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-SYSTEME DE CONTROLE POUR GROUPE MOTOTPROPULSEUR A REACTION A
SURFACE D'ECHAPPEMENT VARIABLE.-
La présente invention est relative à un système de contrôle perfectionné pour groupe moto-propulseur à réaction ayant une sur- face d'échappement variable et à un système spécialement adapté pour éviter des conditions de surchauffe dans un groupe moto-pro- pulseur à surface d'échappement variable.
Un objet de la présente invention est de présenter un sys- tème de contrôle perfectionné de la température, à fonctionnement
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successif d'ouverture de la tuyère et de limitation du combustible pour un groupe moto-propulseur ayant une surface d'échappement va- riable, dans lequel le fonctionnement successif du mécanisme de va riation de l'ouverture de la-tuyère et du contrôle du débit du com- bustible, sont normalement réalisés, mais dans lequel le circuit de contrôle de la température par limitation du combustible fonc- tionne lorsque la température ne peut être maintenue dans des limi tes sûres par l'ouverture de la tuyère, quelle que soit le degré d'ouverture de la tuyère qui peut être réalisé.
Un autre objet de l'invention est de réaliser successive- ment la limitation de la surface d'échappement et l'arrivée du flui- de moteur à un groupe moto-propulseur, dans lequel le temps néces- sité par le passage d'un fonctionnement à l' autre est réduit au mi- nimum.
Un système de contrôle d'un groupe moto-propulseur peut être réalisé dans lequel le circuit de limitation de la température provoque le fonctionnement d'un régulateur de la surface d'échappe- ment du groupe, dans la direction d'augmentation de la surface d'é- chappement, pour limiter la température à une première valeur maxi- mum, et ensuite, lorsque ce régulateur de la surface d'échappement ne peut plus limiter seul la température du groupe, soit parce que la surface d'échappement maximum est réalisée, ou pour toute autre raison, le circuit de limitation de la température provoque le fonc- tionnement d'un régulateur du fluide moteur pour limiter le débit de fluide moteur de manière à limiter la température du groupe moto-propulseur à une valeur maximum légèrement supérieure à la première valeur maximum mentionnée.
Un groupe moto-propulseur à turbine à gaz, pour avion, habi- tuellement appelé turbo-jet, 10, comprend un rotor 11, un compres- seur 12 et une roue 13 de turbine. Le combustible est fourni à la chambre de combustion principale 14, comme représenté en 15, par l'intermédiaire d'un conduit principal 16. Le volume de combustible fourni au conduit 16 peut être contrôlé par un régulateur principal
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17 qui peut être un régulateur conventionnel de contrôle de la vi- tesse, possédant une connexion au rotor 11 comme représenté sché- matiquement en 18, pour la détection de la vitesse du rotor.
Diffé- rents réglages de la vitesse peuvent être réalisés par l'opérateur par l'intermédiaire d'une connexion mécanique au régulateur 17, comme représenté schématiquement par l'arbre 19 reliant le régula- teur à un sélecteur 20.
L'engin 10 comprend un tuyau de sortie 21 qui reçoit les gaz d'échappement de la turbine 13, des moyens pmuvant être prévus pour y introduire du combustible supplémentaire comme représenté en 22, par l'intermédiaire d'un second conduit 23. Le débit de ce com- bustible de réchauffage à travers le conduit 23 peut être contrôlé par une valve 24 qui laisse passer un débit dépendant de la posi- tion de la came 25, laquelle est déterminée par un moteur 26 de position ; l'alimentation du moteur 26 est contrôlé par un potentio- mètre 27 connecté par un arbre 28 au sélecteur 20, par l'intermé- diaire d'un circuit qui est décrit ci-après :
Le potentiomètre 27 est connecté aux bornes d'une source de tension telle qu'une batterie 30 et la tension qui est choisie, par suite du réglage du sélecteur, est transmise à un amplificateur 34 par l'intermédiaire d'une liaison 31, d'une résistance 32 et d'une liaison 33. Cet amplificateur 34 alimente le moteur 26 par l'intermédiaire des liaisons 35, ce qui agit sur la position de la came 25 et de la valve 24 de contrôlé de l'admission de combustible L'arbre moteur 36 comprend un prolongement vers un potentiomètre t'follow-up" 37 qui est connecté aux bornes d'une source de tension telle qu'une batterie 38.
Les potentiomètres 37 et 27 ont une bonne commune mise à la terre et, par suite des connexions représentées des batteries 30 et 38, les extrémités extérieures des potentiomè- tres 27 et 37 ont des pdhrités opposées par rapport à la terre.
