CA3044429A1 - Procede de commande d'une vanne de turbomachine - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de commande d'une vanne de contrôle (20) d'une turbomachine fonctionnant en régime moteur à une valeur de croisière (Vc) et oscillant autour de sa valeur de croisière (Vc), le procédé étant mis en uvre par une unité de calcul (40), et étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape de détermination pour la vanne de contrôle (20) d'une commande en position, filtrée des oscillations du régime moteur autour de la valeur de croisière (Vc).
Description
Procédé de commande d'une vanne de turbomachine DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
L'invention concerne les turbomachines et les procédés ou dispositifs de commandes de vannes contrôlant un flux d'air, et en particulier les vannes LPTACC ( low pressure turbine active clearance command en anglais selon la terminologie employée dans l'aéronautique pour commande active des jeux de la turbine basse pression), c'est-à-dire les vannes qui ont pour but de contrôler le jeu entre une aube de turbine et un carter disposé radialement autour. En injectant de l'air sur le carter, on peut le refroidir et contrôler sa dilatation thermique, ce qui provoque une diminution de sa taille et donc une diminution du jeu.
La dilation des éléments dépend de plusieurs paramètres, dont les matériaux, les assemblages, la vitesse de rotation, la température, etc.
La vanne LPTACC permet donc d'influer sur la température du carter.
Le jeu est modulé en fonction des phases de vol, du régime moteur, de l'altitude...
ETAT DE L'ART
Une turbomachine 10 à double flux pour la propulsion aéronautique est représentée en figure la. Elle comprend une soufflante 11 délivrant un flux d'air dont une partie centrale est injectée dans une veine primaire VP comprenant un compresseur 12 qui alimente une turbine 14 entraînant la soufflante. La turbine 14 comprend une pluralité d'aubes 140 s'étendant radialement et est logée radialement à
l'intérieur d'un carter 16.
La partie périphérique du flux d'air provenant de la soufflante circule dans une veine secondaire VS. Cette partie périphérique du flux d'air est éjectée vers l'atmosphère pour fournir la majeure partie de la poussée de la turbomachine 10.
L'invention concerne les turbomachines et les procédés ou dispositifs de commandes de vannes contrôlant un flux d'air, et en particulier les vannes LPTACC ( low pressure turbine active clearance command en anglais selon la terminologie employée dans l'aéronautique pour commande active des jeux de la turbine basse pression), c'est-à-dire les vannes qui ont pour but de contrôler le jeu entre une aube de turbine et un carter disposé radialement autour. En injectant de l'air sur le carter, on peut le refroidir et contrôler sa dilatation thermique, ce qui provoque une diminution de sa taille et donc une diminution du jeu.
La dilation des éléments dépend de plusieurs paramètres, dont les matériaux, les assemblages, la vitesse de rotation, la température, etc.
La vanne LPTACC permet donc d'influer sur la température du carter.
Le jeu est modulé en fonction des phases de vol, du régime moteur, de l'altitude...
ETAT DE L'ART
Une turbomachine 10 à double flux pour la propulsion aéronautique est représentée en figure la. Elle comprend une soufflante 11 délivrant un flux d'air dont une partie centrale est injectée dans une veine primaire VP comprenant un compresseur 12 qui alimente une turbine 14 entraînant la soufflante. La turbine 14 comprend une pluralité d'aubes 140 s'étendant radialement et est logée radialement à
l'intérieur d'un carter 16.
La partie périphérique du flux d'air provenant de la soufflante circule dans une veine secondaire VS. Cette partie périphérique du flux d'air est éjectée vers l'atmosphère pour fournir la majeure partie de la poussée de la turbomachine 10.
2 Afin de contrôler le jeu entre les aubes 140 de la turbine 14 et le carter 16, une vanne de contrôle 20, qui est préférablement du type LPTACC, est prévue. La figure lb illustre schématiquement l'architecture de l'environnement de cette vanne 20 et de son contrôle actif.
Cette vanne de contrôle 20 permet de contrôler de façon continue un débit d'air issu de la veine secondaire, à partir d'un prélèvement 18, et de le diriger vers le carter 16 disposé en regard des aubes 140 de la turbine 14. Le prélèvement 18 communique avec un conduit d'amenée 22 qui amène le flux d'air à la vanne de contrôle 20. Un conduit de rejet 24 amène ensuite cet air depuis la vanne de contrôle 20 vers le carter 16.
Une unité de calcul 40 reçoit notamment en entrée la valeur du régime moteur et calcule une commande en débit qui est convertie en une commande en position. Cette commande en position est envoyée vers un actionneur 30 qui pilote la vanne 20. Des capteurs de position (non représentés) permettent un retour vers l'unité de calcul 40.
Sur la figure lb, il s'agit d'un actionneur 30 hydraulique qui pilote une servovanne 20 hydraulique. La liaison 41 entre l'unité de calcul 40 et l'actionneur 30 est électrique. La liaison 31 entre l'actionneur 30 et la vanne 20 est hydraulique. La liaison de retour 21 entre la vanne de contrôle 20 et l'unité de calcul 40 est électrique.
Le contrôle actif vise principalement à réduire le jeu en sommet d'aube 140 de turbine 14 pour optimiser la consommation spécifique, c'est-à-dire la quantité de carburant nécessaire pour produire une poussée de un Newton pendant une heure.
L'un des objectifs du contrôle est de définir un débit optimal d'air pour le contrôle actif, permettant de limiter au maximum le jeu en sommet des aubes 140 tout en minimisant la quantité d'air prélevé dans la soufflante, car l'air s'écoulant par ce biais ne contribue pas directement à la poussée fournie par la turbomachine 10. Cet objectif
Cette vanne de contrôle 20 permet de contrôler de façon continue un débit d'air issu de la veine secondaire, à partir d'un prélèvement 18, et de le diriger vers le carter 16 disposé en regard des aubes 140 de la turbine 14. Le prélèvement 18 communique avec un conduit d'amenée 22 qui amène le flux d'air à la vanne de contrôle 20. Un conduit de rejet 24 amène ensuite cet air depuis la vanne de contrôle 20 vers le carter 16.
