FR2468742A1 - Systeme de commande pour une turbine a gaz - Google Patents

Abstract

L'invention concerne la commande des turbines à gaz. Le système de l'invention a pour but de réduire les effets nuisibles des variations cycliques de la charge d'une turbine à gaz. En présence de telles variations, des dispositifs appropriés 105, 145 commandent le débit d'air dans la turbine pour commander sa puissance de sortie, tandis que le débit de carburant est commandé de façon à maintenir la température d'éjection pratiquement constante. Application aux turbines utilisées pour la propulsion des brise-glace.

Description

La présente invention concerne les systèmes de caomande pour

les turbines à gaz et elle porte plus particulièrement sur un systè-

me de commande perfectionné pour une installation de production de force motrice à turbine à gaz qu'on peut utiliser aussi bien avec des machines à un seul arbre qu'avec des machines à deux arbres. La commande des divers paramètres d'une grosse turbine à gaz est devenue très complexe, mais la complexité croissante a permis d'améliorer les caractéristiques de sortie ainsi que la durée de

vie de nombreux éléments. Les systèmes de commande comportent norma-

lement des moyens qui influent sur le débit de carburant vers la chambre de combustion de la turbine à gaz, conformément à des signaux

de commande de carburant qui sont obtenus en contrôlant les paramé-

tres de fonctionnement de la turbine à gaz. On connaît des exemples de tels systèmes de commande et on peut en trouver dans les brevets

US 3 520 133, 3 639 076 et 3 729 928.

Dans une turbine à gaz à un seul arbre, le procédé qu'on utilise

normalement pour commander la puissance de sortie de la machine consis-

te à conmmander la quantité de carburant fournie à la chambre de comr-

bustion, ce qui entraine des changements de la température de ccmbus-

tion. Si la température de combustion change très rapidement, ce qui peut se produire dans les applications à des charges cycliques, il apparaît des contraintes thermiques dans les éléments qui se trouvent dans le chemin des gaz chauds, camme les aubes de turbines, du fait que ces éléments ne sont pas chauffés uniformément sous 1 'effet des

variations rapides de la température des gaz. Des contraintes thermi-

ques excessives peuvent aboutir à un choc thermique qui est une condi-

tion dans laquelle les contraintes thermiques qui sont produites dépassent la limite élastique de la matière. Le choc thermique peut à son tour entrainer une panne de certains éléments, nécessitant un

arrêt et une réparation coûteux.

On peut, bien entendu, éviter le choc thermique en réduisant les changements de température importants, ou cycliques, par exemple

en faisant varier la charge très lentement. Il y a cependant de nan-

breuses applications dans lesquelles la puissance fournie par la turbine à gaz ne peut pas être commandée, mais doit réagir à des influences externes. C'est par exemple le cas pour une turbine à gaz à un seul arbre accouplée à un alternateur isolé qui alimente un four

à arc. Un autre exemple consiste en une turbine à gaz à un seul ar-

bre accouplée à un alternateur isolé destiné à entraîner une pelle

mécanique dans une mine. Un autre exemple encore consiste en une tur-

bine à gaz à deux arbres destinée à fournir l'énergie de prcpulsion pour un brise-glace. Dans ce dernier cas, on désire disposer de toute la puissance pour propulser le navire dans la glace jusqu'à ce qu'il ne puisse plus avancer; on arrête alors l'hélice (la turbine n'est plus en charge) et on inverse son sens de rotation pour faire sortir le navire de la glace avant de redémarrer vers l'avant. On voit que dans un tel mode de fonctionnement, la turbine à gaz est chargée de manière cyclique, ce qui peut entraîner la fatigue thermique décrite ci-dessus. L'invention a pour but de résoudre les problèmes qui sont associés aux contraintes thermiques qui résultent d'applications cycliques de la charge à des turbines à gaz à un seul arbre ou à

deux arbres.

Les turbines à gaz connues utilisent différents mécanismes pour caunander le débit d'air. On peut par exemple placer des aubes distributrices d'entrée à position variable à l'entrée du copresseur, pour ccmnander le débit d'air pendant le démarrage de la turbine à gaz, afin d'éviter l'apparition d'un parpage dans le ccupresseur. On utilise les aubes distributrices pour réduire le débit d'air afin d'éviter ces instabilités jusqu'à ce que la turbine à gaz soit à

pleine vitesse. On utilise également les aubes distributrices d'en-

trée pour pouvoir maintenir des températures d'éjection élevées à

charge partielle, dans un but de récupération de chaleur.

On peut placer des soupapes de décharge dans les turbines à gaz connues entre un étage du catpresseur et la région d'éjection de

la turbine à gaz et on utilise ces soupapes pour limiter la survi-

tesse dans les applications dans lesquelles la charge peut dispa-

raître instantanément.

Un autre type de cammande d'air qu'on trouve dans les turbines à gaz à deux arbres comprend un distributeur de turbine à section variable qui commande la répartition de l'énergie entre la turbine de

campresseur à haute pression (et commande donc la vitesse du can-

presseur), et la turbine à basse pression ou turbine de charge, dans

le but d'optimiser les conditions thermiques. La ccmmande du distri-

buteur de turbine à section variable n'affecte le débit d' air qgje

patte qu'elle permet de faire varier la vitesse de l'ensorble com-

presseur à haute pression.

