EP4573276A1 - Positionnement d'un port d'admission d'air d'une turbomachine - Google Patents

Positionnement d'un port d'admission d'air d'une turbomachine

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Publication number
EP4573276A1
EP4573276A1 EP23762255.0A EP23762255A EP4573276A1 EP 4573276 A1 EP4573276 A1 EP 4573276A1 EP 23762255 A EP23762255 A EP 23762255A EP 4573276 A1 EP4573276 A1 EP 4573276A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure shaft
power
high pressure
turbomachine
shaft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23762255.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Baptiste Jean-Marie RENAULT
Michel Pascal ROTTA
Nawal Jaljal
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Safran SA
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
Safran SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Safran Aircraft Engines SAS, Safran SA filed Critical Safran Aircraft Engines SAS
Publication of EP4573276A1 publication Critical patent/EP4573276A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/003—Arrangements for testing or measuring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/06—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output providing compressed gas
    • F02C6/08—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output providing compressed gas the gas being bled from the gas-turbine compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K5/00—Plants including an engine, other than a gas turbine, driving a compressor or a ducted fan
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D13/00—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space
    • B64D13/06—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space the air being conditioned
    • B64D2013/0603—Environmental Control Systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/70—Application in combination with
    • F05D2220/76—Application in combination with an electrical generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/80—Diagnostics

Definitions

  • This application generally concerns the field of turbomachines, and more particularly the dimensioning of the air sampling on a high pressure compressor.
  • a turbomachine has a main direction extending along a longitudinal axis, and typically comprises, from upstream to downstream in the direction of gas flow, a fan and a primary body comprising a compression section which may include a low pressure compressor , a high pressure compressor, a combustion chamber, and a turbine section which may include a high pressure turbine and a low pressure turbine.
  • the turbomachine may include two intake ports, a high pressure intake port placed near the outlet of the high pressure compressor and an intermediate intake port placed upstream.
  • the two compressors can transfer part of their mechanical power bilaterally via electromechanical converters directly mounted on each shaft attached to the high pressure and low pressure compressors.
  • Reducing aircraft fuel consumption involves improving performance in terms of air sampling useful for pressurizing the cabin during all phases of flight.
  • the turbomachine can thus include two ports at the compressor level. When the pressure at the most upstream port is too low, air is taken from the port located at the compressor outlet. However, if the pressure drawn is too high during a given flight phase, the efficiency of the corresponding compressor is intrinsically reduced. In addition, using air with too high a pressure implies oversizing the air cooling system, which involves additional costs in terms of consumption and equipment.
  • An aim of the invention is therefore to remedy the problems of overpressure of the air taken from the low pressure compressor for the operation of the aircraft during the different phases of flight while maintaining the air pressure above of a critical tipping point on a high pressure inlet port.
  • a set of a turbomachine comprising:
  • a high pressure compressor configured to be driven by a high pressure shaft
  • a low pressure compressor configured to be driven by a low pressure shaft, the low pressure shaft being configured to be driven at a speed lower than the high pressure shaft;
  • an air circulation system comprising a first air sampling port positioned in the high pressure compressor and a second air sampling port placed upstream of the first air sampling port;
  • controller configured to send transfer instructions to the first power converter of power from the high pressure shaft to the low pressure shaft or of power from the low pressure shaft to the high pressure shaft in operation of the operating condition.
  • the means for determining the operating condition include at least one of the following elements:
  • - a calculator configured to estimate a pressure at the second air sampling port.
  • the first power converter is an electromechanical converter operating in generator mode, the first power converter being able to take power from the high pressure shaft or transfer power to the high pressure shaft.
  • the assembly further comprises a second power converter receiving the power from the first power converter, the second power converter that can take power from the low pressure shaft or transfer power to the low pressure shaft.
  • the second power converter is an electromechanical converter operating in motor mode.
  • the second air sampling port is positioned in the high pressure compressor.
  • the high pressure compressor comprises a given number of compression stages, the second port being positioned between the second stage and the fourth stage, preferably between the second stage and the third stage.
  • a turbomachine comprising the assembly as described above.