Une unité de calcul 40 reçoit notamment en entrée la valeur du régime moteur et calcule une commande en débit qui est convertie en une commande en position. Cette commande en position est envoyée vers un actionneur 30 qui pilote la vanne 20. Des capteurs de position (non représentés) permettent un retour vers l'unité de calcul 40.
Sur la figure lb, il s'agit d'un actionneur 30 hydraulique qui pilote une servovanne 20 hydraulique. La liaison 41 entre l'unité de calcul 40 et l'actionneur 30 est électrique. La liaison 31 entre l'actionneur 30 et la vanne 20 est hydraulique. La liaison de retour 21 entre la vanne de contrôle 20 et l'unité de calcul 40 est électrique.
Le contrôle actif vise principalement à réduire le jeu en sommet d'aube 140 de turbine 14 pour optimiser la consommation spécifique, c'est-à-dire la quantité de carburant nécessaire pour produire une poussée de un Newton pendant une heure.
L'un des objectifs du contrôle est de définir un débit optimal d'air pour le contrôle actif, permettant de limiter au maximum le jeu en sommet des aubes 140 tout en minimisant la quantité d'air prélevé dans la soufflante, car l'air s'écoulant par ce biais ne contribue pas directement à la poussée fournie par la turbomachine 10. Cet objectif
3 est principalement visé lors des phases de croisière ( cruise en anglais, c'est à le dire le régime permanent).
La durée de vie de ces vannes de contrôle est souvent plus basse que celle prévue par les constructeurs. Des solutions ont consisté à
renforcer les vannes, en utilisant des matériaux plus résistants, mais le problème n'est que partiellement résolu.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Comme indiqué en introduction, l'invention concerne les vannes de contrôle 20 de turbomachine 10 et les procédés associés. Les éléments et leurs références indiquées en introduction seront réutilisés pour la description ci-dessous.
Les procédés de commande de la vanne de contrôle 20 comprennent généralement les étapes suivantes mises en oeuvre par l'unité de calcul 40 :
- Une étape El de réception des données quantifiant le régime moteur de la turbomachine, - Une étape E2 de détermination d'une commande en débit à
partir notamment des données quantifiant le régime moteur, - Une étape E3 de détermination d'une commande en position à
partir de la commande en débit.
La commande en position est destinée à permettre le pilotage de la vanne 20, notamment via un actionneur 30 si ce dernier n'est pas intégré à la vanne 20.
D'autres données interviennent pour la commande en position, notamment les constantes de la fonction de transfert de l'actionneur 30.
Ces données, connues, ne concernent pas directement l'invention et ne seront pas détaillées davantage.
La durée de vie de ces vannes de contrôle est souvent plus basse que celle prévue par les constructeurs. Des solutions ont consisté à
renforcer les vannes, en utilisant des matériaux plus résistants, mais le problème n'est que partiellement résolu.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Comme indiqué en introduction, l'invention concerne les vannes de contrôle 20 de turbomachine 10 et les procédés associés. Les éléments et leurs références indiquées en introduction seront réutilisés pour la description ci-dessous.
Les procédés de commande de la vanne de contrôle 20 comprennent généralement les étapes suivantes mises en oeuvre par l'unité de calcul 40 :
- Une étape El de réception des données quantifiant le régime moteur de la turbomachine, - Une étape E2 de détermination d'une commande en débit à
partir notamment des données quantifiant le régime moteur, - Une étape E3 de détermination d'une commande en position à
partir de la commande en débit.
La commande en position est destinée à permettre le pilotage de la vanne 20, notamment via un actionneur 30 si ce dernier n'est pas intégré à la vanne 20.
D'autres données interviennent pour la commande en position, notamment les constantes de la fonction de transfert de l'actionneur 30.
Ces données, connues, ne concernent pas directement l'invention et ne seront pas détaillées davantage.
4 PCT/FR2017/053207 D'autres étapes interviennent ensuite, comme une étape de pilotage par l'actionneur de la vanne, l'actionneur recevant en entrée la commande en position de l'étape E3. Ces étapes ne concernent pas l'unité de calcul 40 directement.
Il a été observé sur le matériel existant que la durée de vie des vannes de contrôle était plus faible qu'attendue. Comme indiqué dans l'introduction, des actions correctives portant sur la qualité des matériaux ont été lancées mais n'ont pu palier que temporairement et partiellement le problème.
Lors d'études plus approfondies, le Demandeur s'est aperçu que la vanne de contrôle 20 oscille autour de sa position d'équilibre.
L'amplitude de ces oscillations est faible par rapport à la valeur de la commande, mais la fréquence est élevée par rapport à la réponse thermique du carter 16.
Ces oscillations peuvent représenter jusqu'au deux tiers de la course totale de la vanne 20 lors d'un vol et entrainent de ce fait une usure prématurée de la vanne 20.
Néanmoins, le Demandeur s'est aussi aperçu que les oscillations ne sont pas dues au flux d'air qui pourrait générer des perturbations mais sont dues à l'étape E2 de détermination de la commande en débit.
Or, l'étape E3 de détermination de la commande en position de la vanne suit directement l'étape E2.
Il s'est ainsi avéré que la commande en débit fournie par l'unité
de calcul 40 est très sensible aux oscillations du régime moteur qui varie de quelques pourcents lorsqu'il est en mode de croisière. On définit à
présent une valeur de croisière Vc autour de laquelle oscille le régime moteur à une fréquence fo et une amplitude Ao (Ao étant faible devant Vc, typiquement inférieur à 5% de Vc). La fréquence fo est d'environ 1 Hz (variable selon les turbomachines).
Comme, en phase de croisière, la commande en position de la vanne 20 est sensiblement proportionnelle au régime moteur, cette oscillation du régime se traduit en une oscillation de la commande de position.
Il a été observé sur le matériel existant que la durée de vie des vannes de contrôle était plus faible qu'attendue. Comme indiqué dans l'introduction, des actions correctives portant sur la qualité des matériaux ont été lancées mais n'ont pu palier que temporairement et partiellement le problème.
Lors d'études plus approfondies, le Demandeur s'est aperçu que la vanne de contrôle 20 oscille autour de sa position d'équilibre.