Le mouvement du potentiomètre "follow-up" 37 par l'arbre moteur 36, répondant à l'alimentation du système par le mouvement initial du potentiomètre 27 se fait dans une direction telle qu'il produit @
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une variation de tension au balai du potentiomètre 37 dont la po- larité est opposée à la polarité de la variation de tension, à la liaison 31 résultant du mouvement initial du balai du potentiomètre 27. Cette tension de polarité opposée au potentiomètre 37 est trans- mise par l'intermédiaire d'une liaison 40 et d'une résistance 41 àla liaison 33 qui constitue la connexion d'entrée à l'amplificateur 34. Les signaux des potentiomètres 27 et 37 sont par conséquent ad- ditionnés à la liaison commune 33 par l'intermédiaire des résistan- ces 32 et 41.
Les résistances 32 et 41 ont, de préférence, des va- leurs résistives égales et on voit alors que, lorsque la tension à la liaison 40 du potentiomètre 37 est exactement égale en amplitude, mais de polarité opposée, à la tension fournie à la liaison 31 par le potentiomètre sélecteur 27, la liaison commune 33 sera au poten- tiel de la terre et il n'y aura aucun signal d'entrée à l'amplifi- cateur 34. Cette caractéristique fournit l'action de "follow-up" qui est désirée, par laquelle toute variation choisie du débit du combustible de réchauffage est accompli par le mouvement du sélec- teur 20, réalisant une nouvelle tension au potentiomètre 27, don- nant un signal à la liaison 33 vers l'amplificateur 34, provoquant le mouvement du moteur 26 pour changer le réglage de la valve 24.
Lorsque le réglage désiré est réalisé, le potentiomètre "follow-up" 27 aura été déplacé vers une position réalisant une tension équili- brant la tension choisie par le potentiomètre 27 pour réaliser un équilibrage du signal à la liaison 33 , de telle sorte qu'il n'y a effectivement aucun signal d'entrée à l'amplificateur 34.
La stabilisation des phénomènes transitoires pour cette partie du système de réglage de la valve d'admission du combustible de réchauffage, peut être obtenue par la combinaison en série d'une résistance 45 et d'un condensateur 46, connectée en parallèle avec la résistance 41. Ainsi qu'on le comprendra facilement, comme ce système est à courant continu, le condensateur 46 est effectivement un circuit ouvert du point de vue statique.
Cependant, des varia- tions rapides de la position du moteur 26, provoquant un mouvement
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rapide du potentiomètre 37 et des variations rapides de tension aux bornes de la résistance 41, provoquent la transmission d'une varia- tion de tension à travers le circuit de stabilisation comprenant la résistance 45 et le condensateur 46 vers la liaison 33 pour donner un signal "anticipatif" pour la formation de la stabilité des phé- nomènes transitoires. Lorsque la charge du/condensateur 46 se règle sur le nouveau niveau de tension correspondant au nouveau réglage du potentiomètre 37, ce signal disparait.
Le tuyau de sortie 21 de l'engin 10 se termine par un méca- nisme 50 de tuyère d'échappement à surface réglable, qui est connec- té à un moteur 52 réglant la surface de la tuyère, par l'intermédiai re d'une liaison mécanique représentée schématiquement par un arbre 51. L'alimentation du moteur 52 en vue d'une variation de la surfaee de la tuyère peut être obtenue en répobse à des variations de régla- ge du potentiomètre 53 qui peuvent être réalisées par l'intermédi- aire d'un arbre 54 connecté au sélecteur 20. Le potentiomètre 53 peut être connecté/pour contr8ler le moteur 52 au moyen d'un système qui est presque identique à celui utilisé entre le potentiomètre 27 et le moteur 26. Une source de tension telle qu'une batterie 55, applique une tension aux bornes du potentiomètre 53.
Le signal déri- vé de ce dernier est transmis par l'intermédiaire d'une liaison 56, une résistance 57 et une liaison 58 à un amplificateur 59, qui alimente le moteur 52 par l'intermédiaire des lignes 60. Un prolon- gement de l'arbre 51 du moteur 52, représenté schématiquement en 65, est connecté à un potentiomètre follow-up 66 ayant avec le poten- tiomètre 53 une connexion commune 67 mise à la terre, et une source de/tension 68, approximativement la même, mais de polarité apposée à la batterie 55.