Dans les turbines à gaz connues qui utilisent des aubes dis- tributrices d'entrée à position variable, des soupapes de décharge ou des distributeurs à section variable pour carmander le débit dans le compresseur et autour de celui-ci, c'est la variation du débit

de carburant qui constitue le =Dyen essentiel de cammande de la puis-

sance de sortie de la turbine, caome indiqué dans les brevets pré-

cités. En résumé, les effets défavorables de fatigue thermique qui dlun apparaissent en présence d'une charge cyclique / turbine à gaz sont considérablement atténués en faisant varier la puissance de sortie de la turbine à gaz tout en maintenant la température de canbustion approximativement constante. On parvient à ceci en faisant varier le

débit d'air tout en maintenant la température de ccabustion constante.

On commande le débit d'air en utilisant les moyens de camande de

débit d'air existants, ccamxe les aubes distributrices d'entrée à posi-

tion variable, les soupapes de décharge et les distributeurs à section variable, pour les turbines à gaz à un seul arbre ou à deux arbres. On peut faire fonctionner les turbines à gaz soit selon un

mode "normal" dans lequel on catOmnande la puissance de sortie en fai-

sant varier le débit de carburant, soit dans un nmode "cyclique" dans lequel on caommande la puissance de sortie en faisant varier le

débit d'air.

La suite de la description se réfère aux dessins annexés

qui représentent respectivement: Figure 1: un schéma simplifié d'un système de cannande pour une turbine à gaz à un seul arbre correspondant à l'invention, et Figure 2: un schéma simplifié d'un système de cameande pour

une turbine à gaz à deux arbres correspondant à l'invention.

CCMIADE D'UNE TURBINE A UN SEUL ARBRE

En se reportant tout d'abord à la figure 1, on voit une re-

présentation simplifiée d'une turbine à gaz à un seul arbre, désignée globalement par la référence 1, qui cocprend un caxpresseur 2, une chambre de ccrmbustion 3 et une turbine 4 qui est accouplée de façon à entraîner une charge 5. L'air qui entre par l'entrée en 6 traverse

les aubes distributrices d'entrée à position variable 9 pour attein-

dre le cacpresseur 2 puis ensuite la chambre de ccabustion 3 de façon à permettre la ccmbustion du carburant qui est injecté par une buse 7. Les gaz chauds qui sont produits dans la chambre de comnbustion 3 entraînent la turbine 4 dont l'arbre de sortie 13 est accouplé de

manière à entraîner la charge 5 et le compresseur 2. Les gaz d'éjec-

tion chauffés sortent par le conduit d'éjection 8 de la turbine en passant devant des capteurs de température répartis, carnre le capteur 22, qui mesurent la température d'éjection. Le carburant arrive à la

buse 7 par un conduit 14 à partir d'un système de cFrmande de carbu-

rant 11 qui comprend une pcmpe volumétrique équipée d'une boucle de

retour 15 permettant de faire varier le débit vers la chambre de can-

bustion 3 confornent à un signal électrique qui représente le débit de carburant désiré et qui est appliqué sur une ligne 16. La ligne 16 correspond à la sortie d'un multiplicateur 135 qui reçoit sur une entrée un signal de demande de carburant appliqué sur une ligne 12 et qui reçoit sur son autre entrée un signal électrique représentant la vitesse de la turbine qui est appliqué sur la ligne 125. La détection de vitesse est assurée par exemple par un alternateur à inductance ou capteur magnétique 17 qui est monté sur l'arbre de rotor 13 de la turbine 1 et qui fournit un signal électrique dont la fréquence est directement proportionnelle à la vitesse de la turbine. Le signal de carmande de carburant présent sur la ligne 12 est un signal électrique correspondant à un seul paramètre qui est appliqué au multiplicateur par une porte de sélection de valeur inférieure qui est constituée

par plusieurs diodes 31,34 et 37. les diodes 31, 34 et 37 sont bran-

chées avec la polarité indiquée par rapport à la ligne bus camtune 12 sur laquelle on obtient le signal de comarde de carburant. Carme l'explique le brevet US 3 520 133, cette configuration contrôle une série de signaux individuels de commande de carburant qui proviennent

d'asservissements séparés qui réagissent à des paramètres de fonc-

tionneent respectifs de la turbine à gaz 1. Le plus faible de ces signaux de cariande de carburant est transmis sur la ligne 12 et il détermine ensuite le débit de carburant vers la chambre de combustion

3 de la turbine à gaz.

On emploie plusieurs dispositifs de commande à boucle 30,

33 et 36 comme décrit dans le brevet US 3 520 133 précité. Les dispo-

sitifs de commande à boucle comprennent en particulier un dispositif de ccnmmande de température 30, un dispositif de comande de vitesse et de charge 33 et un dispositif de ccamande de démarrage 36, avec

les lignes de sortie respectives de chacun d'eux branchées aux dio-

des 31,34 et 37 qui forment une porte de sélection de valeur infé-

rieure. Chaque signal de commande provenant des dispositifs de coma-

mande 30,33 et 36 est destiné à exercer la commande au cours d'une

certaine phase du fonctionnement de la turbine à gaz.

