EP4251866A1 - Procédé de commande d'une turbomachine comportant un moteur électrique - Google Patents
Procédé de commande d'une turbomachine comportant un moteur électriqueInfo
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- EP4251866A1 EP4251866A1 EP21811027.8A EP21811027A EP4251866A1 EP 4251866 A1 EP4251866 A1 EP 4251866A1 EP 21811027 A EP21811027 A EP 21811027A EP 4251866 A1 EP4251866 A1 EP 4251866A1
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- EP
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- torque
- setpoint
- turbomachine
- cmd
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- F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
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- F02C9/28—Regulating systems responsive to plant or ambient parameters, e.g. temperature, pressure, rotor speed
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- F05D2270/00—Control
- F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
- F05D2270/303—Temperature
Definitions
- the present invention relates to a turbomachine for an aircraft, in particular, the control of a turbomachine in order to provide the desired thrust as a function of the position of the control lever of the pilot of the aircraft.
- the turbomachine 100 comprises, from upstream to downstream in the direction of gas flow, a fan 110, a low pressure compressor 111, a high pressure compressor 112, a combustion chamber 113 which receives a fuel flow WF CMD , a high pressure turbine 114, a low pressure turbine 115 and a primary exhaust nozzle 116.
- the low pressure compressor (or LP) 111 and the low pressure turbine 115 are connected by a low pressure shaft 121 and together form a low pressure body.
- the high pressure (or HP) compressor 112 and the high pressure turbine 114 are connected by a high pressure shaft 122 and together form, with the combustion chamber, a high pressure body.
- the blower 110 which is driven by the BP shaft 121, compresses the ingested air. This air is divided downstream of the fan 110 between a secondary air flow which is directed directly towards a secondary nozzle (not shown) through which it is ejected to participate in the thrust provided by the turbomachine 100, and a so-called primary flow which enters the gas generator, consisting of the low pressure body and the high pressure body, then which is ejected into the primary nozzle 116.
- the pilot of the aircraft modifies the position of a control lever which makes it possible to modify the fuel flow setpoint WF CMD in the combustion chamber 113.
- the design of a turbomachine 100 requires taking into account a sufficient margin against the so-called pumping phenomenon.
- This phenomenon which results from an excessive incidence of the air flow on the blades of one of the compressors, results in significant and rapid fluctuations in the pressure downstream of the compressor concerned and can lead to an extinction of the combustion chamber 113. It also generates significant jolts on the blades of the compressor and can thus lead to mechanical damage. It is therefore particularly necessary to avoid its appearance.
- the operation of a compressor in use is generally represented by a diagram which expresses the pressure ratio obtained between the outlet and the inlet, as a function of the air flow which passes through it; this diagram is also parameterized according to the rotation speed of the compressor.
- This diagram shows a pumping line which constitutes the maximum limit in terms of the compression ratio not to be exceeded, so as not to risk the appearance of a pumping phenomenon.
- a so-called operating line is defined, associating the compression ratios obtained as a function of the flow rate, when the turbine engine 100 is in stabilized operation. The positioning of this operating line is left to the judgment of the designer of the turbine engine 100 and the distance from this operating line to the surge line represents the surge margin.
- the efficiency of the compressor compression work supplied to the air, related to the work supplied to drive it in rotation
- the accelerations requested by the pilot from a stabilized operation (transient phase) to obtain an increase in thrust result at the level of the compressor by an excursion from the operating point which takes place in the direction of the line pumping.
- the designer of a turbomachine 100 must therefore try to optimize the placement of the operating line by placing it as high as possible, so as to benefit from better yields for his compressors, while keeping a sufficient distance with respect to the pumping line to allow safe accelerations.
- a turbomachine 100 comprises a regulation system implemented by an electronic unit.
- the regulation system comprises a stabilized management module 31, a transient intention detection module 32, a mode trajectory generation module 33, a selection module 34, an integration module 35 as well as a stop management module 36.
- the stabilized management module 31 supplies a correction quantity to the selection module 34 as a function of the difference between the speed NL of the turbomachine 100 and the setpoint speed NL CONS .
- the NL regime can correspond to different types of regime, in particular, a fan regime, a pressure setpoint known by its English acronym EPR (Engine Pressure Ratio), a high pressure setpoint or other.
- the setpoint speed NL CONS is proportional to the position of the control lever that can be manipulated by the pilot of the aircraft.
- Such a stabilized management module 31 is known to those skilled in the art and will not be presented in more detail.
- the purpose of the transient intention detection module 32 is to detect a transient intention desired by the pilot.
- the transient intention detection module 32 determines a difference between the speed NL of the turbomachine 100 and the setpoint speed NL CONS .
- the control lever remains in a constant position and the stabilized management module 31 is implemented, the actual speed NL of the turbomachine 100 is stationary and equal to the setpoint speed NL CONS . If the pilot moves the control lever, the set speed NL CONS varies instantaneously. On the contrary, the NL speed does not vary instantaneously due to the inertia of the turbomachine 100 and of the stabilized management module 31.
- the transient intention detection module 32 detects a transient intention when the difference between the reference speed NL CONS and the actual speed NL is greater than a predetermined threshold S2.
- the transient intention detection module 32 When a transient phase is detected, the transient intention detection module 32 generates an activation signal, which is transmitted to the mode trajectory generation module 33 and to the selection module 34 as illustrated in .
- the module for generating a speed trajectory 33 determines a speed setpoint for the acceleration (acceleration trajectory). Similarly, in the case of a deceleration, the module for generating a speed trajectory 33 determines a speed setpoint for the deceleration (deceleration trajectory). Depending on the trajectory generated, the engine speed trajectory generation module 33 provides a correction quantity to the selection module 34.
- the selection module 34 when the selection module 34 receives an activation signal from the transient intention detection module 32, the selection module 34 selects the correction quantity from the stabilized management module 31 in the absence of reception of an activation signal and selects the correction quantity coming from the engine speed trajectory generation module 33 in the event of reception of an activation signal.
- a selection module 34 is known to those skilled in the art and will not be presented in more detail.
- the selected correction quantity is supplied to the integration module 35.
- the integration module 35 determines the fuel flow set point WF CMD by integrating the selected correction quantity.
- the stop management module 36 limits the value of the fuel flow setpoint WF CMD determined by the integration module 35.
- the stop management module 36 implements a stop, called a stop C/P known to those skilled in the art in order to protect the turbomachine against pumping.
- the stop management module 36 makes it possible to define stop setpoints in acceleration and in deceleration. Such stops are known to those skilled in the art and will not be presented in more detail.
- the engine speed trajectory generation module 33 and the stop management module 36 make it possible to define an acceleration trajectory which has the consequence of restricting the fuel flow setpoint WF CMD in order to avoid pumping.
- Such a regulation system is known from patent application FR2977638A1 and will not be presented in more detail. Incidentally, it is known to protect a motor against the surge phenomenon during transients by taking into account an acceleration setpoint during regulation (see for example US4543782 and US 2003/0094000).
- Such a regulation system is efficient but does not make it possible to control the temperature of the gases at the outlet of the turbomachine, known as the EGT temperature for "Exhaust Gas Temperature", so that it does not exceed a limit temperature EGTmax.
- the electric motor Thanks to the injection of torque from the electric motor, it maintains optimum performance while significantly reducing the temperature of the exhaust gases.
- the electric motor thus makes it possible to avoid degrading thrust performance in order to maintain a sufficient temperature margin.
- the temperature of the outlet gases is regulated while maintaining margins to avoid pumping or flameout of the turbomachine.
- the step of detecting a regime transient intention corresponds to a thrust transient intention.
- the current speed of the turbomachine can reactively follow the trajectory setpoint.
- the operability of the turbomachine is thus improved.
- the step of determining a temperature correction quantity makes it possible to use the electric motor to limit the temperature of the gases at the outlet of the turbomachine. Temperature regulation is thus directly integrated into the step of determining a torque correction quantity.
- the maximum value is selected between the temperature correction quantity and an acceleration correction quantity determined from of the acceleration transient regime setpoint.
- the maximum correction quantity is selected in order to obtain the desired acceleration while limiting the temperature of the gases at the outlet.
- the maximum correction quantity is selected in the case of a positive sign convention for a drive torque command and a negative sign convention for a braking torque command.
- the minimum correction quantity is selected in the case of a negative sign convention for a driving torque command and a positive command for a braking torque command.
- the second torque regulation loop does not replace the first fuel regulation loop but comes to support it when operating limits are reached.
- the regulation of the regime is thus not upset in its fundamentals, which ensures reliable regulation.
- the method comprises during the step of implementing the second torque regulation loop, a step of zeroing the torque setpoint, the step of zeroing the torque setpoint being inhibited in case of activation of the temperature protection command.