Le potentiomètre follow-up 66 fournit donc un signal de polarité opposée à celui fourni par le potentiomètre 53, trans- mis par la liaison 69 et la résistance 70 à la liaison commune 58 d'entrée de l'amplificateur, de sorte que lorsque la position choi- sie de la tuyère a été atteinte, comme représenté par la position du moteur 52, le potentiomètre 66 est réglé de manière à fournir une
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tension équilibrant exactement la tension fournie par le potentio- mètre 53 et il n'y a aucune tension d'entrée à la liaison 58. On voit que la partie décrite jusqu'à présent du système intercormec- tant le potentiomètre 53 et le moteur 52, est sensiblement identique à celle interconnectant le potentiomètre 27 et le moteur 26.
Cepen- dant, un circuit de stabilisation correspondant exactement au cir- cuit de stabilisation du système de contrôle de l'admission du com- bustible de réchauffage, comprenant la résistance 45 et le conden- sateur 46, n'est pas prévu ici. Les parties du système décrites jus- qu'à présent, réalisant respectivement le contrôle de l'ouverture de la tuyère et de la valve d'admission du combustible de réchauf- fage, seront appelées dans la suite les régulateurs "de/tuyère", et "de réchauffage".
Un certain nombre d'appareils sensibles à la température, tel que le thermocouple 75, dont deux seulement sont représentés sur le diagramme schématique, sont prévus dans le tuyau de sortie 21 de l'engin 10, afin de mesurer les températures dans ce tuyau.
Comme la turbine 13 est l'élément le plus critique de l'engin du point de vue détérioration due aux surchauffes, ces thermocouples sont placés de préférence en les endroits les plus adéquats pour déterminer la température de la turbine en termes delà température des gaz s'échappant de celle-ci. Les signaux de température, dérivés des thermocouples 75 sont transmis par les liaisons 76 au circuit de contrôle de la température comprenant une source de tension stan- dard 77 et un amplificateur'78. Au moyen d'un potentiomètre réglable 79 connecté aux bornes de la source de tension 77, une tension est choisie pour s'opposer à la tension du thermocouple et l'équilibrer à la température maximum désirée de l'engin.
Lorsque la température diffère de cette température maximum, une tension d'erreur résultan- te est fournie à l'amplificateur 78. La tension fournie par ce der- nier est fournie à la grille de contrôle 80 d'un tube électronique 81, par l'intermédiaire d'une résistance 82 de couplage. Le circuit allant de la cathode du tube 81 à l'amplificateur 78 est fermé par les résistances cathodiques 83 et 84 et une source de tension de
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polarisation, telle que la batterie 85. Le circuit anodique du tube 81 est complété par une source de tension telle que la batte- rue 86. Des liaisons sont réalisées respectivement entre les résis- tances cathodiques 83 et 84, en 87 et 88, par les diodes 89 et 90 vers les connexions respectives 58 et 33 d'entrée de l'amplifica- teur.
Lorsque la température maximum permise est atteinte, ainsi qu'indiqué par les thermocouples 75, le circuit de température com- prenant l'amplificateur 78, devient effectif de sorte que toute élévation de température au-dessus de la valeur maximum donne lieu à la transmission d'une tension amplifiée par la résistance 82 vers la grille 80 du tube 81, rendant ce dernier conducteur. Des tempé- ratures inférieures à la température maximum, réduisent légèrement le potentiel de la grille 80 de sorte que le tube 81 ne commence pas à conduire.
Lorsque le tube 81 conduit, des tensions apparaissent aux bornes des résistances cathodiques 83 et 84. Lorsque le courant traversant le tube 81 est suffisant pour plus que surpasser la po- larisation réalisée par la source 85, une tension positive par rap- port à la terre apparait à la liaison 87, rendant conductrice la diode 89 pour établir effectivement une liaison à travers cette der nière avec la liaison 58.
Il résulte de l'analyse des polarités de tension indiquées sur le circuit de contrôle de la tuyère, qu'un potentiel positif à la liaison 58 fait se déplacer le moteur 52 dans la direction d'ouverture. Comme expliqué précédemment, une telle augmentation de la surface d'échappement provoque une réduction de la températur. de l'engin, ce qui est exactement l'action désirée lors de toute augmentation au dessus de la température maximum choisie.
De même, une tension positive à la liaison 88 vers la plaque de la diode 90, résultant du fait que le tube 81 conduit, rend conductrice la diode 90 et il en résulte une tension positive à la liaison 33 du circuit de réglage de la valve d'admission du combus-
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tible de réchauffage, ce qui fait varier le réglage de la valve 24 de manière à réduire le débit de combustible, d'où, de même qne diminution de la température de l'engin. Ces actions de limitation de la température des circuits de tuyère et de réchauffage sont sensiblement indépendants de la position des potentiomètres sélec- teurs 53 et 27.