Brièvement, chaque dispositif de commnande détecte une condition de fonctionnement de la turbine à gaz et la compare à une référence désirée. Par exemple, la ccmmande de démarrage en boucle

ouverte 36 produit en sortie un signal de commande de carburant pro-

granimmé conformnément à des événements qui se produisent à des instants déterminés dans la turbine à gaz, comme une certaine vitesse, la

détection de la flamme dans la chambre de combustion, etc.., la détec-

tion de ces événements s'effectuant par la fermeture de plusieurs contacts qui sont désignés schématiquement par la référence 66. Le

dispositif de comminde de démarrage 36 ainsi qu'un dispositif de com-

mande d'accélération (non représenté) ne sont pas nécessaires à l'in-

vention, bien qu'on les mentionne ici brièvement pour être complet.

Le dispositif de commnande de température 30 détecte la tem-

pérature d'éjection au moyen de plusieurs capteurs de température 22.

Un dispositif de calcul de moyenne de température 39 fournit une tempé-

rature moyenne qui est ensuite appliquée par une ligne 42 à l'entrée de l'amplificateur de commande de température 30. Un signal d'erreur

apparaît en sortie de l'amplificateur 30 lorsque la température d'é-

jection réelle diffère de la température de référence qui est établie

par example par un potentimatre branché sur une ligne 43.

L'amplificateur de commande de vitesse et de charge 33 reçoit un signal de vitesse rée]eà partir du capteur magnétique ou

alternateur à inductance 17 qui est monté sur l'arbre de turbine 13.

Le signal de vitesse réelle présent sur la ligne 51 est ccaparé avec une référence de vitesse présente sur la ligne 52 et le signal d'erreur éventuel apparaît en sortie de l'amplificateur 33 sous la forme d'un

signal de comande de carburant. La troisième entrée 32 de l'amplifica-

teur de commande de vitesse et de charge 33 fait partie de l'inven-

tion et on la décrira ultérieurement de façon plus détaillée.

Chaque signal de commande de carburant provenant des arplifi- cateurs 30, 33 et 36 est appliqué à la diode respective 31,34 et 37.Le signal de comrande de carburant qui indique le plus faible débit de carburant vers la chambre de combustion 3 apparait sur la ligne bus

commune 12. On notera que bien qu'un seul signal de commande de car-

burant apparaisse sur la ligne 12 à un instant donné, tous les autres

signaux de commande de carburant assurent une protection en cas d'inci-

dent. Les aubes distributrices d'entrée à position variable pour la

turbine à gaz 1 sont placées juste en aval de l'entrée 6 du copres-

seur et elles sont désignées schématiquement par la référence 9. Un

dispositif de ccmande des aubes distributrices d'entrée, 145, comman-

de la position angulaire des aubes distributrices d'entrée 9 et donc la quantité d'air admise par l'entrée 6. Le dispositif de commande

peut être constitué par un dispositif électronique de positionne-

ment de type classique accouplé de façon à entrainer les aubes distri-

butrices d'entrée 9.

Les soupapes de décharge sont désignées schématiquement par la référence 44 et elles sont branchées dans un conduit de dérivation 45 pour permettre de dériver l'air de la sortie du compresseur 2 vers le conduit d'éjection 8. Dans l'art antérieur, les soupapes de décharge 43 étaient soit camplètement ouvertes soit complètement fermées et

elles étaient utilisées pour limiter les survitesses. Cependant, con-

formément à l'invention, on peut commander de façon progressive la

position des soupapes de décharge 44 à l'aide d'un dispositif de coc-

mande de soupapes de décharge 105, cmme on le décrira ultérieurement

de façon plus détaillée.

L'invention permet de faire fonctionner la turbine à gaz 1 selon deux modes de fonctionnement distincts qu'on appellera ci-après le mode "normal" et le mode de charge "cyclique". Le passage d'un mode à l'autre est caomandé par 1' opérateur et il s'effectue au moyen de commutateurs 10,20 et 29 qui sont représentés individuellement mais

qui sont de préférence accouplés ensemble pour commuter simultanément.

La lettre de référence N indique la position des commuitateurs, 10,20 et 29 au cours du mnde"normal", tandis que la lettre de référence C désigne la position des commutateurs au cours du mode "cyclique", lorsqu'on prévoit une charge cyclique de la turbine. Dans le mode "cyclique", la puissance de sortie de la turbine à gaz est commandée

par la commande du débit d'air, en maintenant la température constante.

Dans le mode de fonctionnement "normal", la puissance de sortie de la turbine à gaz est cammandée par le signal de commande de carburant et

le débit d'air est maintenu ccnstant.