  • Figure 1 schematically illustrates a half-section of an example of an aircraft turbomachine conforming to one embodiment of the invention
  • Figure 2a is a simplified view of an example of a conventional turbomachine
  • Figure 2b is a simplified view of another example of an aircraft turbomachine conforming to one embodiment of the invention.
  • Figure 3a is a graph representing the evolution of the pressure in the compressor of Figure 2b (in broken lines) and of the compressor in Figure 2a (in solid lines) as a function of the position of the upstream air sampling port during takeoff and climb;
  • Figure 3b is a graph representing the evolution of the pressure in the compressor of Figure 2b (in broken lines) and of the compressor in Figure 2a (in solid lines) as a function of the position of the upstream air sampling port on a cruise ;
  • Figure 4 partially illustrates an information and power chain in which the steps of a mode of implementation of the control method of the invention are detailed
  • Figure 5 is an algorithm illustrating one mode of implementation of the sizing method of the invention.
  • a turbomachine 1 has a main direction extending along a longitudinal axis low pressure compressor 4 as well as a high pressure compressor 5, a combustion chamber 6, and a turbine section which may comprise a high pressure turbine 7 as well as a low pressure turbine 8.
  • the fan 2 may be faired and be housed in a retention casing and comprises a nacelle 10 defining an aerodynamic envelope of the engine 1.
  • the fan can be non-ducted.
  • the air flow entering the turbomachine 1 is divided into a primary flow configured to pass through the primary body and a secondary flow which bypasses the primary body and is compressed by the fan 2.
  • turbomachine 1 can be streamlined and comprise more than two bodies.
  • the low pressure shaft 11 is connected to the low pressure turbine 8 and is configured to drive the low pressure compressor 4.
  • the fan 2 is driven by the low pressure shaft 11, either directly (as illustrated for example in Figures 2a and 2b) by the low pressure turbine, or via a reduction mechanism which may include an epicyclic gearbox of the planetary or star type (see figure 1).
  • the fan 2 is driven by a third shaft connected to an intermediate turbine extending between the high pressure turbine 7 and the low pressure turbine 8.
  • the low pressure turbine 8 then only drives the low pressure compressor 4, directly or via a reduction mechanism.
  • the upstream and downstream are defined in relation to the normal flow direction of the gas in the turbomachine 1.
  • the axis X of the turbomachine 1 corresponds to the axis of rotation of its rotor parts .
  • Turbomachine 1 also includes:
  • - means for determining an operating condition 50 of the turbomachine 1 and a controller 40 configured to send transfer instructions to the first power converter 21 of a power from the high pressure shaft 12 to the low pressure shaft 11 or power from the low pressure shaft 11 to the high pressure shaft 12 depending on the operating condition.
  • the downstream port 9 is positioned in the high pressure compressor 5.
  • the upstream port 3 is placed upstream of the downstream port 9. In one embodiment, the upstream port 3 is also positioned in the high pressure compressor 5.
  • the pressure of the air taken by each port 3, 9 depends on the position of the port in the high pressure compressor 5. The further upstream the port is, the lower the pressure taken.
  • the air taken by each port 3, 9 passes through an expansion member making it possible to adapt the pressure and temperature for different applications such as air conditioning for an aircraft cabin or defrosting the wings of an aircraft .
  • the turbomachine 1 comprises a first electromechanical converter 21 mechanically connected to the high pressure shaft 12 via an accessory box 20 and a second electromechanical converter 31 mechanically connected to the low pressure shaft 11 via a coupling device 30 and electrically to the first converter 21 via an internal electrical network 14.
  • the first converter 21 is configured to take power from the upper shaft pressure 12 and transfer this power to a part of the turbomachine 1, for example to the low pressure shaft 11 and the second electromechanical converter 31 configured to be driven by the low pressure shaft 11 and receive the power from the first converter 21.
  • the first converter 21 then operates in generator mode and the second converter 31 then operates in motor mode.
  • the second converter 31 can be configured to take power from the low pressure shaft 11 and transfer this power to a part of the turbomachine 1, for example to the high pressure shaft 12 and the first electromechanical converter 21 can be configured to be driven by the high pressure shaft 12 and receive power from the second converter 31.