Il résulte des connexions représentées que le potentiel de la liaison 87 sera plus positif que celui de la liaison 88, la dif- férence étant la chute de tension dans la résistance cathodique 83.
Cela veut dire que, lors d'un accroissement graduel du courant tra- versant le tube 81, la diode 89 deviendra conductrice avant la dio- de 90 et le contrôle de la température du circuit de/tuyère agira en agrandissant la surface de la tuyère avant toute autre action sur le circuit de réchauffage.
Si le système est dans des conditions telles que la température de l'engin n'est pas suffisamment limitée par le fonctionnement du circuit de tuyère pour agrandir la surface de la tuyère d'échappement, lors d'une légère augmentation supplé- mentaire de la température, provoquant une augmentation supplémen- taire du courant traversant le tube 81, la tension disponible à la liaison 88 résultant de la chute de tension dans la résistance 84 est seule suffisante, pour rendre conductrice la diode 90 et faire fonctionner le circuit de réchauffage pour limiter l'arrivée de combustible, de manière à limiter la température de l'engin.
La dif- férence entre la température au point où la limitation de la tem- pérature maximum est obtenue par l'ouverture de la tuyère et au poiu où elle est obtenue par la limitation du combustible de surchauffe, est normalement inférieure à 2% de l'augmentation totale de la tem- pérature de l'engin au-dessus de la température ambiante. Cette dif- férence de température maximum maintenue est donc pratiquement in- signifiante du point de vue de la préventionc ontre la détérioration de l'engin, mais les avantages résultant du fonctionnement successf du mécanisme d'ouverture de la tuyère et du mécanisme de réglage de l'admission du combustible de réchauffage, est très grand.
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La condition habituelle dans laquelle la limitation de la température par l'ouverture continue de la surface de la tuyère, ne peut être réalisée de sorte que la limitation du débit du com- bustible de réchauffage est nécessaire, est celle dans laquelle l'ouverture de la tuyère est maximum. Cependant, le mécanisme de réglage de la tuyère peut aussi être endommagé de telle sorte que l'ouverture maximum de la tuyère ne peut être réalisée pour limi- ter la température. Le circuit de limitation du combustible de ré- chauffage comprenant nla liaison réalisable à trabers la diode 90, devient alors immédiatement effectif et la limitation de tempéra- ture est réalisée quelle que soit la position de la tuyère.
Evidem- ment, la réduction de la température par le circuit de réduction de la température par le circuit de réduction du débit du combusti- ble de réchauffage, est également réalisée lorsque l'augmentation de température est tellement rapide que la tuyère ne puisse pas être ouverte suffisamment rapidement pour la compenser.
Le circuit de limitation de la température comprenant les thermocouples 75, l'amplificateur 78 et les circuits associés con- nectés respectivement au circuit de tuyère et au circuit de réchauf fage par l'intermédiaire des diodes 89 et 90, est seulement effec- tif lorsque la température maximum réglée par le potentiomètre 79 est atteinte. Dans toutes les autres conditions de fonctionnement, les réglages de l'ouverture de la tuyère et du débit du combustible de réchauffage sont réalisés par,les potentiomètres 53 et 27 qui sont contrôlés tous deux par le sélecteur 20.
Les liaisons du cir- cuit de température par les diodes 89 et 90 établissent un contrôle du type limitation dans un sens. C'est-à-dire que seule une tension positive est fournie aux liaisons 58 et 33 d'entrée de l'amplifica- teur par l'intermédiaire des diodes respectives 89e t 90 pour ré- aliser une réduction de température.
L'opération indépendante des deux potentiomètres 53 ou 27 dans une direction de réduction de la température du groupe (ouverture de la tuyère ou diminution du
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débit du combustible de réchauffage, provoque le fonctionnement du circuit de contrôle individuel, indépendamment du circuit de limitation de la température, même si ce dernier fonctionne à ce moment, si le fonctionnement indépendant des potentiomètres 53 et 27 amène la température du groupe en dessous du point de fonction- nement du circuit de température.
Lorsque le fonctionnement du circuit de limitation de la température est atteint, où l'une ou l'audre des diodes 89 ou 90 conduit, lorsqu'une condition relativement statique est obtenue, une tension négative est réglée par le potentiomètre 53 ou 27, d'où il résulterait, mais pour le circuit de limitation de la tem- pérature, une température supérieure au maximum auquel le circuit de limitation de la température est effectif.