Un amplificateur de régulation de débit d'air 60 reçoit coume

signal d'entrée de référence soit un signal de référence de températu-

re présent sur une ligne 70 et produit par un potentiomètre 65, soit un signal de référence de vitesse présent sur une ligne 80 et produit

par un potentiomntre de référence de vitesse 55. Le signal de réfé-

rence de température présent sur la ligne 70 est appliqué au cours du mode "normal", tandis que le signal de référence de vitesse présent sur la ligne 80 est appliqué au cours du mode "cyclique" en fonction de la position du commutateur 29. L'autre signal d'entrée qui est appliqué à l'amplificateur de régulation de débit d'air 6o est un signal présent sur une ligne 90 qui correspond soit à un signal de

température d'éjection présent sur une ligne 24, lorsque le commuta-

teur 20 est dans sa position "normale", soit à un signal de vitesse provenant de l'amplificateur inverseur 130 et de la ligne 115,lorsque

le commauutateur 20 est dans sa position de mode "cyclique".

Le signal de sortie de l'amplificateur 60 représente la posi-

tion désirée des aubes distributrices d'entrée 9 et des soupapes de décharge 44 et il est appliqué au dispositif de commande des aubes

distributrices d'entrée, 145, et au dispositif de commande des soupa-

pes de décharge, 105, par l'intermédiaire d'amplificateurs respectifs

et 100. L'amplificateur 50 limite indépendamment la position réel-

le des aubes distributrices d'entrée entre des positions de fonctionne-

ment minimale et maximale, correspondant par exemple à 48 et 88 , tandis que l'amplificateur 100 agit sous l'effet d'un signal reçu par une entree 110 de façon à bloquer les soupapes de décharge en position

ferrée. Un signal négatif présent sur une ligne 120 fait varier la po-

sition des soupapes de décharge entre leur position couplètement fer-

mée et leur position complètement ouverte.

Dans le mode de fonctionnement "normal", lorsque les commu-

tateurs 10,20 et 29 sont dans leur position N, on peut voir que le commutateur 10 n'a aucun effet sur l'amplificateur de régulation de vitesse 33, si bien que la vitesse de la turbine à gaz est amenée en correspondance avec le signal de référence de vitesse 52 par l'action normale de régulation. Lorsque la séquence de démarrage est terminée

et lorsque la turbine fonctionne à charge partielle, le signal de sor-

tie du régulateur 33 est fixé de façon à faire correspondre le signal de vitesse détectée, sur la ligne 51, avec le signal de référence de

vitesse, sur la ligne 52, ce qu'on effectue en conmandant l'alimenta-

tion en carburant de la turbine. A charge partielle, 1'amplificateur de démarrage 36 et l'amplificateur de commande de température 30 sont en saturation du fait que l'amplificateur de vitesse 33 applique le plus faible signal de commande de carburant sur la ligne 12. Lorsqu'on augmente la référence de vitesse 52 pour charger davantage la turbine à gaz, on atteint un point auquel le signal de température d'éjection sur la ligne 42 est égal au signal de référence de température sur la ligne 43 et, à ce moment, l'amplificateur de commande de température

prend en charge la commande du débit de carburant vers la turbine.

Dans sa position N, le cammutateur 20 applique à l'entrée 90 de

l'amplificateur de commande d'air 60 le signal proportionnel à la tem-

pérature d'éjection qui est présent sur la ligne 42. L'autre entree de l'amplificateur 60 est branchée à la ligne 70, du fait de la position

du cammutateur 29. La ligne 70 applique à 1' amplificateur 60 une ten-

sion qui est proportionnelle à la température désirée fixée par le po-

tentiomtre 65. La température qui est fixée par le potentiomètre de référence de température 65 est un peu inférieure, par exemple de 10 C,

à celle qui est fixée sur la ligne de référence de température 43.

Dans le mode "normal", le commutateur 29 applique une tension d'alimen-

tation au potentiomètre de référence de température 65, et en outre, il applique à l'amplificateur 100, par-une ligne 110, une tension qui

fait en sorte que les soupapes de décharge 44 demeurent fermées.

Dans le mode "normal", lorsqu'on augmente la charge de la

machine en utilisant la référence de vitesse 52, la température d'é-

jection tend à croître du fait de 1'accroissement du débit de carbu-

rant. A charge partielle, tant que le signal de température d'éjection sur la ligne 90 est inférieur au sgnal de température de référence sur la ligne 70, les aubes distributrices d'entrée 9 sont maintenues à leur position de fermeture maximale (par exemple 48 ) par l'amplifi- cateur 50. lorsque le signal de température d'éjection sur la ligne

est égal au signal de référence de température des aubes distribu-

trices d'entrée sur la ligne 70, l'amplificateur 60 applique un signal

à l'amplificateur 50 pour que le dispositif de ciunande des aubes dis-

tributrices d'entrée 145 ouvre les aubes distributrices d'entrée 9.Le débit d'air vers le ccopresseur 2 augmente alors et, du fait que le débit de carburant est commandé de façon indépendante à ce nomaent,la température d'éjection détectée, présente sur la ligne 90, diminue

proportionnIlement à l'augmentation du débit d'air, ce qui fait des-

cendre le signal sur la ligne 90 au niveau du signal sur la ligne 70.