- the control method includes a step of zeroing the torque setpoint which is implemented continuously but inhibited when the fuel setpoint regulation limits are reached.
- the electric torque is not used permanently in order to avoid excessive electric consumption.
- the electric torque is injected on the high pressure shaft when the fuel setpoint regulation limits are reached (pumping, extinction, EGT temperature, etc.) in order to allow them to be set aside.
- the electric torque makes it possible to offer a regulation margin to the first fuel regulation loop. Once this margin has been obtained, the torque setpoint can be set to zero, in particular, gradually.
- the torque setpoint is set to zero gradually, preferably according to at least one reduction gradient.
- a gradual zeroing is opposed to a sudden zeroing which would induce disturbances in the speed of the turbomachine.
- a progressive zeroing according to a reduction gradient makes it possible to control the rate at which the second torque control loop decreases its influence in order to allow the first fuel control loop to regain its influence.
- the method comprises a step of simple integration of the torque correction quantity in order to determine the torque setpoint.
- the invention also relates to a computer program comprising instructions for the execution of the steps of a control method as presented previously when said program is executed by a computer.
- the invention also relates to a recording medium for said computer program.
- the recording medium mentioned above can be any entity or device capable of storing the program.
- the medium may comprise a storage means, such as a ROM, for example a CD ROM or a microelectronic circuit ROM, or even a magnetic recording means, for example a hard disk.
- the recording media may correspond to a transmissible medium such as an electrical or optical signal, which may be conveyed via an electrical or optical cable, by radio or by other means.
- the program according to the invention can in particular be downloaded from an Internet-type network.
- the recording media may correspond to an integrated circuit in which the program is incorporated, the circuit being adapted to execute or to be used in the execution of the method in question.
- the invention also further relates to an electronic control unit for a turbomachine comprising a memory including instructions of a computer program as presented previously.
- the invention also relates to a turbomachine comprising an electronic unit as presented above.
- the turbomachine T comprises, from upstream to downstream in the direction of gas flow, a fan 10, a low pressure compressor 11, a high pressure compressor 12, a combustion chamber 13 which receives a fuel flow WF CMD , a high pressure turbine 14, a low pressure turbine 15 and a primary exhaust nozzle 16.
- the low pressure compressor (or LP) 11 and the low pressure turbine 15 are connected by a low pressure shaft 21 and together form a low pressure body.
- the high pressure (or HP) compressor 12 and the high pressure turbine 14 are connected by a high pressure shaft 22 and together form, with the combustion chamber 13, a high pressure body.
- the fan 10 which is driven by the BP shaft 21, compresses the ingested air. This air is divided downstream of the fan between a secondary air flow which is directed directly towards a secondary nozzle (not shown) through which it is ejected to participate in the thrust provided by the turbomachine 100, and a so-called primary flow which enters the gas generator, consisting of the low pressure body and the high pressure body, then which is ejected into the primary nozzle 16.
- the pilot of the aircraft modifies the position a control lever which makes it possible to modify the fuel flow setpoint WF CMD in the combustion chamber 13.
- the turbomachine T further comprises an electric motor ME configured to supply additional torque to the high-pressure shaft 22
- the operation of the turbomachine T is controlled by an electronic unit 20 which obtains signals representing operating parameters of the turbomachine T , in particular the speed NL of the turbomachine T, to supply the fuel flow setpoint WF CMD and a torque setpoint TRQ CMD to the electric motor ME.
- the NL regime can correspond to different types of regime, in particular, a fan regime, a pressure setpoint known by its English acronym EPR (Engine Pressure Ratio), a high pressure setpoint or other.
- the method includes a step of determining a temperature correction quantity ⁇ EGT as a function of a gas temperature parameter at the outlet of the turbomachine EGT from the turbomachine T and a maximum value of the gas temperature parameter at the outlet of the EGTMax turbomachine.
- the method includes a step of determining a torque correction quantity ⁇ TRQ as a function of the temperature correction quantity ⁇ EGT and a step of determining the torque setpoint TRQCMD as a function of the torque correction quantity ⁇ TRQ.
- the electric torque allows the EGT outlet temperature to be advantageously reduced without reducing the general torque performance, which is advantageous.
- the electronic unit 20 comprises a regulation system comprising a first loop B1 for regulating the fuel flow setpoint WF CMD , hereinafter referred to as “first fuel loop B1”, and a second loop B2 for regulating the setpoint of electrical torque TRQ CMD , subsequently designated “second torque loop B2".
- the second torque loop B2 receives as input all the output indicators generated by the first fuel loop B1, i.e. TopAccel, TopDecel, TopButeeAccel, TopButeeDecel, NLTrajAccCons, NLTrajDecelCons, as well as the speed input NL of turbomachine T.
- the regulation of the outlet temperature is integrated directly into the second torque loop B2, which makes it possible to take into account all the regulations simultaneously.
- the second torque loop B2 also receives as input a gas temperature parameter at the outlet of the turbomachine EGT (hereinafter EGT temperature parameter) as well as a maximum gas temperature value at the outlet of the turbomachine EGTMax.
- EGT temperature parameter is obtained by a sensor of the turbomachine T.
- the second torque loop B2 makes it possible to provide an adaptive torque setpoint TRQ CMD according to the behavior of the fuel loop B1 but also the EGT temperature parameter.
- the temperature parameter EGT is integrated directly into the second torque loop B2.
- the first fuel loop B1 also includes a static pressure input into the combustion chamber PS3.
- the first fuel loop B1 comprises a stabilized management module 301, a transient intention detection module 302, a rev trajectory generation module 303, a selection module 304, an integration module 305 as well as a stop management module 306 which fulfills a function of saturation of the integration and therefore of the fuel control WF CMD .
- a first fuel loop B1 is known by FR3087491A1.
- the engine speed trajectory generation module 303 is also configured to generate a command for controlling this trajectory.
- the stabilized management module 301 provides a correction quantity to the selection module 304 as a function of the difference between the speed NL of the turbomachine T and the setpoint speed NL CONS .
- Such a stabilized management module 301 is known to those skilled in the art and will not be presented in more detail.
- the purpose of the transient intention detection module 302 is to detect a transient intention desired by the pilot.
- the transient intention detection module 302 determines a difference between the speed NL of the turbomachine T and the setpoint speed NL CONS .
- the control lever remains in a constant position and the stabilized management module 301 is implemented, the actual speed NL of the turbomachine T is stationary and equal to the setpoint speed NL CONS . If the pilot moves the control lever, the set speed NL CONS varies instantaneously. On the contrary, the speed NL does not vary instantaneously due to the inertia of the turbomachine T and of the stabilized management module 301.
- the transient intention detection module 302 detects a transient intention when the difference between the reference speed NL CONS and the actual speed NL is greater than a predetermined threshold S3.
- the transient intention detection module 302 also provides an acceleration transient request indicator TopAccel and a deceleration transient request indicator TopDecel.
- an acceleration if the difference in speed is greater than the predetermined threshold S3 (NL CONS - NL > S3), the acceleration transient request indicator TopAccel is activated.
- This function is implemented in an acceleration sub-module 302a which is a comparator.
- the indicator of a deceleration transient request TopDecel is activated.
- This function is implemented in a deceleration sub-module 302d which is a comparator.
- the threshold S3 is 200 rpm.
- the transient intention detection module 302 When a transient phase is detected, the transient intention detection module 302 generates an activation signal, which is transmitted to the mode trajectory generation module 303 and to the selection module 304 as illustrated in FIG. .
- the engine speed trajectory generation module 303 determines a speed setpoint for the acceleration (acceleration trajectory) NLTrajAccCons. Analogously, in the case of a deceleration, the engine speed trajectory generation module 303 determines a speed setpoint NL for the deceleration (deceleration trajectory) NLTrajDecelCons.
- a module for generating a speed trajectory 303 is known to those skilled in the art and will not be presented in more detail, in particular, by patent application US2013/0008171.
- the generation module 303 is also configured to generate a correction quantity which makes it possible to follow the set trajectory if necessary.
- the selection module 304 when the selection module 304 receives an activation signal from the transient intention detection module 302, the selection module 304 selects the correction quantity from the stabilized management module 301 in the absence of reception of an activation signal and selects the correction quantity coming from the engine speed trajectory generation module 303 in the event of reception of an activation signal.
- Such a selection module 304 is known to those skilled in the art and will not be presented in more detail.
- the selected fuel correction quantity ⁇ WF is supplied to the integration module 305.
- the integration module 305 determines the fuel flow setpoint WF CMD by integrating the fuel correction quantity ⁇ WF.