L'amplitude de ces oscillations est faible par rapport à la valeur de la commande, mais la fréquence est élevée par rapport à la réponse thermique du carter 16.
Ces oscillations peuvent représenter jusqu'au deux tiers de la course totale de la vanne 20 lors d'un vol et entrainent de ce fait une usure prématurée de la vanne 20.
Néanmoins, le Demandeur s'est aussi aperçu que les oscillations ne sont pas dues au flux d'air qui pourrait générer des perturbations mais sont dues à l'étape E2 de détermination de la commande en débit.
Or, l'étape E3 de détermination de la commande en position de la vanne suit directement l'étape E2.
Il s'est ainsi avéré que la commande en débit fournie par l'unité
de calcul 40 est très sensible aux oscillations du régime moteur qui varie de quelques pourcents lorsqu'il est en mode de croisière. On définit à
présent une valeur de croisière Vc autour de laquelle oscille le régime moteur à une fréquence fo et une amplitude Ao (Ao étant faible devant Vc, typiquement inférieur à 5% de Vc). La fréquence fo est d'environ 1 Hz (variable selon les turbomachines).
Comme, en phase de croisière, la commande en position de la vanne 20 est sensiblement proportionnelle au régime moteur, cette oscillation du régime se traduit en une oscillation de la commande de position.
5 Le régime moteur peut notamment être obtenu par des capteurs mesurant la vitesse de rotation de l'arbre de la turbine basse-pression.
A titre d'illustration, le changement de débit induit par ces oscillations de la commande en position est d'environ 5%. En raison de sa valeur et de sa fréquence, un tel changement n'a aucune utilité
physique puisque le temps de réponse thermique du carter 16 est plus lent.
L'invention propose alors un procédé de commande comprenant une étape de détermination pour la vanne de contrôle 20 d'une commande en position filtrée des oscillations du régime moteur autour de la valeur de croisière Vc.
En particulier, le filtrage utilise un filtre passe-bas dont une fréquence de coupure est supérieure à une fréquence associée au temps de réponse thermique du carter, afin de s'assurer que le filtrage ne perturbe pas la fonction de la valve.
En effet, l'oscillation de la vanne étant due à une oscillation de la commande en position, un filtrage adapté permet de supprimer le bruit du signal et d'optimiser la gestion de la vanne. La course cumulée de la vanne peut ainsi être divisée par trois sur un vol, ce qui augmente sa durée de vie.
Le filtrage est effectué à l'aide d'un filtre passe bas, dont une fréquence de coupure te est inférieure à la fréquence des oscillations fo,
A titre d'illustration, le changement de débit induit par ces oscillations de la commande en position est d'environ 5%. En raison de sa valeur et de sa fréquence, un tel changement n'a aucune utilité
physique puisque le temps de réponse thermique du carter 16 est plus lent.
L'invention propose alors un procédé de commande comprenant une étape de détermination pour la vanne de contrôle 20 d'une commande en position filtrée des oscillations du régime moteur autour de la valeur de croisière Vc.
En particulier, le filtrage utilise un filtre passe-bas dont une fréquence de coupure est supérieure à une fréquence associée au temps de réponse thermique du carter, afin de s'assurer que le filtrage ne perturbe pas la fonction de la valve.
En effet, l'oscillation de la vanne étant due à une oscillation de la commande en position, un filtrage adapté permet de supprimer le bruit du signal et d'optimiser la gestion de la vanne. La course cumulée de la vanne peut ainsi être divisée par trois sur un vol, ce qui augmente sa durée de vie.
Le filtrage est effectué à l'aide d'un filtre passe bas, dont une fréquence de coupure te est inférieure à la fréquence des oscillations fo,
6 afin de les atténuer. Plus généralement, la fréquence de coupure fc est choisie pour atténuer les oscillations durant toute la phase de croisière.
Le filtrage prévu dans le procédé permet de limiter l'influence des oscillations sur la commande en position et ainsi d'améliorer la durée de vie de la vanne 20.
Au vu de l'architecture des étapes effectuées dans l'unité de calcul, le filtrage peut être effectué sur des signaux différents mais produit in fine un résultat similaire, à savoir que la commande en position est filtrée des oscillations du régime moteur.
L'invention s'applique avantageusement aux vannes LPTACC, (c'est-à-dire destinée à alimenter en air le carter pour modifier sa dilatation), mais aussi à tout type de vanne dont l'unité de calcul qui la pilote reçoit en entrée des données relatives au régime moteur et s'applique donc aux vannes dont la position oscille en réponse aux oscillations du régime moteur. Ces vannes contrôlent des flux de fluide, en particulier d'air.
Enfin, l'invention peut présenter les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- l'étape de détermination comprend les sous-étapes suivantes :
(El) réception des données quantifiant le régime moteur de la turbomachine, (E2) détermination d'une commande en débit à partir des données quantifiant le régime moteur, (E3) détermination d'une commande en position à partir de la commande en débit, ladite commande en position étant destinée à la vanne de contrôle, (Ef) filtrage de la commande en position issue de l'étape de détermination de la commande en position (E3), dans lequel le filtrage est effectué à l'aide d'un filtre passe-bas dont une fréquence de coupure fc est inférieure à une
Le filtrage prévu dans le procédé permet de limiter l'influence des oscillations sur la commande en position et ainsi d'améliorer la durée de vie de la vanne 20.
Au vu de l'architecture des étapes effectuées dans l'unité de calcul, le filtrage peut être effectué sur des signaux différents mais produit in fine un résultat similaire, à savoir que la commande en position est filtrée des oscillations du régime moteur.
L'invention s'applique avantageusement aux vannes LPTACC, (c'est-à-dire destinée à alimenter en air le carter pour modifier sa dilatation), mais aussi à tout type de vanne dont l'unité de calcul qui la pilote reçoit en entrée des données relatives au régime moteur et s'applique donc aux vannes dont la position oscille en réponse aux oscillations du régime moteur. Ces vannes contrôlent des flux de fluide, en particulier d'air.