  • the second converter 31 then operates in generator mode and the first converter 21 then operates in motor mode. It will be noted that the operation (motor/generator) of the first and second converters 21, 31 depends on the operating condition of the turbomachine 1 (which is defined later in the description).
  • the first and second converters 21 and 31 are therefore preferably rotating electrical machines of reversible type capable of operating in a motor mode and in a generator mode.
  • a rotating electrical machine transforms electrical energy taken from the internal electrical network 14 into mechanical energy injected onto the low pressure shaft 11 or the high pressure shaft 12.
  • the electrical module of power 22, 32 operates in an inverter mode to transform a direct voltage from the internal electrical network 14 into a polyphase alternating voltage applied to the phases of the corresponding rotating electrical machine.
  • a rotating electrical machine transforms mechanical energy taken from the low pressure shaft 11 or the high pressure shaft 12 into electrical energy injected into the internal electrical network 14 of the turbomachine 1.
  • the electrical power module 22, 32 operates in a rectifier mode to transform a polyphase alternating voltage generated by the rotating electrical machine into a direct voltage applied to the internal electrical network 14.
  • the first and second converters 21 and 31 are preferably permanent magnet synchronous type machines. Alternatively, the first and second converters 21 and 31 may include asynchronous type electrical machines or any other type of electrical machine adapted to the application.
  • the invention will be mainly described in the case of operation where the first converter 21, or HP converter 21, operates in generator mode and the second converter, or BP converter 31, operates in motor mode to simplify the description.
  • the first converter 21 can however operate in engine mode and the second converter 31 can operate in generator mode, depending on the operating condition of the turbomachine 1.
  • the coupling device 30 can integrate a mechanical function for uncoupling the BP converter 31, particularly in the event of a malfunction of the latter.
  • the internal electrical network 14 of the turbomachine 1 is preferably a continuous electrical network.
  • Electrical power modules 22, 32 can be electrically connected to the BP 31 and HP 21 converters. In this case, the electrical power modules 22, 32 are electrically connected to the internal electrical network 14 of the turbomachine 1.
  • the power flow is directed from the high pressure shaft 12 towards the low pressure shaft 11.
  • a mechanical power of rotation of the high pressure shaft 12 is converted by the HP converter 21 into alternating electrical power then modulated by the electrical power module 22 as a rectifier in order to be transported in the form of continuous electrical power up to 'to the inverter 32 making it possible to obtain at the output an alternating electrical power converted by the BP converter 31 into a mechanical rotational power transmitted to the low pressure shaft 11.
  • the means for determining the operating condition 50 of the turbomachine 1 may comprise at least one of the following means, configured to measure and/or estimate given parameters:
  • a calculator configured to estimate a pressure at the second air sampling port 3, the calculator being able to implement for example an algorithm or a map modeling the turbomachine 1 obtained by ground tests or by calculations.
  • the controller 40 is configured to receive as input the measured and/or estimated parameters and send transfer instructions to the HP converter 21 of power from the high pressure shaft 12 to the low pressure shaft 11 as a function of these parameters.
  • the power level to be taken from the high pressure shaft 12 is estimated by the controller 40 from the target pressure value to be achieved at the upstream port 3.
  • the controller then transmits, at its output, a torque reference to control the electromechanical converter 21 via the electrical power module 22.
  • the power module can be in a PWM or full-wave mode.
  • the hybrid architecture with an HP 21 converter and a BP 31 converter allows power transfers that can be used to increase, depending on the flight phases, the pressure of the air taken from the upstream port 3.
  • the upstream port 3 is “moved” virtually as a function of the power transferred to the low pressure shaft 11. It is therefore possible to adapt the pressure at the level of the upstream port 3 as accurately as possible according to the pressure requirement of the aircraft and/or to place the upstream port 3 in a stage of the high pressure compressor 5 further upstream than in conventional turbomachines.
  • the upstream port 3 can be positioned between the second stage and the fourth stage of the high pressure compressor 5, preferably, at the level of the second stage or the third stage of the compressor high pressure 5. Indeed, when the pressure at the upstream port 3 is too low to ensure sufficient pressurization of the cabin, the increase in the rotation speed of the low pressure shaft 11 thanks to the controller 40 and the converter HP 21 increases the pressure at upstream port 3.