- the stop management module 306 limits the value of the fuel flow setpoint WF CMD determined by the integration module 305.
- the abutment management module 306 implements an abutment, called a C/P abutment known to those skilled in the art.
- the stop management module 306 makes it possible to define stop setpoints in acceleration and in deceleration. To this end, in the case of an acceleration, the stop management module 306 makes it possible to define an indicator of saturation of the control of the correctors by the C/P acceleration stop TopButeeAccel.
- the stop management module 306 makes it possible to define an indicator of saturation of the control of the correctors by the stop C/P for extinction TopButeeDecel. Such stops are known to those skilled in the art and will not be presented in more detail.
- the stop management module 306 determines the stops as a function of the static pressure in the combustion chamber PS3 and of the speed NL (high pressure body speed).
- a second torque loop B2 is coupled to the first fuel loop B1 to determine an optimum torque setpoint TRQ CMD .
- the first fuel loop B1 communicates to the second torque loop B2 the various output indicators: TopAccel, TopDecel, NLTrajAccCons, NLTrajDecelCons, TopButeeAccel, TopButeeDecel.
- the second torque regulation loop B2 aims to use the electric motor ME sparingly while controlling the temperature parameter EGT.
- a torque setpoint TRQ CMD is only activated when the trajectories are limited (TopButeeAccel or TopButeeDecel), when the difference between the speed setpoint NL CONS and the actual speed NL indicates a need to activate controls in transient (TopAccel or TopDecel) or the EGT temperature setting is close to its maximum EGTMax value.
- the temperature parameter EGT evolves towards its maximum value EGTMax during an acceleration.
- the second torque control loop B2 relies on the torque command for acceleration (torque acceleration) TRQTrajAccelCmd to regulate the temperature parameter EGT.
- the supplied electrical torque TRQ CMD makes it possible to deviate the operating point from the operating limits and thus to offer a control margin to again adapt the fuel setpoint WF CMD .
- the supplied electrical torque TRQ CMD also makes it possible to deviate the temperature parameter EGT from its maximum value EGTMax. Indeed, the electric torque makes it possible to stress the turbomachine T less, which results in lowering its temperature.
- the first fuel loop B1 and the second torque loop B2 exchange to improve the operability of the turbomachine T (temperature control, response time, etc.) while limiting energy consumption electric by the electric motor ME.
- the second torque regulation loop B2 comprises a command determination module 401, a zeroing module 402, an integration module 403, a switch 404 and a processing module 405.
- the command determination module 401 includes an acceleration sub-module 401a and a deceleration sub-module 401d which are respectively configured to calculate a torque command for acceleration (acceleration torque) TRQTrajAccCmd and a torque command for deceleration (deceleration torque) TRQTrajDecCmd.
- the acceleration sub-module 401a calculates a correction quantity for the acceleration (acceleration torque) TRQTrajAccelCmd as a function of the speed setpoint NL for the acceleration (acceleration trajectory) NLTrajAccCons, and of the current regime input NL.
- the structure of such an acceleration sub-module 401a is known to those skilled in the art.
- the acceleration sub-module 401a is in the form of a corrector of the pure phase advance type, in particular, a high pass of order 1.
- the structure and the function of the deceleration sub-module 401d are analogous.
- the command determination module 401 further comprises a temperature sub-module 401t which calculates a temperature correction quantity ⁇ EGT as a function of the temperature parameter EGT and of its maximum temperature EGTMax.
- the temperature sub-module 401t is in the form of a corrector of the pure phase advance type, in particular, a high pass of order 1.
- the processing module 405 further comprises a comparator configured to compare the temperature parameter EGT with the maximum temperature value EGTMax reduced by a predetermined adjustment threshold ⁇ Threshold.
- a comparator configured to compare the temperature parameter EGT with the maximum temperature value EGTMax reduced by a predetermined adjustment threshold ⁇ Threshold.
- an ActiveProtEGT temperature protection command is activated.
- the ActiveProtEGT temperature protection command enables the temperature correction quantity ⁇ EGT to be activated.
- the predetermined adjustment threshold ⁇ Threshold is determined during tests according to the response time of the regulation and the overshoot that we allow our to have on the EGT temperature parameter. The more a significant temporary overshoot is authorized and/or the faster the response time of the loop, the more a low adjustment threshold ⁇ Threshold is set.
- the processing module 405 also comprises a max switch which makes it possible to select the maximum value between the temperature correction quantity ⁇ EGT and the acceleration correction quantity TRQTrajAccCmd in order to satisfy the strongest constraint for the torque input.
- the electric motor ME also makes it possible to regulate the temperature parameter EGT by avoiding soliciting the turbomachine T.
- the selection of the control before integration by the integration module 403 is ensured by a switch 404 in order to select the control of deceleration in deceleration or the control of acceleration in acceleration.
- the reset module 402 When the fuel setpoint WF CMD of the first fuel loop B1 wishes to deviate from the authorized operating range, the reset module 402 is not reset. Thus, the torque setpoint TRQ CMD makes it possible to deviate the operating point from the operating limits. A zeroing of the torque command TRQ CMD is initiated only when regulation by the fuel set point WF CMD is possible.
- the second torque loop B2 acts synergistically with the first fuel loop B1.
- the second torque loop B2 supports the first fuel loop B1.
- the torque setpoint TRQ CMD is thus set to zero to limit electrical consumption and preserve the life of the electric motor ME.
- the minimum torque value TRQmin and maximum TRQmax of the electric motor ME are not necessarily constants and may be function laws of various parameters making it possible to best exploit the operating limits of the electric motor ME.
- the integration module 403 is a simple integrator, in order to integrate the torque correction quantity ⁇ TRQ. This makes it possible to ensure a permanent zero speed error, and therefore a predetermined acceleration or deceleration time.
- a class 1 corrector for the control is sufficient to cancel out the trajectory following error thanks to the combined effect with the fuel control. Control stability is advantageously improved by suppressing the -90° phase shift effect induced by one of the integrators.
- the suppression of the torque TRQ provided by the electric machine ME must be compensated simultaneously by an adaptation of the fuel setpoint WF CMD , without which a disturbance of the speed NL would be systematic.
- the adaptation of the fuel setpoint WF CMD is automatic and will be compensated by the first loop B1 as long as the TRQ CMD reset command is removed slowly enough so as not to exceed the bandwidth of the first loop B1.
- the first regulation loop B1 detects, via the transient intention detection module 302, a speed transient and emits a indicator of a TopAccel acceleration transient request.
- the engine speed trajectory generation module 303 determines a speed setpoint for the acceleration (acceleration trajectory) NLTrajAccCons.
- the acceleration trajectory is in the form of a slope.
- the stop management module 306 limits the value of the fuel flow set point WF CMD and defines an acceleration stop set point TopButéeAccel which imposes a maximum fuel set point QMAX.
- a correction value ⁇ EGT is calculated and then compared to the acceleration correction value TRQTrajAccCmd.
- the maximum correction value chosen between ⁇ EGT and TRQTrajAccCmd is provided to the comparator 404 in order to activate the electric motor ME to reactively reduce the temperature of the outlet gases from the turbomachine T.
- the present invention provides a correction value optimized acceleration to take into account the EGT temperature parameter. It is thus not necessary to completely modify the control system to regulate the EGT temperature parameter.
- the electric motor ME is used sparingly to allow optimal trajectory following making it possible to offer a margin of regulation of the fuel set point WF CMD while controlling the temperature parameter EGT.
- the first fuel loop B1 and the second torque loop B2 are implemented synergistically to optimize the following of the engine speed trajectory and thus improve the operability of the turbomachine T.
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Abstract
Description
- La présente invention concerne une turbomachine pour aéronef, en particulier, la commande d’une turbomachine afin de fournir la poussée désirée en fonction de la position de la manette de commande du pilote de l’aéronef.