Lorsque la charge augmente, le débit de carburant augmente à nouveau, la température d'éjection s'élève et le régulateur de débit d'air 60 ouvre davantage les aubes distributrices d'entrée de façon à faire descendre la température. Ainsi, dans le mode "normal", le régulateur de débit d'air 60 positionne les aubes distributrices d'entrée 9 à un

angle tel que la température demeure pratiquement constante et confor-

me à la référence de température qui est fixée sur la ligne 70.

Lorsqu'on camute les commutateurs 10,20 et 29 sur le node de fonctionnement "cyclique", ce qui peut être effectué à n'importe quel niveau de charge, le commutateur 10 applique à l'amplificateur de vitesse 33 un signal en rampe qui provient d'un potentiomètre 85 et d'un condensateur associé (non représenté), et ce signal s'ajoute au signal de référence de vitesse présent sur la ligne 52. Outre le fait d'augmenter le débit de carburant, l'amplificateur 33 passe en

saturation si bien que le débit de carburant est régulé par l'ampli-

ficateur de ccmnmande de température.

Dans le mode "cyclique", le commutateur 29 modifie le signal

de réaction qui est appliqué à l'amplificateur 60 pour le faire pas-

ser d'un signal proportionnel à la temnpérature à un signal propor-

tionnel à la vitesse de la turbine et présent sur la ligne 115. Le commutateur 29 modifie le signal d'entrée de référence appliqué à

l'amplificateur 60 en remplaçant un signal de référence de tepéra-

ture présent sur la ligne 70 par un signal de référence de vitesse

présent sur la ligne 80.

Lorsqu'on augmente le débit de carburant en plaçant le cartmu-

tateur 10 sur sa position C, l'amplificateur de commande de débit

d'air 60 détecte par la ligne 90 l'augmentation résultante de vitesse.

L'amplificateur 60 comapare maintenant le signal de vitesse présent

sur la ligne 90 avec le signal de référence présent sur la ligne 80.

L'augmentation de vitesse entraîne une diminution de la quantité d'air qui traverse les aubes distributrices d'entrée 9, de façon à réduire la puissance et la vitesse. Ceci a pour effet d'augmenter

la température d'éjection du fait que, pour le même débit de carbu-

rant, le débit d'air est maintenant plus faible. En une durée très courte, le signal de camaxnde de carburant sur la ligne 12 passe sous

la camande de l'amplificateur de commande de température 30.

Lorsque des variations cycliques apparaissent dans la charge, elles se traduisent par une variation du signal de vitesse présent sur la ligne 115. L'amplificateur de caenande de débit d'air 60, qui est maintenant le principal amplificateur de commande de la puissance de sortie de la turbine à gaz, ferme ou ouvre les aubes distributrices

d'entrée par l'intermédiaire du dispositif de conmande 145, sous l'ef-

fet respectivement d'une augmentation ou d'une diminution de la vitesse,

afin de cunmander la puissance de sortie de la turbine à gaz en main-

tenant la vitesse pratiquement constante.

Cn notera que la vitesse en régime établi est pratiquement indépendante de la position en régime établi des aubes distributrices d'entrée. Cependant, du fait que le débit de carburant est modulé simultanément pour maintenir la température d'éjection constante, la

vitesse est indirectement camandée par la position des aubes distri-

butrices d'entrée.

Lorsqu'on modifie la position des aubes distributrices d'en-

trée, on modifie également la température d'éjection. La température

d'éjection crnande maintenant le débit de carburant de façon à main-

tenir une ttempérature d'éjection constante, fixée par la référence de température 43. Lorsque la charge diminue, la vitesse de la turbine

augmente, ce qui provoque la fermeture des aubes distributrices d'en-

trée jusqu'à ce qu'elles atteignent leur position de fermeture maxi-

male (par exemple 48 ). Le signal de sortie de l'amplificateur 60 est fixé de façon que, par exemple, un signal de sortie de zéro volt représente la position de fermeture maximale ou position à 48 des

aubes distributrices d'entrée. lorsque le signal de sortie de l'ampli-

ficateur 60 est au-dessous de zéro volt, la ligne 120 de l'amplifica-

teur 100 reçoit un signal par la diode 75 de façon à ouvrir les sou-

papes de décharge par l'intermédiaire du dispositif de commande 105.

Ceci a pour effet de dériver de l'air du compresseur 2 vers le con-

duit d'éjection 8, en proportion du signal de sortie de l'amplifica-

teur 60, ce qui réduit davantage la puissance de la turbine à gaz.

CCMM4ANDE D'UNE TURBINE A DEUX ARBRES

an va maintenant considérer la figure 2 sur laquelle on voit une représentation simplifiée d'une turbine à gaz à deux arbres qui

est désignée globalement par la référence 1 et qui comprend un cam-

presseur 2, une chambre de combustion 3, une turbine à haute pression

4 et une turbine à basse pression 5. On sait que dans certaines appli-

cations des turbines à gaz, comoe dans le cas des navires, il est

souhaitable que la turbine à haute pression 4 qui entraîne le coapres-

seur 2 et la turbine de charge 5 soit montées sur des arbres séparés.