  • each operating condition implies different pressure conditions at the level of the compression assembly.
  • the pressure can change at this stage between two flight phases. Therefore, the pressure at the sampling ports 3, 9 is modified, which implies an increase in the consumption of the air regulation equipment.
  • the upstream port 3 is placed so that the inlet pressure is at a value in the vicinity of a target pressure corresponding to the need of the aircraft during the most restrictive flight phase, for example the waiting or end of cruise phase.
  • this point corresponds to a pressure value P1 located at the limit of pressure requirements represented by a horizontal line at the pressure value P3.
  • the operating conditions of the turbomachine change, in particular the pressure at the compression section.
  • the pressure required by the aircraft represented by the horizontal line at the pressure value P4, is then lower than the effective pressure P2 at the upstream port 3, which is fixed in the high pressure compressor 5.
  • This pressure difference AP reduces the efficiency of the high pressure compressor 5 and causes excess fuel consumption.
  • the use of the HP converter 21 makes it possible to move the upstream port 3 upstream, so that the pressure point P2 corresponds to the target value P4 in the cruise phase (which generally corresponds to the longest flight phase at during a mission), while compensating for the missing pressure during the most restrictive flight phase by ensuring a pressure equal to the target value P3 thanks to the power draw on the high pressure shaft 12.
  • the pressure P2 at the level of the upstream port 3 is therefore equal to the pressure P4 required in the cruise phase, it is therefore normally not necessary to draw power from the high pressure shaft 12.
  • the power flow 13 transferred from the high pressure shaft 12 to the low pressure shaft 11 makes it possible to maintain the operating point at pressure P3. Indeed, the evolution of the pressure in the case of the architecture of Figure 2b is identical in Figure 3a and in Figure 3b.
  • the method for controlling the HP converter 21 and the BP converter 31 of the turbomachine 1, illustrated in Figure 4, presents the following steps.
  • an operating condition of the turbomachine is determined from the data from the sensors 50.
  • Steps E1 and E2 are repeated until the determined operating condition corresponds to the predefined operating condition.
  • the process has the advantage of theoretically saving up to 1% of the fuel transported by the aircraft. By advancing the upstream port 3 by one stage (for example a passage from the fourth to the third stage of a high pressure compressor 5 by ten stages), the fuel saving can reach 0.5%.
  • a target pressure P4 is determined in the cruise phase.
  • the target pressure P4 can for example correspond to the pressure requirement of the aircraft in the cruise phase.
  • the upstream port 3 is positioned in the compression section, for example in the high pressure compressor 5, so that the pressure at the level of the upstream port 3 is equal to the target pressure P4 in the phase of cruise.
  • the pressure levels at each stage of the high pressure compressor 5 are mapped precisely, by ground tests or by calculations, in order to evaluate the pressure levels for all the operating conditions of the turbomachine 1.
  • the above method makes it possible to size the upstream port but also the HP 21 and BP 31 converters and the electrical power modules 22, 32, knowing the rotation speed at take-off and rise speeds of the high shaft. pressure 12 and the low pressure shaft 11.

Landscapes

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Abstract

La présente invention concerne un ensemble d'une turbomachine (1) comprenant : - un compresseur haute pression (5) configuré pour être entrainé par un arbre haute pression (12); - un compresseur basse pression (4) configuré pour être entrainé par un arbre basse pression (11), l'arbre basse pression (11) étant configuré pour être entrainé à une vitesse inférieure à l'arbre haute pression (12); - un premier convertisseur de puissance (21) configuré pour être entrainé par l'arbre haute pression (12); - un système de circulation d'air comprenant un premier port de prélèvement d'air (9) positionné dans le compresseur haute pression (5) et un deuxième port de prélèvement d'air (3) placé en amont du premier port de prélèvement d'air (9); - des moyens de détermination d'une condition de fonctionnement (50) de l'ensemble de turbomachine (1); et - un contrôleur (40) configuré pour envoyer des instructions de transfert au premier convertisseur de puissance (21) d'une puissance de l'arbre haute pression (12) vers l'arbre basse pression (11) ou d'une puissance de l'arbre basse pression (11) vers l'arbre haute pression (12) en fonction de la condition de fonctionnement.