Enfin, l'invention peut présenter les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- l'étape de détermination comprend les sous-étapes suivantes :
(El) réception des données quantifiant le régime moteur de la turbomachine, (E2) détermination d'une commande en débit à partir des données quantifiant le régime moteur, (E3) détermination d'une commande en position à partir de la commande en débit, ladite commande en position étant destinée à la vanne de contrôle, (Ef) filtrage de la commande en position issue de l'étape de détermination de la commande en position (E3), dans lequel le filtrage est effectué à l'aide d'un filtre passe-bas dont une fréquence de coupure fc est inférieure à une
7 fréquence (fo) des oscillations du régime moteur autour de la valeur de croisière Vc, - le filtre est un filtre passe-bas du premier ordre, - la vanne de contrôle est destinée à alimenter en air un carter pour modifier sa dilatation et dans lequel la fréquence de coupure te est supérieure à une fréquence fr associée au temps de réponse thermique du carter, - la fréquence de coupure te est comprise entre 0,05Hz et 0,15Hz, - le procédé comprend un sous-procédé de désactivation de l'étape de filtrage Ef mis en oeuvre par l'unité de calcul, ledit sous-procédé comprenant les étapes suivantes :
(E51) détermination du gradient de la commande en position issue de l'étape de détermination d'une commande en position (E3), (E52) comparaison de ce gradient à un seuil de désactivation Sg, (E53) désactivation du filtre si le gradient est supérieur audit seuil Sg, - le procédé comprend un sous-procédé d'activation de l'étape de filtrage Ef mis en oeuvre par l'unité de calcul, ledit sous-procédé comprenant les étapes suivantes :
(E61) détermination du gradient de la commande en position issue de l'étape de détermination d'une commande en position (E3), (E62) comparaison de ce gradient à un seuil d'activation Sg',
(E51) détermination du gradient de la commande en position issue de l'étape de détermination d'une commande en position (E3), (E52) comparaison de ce gradient à un seuil de désactivation Sg, (E53) désactivation du filtre si le gradient est supérieur audit seuil Sg, - le procédé comprend un sous-procédé d'activation de l'étape de filtrage Ef mis en oeuvre par l'unité de calcul, ledit sous-procédé comprenant les étapes suivantes :
(E61) détermination du gradient de la commande en position issue de l'étape de détermination d'une commande en position (E3), (E62) comparaison de ce gradient à un seuil d'activation Sg',
8 (E63) activation du filtre si le gradient est inférieur audit seuil Sg' pendant au moins une durée de confirmation, - préférablement l'étape d'activation du filtre (E63) se fait si l'altitude, le régime moteur et le Mach vérifient, en outre, chacun une certaine valeur, - l'étape de détermination comprend les sous-étapes suivantes :
(El) réception des données quantifiant le régime moteur de la turbomachine, (Ef) filtrage sur données des données quantifiant le régime moteur issue de l'étape précédente, (E2, E3) détermination d'une commande en position destinée à la vanne de contrôle, dans lequel le filtrage est effectué à l'aide d'un filtre passe-bas dont une fréquence de coupure (fc) est inférieure à une fréquence (fo) des oscillations du régime moteur autour de la valeur de croisière (Vc).
L'invention propose aussi un système de commande d'une vanne de contrôle d'une turbomachine fonctionnant en régime moteur à une valeur de croisière Vc, ladite vanne de contrôle étant destinée à
alimenter en air un carter pour modifier sa dilatation, ledit système comprenant une vanne de contrôle et une unité de calcul configurée pour mettre en oeuvre le procédé tel que décrit précédemment.
L'unité de calcul comprend une interface de réception de données, un processeur apte à traiter des données, une mémoire (pour stocker des données) et une interface de sortie de données. En particulier, l'unité de calcul comprend un bloc de filtration (typiquement le processeur qui exécute des opérations), qui performe l'opération de filtrage.
L'invention propose aussi une turbomachine comprenant un système tel que décrit précédemment.
(El) réception des données quantifiant le régime moteur de la turbomachine, (Ef) filtrage sur données des données quantifiant le régime moteur issue de l'étape précédente, (E2, E3) détermination d'une commande en position destinée à la vanne de contrôle, dans lequel le filtrage est effectué à l'aide d'un filtre passe-bas dont une fréquence de coupure (fc) est inférieure à une fréquence (fo) des oscillations du régime moteur autour de la valeur de croisière (Vc).
L'invention propose aussi un système de commande d'une vanne de contrôle d'une turbomachine fonctionnant en régime moteur à une valeur de croisière Vc, ladite vanne de contrôle étant destinée à
alimenter en air un carter pour modifier sa dilatation, ledit système comprenant une vanne de contrôle et une unité de calcul configurée pour mettre en oeuvre le procédé tel que décrit précédemment.
L'unité de calcul comprend une interface de réception de données, un processeur apte à traiter des données, une mémoire (pour stocker des données) et une interface de sortie de données. En particulier, l'unité de calcul comprend un bloc de filtration (typiquement le processeur qui exécute des opérations), qui performe l'opération de filtrage.
L'invention propose aussi une turbomachine comprenant un système tel que décrit précédemment.
9 PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels :
- La figure la illustre l'architecture globale d'une turbomachine, - La figure lb illustre l'architecture globale des éléments de contrôle du débit prélevé sur la veine secondaire et envoyé
vers le carter en regard des aubes de turbines selon l'état de la technique, - La figure 2 illustre par étapes un mode de mise en oeuvre de l'invention, - La figure 3 illustre l'architecture en schéma-bloc d'un procédé
d'activation ou de désactivation du filtre, complémentaire du mode de mise en oeuvre de la figure 2, - Les figures 4 et 5 illustrent par étapes d'autres modes de mise en oeuvre de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
Plusieurs modes de mise en oeuvre vont être à présent décrits.
Premier mode de mise en oeuvre Dans un premier mode de mise en oeuvre présenté en figure 2, l'étape de filtrage Ef est appliquée à la commande en position issue de l'étape E3, de sorte que l'on obtienne en sortie une commande en position filtrée.
L'avantage d'un tel filtrage en fin de procédé est qu'il est facilement implémentable sur les logiciels des appareils en service et qu'il ne remet pas en cause l'intégrité du code déjà existant : son intégration dans un logiciel embarqué est ainsi simplifiée.
