisation.

S’il s’agit d’un moteur d’aéronef, l’absence de casse volontaire de pièce procure des avantages considérables. En effet, elle réduit les menaces contre l’aéronef, ses occupants et son environnement. De plus, elle permet un gain significatif en opération pour les flottes d’aéronefs puisqu’il n’y a pas de changement de pièce. Elle procure un gain économique puisqu’on sauvegarde des pièces parmi lesquelles certaines coûtent cher, comme les disques de turbine. Enfin, elle minimise les temps de maintenance et la turbine est réutilisable en l’état sans nécessiter de démontage. Elle diminue donc le temps d’immobilisation des aéronefs au sol.

On peut prévoir que l’organe est l’un des organes suivants :

- un compresseur basse pression,

- un compresseur haute pression,

- un turbine haute pression, et

- une turbine basse pression.

Avantageusement, l’événement est qu’une distance entre un rotor et un stator de la turbomachine franchit un seuil prédéterminé.

En effet, alors que le procédé du document antérieur précité met en œuvre la détection du franchissement d’un seuil de vitesse, on prévoit ici de détecter le franchissement d’un seuil de distance. Cela permet d’avoir un temps de réaction plus rapide et de détecter très tôt l’apparition d’une survitesse. Or cette dernière altère les pièces en elle-même du fait de la pression et de la température qu’elle engendre et elle induit aussi des usures et des ouvertures de jeux elles aussi irréversibles. On évite donc que la machine atteigne une trop grande vitesse de rotation qui pourrait produire des dommages irréversibles. Cette caractéristique réduit donc encore la nécessité de changer des pièces si la survitesse apparaît.

S’il s’agit d’un moteur d’aéronef, les jeux entre le rotor et le stator sont connus suivant les phases de vol. Ils sont définis par exemple le cas échéant en fonction de la vitesse de rotation de la turbine basse pression. On peut ainsi définir à partir de quelle valeur on se trouve en présence d’une survitesse.

Le cas échéant, l’invention permet de détecter la survitesse avant de détecter une anomalie dans le rapport N1/N2 entre la vitesse N1 du compresseur basse pression et celle N2 du compresseur haute pression, ou encore avant de détecter l’augmentation de la température des gaz d’échappement (EGT ouExhaust Gas Temperature) qui sont souvent détectées trop tard. En réduisant la température, ce procédé respecte le domaine de température des disques de turbine.

La détection du franchissement d’un seuil de distance implique en général que le rotor et le stator ne sont pas venus en contact l’un avec l’autre à l’endroit de la détection. Elle a donc un caractère préventif dans la mesure où elle déclenche une alerte avant que cette mise en contact ait engendré un dommage à cet endroit.

On peut prévoir en outre que la distance s’étend suivant une direction d’un axe principal de la turbomachine.

On peut prévoir que l’événement est qu’un rotor de la turbomachine déplace une partie d’un stator de la turbomachine.

À la différence du caractère préventif de la détection du franchissement d’un seuil de distance expliqué plus haut, la détection du déplacement d’une partie du stator à cette fois un caractère curatif puisque le déplacement est détecté une fois qu’il a eu lieu.

On peut prévoir que l’événement a lieu dans l’organe.

Dans un mode de réalisation, la turbomachine étant à double flux et le flux étant un flux principal, une vanne dévie la partie du flux vers un flux secondaire.

On prévoit également selon l’invention une turbomachine comprenant :

- au moins un organe monté tournant,

- une chambre de combustion agencée pour être alimentée par un flux de gaz en vue de faire tourner l’organe,

- au moins un capteur de détection d’un événement indiquant qu’une vitesse de l’organe dépasse un seuil prédéterminé,

- une vanne de décharge d’air s’étendant en amont de la chambre de combustion par référence au flux, et

- des moyens aptes, si l’événement se produit, à commander la vanne pour dévier au moins une partie du flux afin que cette partie du flux n’alimente pas la chambre de combustion.

DESCRIPTION DES FIGURES

Nous allons maintenant présenter un mode de réalisation de l'invention à titre d'exemple non-limitatif à l'appui des dessins sur lesquels :

la est une demi-coupe axiale d’un turboréacteur d’avion formant un mode de réalisation de l’invention ; et

les à 4 sont trois vues à plus grande échelle de détails de la figure précédente montrant l’emplacement de trois capteurs de ce mode de réalisation.

DESCRIPTION DETAILLEE

Dans le présent mode de réalisation de l’invention, la turbomachine 2 est un turbo réacteur d’avion à double flux et double corps. Elle délimite donc une veine principale et une veine secondaire. Cette machine est globalement à symétrie de révolution autour d’un axe longitudinal X–X.

