FR2531490A1 - Detecteur de temperature du flux d'air dans une turbomachine - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONSISTE A PLACER UN DETECTEUR DE TEMPERATURE 20 A L'ENTREE DU COMPRESSEUR AXIAL 29 D'UN MOTEUR A TURBINE A GAZ EN UN EMPLACEMENT SITUE A UNE DISTANCE RADIALE DU DIAMETRE EXTERIEUR 21 DU COURANT D'AIR ANNULAIRE QUI ENTRE DANS LE COMPRESSEUR SUPERIEUR A 50 DE LA DISTANCE RADIALE ENTRE LES DIAMETRES EXTERIEUR ET INTERIEUR DE CE COURANT D'AIR. ON OBTIENT AINSI UNE MESURE PLUS JUSTE DE LA TEMPERATURE A L'ENTREE DU COMPRESSEUR PENDANT LES PERIODES D'INGESTION D'EAU PAR LE MOTEUR, CE QUI PERMET DE COMMANDER LES AUBES DU STATOR VARIABLES 22, 23 EN RAPPORT AVEC CETTE CONDITION ET D'ACCROITRE AINSI LA MARGE DE DECROCHAGE DU COMPRESSEUR DANS UNE TELLE SITUATION.

Description

La présente invention se rapporte aux moteurs à turbine à gaz et plus

particulièrement à la mesure des températures à l'entrée du compresseur dans de tels moteurs. Il existe actuellement un problème pour la détection des températures à l'entrée du compresseur du fait que pendant les périodes d'ingestion d'eau par le moteur, par exemple au cours d'une pluie d'orage, le

détecteur se mouille et la température détectée s'ap-

proche de la température de bulbe humide qui est infé-

rieure à la température effective Comme l'eau et l'air

passent à travers les divers étages rotatifs de la tur-

bine suivant un trajet d'écoulement approximativement annulaire, l'eau est projetée par la force centrifuge vers la périphérie du courant d'air annulaire Du fait de cette variation de la concentration en eau à travers

le courant d'air et du transfert de chaleur correspon-

dant entre l'eau et l'air, il se crée une distorsion ou

gradient radial de température de l'extérieur vers l'in-

térieur du courant d'air annulaire, les températures

les plus froides se trouvant au niveau de la la périphé-

rie extérieure.

Par conséquent, la présente invention a notam-

ment pour buts: -

de mesurer la température d'un courant d'air

qui s'écoule dans un moteur à turbine à gaz en un empla-

cement qui assure un meilleur fonctionnement aussi bien dans des conditions sèches que dans des conditions humides; de placer un détecteur de température à un emplacement optimal à l'intérieur du courant d'air ce qui a pour résultat de réduire l'effet de l'humidité

sur la mesure des températures à l'entrée du compres-

seur; d'améliorer la marge de décrochage dans un moteur à turbine à gaz pendant l'ingestion d'eau; d'améliorer la commande de calage des aubes

de stator à calage variable en fonction de la tempéra-

ture dans un compresseur de turbine à gaz; de réaliser un détecteur detempérature qui réduit l'erreur dans la mesure de la température à

l'entrée du compresseur due aux distorsions de tempéra-

ture qui existent dans un courant d'air annulaire ^ Ainsi, conformément à la présente invention,

un élément détecteur de température est monté à l'inté-

rieur d'un trajet d'écoulement annulaire, ayant une périphérie extérieure et une périphérie intérieure,

d'un courant d'air qui s'écoule à travers une turboma-

chine, à un emplacement à l'intérieur du trajet d'écou-

lement annulaire qui est radialement éloigné de la

périphérie extérieure d'une distance supérieure à cin-

quante pour cent de la distance radiale entre la péri-

phérie extérieure et la périphérie intérieure.

La suite de la description se réfère aux

figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue partielle en coupe d'une turbine à gaz, prise suivant une direction axiale, cette turbine comportant un mode de réalisation de la présente invention;

figure 2, une vue isométrique d'un détec-

teur de température à immersion profonde que comporte la turbine de la figure 1; figure 3, une vue en coupe, prise suivant la ligne 3-3 de la figure 2; figure 4, un graphique qui représente les variations de température dans un courant d'air de

turbine pour diverses teneurs en humidité et différen-

tes profondeurs de pénétration dans le courant d'air;

figure 5, un schéma synoptique du fonction-

nement du système de la présente invention dans un

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moteur à turbine à gaz ayant des aubes de compresseur

à calage variable.