- En référence à la
, il est représenté de manière schématique une turbomachine 100 du type turboréacteur à double flux et double corps pour aéronef. De manière connue, la turbomachine 100 comprend, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante 110, un compresseur basse pression 111, un compresseur haute pression 112, une chambre de combustion 113 qui reçoit une consigne de débit de carburant WFCMD, une turbine haute pression 114, une turbine basse pression 115 et une tuyère primaire d'échappement 116. Le compresseur basse pression (ou BP) 111 et la turbine basse pression 115 sont reliés par un arbre basse pression 121 et forment ensemble un corps basse pression. Le compresseur haute pression (ou HP) 112 et la turbine haute pression 114 sont reliés par un arbre haute pression 122 et forment ensemble, avec la chambre de combustion, un corps haute pression. La soufflante 110, qui est entraînée par l'arbre BP 121, comprime l'air ingéré. Cet air se divise en aval de la soufflante 110 entre un flux d'air secondaire qui est dirigé directement vers une tuyère secondaire (non représentée) par laquelle il est éjecté pour participer à la poussée fournie par la turbomachine 100, et un flux dit primaire qui pénètre dans le générateur de gaz, constitué par le corps basse pression et le corps haute pression, puis qui est éjecté dans la tuyère primaire 116. De manière connue, pour modifier le régime de la turbomachine 100, le pilote de l’aéronef modifie la position d’une manette de commande qui permet de modifier la consigne de débit de carburant WFCMD dans la chambre de combustion 113. - La conception d’une turbomachine 100 nécessite de prendre en compte une marge suffisante contre le phénomène dit de pompage. Ce phénomène qui résulte d'une incidence excessive du flux d'air sur les aubes d'un des compresseurs aboutit à des fluctuations importantes et rapides de la pression en aval du compresseur concerné et peut conduire à une extinction de la chambre de combustion 113. Il génère en outre des à-coups importants sur les aubes du compresseur et peut ainsi conduire à des dégradations mécaniques. Il convient donc tout particulièrement d'éviter son apparition. Le fonctionnement d'un compresseur en utilisation est généralement représenté par un diagramme qui exprime le rapport de pression obtenu entre la sortie et l'entrée, en fonction du débit d'air qui le traverse ; ce diagramme est en outre paramétré en fonction de la vitesse de rotation du compresseur. Dans ce diagramme figure une ligne de pompage qui constitue la limite maximale en taux de compression à ne pas dépasser, pour ne pas risquer l'apparition d’un phénomène de pompage. De manière connue, on définit une ligne, dite de fonctionnement, associant les taux de compression obtenus en fonction du débit, lorsque la turbomachine 100 est en fonctionnement stabilisé. Le positionnement de cette ligne de fonctionnement est laissé à l'appréciation du concepteur de la turbomachine 100 et la distance de cette ligne de fonctionnement à la ligne de pompage représente la marge au pompage. II convient de remarquer que le rendement du compresseur (travail de compression fourni à l'air, rapporté au travail fourni pour l'entraîner en rotation) est, en première approximation, meilleur au fur et à mesure que l'on se rapproche de la ligne de pompage. A contrario, les accélérations demandées par le pilote à partir d'un fonctionnement stabilisé (phase transitoire) pour obtenir une augmentation de la poussée, se traduisent au niveau du compresseur par une excursion du point de fonctionnement qui s'effectue en direction de la ligne de pompage.
- En effet, une injection supplémentaire de carburant dans la chambre de combustion 113 provoque une élévation quasi instantanée du taux de compression, alors même que le régime de rotation n'a pas le temps d'augmenter du fait de l'inertie. La variation d'enthalpie apportée au fluide par la combustion du carburant ajouté génère alors une augmentation du travail fourni par chaque turbine et, par conséquent une augmentation de la vitesse de rotation du corps correspondant. Ceci se traduit au niveau du diagramme du compresseur par un retour du point de fonctionnement sur la ligne de fonctionnement lorsque le régime se stabilise à nouveau, à un point de fonctionnement qui correspond à un débit plus élevé que celui du point de fonctionnement précédent.
- Le concepteur d'une turbomachine 100 doit donc essayer d'optimiser le placement de la ligne de fonctionnement en la plaçant le plus haut possible, de façon à bénéficier de meilleurs rendements pour ses compresseurs, tout en gardant une distance suffisante vis à vis de la ligne de pompage pour permettre des accélérations sûres.
- Afin d’éviter tout phénomène de pompage, une turbomachine 100 comporte un système de régulation mis en œuvre par une unité électronique. En référence à la
, le système de régulation comprend un module de gestion stabilisée 31, un module de détection d'intention de transitoire 32, un module de génération d'une trajectoire de régime 33, un module de sélection 34, un module d'intégration 35 ainsi qu’un module de gestion de butée 36. - Le module de gestion stabilisée 31 fournit une grandeur de correction au module de sélection 34 en fonction de la différence entre le régime NL de la turbomachine 100 et le régime de consigne NLCONS. Le régime NL peut correspondre à différents types de régime, notamment, un régime de soufflante, une consigne de pression connue sous son acronyme anglais EPR (Engine Pressure Ratio), une consigne haute pression ou autre.
- Le régime de consigne NLCONS est proportionnel à la position de la manette de commande manipulable par le pilote de l’aéronef. Un tel module de gestion stabilisée 31 est connu de l’homme du métier et ne sera pas présenté plus en détails.
- Le module de détection d'intention de transitoire 32 a pour but de détecter une intention de transitoire souhaitée par le pilote. Le module de détection d'intention de transitoire 32 détermine une différence entre le régime NL de la turbomachine 100 et le régime de consigne NLCONS. Lorsque la manette de commande reste dans une position constante et que le module de gestion stabilisée 31 est mise en œuvre, le régime réel NL de la turbomachine 100 est stationnaire et égal au régime de consigne NLCONS. Si le pilote déplace la manette de commande, le régime de consigne NLCONS varie instantanément. Au contraire, le régime NL ne varie pas instantanément en raison de l'inertie de la turbomachine 100 et du module de gestion stabilisée 31. Ainsi, le module de détection d'intention de transitoire 32 détecte une intention de transitoire lorsque la différence entre le régime de consigne NLCONS et le régime réel NL est supérieure à un seuil prédéterminé S2.
- Dans le cas d'une demande accélération, si l’écart de régime est supérieur au seuil prédéterminé S2 (NLCONS- NL > S2), une demande d’accélération est détectée. De manière analogue, dans le cas d'une décélération, si l’écart de régime est supérieur au seuil prédéterminé S2 (NL - NLCONS > S2), une demande de décélération est détectée. Lorsque qu’une phase transitoire est détectée, le module de détection d'intention de transitoire 32 génère un signal d'activation, qui est transmis au module de génération d'une trajectoire de régime 33 et au module de sélection 34 comme illustré à la
. - Dans le cas d'une demande accélération, le module de génération d'une trajectoire de régime 33 détermine une consigne de régime pour l’accélération (trajectoire d’accélération). De manière analogue, dans le cas d'une décélération, le module de génération d'une trajectoire de régime 33 détermine une consigne de régime pour la décélération (trajectoire de décélération). En fonction de la trajectoire générée, le module de génération d'une trajectoire de régime 33 fournit une grandeur de correction au module de sélection 34.
- Un tel module de génération d'une trajectoire de régime 33 est connu de l’homme du métier, en particulier par la demande de brevet US2013/0008171 et la demande de brevet FR2977638A1, et ne sera pas présenté plus en détails.
- Dans cet exemple, lorsque le module de sélection 34 reçoit un signal d'activation du module de détection d'intention de transitoire 32, le module de sélection 34 sélectionne la grandeur de correction issue du module de gestion stabilisée 31 en l’absence de réception d’un signal d’activation et sélectionne la grandeur de correction issue du module de génération d'une trajectoire de régime 33 en cas de réception d’un signal d’activation. Un tel module de sélection 34 est connu de l’homme du métier et ne sera pas présenté plus en détails. La grandeur de correction sélectionnée est fournie au module d'intégration 35. Le module d'intégration 35 détermine la consigne de débit de carburant WFCMD par intégration de la grandeur de correction sélectionnée.
- Le module de gestion de butée 36 limite la valeur de la consigne de débit de carburant WFCMD déterminée par le module d'intégration 35. De manière connue, le module de gestion de butée 36 met en œuvre une butée, dite butée C/P connue de l'homme du métier afin de protéger la turbomachine à l’encontre du pompage. Dans cet exemple le module de gestion de butée 36 permet de définir des consignes de butée en accélération et en décélération. De telles butées sont connues de l’homme du métier et ne seront pas présentées plus en détails.
- Le module de génération d'une trajectoire de régime 33 et le module de gestion de butée 36 permettent de définir une trajectoire d’accélération qui a pour conséquence de brider la consigne de débit de carburant WFCMD afin d’éviter un pompage. Un tel système de régulation est connu par la demande de brevet FR2977638A1 et ne sera pas présenté plus en détails. De manière incidente, il est connu de protéger un moteur contre le phénomène de pompage lors des transitoires en prenant en compte une consigne d’accélération lors de la régulation (voir par exemple US4543782 et US 2003/0094000).
- Un tel système de régulation est performant mais ne permet pas de contrôler la température des gaz en sortie de la turbomachine, dite température EGT pour « Exhaust Gas Temperature », afin qu’elle ne dépasse pas une température limite EGTmax.