L'arbre 6 de la turbine de charge est accouplé à une hélice 8.

Un distributeur du second étage à section variable, 9, établit le couplage aérodynamique entre la turbine à haute pression 4 et la turbine de charge 5. Les détails de ce distributeur sont bien connus,

conme il ressort par exemple de la description faite dans le brevet

US 2 625 789.

L'air qui entre par l'entrée de compresseur, 51, traverse les aubes distributrices d'entrée 52 en direction du compresseur 2 qui fournit l'air ccmprimné à la chambre de coabustion 3 pour le faire bruler avec le carburant qui est injecté par une buse 12. Apres être passés dans la turbine à haute pression 4 et dans la turbine à basse pression 5, les gaz d' éjection chauffés sortent par-le conduit de sortie de turbine 13 en passant devant des capteurs de température

répartis, 14, destinés à mesurer la température d'éjection. Le carbu-

rant arrive à la buse 12 par un conduit 14 qui vient d'un système d'ali-

mentation en carburant 11 qui est sous la commande d'un multiplicateur recevant un signal de commande de carburant par une iigne 19 et un signal de vitesse de la turbine à haute pression par une ligne 21. Le signal de sortie du multiplicateur 135 est un signal qui indique le débit de carburant désiré. Le système d'alimentation en carburant 11

camporte un conduit de retour 15 pour faire varier la quantité de car- burant introduite dans la chambre de combustion.

La turbine à gaz à deux arbres de la figure 2 cdporte des dispositifs de commande en boucle 30,33 et 36 identiques à ceux décrits ci-dessus en relation avec la turbine à gaz à un seul arbre. En outre, un signal de commande de carburant supplémentaire peut être fourni par un amplificateur de cmmnande de puissance 40, dont la diode de sortie

18 fait partie de la porte de sélection de valeur inférieure qui cam-

prend les diodes 31, 34 et 37. Camme décrit de façon complète dans les brevets US 3 639 076 et 3 729 928, un signal de puissance minimale prédéterminée est appliqué à l'amplificateur de commande de puissance par une ligne 45. L'amplificateur 40 reçoit par une ligne 13 un

signal de réaction qui représente le débit réel de carburant (c'est-

à-dire un signal proportionnel à la puissance). le signal de référence

pour l'amplificateur de commande de puissance 40 est nonnalement four-

ni par une ligne 26 dont le signal résulte de la ccmparaison entre le signal qui provient d'un amplificateur limiteur de couple 80 et un ordre de puissance qui provient d'un générateur de fonction cubique 210. Ce générateur est sensible à une valeur de consigne de puissance qui est établie par un levier de propulsion 190. L'amplificateur de commande de puissance 40 et l'anmplificateur limiteur de couple 80 sont décrits de façon complète dans les brevets précités et il n'est donc

pas nécessaire de les décrire en détail ici.

En plus des commutateurs de mode 10,20 et 29 qui fonctionnent d'une manière pratiquement similaire à celle indiquée en relation avec la figure 1, il existe un quatrinème commutateur 25 qui connecte la

sortie du générateur de fonction cubique 210 à l'entrée 26 de l'ampli-

ficateur de commande de puissance 40 au cours du mode "normal", et qui

connecte la sortie d'un amplificateur 180 à une entrée 82 de l'amplifi-

cateur de commande 60 au cours du nmode "cyclique".

Le signal de vitesse de turbine de ccapresseur, sur la ligne

21, est également appliqué sur une ligne d'entrée 160 d'un amplifica-

teur de commande de distributeur 150 dont la sortie est connectée au dispositif de commande de distributeur 155. L'amplificateur 150 reçoit son autre signal d'entrée par une ligne 170 qui est branchée à la sortie d'un amplificateur à limitation 140. Ce signal est limité pour

* faire en sorte que les points de consigne de vitesse pour le disposi-

tif de commande de vitesse de turbine à haute pression, 150, demeurent par exemple entre des vitesses de 92 % et 100 %. L'amplificateur 150 constitue un régulateur de vitesse pour la turbine à haute pression et il reçoit son signal de réaction par la ligne 160 et son signal de référence de vitesse par la ligne 170. Le dispositif de coamande de distributeur 155 offre un autre moyen de commande du débit d'air dans

la turbine à gaz, en plus du dispositif de commande des aubes direc-

trices d'entrée, 145, et du dispositif de ccmmande des soupapes de décharge 105, et ces dispositifs agissent sous l'effet du signal de sortie de l'amplificateur de comnande de débit d'air 60 d'une manière très similaire à celle indiquée précédemment en relation avec

la figure 1.

Dans le mode de fonctionnement normal, le commutateur 10 n'a

aucun effet sur les amplificateurs de régulation 33 et 40, qui fonc-

tionnent de leur manière normale pour cotander le débit de carburant vers la turbine. Un signal de température d'éjection présent sur la

ligne 24 est appliqué par le commutateur 20 à l'entrée 90 de l'ampli-

ficateur de commande de débit d'air 60 qui compare ce signal avec le signal de référence de température sur la ligne 70, qui est présent lorsque le cOmmutateur 29 est dans sa position normale. Le commutateur

29 a également pour fonction de bloquer l'amplificateur 100 pour main-

tenir les soupapes de décharge fermées dans le mode "normal".