Elle comporte, d’amont en aval par référence aux flux de gaz, une soufflante 4, un compresseur basse pression 6, un compresseur haute pression 8, une chambre de combustion 10, une turbine haute pression 12 et une turbine basse pression 14. Dans la veine principale, les compresseurs 6, 8 compressent les gaz avant leur combustion dans la chambre 10. L’éjection des gaz en sortie de cette dernière entraine en rotation les turbines haute pression 12 et basse pression 14. La première 12 entraine en rotation le compresseur haute pression 8 au moyen d’un arbre haute pression 16 et la seconde 14 le compresseur basse pression 6 au moyen d’un arbre basse-pression 18 coaxial à l’arbre haute pression 16 et s’étendant dans ce dernier. Elle entraine aussi la soufflante 4 éventuellement par l’intermédiaire d’un réducteur. La soufflante génère un flux d’air 30 dans la veine secondaire.

La soufflante 4, les compresseurs 6, 8 et les turbines 12, 14 sont montés tournants autour de l’axe X-X et forment un rotor 20 de la machine. Cette dernière comprend également des parties fixes, notamment un carter 22, qui forment un stator 24. Le carter 22 comprend un carter interne de veine secondaire 23, un carter interturbine 25 et un carter d’échappement 29.

En aval de la soufflante 4, un premier flux de gaz 28 associé à la veine principale pénètre donc dans le carter 22 et traverse les compresseurs 8, 10, la chambre de combustion 10, puis les turbines 12, 14. En aval de la soufflante, dans la veine secondaire, un deuxième flux 30 passe à l’extérieur du carter interne 23.

Chaque turbine 12, 14 comprend des aubages mobiles attachés à un disque, des distributeurs fixes qui redressent le flux d’air et des anneaux fixes qui assurent l’étanchéité au-dessus des aubages mobiles.

La machine comprend également au moins une vanne de décharge d’air 26 s’étendant en aval du compresseur basse pression 6 et en amont du compresseur haute pression 8 et de la chambre de combustion 10. Cet organe est aussi désigné par VBV ouvariable bleed valve. La vanne s’étend dans la veine principale et obture l’entrée d’un canal de décharge 27 qui traverse le carter et débouche dans la veine secondaire. La vanne de décharge d’air 26 est mobile entre une position fermée et une position ouverte. En position ouverte, elle met la veine principale en communication avec la veine secondaire de façon à permettre un passage du premier flux 28 vers le second 30. En position fermée, elle interdit cette communication.

La machine comprend aussi des capteurs 32, 34, 36 de détection d’un événement indiquant qu’une vitesse de l’un des organes, en l’espèce la turbine basse pression 12, dépasse un seuil prédéterminé. On entend par là que la survenue de cet événement est considérée comme représentative de ce dépassement de seuil.

Pour deux 32, 34 de ces capteurs, l’événement est qu’une distance axiale entre le rotor 20 et le stator 24 franchit un seuil prédéterminé.

En l’espèce, en référence à la , le capteur 32 est un capteur de déplacement linéaire inductif. Il comprend ici un premier élément 38 rigidement fixé au rotor 20 et un deuxième élément 40 rigidement fixé au stator 24. Les deux éléments 38, 40 s’étendent en regard l’un de l’autre suivant la direction radiale lorsque le rotor 20 occupe sa position normale par rapport au stator 24. Par exemple, dans cette position, deux faces principales respectives 37, 39 de ces éléments sont en regard l’une de l’autre et sont en coïncidence suivant la direction de l'axe X-X.

Il s’agit d’un capteur capable de détecter un déplacement axial du rotor par rapport au stator, et plus précisément capable de détecter qu'un décalage axial entre eux franchit un seuil prédéterminé. On peut qualifier ce capteur de préventif car il assure cette détection avant qu’ait lieu entre le rotor et le stator un contact qui pourrait endommager l’un ou l’autre.

On choisit le seuil de distance de façon à permettre un jeu dans la position axiale relative du rotor et du stator c’est-à-dire une certaine mobilité axiale de l’un par rapport à l’autre puisque ce jeu est nécessaire lors du fonctionnement normal de la turbomachine. On choisit le seuil de sorte qu’il corresponde à une augmentation de la distance qui s’étend clairement hors du jeu. Par exemple, on peut prévoir ce jeu tel que la distance axiale d entre des bords arrières des faces 37, 39 des deux éléments 38, 40 du capteur 32 en regard l'une de l'autre peut varier entre 0 et 2 cm en fonctionnement normal de la turbomachine. Si on fixe le seuil à 2,5 cm, le capteur 32 se déclenche lorsque la distance d atteint cette valeur, ce qui est clairement hors du jeu en fonctionnement normal. Sur la , on a présenté l'élément 38 fixé au rotor en traits pleins dans sa position normale et en traits pointillés lorsqu'une distance axiale d apparaît par rapport à l'élément 40, le rotor ayant reculé par rapport au stator, comme indiqué par la flèche 41.