- Afin d’éliminer cet inconvénient, une solution immédiate serait de prévoir un procédé de régulation indépendant et dédié à la température des gaz en sortie de la turbomachine mais cela présente de nombreux inconvénients en termes de performance (latence, erreur, etc.).
- L’invention concerne un procédé de commande d’une turbomachine comprenant une soufflante positionnée en amont d'un générateur de gaz et délimitant un flux primaire et un flux secondaire, ledit générateur de gaz étant traversé par le flux primaire et comprenant un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression, ladite turbine basse pression étant reliée audit compresseur basse pression par un arbre de rotation basse pression et ladite turbine haute pression étant reliée audit compresseur haute pression par un arbre de rotation haute pression, la turbomachine comprenant un moteur électrique formant un dispositif d'injection de couple sur l’arbre de rotation haute pression, procédé dans lequel une consigne de débit de carburant dans la chambre de combustion et une consigne de couple fourni au moteur électrique sont déterminées, le procédé de commande comportant :
- une étape de détermination d’une grandeur de correction de température en fonction d’un paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine et d’une valeur maximale du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine,
- une étape de détermination d’une grandeur de correction de couple en fonction de la grandeur de correction de température et
- une étape de détermination de la consigne de couple en fonction de la grandeur de correction de couple.
- Grâce à l’injection de couple du moteur électrique permet de conserver des performances optimales tout en réduisant de manière importante la température des gaz en sortie. Le moteur électrique permet ainsi d’éviter de dégrader les performances de poussée pour conserver une marge de température suffisante.
- De préférence, le procédé de commande comporte :
- une étape de mise en œuvre d’une première boucle de régulation de carburant afin de déterminer la consigne de débit de carburant comprenant :
- une étape de détection d’une intention de transitoire de régime en fonction d’une différence entre un régime courant et une consigne de régime déterminée,
- une étape de détermination d’une consigne de régime de transitoire,
- une étape de détermination d’une grandeur de correction de carburant en fonction de la consigne de régime de transitoire et
- une étape de détermination de la consigne de débit de carburant en fonction de la grandeur de correction de carburant,
- une étape de mise en œuvre d’une deuxième boucle de régulation de couple afin de déterminer la consigne de couple comprenant
- une étape de détermination d’une grandeur de correction de couple en fonction de la consigne de régime de transitoire et de la grandeur de correction de température.
- Grâce à l’invention, la température des gaz de sortie est régulée tout en conservant des marges pour éviter un pompage ou une extinction de la turbomachine. L’étape de détection d’une intention de transitoire de régime correspond à une intention de transitoire de poussée. Ainsi, le régime courant de la turbomachine peut suivre de manière réactive la consigne de trajectoire. L’opérabilité de la turbomachine est ainsi améliorée. De manière avantageuse, l’étape de détermination d’une grandeur de correction de température permet d’utiliser le moteur électrique pour limiter la température des gaz en sortie de la turbomachine. La régulation de la température est ainsi directement intégrée à l’étape de détermination d’une grandeur de correction de couple.
- De manière préférée, au cours de l’étape de détermination d’une grandeur de correction de couple, en cas d’accélération, on sélectionne la valeur maximale entre la grandeur de correction de température et une grandeur de correction d’accélération déterminée à partir de la consigne de régime de transitoire d’accélération. Autrement dit, lors d’une augmentation de l’accélération conduisant à une augmentation de la température, on sélectionne la grandeur de correction maximale afin d’obtenir l’accélération souhaitée tout en limitant la température des gaz en sortie. Ainsi, la régulation de la température est totalement intégrée à la régulation globale, ce qui garantit des performances optimales.
- Dans cet exemple, on sélectionne la grandeur de correction maximale dans le cas d’une convention de signe positive pour une commande de couple motrice et une commande négative pour une commande de couple de freinage. A l’inverse, on sélectionne la grandeur de correction minimale dans le cas d’une convention de signe négative pour une commande de couple motrice et une commande positive pour une commande de couple de freinage.
- De manière avantageuse, la deuxième boucle de régulation de couple ne se substitue pas à la première boucle de régulation de carburant mais vient à son soutien lorsque des limites de fonctionnement sont atteintes. La régulation du régime n’est ainsi pas bouleversée dans ses fondamentaux, ce qui assure une régulation fiable.
- L’invention concerne également un procédé de commande tel que présenté précédemment, comprenant :
- une étape d’activation d’une commande de protection de température par comparaison du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine à la valeur maximale du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine diminuée d’un seuil de réglage prédéterminé
- une étape d’activation de la grandeur de correction de température lorsque la commande de protection de température est activée.
- De préférence, le procédé comprend au cours de l’étape de mise en œuvre de la deuxième boucle de régulation de couple, une étape de mise à zéro de la consigne de couple, l’étape de mise à zéro de la consigne de couple étant inhibée en cas d’activation de la commande de protection de température.
- De manière avantageuse, le procédé de commande comporte une étape de mise à zéro de la consigne de couple qui est mise en œuvre de manière continue mais inhibée lorsque les limites de régulation de la consigne de carburant sont atteintes. Autrement dit, le couple électrique n’est pas utilisé en permanence afin d’éviter une consommation électrique excessive. Le couple électrique est injecté sur l’arbre haute pression lorsque les limites de régulation de la consigne de carburant sont atteintes (pompage, extinction, température EGT, etc.) afin de permettre de les écarter. En d’autres termes, lors de son injection, le couple électrique permet d’offrir une marge de régulation à la première boucle de régulation de carburant. Une fois cette marge obtenue, la consigne de couple peut être mise à zéro, en particulier, de manière progressive.
- De préférence, la consigne de couple est mise à zéro de manière progressive, de préférence, selon au moins un gradient de réduction. Une mise à zéro progressive s’oppose à une mise à zéro brutale qui induirait des perturbations du régime de la turbomachine. Une mise à zéro progressive selon un gradient de réduction permet de contrôler la vitesse à laquelle la deuxième boucle de régulation de couple diminue son influence afin de permettre à la première boucle de régulation de carburant de reprendre son influence.
- De manière préférée, le procédé comprend une étape de simple intégration de la grandeur de correction de couple afin de déterminer la consigne de couple.
- L’invention concerne également un programme d’ordinateur comprenant des instructions pour l’exécution des étapes d’un procédé de commande tel que présenté précédemment lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur. L’invention vise aussi un support d’enregistrement dudit programme d’ordinateur. Le support d'enregistrement mentionné ci-avant peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple un disque dur. D'autre part, les supports d'enregistrement peuvent correspondre à un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau de type Internet. Alternativement, les supports d'enregistrement peuvent correspondre à un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé en question.
- L’invention concerne également en outre une unité électronique de commande pour turbomachine comprenant une mémoire incluant des instructions d’un programme d’ordinateur tel que présenté précédemment.
- L’invention concerne également aussi une turbomachine comprenant une unité électronique telle que présentée précédemment.
- L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables.
-
La est une représentation schématique d’une turbomachine selon l’art antérieur, -
la est une représentation schématique d’un système de régulation d’une consigne de débit de carburant selon l’art antérieur, -
la est une représentation schématique d’une turbomachine selon une forme de réalisation de l’invention, -
la est une représentation schématique d’un système de régulation de la température de sortie selon l’invention, -
la est une représentation schématique d’un système de régulation d’une consigne de débit de carburant et d’une consigne de couple selon l’invention, -
la est une représentation schématique d’une première boucle de régulation de carburant du système de régulation de la , -
la est une représentation schématique d’une deuxième boucle de régulation de couple du système de régulation de la . - Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
- En référence à la
, il est représenté de manière schématique une turbomachine T du type turboréacteur à double flux et double corps pour aéronef. De manière connue, la turbomachine T comprend, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante 10, un compresseur basse pression 11, un compresseur haute pression 12, une chambre de combustion 13 qui reçoit une consigne de débit de carburant WFCMD, une turbine haute pression 14, une turbine basse pression 15 et une tuyère primaire d'échappement 16. Le compresseur basse pression (ou BP) 11 et la turbine basse pression 15 sont reliés par un arbre basse pression 21 et forment ensemble un corps basse pression. Le compresseur haute pression (ou HP) 12 et la turbine haute pression 14 sont reliés par un arbre haute pression 22 et forment ensemble, avec la chambre de combustion 13, un corps haute pression. La soufflante 10, qui est entraînée par l'arbre BP 21, comprime l'air ingéré. Cet air se divise en aval de la soufflante entre un flux d'air secondaire qui est dirigé directement vers une tuyère secondaire (non représentée) par laquelle il est éjecté pour participer à la poussée fournie par la turbomachine 100, et un flux dit primaire qui pénètre dans le générateur de gaz, constitué par le corps basse pression et le corps haute pression, puis qui est éjecté dans la tuyère primaire 16. De manière connue, pour modifier le régime du turbomachine T, le pilote de l’aéronef modifie la position d’une manette de commande qui permet de modifier la consigne de débit de carburant WFCMD dans la chambre de combustion 13. - En référence à la
, la turbomachine T comporte en outre un moteur électrique ME configuré pour fournir un couple supplémentaire à l’arbre haute pression 22 Le fonctionnement de la turbomachine T est commandé par une unité électronique 20 qui obtient des signaux représentant des paramètres de fonctionnement de la turbomachine T, notamment le régime NL de la turbomachine T, pour fournir la consigne de débit de carburant WFCMD et une consigne de couple TRQCMD au moteur électrique ME. Le régime NL peut correspondre à différents types de régime, notamment, un régime de soufflante, une consigne de pression connue sous son acronyme anglais EPR (Engine Pressure Ratio), une consigne haute pression ou autre. - Comme illustré à la
, le procédé comporte une étape de détermination d’une grandeur de correction de température ΔEGT en fonction d’un paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine EGT issu de la turbomachine T et d’une valeur maximale du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine EGTMax. Le procédé comporte une étape de détermination d’une grandeur de correction de couple ΔTRQ en fonction de la grandeur de correction de température ΔEGT et une étape de détermination de la consigne de couple TRQCMD en fonction de la grandeur de correction de couple ΔTRQ. - Le couple électrique permet de réduire de manière avantageuse la température de sortie EGT sans réduire les performances générales de couple, ce qui est avantageux.