Sur la figure 1 à laquelle on se référera, on a représenté une vue partielle en coupe d'un moteur à turbine à gaz, désigné par la référence générale 10. Le moteur 10 à turbine à gaz comprend un tambour de rotor cylindrique 12, s'étendant axialement, placé au centre d'un canal 13 d'entrée d'air entouré d'une enveloppe 14 Une soufflante 15 de moteur est placée à l'intérieur du canal 13 d'entrée d'air pour accroître

le débit du courant d'air.

On place axialement, derrière la soufflante de moteur, une section de gavage 17 du rotor de soufflante qui comporte plusieurs étages, chaque étage

comprenant une partie de rotor à aubes mobiles multi-

ples et une partie de stator à aubes fixes multiples.

La section de gavage 17 précomprime l'-air pompé par la soufflante 15 à un rapport de pression d'environ 2:1 ou d'environ 1013 millibars à environ 2000 millibars,

au niveau de la mer Un aubage de stator 16 de la sec-

tion de gavage 17 est placé à l'entrée 18 d'un trajet d'écoulement annulaire 40 pour un courant d'air qui

s'écoule à travers la turbine 10 Le trajet d'écoule-

ment annulaire 40 est limité par le tambour 12 du rotor qui constitue sa limite ou diamètre intérieur et par

la surface 21 du diviseur 27 de flux d'air qui consti-

tue sa limite ou diamètre extérieur Le diviseur 27 de flux détourne une partie de l'air d'arrivée par un canal de dérivation 42, La "profondeur de pénétration dans le trajet d'écoulement" à laquelle on se référera est la pénétration radiale dans le trajet d'écoulement d'air annulaire 40 depuis le diamètre extérieur en direction du diamètre intérieur Sur la figure 1, la flèche 60 représente une profondeur de pénétration de 100 % étant donné qu'elle s'étend sur toute la distance

depuis le diamètre extérieur jusqu'au diamètre intérieur.

Un compresseur haute pression 29 à plusieurs étages est disposé espacé radialement à l'arrière de la section de gavage 17 à l'intérieur de la turbine à gaz 10 Le compresseur haute pression 29 comporte plu- sieurs rotors à aubes mobiles multiples et plusieurs stators à aubes fixes multiples dont la position est réglable Les aubes de stator, telles que les aubes 22 et 23, sont fixées à des bras de commande 24 qui

sont montés sur des anneaux 28 pour permettre de modi-

fier l'angle d'attaque des aubes de stator en fonction

de certains paramètres de fonctionnement de la turbine.

L'emploi d'aubes de stator à position réglable est bien

connu dans la technique et on peut trouver une descrip-

tion d'un tel fonctionnement dans le brevet des EUA n O 2 931 168 qui doit être considéré comme incorporé à

la présente description par la référence qui y est

faite ici De l'air est refoulé axialement à travers le compresseur haute pression 29 qui accroit la pression et la température de l'air en vue de son emploi dans une partie de combustion (non représentée) du moteur 10

à turbine.

Un détecteur de température 20, servant à déterminer la température à l'entrée du compresseur,

est situé à l'intérieur du trajet d'écoulement annu-

laire 40, écarté de la section de gavage 17 et à l'avant du compresseur haute pression 29 Le détecteur , qui est représenté dans une vue isométrique sur la figure 2, comprend un montant 32 dont une extrémité est fixée à une semelle 36 L'extrémité opposée du montant 32 est fixée à un boîtier 26 à l'intérieur duquel est disposé un serpentin 38 rempli d'hélium (voir également la figure 3) La semelle 36 est fixée

à la surface intérieure 21 du diviseur 27 de flux.

La longueur du montant est choisie de telle sorte que le boîtier 26 qui contient le serpentin 38 détecteur de température est placé à l'intérieur du trajet

d'écoulement annulaire 40 à une profondeur de pénétra-

tion qui est supérieure à 50 % de la profondeur de péné-

tration totale 60 comme on le décrira ultérieurement.