Plus précisément, on sait qu’un tel jeu dépend de la phase de vol en cours (décollage, croisière, …) et est donc prédéterminé en fonction de cette dernière. Il en sera donc aussi de même pour le seuil de distance. De la sorte, on utilise dans le présent mode de mise en œuvre du procédé autant de seuils différents pour la distancedqu’on distingue de phases de vol.

De façon similaire, en l’espèce et comme illustré à la , pour le capteur 34, la distance e s’étend suivant la direction axiale. Il s’agit dans le présent exemple d’un capteur capacitif 34 intégré par exemple à une vis 35 de fixation du rotor. Le capteur forme le premier élément 34 rigidement fixé au rotor 20 et un élément métallique 42 d’épaisseur calibrée est rigidement fixé au stator 24 pour coopérer avec le capteur. Les deux éléments 34, 42 sont fixés pour s’étendre en regard l’un de l’autre suivant la direction axiale. Par exemple, dans cette position, deux faces principales respectives de ces éléments sont en regard l’une de l’autre. Il s’agit d’un capteur capable de détecter un déplacement axial du rotor par rapport au stator, et plus précisément capable de détecter qu’une distance axiale e entre eux franchit un seuil prédéterminé, en raison d’un recul du rotor, vers la droite sur la figure. Il s’agit ici aussi d’un capteur préventif. Les mêmes observations sur le seuil que pour le capteur 32 restent valables.

Pour le capteur 36 illustré sur la , l’événement à détecter est que le rotor 20 déplace une partie du stator 24. Il s’agit dans le présent exemple d’un capteur de pression piézoélectrique. Le capteur 36 en l’espèce comprend deux éléments 44, 46 fixés respectivement à deux parties 48, 50 du stator et montés mobile à coulissement l’un par rapport à l’autre, l’élément 44 étant par exemple un élément mâle engagé dans l’élément femelle 46 pour assurer leur guidage à coulissement relatif jusqu’à les mettre en appui l’un contre l’autre suivant la direction de coulissement. Dans le présent exemple, ce coulissement a lieu dans un plan radial et comprend plus précisément des composantes radiale et axiale. Lorsque les deux éléments 44, 46 viennent en contact avec une pression dépassant un seuil de pression prédéterminé, le capteur émet un signal électrique.

Les deux parties 48, 50 du stator sont choisies par exemple de telle sorte que la première 48 s’étende en regard du rotor 20 et soit facilement déplaçable par celui-ci en direction de la deuxième 50 afin de faire coulisser l’un dans l’autre les éléments du capteur et le déclencher. Dans l’agencement représenté sur la à titre d’exemple, la partie 48 s’étend entre le rotor et la partie 50. Elle est seulement fixée par son extrémité inférieure située au bas de la figure à la partie 50. Son extrémité supérieure opposée est libre et c’est sur elle que le rotor peut venir en appui s’il se déplace de façon anormale en direction de la partie 50. Le capteur 36 s’étend entre ces deux parties. Ce capteur assure la détection de l’événement après qu’ait lieu un contact entre le rotor et le stator et même un déplacement d’une partie du stator par le rotor.

Les trois types de capteurs associés à ces types de détection respectifs ne sont donnés qu’à titre d’exemple et sont interchangeables. Tout type de capteur peut être employé dans l’un quelconque de ces trois cas, y compris des capteurs d’un autre type que ceux décrits.

Dans le présent exemple, ces trois capteurs se trouve dans la turbine basse pression 14 car on cherche à détecter un emballement de sa rotation et donc à détecter une variation de position du rotor par rapport au stator dans la turbine. Mais on peut aussi alternativement ou cumulativement placer un ou plusieurs capteurs similaires dans le compresseur basse pression 6, le compresseur haute pression 8 et/ou la turbine haute pression 12 pour détecter leur emballement.

La turbomachine comprend en outre un calculateur 50 apte à commander son fonctionnement d’une façon connue en elle-même. Il s’agit ici de celui désigné par EEG ouelectronic engine controller. En outre, ce calculateur est relié aux capteurs 32, 34, 36 pour recevoir leurs signaux. Il est apte si l’un des événements précités se produit à commander l’ouverture de la vanne 26 pour dévier vers la veine secondaire au moins une partie du flux principal 28, et de préférence l’ensemble de celui-ci afin qu’il n’alimente plus la chambre de combustion 10.