- Comme illustré à la
, l’unité électronique 20 comporte un système de régulation comportant une première boucle B1 de régulation de la consigne de débit de carburant WFCMD, désignée par la suite « première boucle de carburant B1 », et une deuxième boucle B2 de régulation de la consigne de couple électrique TRQCMD, désignée par la suite « deuxième boucle de couple B2 ». - Comme illustré à la
, la première boucle de carburant B1 comporte : - Une entrée de température T2
- une entrée de régime NL de la turbomachine T
- une entrée de régime de consigne NLCONS définie par la position de la manette de commande manipulable par le pilote de l’aéronef,
- une sortie de consigne de débit de carburant WFCMD transmise à la turbomachine T et
- une pluralité d’indicateurs de sortie :
- un indicateur d’une demande de transitoire d’accélération TopAccel
- un indicateur d’une demande de transitoire de décélération TopDecel
- un indicateur d’une butée d’accélération TopButeeAccel définie par la saturation de la commande des correcteurs par la butée C/P d’accélération
- un indicateur d’une butée de décélération TopButeeDecel définie par la saturation de la commande des correcteurs par la butée C/P d’extinction
- une consigne de trajectoire de régime pour l’accélération NLTrajAccCons
- une consigne de trajectoire de régime pour la décélération NLTrajDecelCons
- Toujours en référence à la
, la deuxième boucle de couple B2 reçoit en entrée tous les indicateurs de sortie générés par la première boucle de carburant B1, c’est-à-dire TopAccel, TopDecel, TopButeeAccel, TopButeeDecel, NLTrajAccCons, NLTrajDecelCons, ainsi que l’entrée de régime NL de la turbomachine T. - Selon cet exemple de mise en œuvre de l’invention, la régulation de la température de sortie est intégrée directement à la deuxième boucle de couple B2, ce qui permet de prendre en compte toutes les régulations de manière simultanée.
- La deuxième boucle de couple B2 reçoit également en entrée un paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine EGT (ci-après paramètre de température EGT) ainsi qu’une valeur maximale de température des gaz en sortie de la turbomachine EGTMax. Le paramètre EGT est obtenu par un capteur de la turbomachine T. De manière avantageuse, grâce à ce système de régulation, la deuxième boucle de couple B2 permet de fournir une consigne de couple TRQCMD adaptive en fonction du comportement de la boucle de carburant B1 mais également du paramètre de température EGT. Autrement dit, le paramètre de température EGT est intégré directement dans la deuxième boucle de couple B2.
- Dans cet exemple, la première boucle de carburant B1 comporte également une entrée de pression statique dans la chambre de combustion PS3.
- La structure et le fonctionnement de chaque boucle B1, B2 vont être dorénavant présentés de manière détaillée.
- De manière connue, en référence à la
, la première boucle de carburant B1 comprend un module de gestion stabilisée 301, un module de détection d'intention de transitoire 302, un module de génération d'une trajectoire de régime 303, un module de sélection 304, un module d'intégration 305 ainsi qu’un module de gestion de butée 306 qui remplit une fonction de saturation de l’intégration et donc de la commande de carburant WFCMD. Une telle première boucle de carburant B1 est connue par FR3087491A1. - Comme cela sera présenté par la suite, le module de génération d'une trajectoire de régime 303 est également configuré pour générer une commande pour le contrôle de cette trajectoire.
- Le module de gestion stabilisée 301 fournit une grandeur de correction au module de sélection 304 en fonction de la différence entre le régime NL de la turbomachine T et le régime de consigne NLCONS. Un tel module de gestion stabilisée 301 est connu de l’homme du métier et ne sera pas présenté plus en détails.
- Le module de détection d'intention de transitoire 302 a pour but de détecter une intention de transitoire souhaitée par le pilote. Le module de détection d'intention de transitoire 302 détermine une différence entre le régime NL de la turbomachine T et le régime de consigne NLCONS. Lorsque la manette de commande reste dans une position constante et que le module de gestion stabilisée 301 est mise en œuvre, le régime réel NL de la turbomachine T est stationnaire et égal au régime de consigne NLCONS. Si le pilote déplace la manette de commande, le régime de consigne NLCONS varie instantanément. Au contraire, le régime NL ne varie pas instantanément en raison de l'inertie de la turbomachine T et du module de gestion stabilisée 301. Ainsi, le module de détection d'intention de transitoire 302 détecte une intention de transitoire lorsque la différence entre le régime de consigne NLCONS et le régime réel NL est supérieure à un seuil prédéterminé S3.
- Selon l’invention, le module de détection d'intention de transitoire 302 fournit également un indicateur de demande de transitoire d’accélération TopAccel et un indicateur d’une demande de transitoire de décélération TopDecel. Dans le cas d'une accélération, si l’écart de régime est supérieur au seuil prédéterminé S3 (NLCONS- NL > S3), l’indicateur de demande de transitoire d’accélération TopAccel est activé. Cette fonction est mise en œuvre dans un sous-module d’accélération 302a qui est un comparateur. De manière analogue, dans le cas d'une décélération, si l’écart de régime est supérieur au seuil prédéterminé S3 (NL - NLCONS > S3), l’indicateur d’une demande de transitoire de décélération TopDecel est activé. Cette fonction est mise en œuvre dans un sous-module de décélération 302d qui est un comparateur. A titre d’exemple, le seuil S3 est de 200 tours/minutes.
- Lorsque qu’une phase transitoire est détectée, le module de détection d'intention de transitoire 302 génère un signal d'activation, qui est transmis au module de génération d'une trajectoire de régime 303 et au module de sélection 304 comme illustré à la
. - Dans le cas d'une accélération, le module de génération d'une trajectoire de régime 303 détermine une consigne de régime pour l’accélération (trajectoire d’accélération) NLTrajAccCons. De manière analogue, dans le cas d'une décélération, le module de génération d'une trajectoire de régime 303 détermine une consigne de régime NL pour la décélération (trajectoire de décélération) NLTrajDecelCons. Un tel module de génération d'une trajectoire de régime 303 est connu de l’homme du métier et ne sera pas présenté plus en détails, en particulier, par la demande de brevet US2013/0008171. De plus, le module de génération 303 est également configuré pour générer une grandeur de correction qui permet de suivre le cas échéant la trajectoire consigne.
- Dans cet exemple, lorsque le module de sélection 304 reçoit un signal d'activation du module de détection d'intention de transitoire 302, le module de sélection 304 sélectionne la grandeur de correction issue du module de gestion stabilisée 301 en l’absence de réception d’un signal d’activation et sélectionne la grandeur de correction issue du module de génération d'une trajectoire de régime 303 en cas de réception d’un signal d’activation. Un tel module de sélection 304 est connu de l’homme du métier et ne sera pas présenté plus en détails.
- La grandeur de correction de carburant sélectionnée ΔWF est fournie au module d'intégration 305. Le module d'intégration 305 détermine la consigne de débit de carburant WFCMD par intégration de la grandeur de correction de carburant ΔWF.