Dans le mode "normal", le ccmmutateur 25 fournit le signal de sortie du générateur de fonction cubique 210 en tant que référence

principale pour le système de commande de carburant.

Dans le mode "cyclique", le commutateur 10 sature les amplifi-

cateurs 33 et 40 au moyen d'un signal de tension qui provient d'un potentiomètre 27, afin de placer le système de commande de carburant sous l'action de l'amplificateur de température 30. Le commutateur 25

applique sur une ligne 82 un signal qui provient du levier de propul-

sion 190 par l'intermédiaire de l'amplificateur 180. La polarisation qui est appliquée à l'amplificateur 180 par un potentiortre 200

établit un signal de vitesse minimale et le signal de sortie de l'am-

plificateur 180 établit sur la ligne 82 une référence de vitesse fixe pour l'amplificateur de commande de débit d'air 60, dans le mode de

fonctionnement "cyclique".

Les dispositifs de commande de débit d'air 105,145 et 155 sont branchés en cascade avec des réseaux de cctmnande 220,230 et 240 de

telle manière qu'en cas de réduction de la puissance de sortie deman-

dée, le régulateur de vitesse de la turbine à haute pression, 150, agisse en premier pour réduire la vitesse du compresseur, par exemple à 92 %, après quoi le dispositif de commande 145 ferme les aubes

distributrices d'entrée, puis enfin pour la puissance de sortie mini-

male, le dispositif de commande 105 ouvre les soupapes de décharge.

Dans le mode "normal", les soupapes de décharge sont bloquées

en position fermée et les dispositifs de cromande des aubes distri-

butrices d'entrée et du distributeur 145 et 155, fonctionnent sur la base d'un signal de température d'éjection présent sur la ligne 24 qui est ccmparé avec la référence de température fixée sur la ligne 70. L'amplificateur 60 fournit un signal qui est proportionnel à l'erreur entre le signal de référence de température sur la ligne et le signal de réaction de température sur la ligne 90. Le signal de sortie de l'amplificateur 140 constitue une référence de vitesse pour l'amplificateur de commande du compresseur, 150, qui fait varier

le débit d'air pour assurer la commande de la température d'éjection.

Les réseaux 220, 230 et 240 font en sorte qu'un seul des dis-

positifs de cmumande 105, 135 et 155 agissei à un instant quelconque.

Sur les graphiques représentés dans les symboles de ces réseaux, l'axe horizontal correspond au signal de sortie de l'amplificateur 60 et l'axe vertical correspond au signal de sortie du réseau respectif 220, 230 et 240. On peut voir qu'au cours du mode "cyclique", lorsque la puissance augmente, et en supposant un signal de sortie linéaire pour l'amplificateur 60, le réseau de commande 220 agit en premier de façon à fermer les soupapes de décharge. Lorsque le signal de

sortie de l'amplificateur 60 dépasse un niveau prédéterminé, les sou-

papes de décharge demeurent fermées, mais les aubes directrices d'entrée passent par exemple de 48 à 88 . Lorsque le signal de sortie de l'amplificateur 60 dépasse le point auquel les aubes directrices d'entrée sont maintenues dans leur position d'ouverture maximale (88 ), l'amplificateur 140 reçoit un signal à partir du réseau de cowaLnde 240 de façon à faire varier le point de consigne de la comande du distributeur, sur la ligne 170, pour le faire passer d'une vitesse de

92 % à une vitesse de 100 %.

Une diminution de la puissance fournie par la turbine à gaz entraîne une diminution du signal provenant de l'amplificateur 60, ce

qui réduit initialement le point de consigne de la vitesse du campres-

seur de 100 % à 92 %, puis ferme les aubes distributrices d'entrée de 88 à 48 et ouvre ensuite les soupapes de décharge en les faisant

passer de leur position complètement fermée à leur position complète-

ment ouverte.

On peut naturellement apporter de ncobreuses nodifications à l'invention, en partant de ce qui est indiqué ci-dessus. Par exemple,

bien que dans la description du fonctionnement faite ci-dessus ce soit

la vitesse de l'arbre de sortie qui constitue la principale fonction de référence d'entrée pour la comnande de la turbine, il est évident que le dispositif de l'invention peut réagir au signal de référence de

niveau de puissance en tant que fonction de référence principale.

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Claims (10)

REVENDICATINS

1. Système de cammande pour une turbine à gaz comportant une chambre de comarbustion, caractérisé en ce qu'il canprend: plusieurs dispositifs de comanande à boucle qui produisent un signal de conande

de carburant destiné à commander le débit de carburant vers la charm-

bre de cambustion en fonction de différents paranmtres de foncticnne- ment de la turbine à gaz, et un dispositif qui produit un signal de cannande d'air destiné à comnander le débit d'air vers la chambre de combustion en fonction de différents paramètres de fonctionneoent de

la turbine à gaz.