Cela veut dire, si l'on se réfère au circuit de tuyère, que la tension négative réglée est contrebalancée non seulement par la tension positive venant du potentiomètre 66, mais par une chute de tension due au courant conduit par la diode 89 qui traverse la résistance 57 pour donner lieu à une chute de tension dans cette résistance plus grande que dans la résistance 70, de manière à amener à zéro la tension d'en- trée dans l'amplificateur, à la liaison 58. Autrement dit, par sui- te de la chute de tension supplénentaire dans la résistance 57, due au courant conduit parla diode 89, le potentiomètre 66 redonne l'équilibrage du serve-système de la tuyère pour une ouverture de tuyère plus grande que celle réglée lorsqu'une plus petite chute de tension est atteinte aux bornes de la résistance 70.
Normalement, le circuit de tuyère a une réponse aussi rapide que possible, qui n'est pas diminuée par une quantité de stabilisa- tion appréciable. Il est évident cependant qu'une certaine stabili- sation est requise entre le moteur 52 et l'amplificateur 59. Une telle stabilisation peut être incorporée suivant différentes maniè- res habituelles. Cependant, lorsque le circuit de limitation de la température fonctionne, la stabilité du système peut devenir un problème, principalement à cause de la constante de temps des ther- mocouples. Il est par conséquent désirable d'obtenir une réponse @
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très rapide dans les conditions ordinaires de fonctionnement, mais d'avoir une stabilisation anticipée pour le circuit de tuyère, lorsqu'on atteint le fonctionnement du circuit de limitation de la température.
En conséquence, une liaison est prévue allant du poten tiomètre 66 par un condensateur 95 et une résistance 96, à la gril- le 80 du tube 81, pour donner une tension "anticipative", lors de toute variation de réglage de la tuyère 50. Cette liaison stabilise le circuit de tuyère seulement durant le fonctionnement du circuit de limitation de la température puisque la grille 80 ne contrôle pas autrement ce circuit. Dans toutes les autres conditions de fonctionnement, le régulateur de tuyère est entièrement libre de fonctionner avec une réponse rapide, non affaibli par un tel signal de stabilisation. Une telle stabilisation du système de réchauffa- ge est réalisée par le circuit comprenant la résistance 45 et le condensateur 46, comme décrit précédemment.
L'annulation de cet effet de stabilisation pour le fonctionnement du circuit de réchauf. fage autre que celui limitant la température, n'est pas nécessaire.
Les connexions au sélecteur 20, indiquées par les arbres 54,28 et 19, ne réalisent pas nécessairement un mouvement linéaire direct de chacune des trois parties du système, auxquelles elles sont connectées, pour un mouvement donné du sélecteur 20. Des cames mécaniques (non représentées) peuvent être prévues dans ces con- nexions pour réaliser des réglages des différentes parties du sys- tème suivant un plan prédéterminé, avec des angles variables du mouvement du sélecteur. Une telle non-linéarité peut être prévue de préférence dans les circuits de réchauffage et de tuyère du système, par l'emploi de potentiomètres 53 et 27 possédant des caractéristi- ques non linéaires pour réaliser le plan prédéterminé. Cette prati que est préférable car l'élimination des cames donne une réduction des dimensions et du poids de l'appareil.
Comme représenté, une disposition effective à mouvement perdu est également réalisée par l'adjonction d'une partie non résistive 97 au potentiomètre 27.
Le sélecteur 20 étant normalement avancé, le régulateur du
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combustible principal peut être réglé par l'intermédiaire de la liaison 19 jusqu'au point où la vitesse maximum est atteinte. En même temps, l'ouverture de la tuyère peut être graduellement rédui- te, par une rotation de l'arbre 54 dans le sens des aiguilles d'une montre, faisant varier le réglage du potentiomètre 53. Le réglage du potentiomètre 27 sera également avancé dans le sens des aiguilles d'une montre par l'arbre 28 jusqu'à ce que la partie non-résistive 97 de ce potentiomètre soit traversée par le contact glissant, auquel moment l'alimentation en combustible de réchauffage commence- ra.
A un certain point de ce fonctionnement croissant du système, la température maximum du groupe sera atteinte et la diode 89 com- mencera à conduire pour que le circuit de contrôle de la température du circuit de tuyère fasse ouvrir la tuyère en ppposition avec le mouvement de fermeture de la tuyère réalisé par la tension disponi- ble au potentiomètre 53. Si un point est atteint, où l'ouverture de la tuyère ne peut plus, à elle seule, limiter la. température du groupe, la diode 90 commence à conduire pour réduire l'arrivée du combustible de réchauffage en dessous de celle tolérée par la régla- ge du potentiomètre 27.