- Le module de gestion de butée 306 limite la valeur de la consigne de débit de carburant WFCMD déterminée par le module d'intégration 305. De manière connue, le module de gestion de butée 306 met en œuvre une butée, dite butée C/P connue de l'homme du métier. Dans cet exemple le module de gestion de butée 306 permet de définir des consignes de butée en accélération et en décélération. A cet effet, dans le cas d'une accélération, le module de gestion de butée 306 permet de définir un indicateur d’une saturation de la commande des correcteurs par la butée C/P d’accélération TopButeeAccel. De manière analogue, dans le cas d'une décélération, le module de gestion de butée 306 permet de définir un indicateur d’une saturation de la commande des correcteurs par la butée C/P d’extinction TopButeeDecel. De telles butées sont connues de l’homme du métier et ne seront pas présentées plus en détails. De manière préférée, le module de gestion de butée 306 détermine les butées en fonction de la pression statique dans la chambre de combustion PS3 et du régime NL (régime corps haute pression).
- Comme indiqué précédemment, une telle régulation est optimale pour limiter la consigne de carburant WFCMD transmise à la turbomachine T mais induit des temps de réponse important.
- Pour éliminer cet inconvénient, une deuxième boucle de couple B2 est couplée à la première boucle de carburant B1 pour déterminer une consigne de couple TRQCMD optimale. A cet effet, contrairement à l’art antérieur, la première boucle de carburant B1 communique à la deuxième boucle de couple B2 les différents indicateurs de sortie : TopAccel, TopDecel, NLTrajAccCons, NLTrajDecelCons, TopButeeAccel, TopButeeDecel.
- La deuxième boucle de régulation du couple B2 vise à utiliser avec parcimonie le moteur électrique ME tout en maitrisant le paramètre de température EGT. Ainsi, une consigne de couple TRQCMD n’est activée que lorsque les trajectoires sont limitées (TopButeeAccel ou TopButeeDecel), que l’écart entre la consigne de régime NLCONS et le régime réel NL indique un besoin d’activation des contrôles en transitoire (TopAccel ou TopDecel) ou que le paramètre de température EGT est proche de sa valeur maximale EGTMax. De manière avantageuse, comme cela sera présenté par la suite, le paramètre de température EGT évolue vers sa valeur maximale EGTMax lors d’une accélération. La deuxième boucle de régulation du couple B2 s’appuie sur la commande de couple pour l’accélération (couple accélération) TRQTrajAccelCmd pour réguler le paramètre de température EGT.
- Comme cela sera présenté par la suite, le couple électrique fourni TRQCMD permet d’écarter le point de fonctionnement des limites de fonctionnement et ainsi d’offrir une marge de commande pour adapter de nouveau la consigne de carburant WFCMD. Le couple électrique fourni TRQCMD permet par ailleurs d’écarter le paramètre de température EGT de sa valeur maximale EGTMax. En effet, le couple électrique permet de moins solliciter la turbomachine T, ce qui conduit à faire baisser sa température.
- Grâce à l’invention, la première boucle de carburant B1 et la deuxième boucle de couple B2 échangent pour améliorer l’opérabilité de la turbomachine T (contrôle de la température, temps de réponse, etc.) tout en limitant la consommation d’énergie électrique par le moteur électrique ME.
- En référence à la
, la deuxième boucle de régulation du couple B2 comporte un module de détermination de commande 401, un module de mise à zéro 402, un module d’intégration 403, un commutateur 404 et un module de traitement 405. - Le module de détermination de commande 401 comporte :
- une entrée de régime courant NL de la turbomachine
- la consigne de régime NL pour l’accélération (trajectoire d’accélération) NLTrajAccCons fournissant une grandeur de consigne pour la commande de couple
- la consigne de régime NL pour la décélération (trajectoire de décélération) NLTrajDecelCons fournissant une grandeur de consigne pour la commande de couple
- une entrée de paramètre de température EGT
- une valeur maximale de température EGTMax.
- Le module de détermination de commande 401 comporte un sous-module de d’accélération 401a et un sous-module décélération 401d qui sont respectivement configurés pour calculer une commande de couple pour l’accélération (couple accélération) TRQTrajAccCmd et une commande de couple pour la décélération (couple décélération) TRQTrajDecCmd.
- Dans cet exemple, le sous-module d’accélération 401a calcule une grandeur de correction pour l’accélération (couple d’accélération) TRQTrajAccelCmd en fonction de la consigne de régime NL pour l’accélération (trajectoire de d’accélération) NLTrajAccCons, et de l’entrée de régime courant NL. La structure d’un tel sous-module d’accélération 401a est connue de l’homme du métier. De manière préférée, le sous-module d’accélération 401a se présente sous la forme d’un correcteur de type avance de phase pure, en particulier, un passe haut d’ordre 1. La structure et la fonction du sous-module de décélération 401d sont analogues.
- Le module de détermination de commande 401 comporte en outre un sous-module de température 401t qui calcule une grandeur de correction de température ΔEGT en fonction du paramètre de température EGT et de sa température maximale EGTMax. De manière préférée, le sous-module de température 401t se présente sous la forme d’un correcteur de type avance de phase pure, en particulier, un passe haut d’ordre 1.
- En référence à la
, le module de traitement 405 comporte en outre un comparateur configurer pour comparer le paramètre de température EGT à la valeur maximale de température EGTMax diminuée d’un seuil de réglage prédéterminé ∆Seuil. Lorsque le paramètre de température EGT est trop proche de la valeur maximale de température EGTMax, une commande de protection de température ActiveProtEGT est activée. La commande de protection de température ActiveProtEGT permet d’activer la grandeur de correction de température ΔEGT. - Le seuil de réglage prédéterminé ∆Seuil est déterminé au cours d’essais en fonction du temps de réponse de la régulation et du dépassement qu’on s’autorise à avoir sur le paramètre de température EGT. Plus on autorise un dépassement temporaire important et/ou que le temps de réponse de la boucle est rapide, plus on fixe un seuil de réglage ΔSeuil faible.
- Le module de traitement 405 comporte de plus un commutateur max qui permet de sélectionner la valeur maximale entre la grandeur de correction de température ΔEGT et la grandeur de correction d’accélération TRQTrajAccCmd afin de satisfaire la contrainte la plus forte pour l’apport de couple. Autrement dit, lors d’une demande d’accélération, le moteur électrique ME permet également de réguler le paramètre de température EGT en évitant de solliciter la turbomachine T.
- En référence à la
, la sélection de la commande avant intégration par le module d’intégration 403 est assurée par un commutateur 404 afin de sélectionner la commande de décélération en décélération ou la commande d’accélération en accélération. - Le module de mise à zéro 402 comporte une pluralité d’indicateurs d’entrée issus de la première boucle de carburant B1 :
- l’indicateur d’une demande de transitoire d’accélération TopAccel
- l’indicateur d’une demande de transitoire de décélération TopDecel
- l’indicateur d’une butée d’accélération TopButeeAccel définie par la saturation de la commande des correcteurs par la butée C/P d’accélération
- l’indicateur d’une butée de décélération TopButeeDecel définie par la saturation de la commande des correcteurs par la butée C/P d’extinction.
- Le module de mise à zéro 402 vise à mettre à zéro la commande de couple TRQCMD via la remise à zéro de l’intégrateur 403. Comme cela sera présenté par la suite, la mise à zéro n’est pas brutale mais progressive. Le module de mise à zéro est mise en œuvre de manière continue. Néanmoins, la mise à zéro est inhibée :
- lorsqu’une accélération est demandée et lorsque la butée d’accélération est déjà atteinte (TopAccel et TopButeeAccel activés) (état ActiveCmdTrqAccel)
- lorsqu’une décélération est demandée et lorsque la butée de décélération est déjà atteinte (TopDecel et TopButeeDecel activés) (état ActiveCmdTrqDecel) ou
- lorsqu’une commande de protection de température ActiveProtEGT est activée.
- Quand la consigne de carburant WFCMD de la première boucle de carburant B1 souhaite s’écarter de la plage de fonctionnement autorisée, le module de mise à zéro 402 n’est pas remis à zéro. Ainsi, la consigne de couple TRQCMD permet d’écarter le point de fonctionnement des limites de fonctionnement. Une mise à zéro de la commande de couple TRQCMD n’est amorcée que lorsqu’une régulation par la consigne de carburant WFCMD est possible.
- En d’autres termes, la deuxième boucle de couple B2 agit de manière synergique avec la première boucle de carburant B1. La deuxième boucle de couple B2 vient en support de la première boucle de carburant B1. En régime stabilisé, la consigne de couple TRQCMD est ainsi mise à zéro pour limiter la consommation électrique et préserver la durée de vie du moteur électrique ME.