Description

Positionnement d’un port d’admission d’air d’une turbomachine
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente demande concerne de manière générale le domaine des turbomachines, et plus particulièrement le dimensionnement du prélèvement d’air sur un compresseur haute pression.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Une turbomachine présente une direction principale s’étendant selon un axe longitudinal, et comporte typiquement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, une soufflante et un corps primaire comportant une section de compression pouvant comprendre un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, et une section de turbine pouvant comprendre une turbine haute pression et une turbine basse pression. La turbomachine peut comporter deux ports d’admission, un port d’admission haute pression placé au voisinage de la sortie du compresseur haute pression et un port d’admission intermédiaire placé en amont. Les deux compresseurs peuvent transférer de façon bilatérale une partie de leur puissance mécanique par l’intermédiaire de convertisseurs électromécaniques directement montés sur chaque arbre solidaire des compresseurs haute pression et basse pression. On parle alors d’architecture hybridée. On pourra se référer au document WO 2020/ 245516 pour d’informations sur ce type d’architectures.
La réduction de la consommation en carburant des aéronefs passe notamment par l’amélioration des performances en termes de prélèvement d’air utile à la pressurisation de la cabine pendant toutes les phases de vol.
Ces performances sont intrinsèquement liées à la position des ports de prélèvement dans la turbomachine. La turbomachine peut ainsi comprendre deux ports au niveau du compresseur. Lorsque la pression au niveau du port le plus amont est trop faible, l’air est prélevé au niveau du port situé en sortie du compresseur. Or, si la pression prélevée est trop élevée lors d’une phase de vol donnée, l’efficacité du compresseur correspondant est intrinsèquement réduite. De plus, l’utilisation d’un air présentant une pression trop élevée implique de surdimensionner le système refroidissement de l’air, ce qui implique un surcoût en termes de consommation et d’équipement.
EXPOSE DE L'INVENTION Un but de l’invention est donc de remédier aux problèmes de surpression de l’air prélevé au niveau du compresseur basse pression pour le fonctionnement de l’aéronef pendant les différentes phases de vol tout en maintenant la pression de l’air au-dessus d’un point critique de basculement sur un port d’admission haute pression.
Il est à cet effet proposé un ensemble d’une turbomachine comprenant :
- un compresseur haute pression configuré pour être entraîné par un arbre haute pression ;
- un compresseur basse pression configuré pour être entraîné par un arbre basse pression, l’arbre basse pression étant configuré pour être entraîné à une vitesse inférieure à l’arbre haute pression ;
- un premier convertisseur de puissance configuré pour être entraîné par l’arbre haute pression ;
- un système de circulation d’air comprenant un premier port de prélèvement d’air positionné dans le compresseur haute pression et un deuxième port de prélèvement d’air placé en amont du premier port de prélèvement d’air ;
- des moyens de détermination d’une condition de fonctionnement de l’ensemble de turbomachine ; et
- un contrôleur configuré pour envoyer des instructions de transfert au premier convertisseur de puissance d’une puissance de l’arbre haute pression vers l’arbre basse pression ou d’une puissance de l’arbre basse pression vers l’arbre haute pression en fonction de la condition de fonctionnement.
On peut prévoir que les moyens de détermination de la condition de fonctionnement comprennent l’un au moins des éléments suivants :
- un capteur de pression positionné au niveau du deuxième port de prélèvement d’air ;
- un calculateur configuré pour estimer une pression au niveau du deuxième port de prélèvement d’air.
On peut prévoir que le premier convertisseur de puissance est un convertisseur électromécanique fonctionnant en mode générateur, le premier convertisseur de puissance pouvant prélever la puissance sur l’arbre haute pression ou transférer la puissance à l’arbre haute pression.
On peut prévoir que l’ensemble comprend en outre un deuxième convertisseur de puissance recevant la puissance du premier convertisseur de puissance, le deuxième convertisseur de puissance pouvant prélever la puissance sur l’arbre basse pression ou transférer la puissance à l’arbre basse pression.