Dans un mode préférentiel, le filtrage est effectué avec un filtre passe bas du premier ordre, possédant une unique fréquence de coupure fc.
Le choix du type de filtre est fondé sur le fait que les fréquences à
5 supprimer sont bien plus élevées que le comportement nominal de la logique.
Il est techniquement réalisable de mettre un filtre d'ordre deux ou supérieur mais pour limiter l'impact en matière de temps de calcul, on privilégiera les filtres les plus simples.
La détermination de la fréquence de coupure fc est une condition importante pour obtenir un filtrage efficace ne ralentissant pas de façon rédhibitoire le procédé de commande.
Le temps de réponse du filtre a été choisi par un compromis entre deux contraintes. En effet, ce temps de réponse doit être suffisamment élevé pour supprimer un maximum d'oscillations sans pour autant ralentir le système dans des proportions inacceptables d'un point de vue de la réponse thermique du carter. En effet, une fréquence trop basse viendrait filtrer la valeur nominale de la commande et la vanne de contrôle 20 resterait quasiment immobile.
Des tests sur moteur permettent de définir la réponse thermique du carter et d'obtenir un temps de réponse caractéristique (et sa fréquence associée). Dans la mesure où la réponse thermique du carter est généralement différente en différents points, le cas le plus contraignant est choisi pour délimiter le temps de réponse minimal (c'est-à-dire la fréquence maximale à laquelle la fréquence de coupure doit rester inférieure). Dans la mesure où une fréquence fr associée au temps de réponse le plus contraignant du carter 16 (c'est-à-dire le temps de réponse le plus faible parmi les mesures effectuées sur le carter 16) est généralement nettement plus faible que la fréquence fo des oscillations, on peut s'assurer que la fréquence de coupure fc soit supérieure à la fréquence fr associée au temps de réponse du carter 16 sans que cela n'introduise des contraintes trop fortes sur la fréquence fc.
Ces conditions sur la fréquence de coupure garantissent les performances du système.
La fréquence fo des micro-oscillations a également été estimée, ce qui a permis de déterminer une borne inférieure du temps de réponse, et donc une borne supérieure pour la fréquence de coupure fe.
Par exemple, en fonction de la fréquence fo, on choisit une fréquence de coupure te entre 0,05 et 0,15 Hz, ou encore 0,08 et 0,12 Hz ou de façon plus large entre 0,01 et 0,20Hz. Pour mémoire, la fréquence fo est aux alentours de 1Hz, qui est assez éloignée des bornes supérieures précédentes pour assurer un filtrage efficace. Pour des fréquences de coupure te dans ce dernier intervalle, on est assuré
d'avoir des temps de réponse inférieurs à ceux du carter 16.
Malgré tout, l'ajout du filtre ralentit quelque peu le système et il ne doit être préférablement appliqué qu'en phases de vol pertinentes.
On ne souhaite dans ce cas appliquer ce filtrage qu'en condition de vol de croisière, c'est-à-dire lorsque le régime moteur est en régime permanent (régime auquel on observe les oscillations à la fréquence fo).
Une condition d'application du filtre est tout d'abord lié au régime de croisière. Pour cela, on vérifie trois indicateurs :
- Le régime moteur, - Le Mach (c'est-à-dire le rapport de la vitesse locale dans un fluide sur la vitesse du son dans ce même fluide), - L'altitude.
Plusieurs valeurs liées à ces indicateurs sont prédéterminées pour caractériser une phase de croisière. Si la phase de croisière est confirmée, alors l'étape de filtrage peut être activée.
En outre, lorsque le système demande une réaction rapide de la vanne de contrôle 20, on souhaite que la commande ne soit pas ralentie par un filtre (par exemple une action du pilote, lors de décollage ou d'atterrissage ou par exemple un brusque changement d'environnement).
Préférablement, le procédé comprend complémentairement un sous-procédé de désactivation du filtre. La figure 3 représente un schéma bloc indiquant les différentes étapes de ce sous-procédé.
Dans une étape E51, on détermine le gradient entre deux instants (c'est-à-dire la variation entre deux valeurs à deux instants d'un signal numérique) de la commande en position issue de l'étape E3. Il ne s'agit donc pas de la commande filtrée. Pour cela, plusieurs blocs retard en cascade peuvent être utilisés (le nombre de trois est lié à la logique interne de l'unité de calcul 40, pour laquelle le taux d'itération est de 0,240s, soit de 0,720s pour les trois itérations).
Dans une étape E52, ce gradient est comparé à une valeur seuil de désactivation Sg. Plus précisément, pour s'affranchir des questions de signes, on compare la valeur absolue de ce gradient à la valeur seuil de désactivation Sg.
Enfin, dans une étape E53, on désactive l'étape de filtrage Ef si le gradient est supérieur ou égal audit seuil Sg.
A titre d'exemple, on choisit une valeur seuil qui est comprise entre 0,5 et 2,5% par seconde, c'est-à-dire qu'à une seconde d'intervalle, la commande varie entre 0,5 et 2,5% de sa valeur d'origine.
Sur le schéma, la valeur du seuil est de 1% pour 0,72 seconde, soit 1,4% par seconde. Un intervalle de 1 et 2% par seconde peut aussi convenir.
Un gradient supérieur au seuil Sg signifie qu'il ne s'agit pas d'une micro-oscillation qui est détectée, mais bien d'un changement pertinent pour le système qui peut avoir un impact sur le carter 16.
Ainsi, dès que la vanne est davantage sollicitée, le filtrage s'arrête et le système récupère son fonctionnement classique. Dans ce sous-procédé de désactivation, la valeur analysée est le gradient de commande et non pas la mesure physique donnée par les capteurs : la solution tiendrait compte du filtrage (puisque la commande en position a été filtrée) et serait trop lente.
La réactivation (ou activation) de l'étape de filtrage se fait aussi sous condition à l'aide d'un autre sous-procédé, aussi représenté en figure 3.
Dans des étapes E61, E62 similaires aux étapes E51 et E52 respectivement, on compare le gradient à une valeur seuil d'activation Sg'.