- En référence à la
, le module d’intégration 403 comporte : - une entrée de correction recevant une grandeur de correction de couple ΔTRQ du commutateur 404
- une valeur maximale de couple TRQmax déterminée par la structure du moteur électrique ME, TRQmax représentant le couple moteur (positif par convention) maximal commandable pour le moteur électrique ME
- une valeur minimale de couple TRQmin déterminée par la structure du moteur électrique ME, TRQmin représentant le couple de freinage maximal (négatif par convention) commandable pour le moteur électrique ME
- une entrée de mise à zéro RAZ fournie par le module de mise à zéro 402
- une sortie de consigne de couple TRQCMD.
- De manière préférée, la valeur de couple minimale TRQmin et maximale TRQmax du moteur électrique ME ne sont pas forcément des constantes et peuvent être des lois fonctions de divers paramètres permettant d’exploiter au mieux les limites de fonctionnement du moteur électrique ME.
- Dans cet exemple, le module d’intégration 403 est un simple intégrateur, afin d’intégrer la grandeur de correction de couple ΔTRQ. Cela permet d'assurer une erreur permanente de vitesse nulle, et donc un temps d'accélération ou de décélération prédéterminé. En pratique, un correcteur de classe 1 pour la commande est suffisant pour annuler l’erreur de suivi de trajectoire grâce à l’effet combiné avec la commande carburant. La stabilité de contrôle est avantageusement améliorée par suppression de l’effet de déphasage de -90° induit par un des intégrateurs.
- La suppression du couple TRQ apporté par la machine électrique ME doit être compensée simultanément par une adaptation de la consigne de carburant WFCMD, sans quoi une perturbation du régime NL serait systématique. De manière avantageuse, l’adaptation de la consigne de carburant WFCMD est automatique et sera compensée par la première boucle B1 tant que la commande de remise à zéro de TRQCMD est supprimée suffisamment lentement de manière à ne pas dépasser la bande passante de la première boucler B1.
- Il va dorénavant être présenté un exemple de mise en œuvre d’un procédé de commande d’une turbomachine dans lequel une consigne de débit de carburant WFCMD et une consigne de couple électrique TRQCMD sont déterminées.
- A titre d’exemple, lorsque le pilote manipule la manette de commande pour augmenter le régime de la turbomachine T, la première boucle de régulation B1 détecte, via le module de détection d'intention de transitoire 302, un transitoire de régime et émet un indicateur d’une demande de transitoire d’accélération TopAccel. De même, le module de génération d'une trajectoire de régime 303 détermine une consigne de régime pour l’accélération (trajectoire d’accélération) NLTrajAccCons. La trajectoire d’accélération se présente sous la forme d’une pente. De plus, le module de gestion de butée 306 limite la valeur de la consigne de débit de carburant WFCMD et définit une consigne de butée en accélération TopButéeAccel qui impose une consigne maximale de carburant QMAX.
- Lorsque le paramètre de température EGT s’approche de sa valeur maximale EGTMax, une valeur de correction ΔEGT est calculée puis comparée à la valeur de correction d’accélération TRQTrajAccCmd. La valeur de correction maximale choisie entre ΔEGT et TRQTrajAccCmd est fournie au comparateur 404 afin d’activer le moteur électrique ME pour réduire de manière réactive la température des gaz de sortie de la turbomachine T. Autrement dit, la présente invention fournit une valeur de correction d’accélération optimisée pour tenir compte du paramètre de température EGT. Il n’est ainsi pas nécessaire de modifier entièrement le système de régulation pour réguler le paramètre de température EGT.
- Grâce à l’invention, le moteur électrique ME est utilisé avec parcimonie pour permettre un suivi de trajectoire optimal permettant d’offrir une marge de régulation de la consigne de carburant WFCMD tout en maitrisant le paramètre de température EGT. La première boucle de carburant B1 et la deuxième boucle de couple B2 sont mises en œuvre de manière synergique pour optimiser le suivi de la trajectoire de régime et ainsi améliorer l’opérabilité de la turbomachine T.
- Il a été présenté une régulation de la température dans le cas d’une accélération mais elle peut survenir également lors d’un fonctionnement au plein gaz ou lors du décollage.
Claims (10)
- Procédé de commande d’une turbomachine (T) comprenant une soufflante (10) positionnée en amont d'un générateur de gaz et délimitant un flux primaire et un flux secondaire, ledit générateur de gaz étant traversé par le flux primaire et comprenant un compresseur basse pression (11), un compresseur haute pression (12), une chambre de combustion (13), une turbine haute pression (14) et une turbine basse pression (15), ladite turbine basse pression (15) étant reliée audit compresseur basse pression par un arbre de rotation basse pression (10) et ladite turbine haute pression (14) étant reliée audit compresseur haute pression (12) par un arbre de rotation haute pression (22), la turbomachine comprenant un moteur électrique (ME) formant un dispositif d'injection de couple sur l’arbre de rotation haute pression (22), procédé dans lequel une consigne de débit de carburant (WFCMD) dans la chambre de combustion (13) et une consigne de couple (TRQCMD) fourni au moteur électrique (ME) sont déterminées, le procédé de commande comportant :
- une étape de détermination d’une grandeur de correction de température (ΔEGT) en fonction d’un paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine (EGT) et d’une valeur maximale du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine (EGTMAx)
- une étape de détermination d’une grandeur de correction de couple (ΔTRQ) en fonction de la grandeur de correction de température (ΔEGT) et
- une étape de détermination de la consigne de couple (TRQCMD) en fonction de la grandeur de correction de couple (ΔTRQ).
- Procédé selon la revendication 1, dans lequel le procédé de commande comporte :
- une étape de mise en œuvre d’une première boucle de régulation de carburant (B1) afin de déterminer la consigne de débit de carburant (WFCMD) comprenant :
- une étape de détection d’une intention de transitoire de régime (TopAccel, TopDecel) en fonction d’une différence entre un régime courant (NL) et une consigne de régime déterminée (NLCONS),
- une étape de détermination d’une consigne de régime de transitoire (NLTrajAccCons, NLTrajDecelCons),
- une étape de détermination d’une grandeur de correction de carburant (ΔWF) en fonction de la consigne de régime de transitoire (NLTrajAccCons, NLTrajDecelCons) et
- une étape de détermination de la consigne de débit de carburant (WFCMD) en fonction de la grandeur de correction de carburant (ΔWF),
- une étape de mise en œuvre d’une deuxième boucle de régulation de couple (B2) afin de déterminer la consigne de couple (TRQCMD) comprenant
- une étape de détermination d’une grandeur de correction de couple (ΔTRQ) en fonction de la consigne de régime de transitoire (NLTrajAccCons, NLTrajDecelCons) et de la grandeur de correction de température (ΔEGT).
- une étape de mise en œuvre d’une première boucle de régulation de carburant (B1) afin de déterminer la consigne de débit de carburant (WFCMD) comprenant :
- Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel, au cours de l’étape de détermination d’une grandeur de correction de couple (ΔTRQ), on sélectionne la valeur maximale entre la grandeur de correction de température (ΔEGT) et une grandeur de correction d’accélération (TRQTrajAccCmd) déterminée à partir de la consigne de régime de transitoire d’accélération (NLTrajAccCons).
- Procédé de commande selon l’une des revendications 1 et 2, comprenant :
- une étape d’activation d’une commande de protection de température (ActiveProtEGT) par comparaison du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine (EGT) à la valeur maximale du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine (EGTMAx) diminuée d’un seuil de réglage prédéterminé (∆Seuil)
- une étape d’activation de la grandeur de correction de température (ΔEGT) lorsque la commande de protection de température (ActiveProtEGT) est activée.
- Procédé de commande selon la revendication 3, comprenant :
- au cours de l’étape de mise en œuvre de la deuxième boucle de régulation de couple (B2), une étape de mise à zéro de la consigne de couple (TRQCMD), l’étape de mise à zéro de la consigne de couple (TRQCMD) étant inhibée en cas d’activation de la commande de protection de température (ActiveProtEGT).
- Procédé de commande selon la revendication 5, dans lequel la consigne de couple (TRQCMD) est mise à zéro de manière progressive, de préférence, selon au moins un gradient de réduction.
- Procédé de commande selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant une étape de simple intégration de la grandeur de correction de couple (ΔTRQ) afin de déterminer la consigne de couple (TRQCMD).
- Programme d’ordinateur comprenant des instructions pour l’exécution des étapes d’un procédé de commande selon l’une des revendications 1 à 7 lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur.
- Unité électronique de commande pour turbomachine comprenant une mémoire incluant des instructions d’un programme d’ordinateur selon la revendication 8.
- Turbomachine comprenant une unité électronique selon la revendication 9.
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