2. Système de camande selon la revendication 1 caractérisé en

ce que les dispositifs qui produisent un signal de cannarde de carbu-

rant réagissent, dans un premier mode de fonctionnement, à la vitesse et à la température détectée de la turbine à gaz pour faire varier le débit de carburant de manière correspondante, et le dispositif qui produit un signal de commnnarde d'air réagit, dans le premier mode de fonctionneent, à la température de la turbine à gaz pour faire varier

le débit d'air afin de maintenir cette température pratiqunement cons-

tante.

3. Dispositif de ccmtende selon la revendication 2, caractérisé en ce que les dispositifs qui produisent un signal de camande de

carburant réagissent dans un second mode de fonctionnement à la tempé-

rature de la turbine à gaz de façon à maintenir cette température

pratiquement constante, et le dispositif qui produit un signal de cam-

mande d'air, réagit dans le second mode de fonctionnement, à la vitesse détectée de la turbine à gaz de façon à faire varier le débit d'air

pour maintenir la vitesse pratiquent constante.

4. Dispositif de cacmande selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il camprend en outre un dispositif à aubes distributrices d'entrée qui réagit au dispositif produisant un signal de canande d'air en commandant l'air admis dans la chambre de combustion, avec

des limites supérieure et inférieure de débit d'air fixées à l'avance.

5. Système de cammande selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il cacprend en outre un dispositif à soupapes de décharge qui réagit également au dispositif produisant un signal de cammandhe d'air en dérivant de l'air lorsque le débit d'air dans le dispositif à

aubes distributrices d'entrée tambe à sa limite inférieure.

6. Système de coutande pour une turbine à gaz à deux arbres con-r prenant un arbre de compresseur et un arbre de charge et comprenant une chambre qui reçoit de l'air et du carburant pour produire une comabusticn, caractérisé en ce qu'il camprend: plusieurs dispositifs de ccmmande de carburant en boucle fermée, chacun d'eux réagissant à un paramètre de fonctionnement respectif de la turbine à gaz et chacun

d'eux étant conçu de façon à fournir un signal de ccmmande de carbu-

rant respectif; un dispositif de sélection qui commande le débit de carburant vers la chambre de combustion sous l'effet du plus faible

signal de cmmaunde de carburant des dispositifs de commande de carbu-

rant en boucle fermée; un dispositif de commande d'air qui fournit un

signal de commande de débit d'air en réagissant à un premier para-

mètre de fonctionnement dans un premier mode de fonctionnement et à

un second paramètre de fonctionnement dans un second mode de fonction-

nement; et un dispositif qui réagit au signal de commande de débit d'air en comrandant le débit d'air vers la chambre de combustion de façon à maintenir pratiquement constant un paramètre de fonctionnement

de la turbine à gaz.

7. Système selon la revendication 6 caractérisé en ce que le premier paramètre de fonctionnement est la température d'éjection de la turbine à gaz tandis que le second paramètre de fonctionnemant

est la vitesse de l'arbre de charge.

8. Système selon la revendication 7 caractérisé en ce que le dispositif qui réagit au signal de commande de débit d'air comprend: un dispositif de commande de soupapes de décharge qui réagit à une première plage prédéterminée du signal de ccmmande de débit d'air en

ouvrant et en fermant de manière correspondante des soupapes de dé-

charge de la turbine à gaz; un dispositif de comnande d'aubes dis-

tributrices d'entrée qui réagit à une seconde plage prédéterminée du signal de commande de débit d'air en ouvrant et en fermant de façon correspondante des aubes directrices d'entrée de la turbine à gaz; et un dispositif de conmmande de distributeur qui réagit à une troisième plage prédéterminée du signal de ccmmande de débit d'air en faisant varier de façon correspondante la vitesse de l'arbre de

compresseur.

9. Système de comrande d'une turbine à gaz comportant un dis-

positif qui coumande le débit de carburant vers une chambre de ccm-

bustion de la turbine à gaz confonrmment à un signal de commande de

carburant sélectionné ayant la plus faible valeur, produit par plu-

sieurs dispositifs de commande à boucle, chacun d'eux réagissant à un paramntre de fonctionnement différent de la turbine à gaz et étant conçu de façon à fournir un signal de commande de carburant respectif à un dispositif de sélection de valeur inférieure, caractérisé en ce qu'il comprend: un dispositif qui commande le débit d'air vers la chambre de combustion conformément à un signal de commande de débit d'air, qui, dans un premier mode de fonctionnement, est produit en fonction des conditions de température détectées de façon à maintenir pratiquement constante la température de la turbine à gaz, et qui, dans un second Dmode de fonctionnement, est produit en fonction de la vitesse détectée de la turbine à gaz pour maintenir pratiquement

constante la vitesse de la turbine à gaz.

10. Système de cOmande d'une turbine à gaz selon la revendica-

tion 9, caractérisé en ce que le dispositif qui commande le débit de carburant vers la chambre de caombustion réagit, dans le second mode de fonctionnement, aux conditions de température détectées de façon à maintenir la température pratiquement constante tandis que le débit

d'air varie en fonction du signal de ccumande de débit d'air.