La valeur seuil d'activation Sg' peut être identique ou non à la valeur seuil de désactivation Sg. Si on souhaite que l'activation du filtre se fasse plus sélectivement, on peut fixer la valeur seuil Sg' inférieure à
la valeur seuil Sg. En figure 3, on a Sg=Sg'.
Dans une étape E63, on active l'étape Ef de filtrage si le gradient reste inférieur au seuil Sg' pendant une durée de confirmation T fixée.
La durée de confirmation T est comprise entre deux et huit secondes (T=55 sur la figure 3), voire 4 et 6 secondes.
Les conditions additionnelles de la phase de croisière (Mach, altitude et régime moteur) sont aussi analysées ici.
L'étape E63 est abusivement représentée sur la figure 3, puisque le bloc dessiné sort une condition d'activation, qui est ensuite préférablement combinée aux autres conditions d'activation pour effectivement activer le filtre.
Si les trois conditions additionnelles sont réunies (régime moteur à une certaine valeur, Mach à une certaine valeur et altitude à une certaine valeur), alors le filtre peut être ré-enclenché.
Ainsi, on s'assure que le système est stable et que le moteur est en régime de croisière avant de réactiver l'étape Ef de filtrage et de supprimer les oscillations.
Deuxième mode de mise en oeuvre Dans un deuxième mode de mise en oeuvre présenté en figure 4, l'étape de filtrage Ef est appliquée aux données du régime moteur issues de l'étape El, de sorte que l'on obtienne à nouveau en sortie une commande en position filtrée. L'étape de détermination d'une commande en débit E2 se fait alors à partir des données filtrées relatives au régime moteur.
Un tel filtrage au début du procédé de calcul de la commande en position permet d'éviter le traitement de données avec du bruit.
Dans un tel mode de mise en oeuvre, le filtrage est préférablement intégré en fait dans l'étape E2 de détermination d'une commande en débit.
Des modes de réalisation avec des seuils d'activation et de désactivation peuvent aussi être mis en oeuvre.
Troisième mode de mise en oeuvre Il est aussi envisageable d'appliquer l'étape de filtrage à la commande en débit issue de l'étape E2. L'étape de détermination de la commande en position E3 se fait alors à partir d'une donnée de commande en débit filtrée. Ce mode de réalisation est illustré en figure 5.
Des modes de réalisation avec des seuils d'activation et de désactivation peuvent aussi être mis en oeuvre.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels :
- La figure la illustre l'architecture globale d'une turbomachine, - La figure lb illustre l'architecture globale des éléments de contrôle du débit prélevé sur la veine secondaire et envoyé
vers le carter en regard des aubes de turbines selon l'état de la technique, - La figure 2 illustre par étapes un mode de mise en oeuvre de l'invention, - La figure 3 illustre l'architecture en schéma-bloc d'un procédé
d'activation ou de désactivation du filtre, complémentaire du mode de mise en oeuvre de la figure 2, - Les figures 4 et 5 illustrent par étapes d'autres modes de mise en oeuvre de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
Plusieurs modes de mise en oeuvre vont être à présent décrits.
Premier mode de mise en oeuvre Dans un premier mode de mise en oeuvre présenté en figure 2, l'étape de filtrage Ef est appliquée à la commande en position issue de l'étape E3, de sorte que l'on obtienne en sortie une commande en position filtrée.
L'avantage d'un tel filtrage en fin de procédé est qu'il est facilement implémentable sur les logiciels des appareils en service et qu'il ne remet pas en cause l'intégrité du code déjà existant : son intégration dans un logiciel embarqué est ainsi simplifiée.
Dans un mode préférentiel, le filtrage est effectué avec un filtre passe bas du premier ordre, possédant une unique fréquence de coupure fc.
Le choix du type de filtre est fondé sur le fait que les fréquences à
5 supprimer sont bien plus élevées que le comportement nominal de la logique.
Il est techniquement réalisable de mettre un filtre d'ordre deux ou supérieur mais pour limiter l'impact en matière de temps de calcul, on privilégiera les filtres les plus simples.
La détermination de la fréquence de coupure fc est une condition importante pour obtenir un filtrage efficace ne ralentissant pas de façon rédhibitoire le procédé de commande.
Le temps de réponse du filtre a été choisi par un compromis entre deux contraintes. En effet, ce temps de réponse doit être suffisamment élevé pour supprimer un maximum d'oscillations sans pour autant ralentir le système dans des proportions inacceptables d'un point de vue de la réponse thermique du carter. En effet, une fréquence trop basse viendrait filtrer la valeur nominale de la commande et la vanne de contrôle 20 resterait quasiment immobile.
Des tests sur moteur permettent de définir la réponse thermique du carter et d'obtenir un temps de réponse caractéristique (et sa fréquence associée). Dans la mesure où la réponse thermique du carter est généralement différente en différents points, le cas le plus contraignant est choisi pour délimiter le temps de réponse minimal (c'est-à-dire la fréquence maximale à laquelle la fréquence de coupure doit rester inférieure). Dans la mesure où une fréquence fr associée au temps de réponse le plus contraignant du carter 16 (c'est-à-dire le temps de réponse le plus faible parmi les mesures effectuées sur le carter 16) est généralement nettement plus faible que la fréquence fo des oscillations, on peut s'assurer que la fréquence de coupure fc soit supérieure à la fréquence fr associée au temps de réponse du carter 16 sans que cela n'introduise des contraintes trop fortes sur la fréquence fc.
Ces conditions sur la fréquence de coupure garantissent les performances du système.
La fréquence fo des micro-oscillations a également été estimée, ce qui a permis de déterminer une borne inférieure du temps de réponse, et donc une borne supérieure pour la fréquence de coupure fe.
Par exemple, en fonction de la fréquence fo, on choisit une fréquence de coupure te entre 0,05 et 0,15 Hz, ou encore 0,08 et 0,12 Hz ou de façon plus large entre 0,01 et 0,20Hz. Pour mémoire, la fréquence fo est aux alentours de 1Hz, qui est assez éloignée des bornes supérieures précédentes pour assurer un filtrage efficace. Pour des fréquences de coupure te dans ce dernier intervalle, on est assuré
d'avoir des temps de réponse inférieurs à ceux du carter 16.