Le procédé de commande est mis en œuvre de la façon suivante par les moyens de commande.

En fonctionnement, le flux principal 28 parcourt la veine principale et passe donc à travers les compresseurs, la chambre de combustion et les turbines, la vanne 26 étant fermée.

Les moyens de commande surveillent la réception éventuelle d’un signal de l’un des capteurs 32, 34, 36. Cela signifie qu’ils surveillent si se produit au moins un événement indiquant qu’une vitesse de la turbine basse pression 14 dépasse un seuil prédéterminé.

Si l’un des capteurs détecte que le seuil qui lui est associé a été franchi, il envoie un signal électrique aux moyens de commande. Ceux-ci commandent alors l’ouverture de la vanne de décharge d’air 26 afin de dévier au moins une partie du flux principal via le canal 27 vers la veine secondaire, dans le flux secondaire. Il s’ensuit une perte de charge dans la veine principale. Cela fait baisser immédiatement l’apport en air dans le compresseur 10, ce qui coupe le cycle de fonctionnement du moteur en l’étouffant. Faute d’alimentation suffisante en air, le moteur s’éteint et s’arrête. Comme cet arrêt a été réalisé sans altérer l’intégrité de la turbine 14, on peut tenter de redémarrer le moteur ensuite, en particulier si la cause de son emballement a été identifiée et supprimée.

L’ensemble des capteurs a l’avantage d’être peu encombrant et connectable facilement sur l’EEC du moteur.

Cette invention donne une plus grande marge de manœuvre pour le choix des jeux entre les pales des roues mobiles de la turbine 14 et celles, fixes, de ses distributeurs. On peut alors choisir de gagner en faisabilité industrielle et en facilité de montage. En effet, la surveillance des jeux en vol permet de réduire la précision de la fabrication et du montage des pièces. De plus, alors que la solution destructrice de l’art antérieur obligeait à prévoir un jeu important sur l’un des étages, on peut maintenant s’en dispenser et donc répartir le gain de jeu ainsi réalisé sur tous les étages de la turbine ou de la machine. On peut sinon privilégier un gain en performance sans réduire la précision de la fabrication et du montage. L’invention permet alors d’avoir un jeu minimal sur tous les étages.

Bien entendu, on pourra apporter à l’invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci.

En particulier, on pourra modifier le nombre, l’agencement et le type des capteurs utilisés. On peut prévoir d’utiliser un capteur pour détecter l’apparition d’une survitesse indépendamment de la déviation du flux principal vers la veine secondaire.

Claims (8)

1. Procédé de commande d’une turbomachine (2) dans laquelle un flux de gaz (28) alimente une chambre de combustion (10) en vue de faire tourner au moins un organe (14), le procédé comprenant les étapes de :
   - surveiller si se produit au moins un événement indiquant qu’une vitesse de l’organe (14) dépasse un seuil prédéterminé ; et
   - si l’événement se produit, dévier au moins une partie du flux (28) afin que cette partie du flux n’alimente pas la chambre de combustion.
2. Procédé selon la revendication précédente dans lequel l’organe est l’un des organes suivants :
   - un compresseur basse pression (6),
   - un compresseur haute pression (8),
   - un turbine haute pression (12), et
   - une turbine basse pression (14).
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’événement est qu’une distance (d,e) entre un rotor (20) et un stator (24) de la turbomachine franchit un seuil prédéterminé.
4. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la distance (d,e) s’étend suivant une direction d’un axe principal (X-X) de la turbomachine.
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’événement est qu’un rotor (20) de la turbomachine déplace une partie (48) d’un stator (24) de la turbomachine.
6. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’événement a lieu dans l’organe (14).
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel, la turbomachine étant à double flux et le flux (28) étant un flux principal, une vanne (26) dévie la partie du flux vers un flux secondaire (30).
8. Turbomachine (2) comprenant :
   - au moins un organe (14) monté tournant,
   - une chambre de combustion (10) agencée pour être alimentée par un flux de gaz (28) en vue de faire tourner l’organe,
   - au moins un capteur (32, 34, 36) de détection d’un événement indiquant qu’une vitesse de l’organe (14) dépasse un seuil prédéterminé,
   - une vanne de décharge d’air (26) s’étendant en amont de la chambre de combustion (10) par référence au flux (28), et
   - des moyens (50) aptes, si l’événement se produit, à commander la vanne pour dévier au moins une partie du flux (28) afin que cette partie du flux n’alimente pas la chambre de combustion.