La figure 3 représente le bottier 26 muni

d'un écran de protection contre la pluie ou "pare-

gouttes", de forme conique 35, qui comporte une ouver-

ture 43 permettant à l'air de s'écouler le long du

serpentin 38 et de sortie par l'ouverture 44 Le 'pare-

gouttes" 35 permet à l'air de passer librement sur les surfaces du serpentin 38 grâce à la formation de remous

à l'intérieur du boîtier 26 tout en empêchant les gout-

telettes de pluie, qui sont présentes pendant les condi-

tions d'ingestion d'eau, de pénétrer Le serpentin de détection 38 est rempli d'hélium gazeux sous pression et il réagit aux changements de température de telle

sorte que, lorsque la température s'accroit, la pres-

sion du gaz s'accroît et-que, lorsque la température diminue, la pression du gaz diminue également Les

changements de pression du gaz à l'intérieur du serpen-

tin de détection 38 sont transmis par un raccord 37 à un mécanisme de commande approprié Le "pare-gôuttes" favorise la détection de la température effective du courant d'air en réduisant au-minimum le contact de l'humidité avec le serpentin 38, empêchant de ce fait

que la température détectée s'approche de la tempéra-

ture de bulbe humide qui est inférieure à la tempéra-

ture effective de l'air.

Dans une installation constituant un mode de réalisation recommandé, la profondeur de pénétration dans le trajet d'écoulement du serpentin de détection 38 est d'approximativement 11,25 cm ( 4,8 inches) depuis la surface intérieure 21 Etant donné que, dans ce mode de réalisation choisi à titre d'exemple le trajet d'air annulaire a une profondeur de pénétration totale d'environ 20 cm ( 8 inches) (profondeur de pénétration

de 100 %), la position du serpentin détecteur 38 repré-

sente une profondeur de pénétration d'approximativement % dans le trajet annulaire 40 à partir de la surface intérieure 21 Le placement du serpentin 38 à une pro- fondeur de pénétration de 55 % représente le choix d'un emplacement dans lequel l'air est plus chaud pendant

l'ingestion d'eau qu'au voisinage de la surface inté-

rieure 21 du diviseur 27 de flux (profondeur de péné-

tration de 0 %) o de l'eau a été projetée par centri-

fugation par les étages tournants de la soufflante 15

et de la section de gavage 17.

Sur la figure 4, on a tracé diverses courbes qui représentent la profondeur de pénétration dans le trajet d'écoulement (en centimètres) par rapport à la température (en degrés Celsius) mesurée à l'admission du compresseur haute pression Chaque courbe représente un pourcentage différent d'humidité contenue dans le courant d'air, ou teneur en humidité du courant d'air, Si l'on se réfère à la courbe C% d'humidité, on voit

que le placement du détecteur à une profondeur de péné-

tration de 55 % (au point désigné par la lettre A) donne une indication de température qui est approximativement égale à l'indication de température obtenue avec le placement du détecteur, conformément à la technique antérieure, à une profondeur de pénétration de 12,5 % (au point désigné par la lettre B) Cependant, pour

d'autres teneurs en humidité du courant d'air, il appa-

rait clairement que le placement du détecteur à une profondeur de pénétration de 55 % se traduit par des

mesures de température plus élevées que-celles mesu-

rées à un emplacement situé à une profondeur de péné-

tration de 12,5 % conformément à la technique anté rieure Ces températures plus élevées se rapprochent plus étroitement des températures effectives à l'entrée

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du compresseur que les températures inférieures mesu-

rées à l'emplacement situé à la profondeur de péné-

tration de la technique antérieure, par suite du gra-

dient de température radial provoqué par les goutte-

lettes d'eau centrifugées. Il apparaîtra clairement à la lecture de la

description détaillée qui précède que si l'on désire

détecter des températures encore plus élevées, il suf-

fit d'accroître la profondeur de pénétration du serpen-

tin de détection 38; en d'autres termes, il suffit de placer le serpentin 28 plus proche du tambour 12 du rotor Il suffit pour cela d'allonger le montant 32

du détecteur de température 20 pour obtenir une péné-

tration encore plus profonde du serpentin 38 dans le trajet d'écoulement 40 Comme représenté par la famille de courbes de la figure 4, la température du courant

d'air commence à s'accroître nettement à des profon-

deurs de pénétration supérieures à 50 % Cet accroisse-

ment devient encore plus apparent lorsque la teneur en humidité du courant d'air s'accroît, Par conséquent,

le placement du serpentin de détection à une profon-

deur de pénétration qui dépasse 50 % de la profondeur de pénétration totale disponible permet de mesurer

les températures plus élevées qui existent effective-

ment dans le courant d'air On considère préférable que le serpentin détecteur soit placé à une profondeur

de pénétration comprise entre 55 % et 85 % de la profon-

deur de pénétration totale du trajet d'écoulement.