Malgré tout, l'ajout du filtre ralentit quelque peu le système et il ne doit être préférablement appliqué qu'en phases de vol pertinentes.
On ne souhaite dans ce cas appliquer ce filtrage qu'en condition de vol de croisière, c'est-à-dire lorsque le régime moteur est en régime permanent (régime auquel on observe les oscillations à la fréquence fo).
Une condition d'application du filtre est tout d'abord lié au régime de croisière. Pour cela, on vérifie trois indicateurs :
- Le régime moteur, - Le Mach (c'est-à-dire le rapport de la vitesse locale dans un fluide sur la vitesse du son dans ce même fluide), - L'altitude.
Plusieurs valeurs liées à ces indicateurs sont prédéterminées pour caractériser une phase de croisière. Si la phase de croisière est confirmée, alors l'étape de filtrage peut être activée.
En outre, lorsque le système demande une réaction rapide de la vanne de contrôle 20, on souhaite que la commande ne soit pas ralentie par un filtre (par exemple une action du pilote, lors de décollage ou d'atterrissage ou par exemple un brusque changement d'environnement).
Préférablement, le procédé comprend complémentairement un sous-procédé de désactivation du filtre. La figure 3 représente un schéma bloc indiquant les différentes étapes de ce sous-procédé.
Dans une étape E51, on détermine le gradient entre deux instants (c'est-à-dire la variation entre deux valeurs à deux instants d'un signal numérique) de la commande en position issue de l'étape E3. Il ne s'agit donc pas de la commande filtrée. Pour cela, plusieurs blocs retard en cascade peuvent être utilisés (le nombre de trois est lié à la logique interne de l'unité de calcul 40, pour laquelle le taux d'itération est de 0,240s, soit de 0,720s pour les trois itérations).
Dans une étape E52, ce gradient est comparé à une valeur seuil de désactivation Sg. Plus précisément, pour s'affranchir des questions de signes, on compare la valeur absolue de ce gradient à la valeur seuil de désactivation Sg.
Enfin, dans une étape E53, on désactive l'étape de filtrage Ef si le gradient est supérieur ou égal audit seuil Sg.
A titre d'exemple, on choisit une valeur seuil qui est comprise entre 0,5 et 2,5% par seconde, c'est-à-dire qu'à une seconde d'intervalle, la commande varie entre 0,5 et 2,5% de sa valeur d'origine.
Sur le schéma, la valeur du seuil est de 1% pour 0,72 seconde, soit 1,4% par seconde. Un intervalle de 1 et 2% par seconde peut aussi convenir.
Un gradient supérieur au seuil Sg signifie qu'il ne s'agit pas d'une micro-oscillation qui est détectée, mais bien d'un changement pertinent pour le système qui peut avoir un impact sur le carter 16.
Ainsi, dès que la vanne est davantage sollicitée, le filtrage s'arrête et le système récupère son fonctionnement classique. Dans ce sous-procédé de désactivation, la valeur analysée est le gradient de commande et non pas la mesure physique donnée par les capteurs : la solution tiendrait compte du filtrage (puisque la commande en position a été filtrée) et serait trop lente.
La réactivation (ou activation) de l'étape de filtrage se fait aussi sous condition à l'aide d'un autre sous-procédé, aussi représenté en figure 3.
Dans des étapes E61, E62 similaires aux étapes E51 et E52 respectivement, on compare le gradient à une valeur seuil d'activation Sg'.
La valeur seuil d'activation Sg' peut être identique ou non à la valeur seuil de désactivation Sg. Si on souhaite que l'activation du filtre se fasse plus sélectivement, on peut fixer la valeur seuil Sg' inférieure à
la valeur seuil Sg. En figure 3, on a Sg=Sg'.
Dans une étape E63, on active l'étape Ef de filtrage si le gradient reste inférieur au seuil Sg' pendant une durée de confirmation T fixée.
La durée de confirmation T est comprise entre deux et huit secondes (T=55 sur la figure 3), voire 4 et 6 secondes.
Les conditions additionnelles de la phase de croisière (Mach, altitude et régime moteur) sont aussi analysées ici.
L'étape E63 est abusivement représentée sur la figure 3, puisque le bloc dessiné sort une condition d'activation, qui est ensuite préférablement combinée aux autres conditions d'activation pour effectivement activer le filtre.
Si les trois conditions additionnelles sont réunies (régime moteur à une certaine valeur, Mach à une certaine valeur et altitude à une certaine valeur), alors le filtre peut être ré-enclenché.
Ainsi, on s'assure que le système est stable et que le moteur est en régime de croisière avant de réactiver l'étape Ef de filtrage et de supprimer les oscillations.
Deuxième mode de mise en oeuvre Dans un deuxième mode de mise en oeuvre présenté en figure 4, l'étape de filtrage Ef est appliquée aux données du régime moteur issues de l'étape El, de sorte que l'on obtienne à nouveau en sortie une commande en position filtrée. L'étape de détermination d'une commande en débit E2 se fait alors à partir des données filtrées relatives au régime moteur.
Un tel filtrage au début du procédé de calcul de la commande en position permet d'éviter le traitement de données avec du bruit.
Dans un tel mode de mise en oeuvre, le filtrage est préférablement intégré en fait dans l'étape E2 de détermination d'une commande en débit.
Des modes de réalisation avec des seuils d'activation et de désactivation peuvent aussi être mis en oeuvre.
Troisième mode de mise en oeuvre Il est aussi envisageable d'appliquer l'étape de filtrage à la commande en débit issue de l'étape E2. L'étape de détermination de la commande en position E3 se fait alors à partir d'une donnée de commande en débit filtrée. Ce mode de réalisation est illustré en figure 5.
Des modes de réalisation avec des seuils d'activation et de désactivation peuvent aussi être mis en oeuvre.
Claims (12)
1. Procédé de commande d'une vanne de contrôle (20) d'une turbomachine, ladite vanne servant à contrôler le jeu entre une aube de turbine et un carter par injection d'air sur le carter, la turbomachine fonctionnant en régime moteur à une valeur de croisière (Vc) et oscillant autour de sa valeur de croisière (Vc), le procédé étant mis en oeuvre par une unité de calcul (40), et étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape de détermination pour la vanne de contrôle (20) d'une commande en position, filtrée des oscillations du régime moteur autour de la valeur de croisière (Vc).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le filtrage est effectué à
l'aide d'un filtre passe-bas dont une fréquence de coupure (fc) est supérieure à une fréquence (fr) associée au temps de réponse thermique du carter (16).
l'aide d'un filtre passe-bas dont une fréquence de coupure (fc) est supérieure à une fréquence (fr) associée au temps de réponse thermique du carter (16).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape de détermination comprend les sous-étapes suivantes :
- (E1) réception des données quantifiant le régime moteur de la turbomachine, - (E2) détermination d'une commande en débit à partir des données quantifiant le régime moteur, - (E3) détermination d'une commande en position à partir de la commande en débit, ladite commande en position étant destinée à la vanne de contrôle, - (Ef) filtrage de la commande en position issue de l'étape de détermination de la commande en position (E3).
- (E1) réception des données quantifiant le régime moteur de la turbomachine, - (E2) détermination d'une commande en débit à partir des données quantifiant le régime moteur, - (E3) détermination d'une commande en position à partir de la commande en débit, ladite commande en position étant destinée à la vanne de contrôle, - (Ef) filtrage de la commande en position issue de l'étape de détermination de la commande en position (E3).
4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le filtre passe-bas est un filtre du premier ordre.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel ladite vanne de contrôle (20) est destinée à alimenter en air l'intérieur d'un carter (16) pour modifier sa dilatation.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel la fréquence de coupure (fc) est comprise entre 0,05Hz et 0,15Hz.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 comprenant un sous-procédé de désactivation de l'étape de filtrage de la commande (Ef) mis en oeuvre par l'unité de calcul (40), ledit sous-procédé
comprenant les étapes suivantes :
- (E51) détermination du gradient de la commande en position issue de l'étape de détermination d'une commande en position (E3), - (E52) comparaison de ce gradient à un seuil de désactivation (Sg), - (E53) désactivation du filtre si le gradient est supérieur audit seuil (Sg).
comprenant les étapes suivantes :
- (E51) détermination du gradient de la commande en position issue de l'étape de détermination d'une commande en position (E3), - (E52) comparaison de ce gradient à un seuil de désactivation (Sg), - (E53) désactivation du filtre si le gradient est supérieur audit seuil (Sg).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, comprenant un sous-procédé d'activation de l'étape de filtrage (Ef) mis en oeuvre par l'unité de calcul (40), ledit sous-procédé comprenant les étapes suivantes :
- (E61) détermination du gradient de la commande en position issue de l'étape de détermination d'une commande en position (E3), - (E62) comparaison de ce gradient à un seuil d'activation (Sg'), - (E63) activation du filtre si le gradient est inférieur audit seuil (Sg') pendant au moins une durée de confirmation (T), et préférablement si l'altitude, le régime moteur et le Mach vérifient aussi chacun une certaine valeur.
- (E61) détermination du gradient de la commande en position issue de l'étape de détermination d'une commande en position (E3), - (E62) comparaison de ce gradient à un seuil d'activation (Sg'), - (E63) activation du filtre si le gradient est inférieur audit seuil (Sg') pendant au moins une durée de confirmation (T), et préférablement si l'altitude, le régime moteur et le Mach vérifient aussi chacun une certaine valeur.
9. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape de détermination comprend les sous-étapes suivantes :
- (E1) réception des données quantifiant le régime moteur de la turbomachine, - (Ef) filtrage sur données des données quantifiant le régime moteur issue de l'étape précédente, - (E2, E3) détermination d'une commande en position destinée à la vanne de contrôle (20).
- (E1) réception des données quantifiant le régime moteur de la turbomachine, - (Ef) filtrage sur données des données quantifiant le régime moteur issue de l'étape précédente, - (E2, E3) détermination d'une commande en position destinée à la vanne de contrôle (20).
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le filtrage est effectué à l'aide d'un filtre passe-bas dont une fréquence de coupure (fc) est inférieure à une fréquence (fo) des oscillations du régime moteur autour de la valeur de croisière (Vc).
11. Système de commande d'une vanne de contrôle (20) d'une turbomachine fonctionnant en régime moteur à une valeur de croisière (Vc), ladite vanne de contrôle (20) étant destinée à alimenter en air un carter (16) pour modifier sa dilatation, ledit système comprenant une vanne de contrôle et une unité de calcul (40), comprenant un bloc de filtration, l'unité de calcul (40) étant configurée pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, le bloc de filtration mettant en oeuvre l'étape de filtrage.
12. Turbomachine comprenant un système selon la revendication 11.
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| FR1661340 | 2016-11-22 | ||
| FR1661340A FR3059042B1 (fr) | 2016-11-22 | 2016-11-22 | Procede de commande d'une vanne de turbomachine |
| PCT/FR2017/053207 WO2018096264A1 (fr) | 2016-11-22 | 2017-11-22 | Procédé de commande d'une vanne de turbomachine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CA3044429A1 true CA3044429A1 (fr) | 2018-05-31 |
Family
ID=58347515
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CA3044429A Pending CA3044429A1 (fr) | 2016-11-22 | 2017-11-22 | Procede de commande d'une vanne de turbomachine |
Country Status (6)
| Country | Link |
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| EP (1) | EP3545175B1 (fr) |
| CN (1) | CN110050106B (fr) |
| CA (1) | CA3044429A1 (fr) |
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| WO (1) | WO2018096264A1 (fr) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3097063B1 (fr) | 2019-06-10 | 2021-05-28 | Safran Aircraft Engines | Procédé de détermination d’un modèle prédictif d’un rapport de pressions pour une turbomachine double flux |
Family Cites Families (14)
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|---|---|---|---|---|
| GB620318A (en) * | 1946-09-25 | 1949-03-23 | Harold William Shaw | An improved failure indicator for gas-turbine engines |
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| US5012420A (en) * | 1988-03-31 | 1991-04-30 | General Electric Company | Active clearance control for gas turbine engine |
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| US6195982B1 (en) * | 1998-12-30 | 2001-03-06 | United Technologies Corporation | Apparatus and method of active flutter control |
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