La figure 5 montre, sous la forme d'un schema-bloc, que le signal de sortie du détecteur 20, qui est une fonction de la température à l'entrée du

compresseur, est appliqué à un dispositif 50 de com-

mande du stator variable Le dispositif de commande 50 produit un signal de sortie qui est utilisé pour mettre en position les aubes de stator à calage

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variable, par exemple, celles désignées sur la figure 1 par les références 22 et 23, au moyen des anneaux 28 et des bras de commande 24 en fonction de la température à l'entrée du compresseur, comme décrit et représenté dans le brevet des EUA N O 2 931 168 déjà cité. Du fait que l'on détecte avec précision la température du courant d'air du trajet d'écoulement 40

pendant les pluies d'orage, grace à l'emploi d'un détec-

teur à immersion profonde et à l'emploi d'un "pare-

gouttes" 35, les aubes de stator à calage variable du

compresseur 29 sont plus complètement fermées, de plu-

sieurs degrés Il en résulte que l'angle d'attaque des aubes de stator à calage variable est fixé de telle sorte que le compresseur haute pression 29 refoule l'air

axialement à travers la turbine 10 d'une manière effi-

cace et avec une réduction des turbulences Par consé-

quent, la marge de décrochage du compresseur est améliorée. Bien que le mode de réalisation de l'invention

décrit ci-dessus prévoit de placer un détecteur de tempé-

rdture en amont du compresseur haute pression, la pré-

sente invention est également utilisable pour mesurer les températures à d'autres emplacements du moteur à

turbine à gaz o les aubes mobiles provoquent des dis-

torsions de températures radiales Par exemple, le détecteur peut être placé entre la soufflante et la section de gavage du moteur à turbine à gaz, à l'avant de la turbine haute pression, à l'avant de la turbine

basse pression ou même à une quelconque position inter-

médiaire entre des étages Par conséquent, de tels emplacements doivent être considérés comme entrant

dans le cadre de la présente invention.

Il est bien entendu que l'appareil suggéré ci-dessus et tel que représenté à titre d'exemple sur les figures ne constitue qu'un exemple d'un mode de réalisation préféré de la présente invention et que de nombreuses variantes qui entrent dans le cadre des

principes de la présente invention viendront immédia-

tement à l'esprit des spécialistes de la technique et

sont couvertes par les revendications.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1 Appareil pour détecter la température dans

un courant d'air s'écoulant suivant un trajet d'écoule-

ment ( 40) approximativement annulaire à travers une turbomachine ( 10), ce trajet d'écoulement ayant un diamètre intérieur ( 12) et un diamètre extérieur ( 21), appareil caractérisé en ce qu'il comprend des moyens

( 20) pour détecter la température de l'air à un empla-

cement situé entre les diamètres intérieur et extérieur du trajet d'écoulement qui est éloigné radialement du diamètre extérieur d'une distance qui est supérieure à % de la distance radiale entre le diamètre extérieur

et le diamètre intérieur.

2 Appareil selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que l'emplacement de détection de la tempé-

rature est situé à une distance radiale dudit diamètre extérieur ( 21) comprise entre 55 et 85 % de la distance

radiale entre le diamètre extérieur et le diamètre inté-

rieur du trajet ( 40) d'écoulement du courant d'air.

3 Appareil selon la revendication 2, caracté-

risé en ce que l'emplacement de détection de la tempé-

rature est situé à une distance radiale dudit diamètre extérieur ( 21 > qui est égale à approximativement 55 % de la distance radiale entre le diamètre extérieur et le

diamètre intérieur du trajet ( 40) d'écoulement du -

courant d'air.

4 Appareil selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'il comporte, en outre: a) un étage compres-

seur ( 29) et en ce que: b) les moyens ( 20) de détection de la température de l'air sont disposés à l'avant de

l'étage compresseur.

Appareil selon la revendication 4, caracté- risé en ce qu'il comporte, en outre: a) un étage de gavage ( 17) disposé à l'avant de l'étage compresseur ( 20) dont il est séparé; et en ce que: b) les moyens on

( 20) de détection de la température ( 20) sont dispo-

sés entre l'étage de gavage et l'étage compresseur.

6 Appareil selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'il comporte, en outre une paroi intérieure et une paroi extérieure qui définissent les diamètres intérieur et extérieur ( 21) qui servent à contenir le courant d'air à l'intérieur de la turbomachine ( 10) ; et en ce que les moyens de détection ( 20) sont fixés à proximité de la paroi extérieure et s'étendent dans le

trajet d'écoulement du courant d'air annulaire.

7 Dispositif pour commander les aubes de compresseur ( 22, 23) d'une turbomachine, aubes qui ont

un angle d'attaque variable en fonction de la tempéra-

ture, à l'entrée du compresseur ( 29), d'un courant d'air, ce courant d'air ayant un trajet d'écoulement ( 40) approximativement annulaire qui a un diamètre extérieur et un diamètre intérieur, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte: a) des moyens ( 20) pour mesurer la

température du courant d'air qui entre dans le compres-

seur à un emplacement situé entre les diamètres inté-

rieur et extérieur du trajet d'écoulement annulaire du courant d'air quiest radialement éloigné du diamètre

extérieur d'une distance supérieure à 50 % de la dis-

tance radiale entre le diamètre extérieur et le diamè-

tre intérieur; b) des moyens ( 50) pour produire un signal en fonction de la mesure de température; et c) des moyens ( 24) fonctionnant en réponse au signal pour provoquer la sollicitation des aubes ( 22, 23) de compresseur à calage variable vers une position de fermeture de leur angled'attaque en fonction desdites mesures de température afin d'accroître la marge de décrochage du compresseur de la turbomachine dans le

cas o la teneur en humidité du courant d'air dépasse O %.

8 Dispositif selon la revendication 7, carac-

térisé en ce que-les moyens ( 20) servant à déterminer la

température de l'air comprennent: a> un détecteur cons-

titué par un serpentin hélicoïdal ( 38) contenant un gaz sous pression; et b) un écran ( 35) muni d'une ouverture centrale ( 43) entourant le bord avant du serpentin hélicoïdal de sorte que l'air peut se détendre derrière

l'écran et entre les spires du serpentin.

9 Dispositif selon la revendication 8, carac-

térisé en ce que le gaz est de l'hélium.

Dispositif selon la revendication 8, carac-

térisé en ce que l'écran ( 35) a une forme conique pour dévier les gouttelettes d'eau contenues dans le courant

d'air en éloignement de l'ouverture centrale ( 43).

11 Procédé pour détecter la température dans un courant d'air ayant un trajet d'écoulement ( 40) approximativement annulaire à travers une turbomachine, ce trajet d'écoulement annulaire du courant d'air ayant un diamètre intérieur et un diamètre extérieur, procédé

caractérisé en ce qu'il consiste à détecter la tempéra-

ture de l'air à un emplacement situé entre lesdits diamètres intérieur et extérieur du trajet d'écoulement annulaire du courant d'air qui est radialement éloigné du diamètre extérieur d'une distance supérieure à 50 % de la distance radiale entre le diamètre extérieur et

le diamètre intérieur.

12 Procédé pour améliorer la marge de décro-

chage d'un compresseur ( 29) dans une turbomachine du type comportant un compresseur muni d'aubes ( 22, 23) de compresseur à pas réglable, un courant d'air ayant une teneur en humidité supérieure à zéro pour cent entrant dans le compresseur sous forme d'un courant annulaire qui a un diamètre intérieur et un diamètre extérieur, procédé caractérisé en ce qu'il consiste: a) à mesurer la température de l'air qui entre dans le compresseur à un emplacement situé entre les diamètres intérieur et extérieur du courant d'air annulaire qui est radialement éloigné du diamètre

extérieur d'une distance supérieure à 50 % de la dis-

tance radiale entre le diamètre extérieur et le diamè-

tre intérieur; et b) à régler le pas des aubes du compresseur en fonction de la mesure de-température

de l'étape a).

13 Procédé pour améliorer la marge de décro-

chage d'une turbomachine ( 10) du type comportant un compresseur ( 29), ce procédé comportant des étapes qui consistent à détecter la température à l'entrée du compresseur pendant des conditions d'ingestion

d'eau au moyen d'un détecteur de température ( 20),-.

la turbomachine ayant un courant d'air qui entre dans ledit compresseur sous la forme d'un courant annulaire

( 40) ayant un diamètre intérieur et un diamètre exté-

rieur, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à placer le détecteur à un emplacement situé entre les diamètres intérieur et extérieur du courant d'air

annulaire qui est radialement éloigné du diamètre exté-

rieur d'une distance qui est supérieure à 50 % de la dis-

tance radiale entre le diamètre extérieur et le diamè-

tre intérieur.

14 Procédé selon la revendication 13, carac-

térisé en ce qu'il comporte l'étape qui consiste à

protéger le détecteur de température ( 38) des goutte-

lettes d'eau contenues dans le courant d'air.