On peut prévoir que le deuxième convertisseur de puissance est un convertisseur électromécanique fonctionnant en mode moteur.
On peut prévoir que le deuxième port de prélèvement d’air est positionné dans le compresseur haute pression.
On peut prévoir que le compresseur haute pression comprend un nombre donné d’étages de compression, le deuxième port étant positionné entre le deuxième étage et le quatrième étage, de préférence entre le deuxième étage et le troisième étage.
On prévoit également selon l’invention une turbomachine comprenant l’ensemble tel que décrit précédemment.
On prévoit aussi selon l’invention un procédé de contrôle de l’ensemble de turbomachine tel que décrit précédemment, comprenant les étapes suivantes :
- déterminer une condition de fonctionnement de l’ensemble de turbomachine ; et
- transférer une puissance de l’arbre haute pression vers l’arbre basse pression ou une puissance de l’arbre basse pression vers l’arbre haute pression en fonction de la condition de fonctionnement de sorte à augmenter une pression au niveau du deuxième port de prélèvement.
On prévoit aussi selon l’invention un procédé de dimensionnement de l’ensemble de turbomachine tel que décrit précédemment, comprenant les étapes suivantes :
- déterminer une pression cible en phase de croisière de la turbomachine ; et
- positionner le deuxième port de prélèvement de sorte que la pression au niveau du deuxième port de prélèvement soit égale à la pression cible.
DESCRIPTION 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 1 illustre de façon schématique une demie-coupe d’un exemple de turbomachine d’aéronef conforme à un mode de réalisation de l’invention ;
La figure 2a est une vue simplifiée d’un exemple de turbomachine conventionnel ;
La figure 2b est une vue simplifiée d’un autre exemple de turbomachine d’aéronef conforme à un mode de réalisation de l’invention ;
La figure 3a est un graphe représentant l’évolution de la pression dans le compresseur de la figure 2b (en traits discontinus) et du compresseur de la figure 2a (en trait plein) en fonction de la position du port de prélèvement d’air amont au décollage et en montée ;
La figure 3b est un graphe représentant l’évolution de la pression dans le compresseur de la figure 2b (en traits discontinus) et du compresseur de la figure 2a (en trait plein) en fonction de la position du port de prélèvement d’air amont en croisière ;
La figure 4 illustre partiellement une chaine d’information et de puissance dans lesquelles sont détaillées les étapes d’un mode de mise en oeuvre du procédé de contrôle de l’invention ; et
La figure 5 est un algorigramme illustrant un mode de mise en oeuvre du procédé de dimensionnement de l’invention.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Une turbomachine 1 présente une direction principale s’étendant selon un axe longitudinal X, et comporte typiquement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, une soufflante 2, un corps primaire comportant une section de compression pouvant comprendre un compresseur basse pression 4 ainsi qu’un compresseur haute pression 5, une chambre de combustion 6, et une section de turbine pouvant comprendre une turbine haute pression 7 ainsi qu’une turbine basse pression 8. Dans un mode de réalisation, la soufflante 2 peut être carénée et être logée dans un carter de rétention et comprend une nacelle 10 définissant une enveloppe aérodynamique du moteur 1. En variante, la soufflante peut être non carénée. Le flux d’air entrant dans la turbomachine 1 se divise en un flux primaire configuré pour traverser le corps primaire et un flux secondaire qui contourne le corps primaire et est comprimé par la soufflante 2.
En outre, la turbomachine 1 peut être carénée et comprendre plus de deux corps.
La turbomachine 1 comprend au moins deux arbres d’entrainement, typiquement un arbre haute pression 12 et un arbre basse pression 11 . L’arbre haute pression 12 est raccordé à la turbine haute pression 7 et est configuré pour entraîner le compresseur haute pression 5.
L’arbre basse pression 11 est raccordé à la turbine basse pression 8 et est configuré pour entrainer le compresseur basse pression 4.
Dans le cas d’une turbomachine double corps, la soufflante 2 est entraînée par l’arbre basse pression 11 , soit directement (comme illustré par exemple sur les figures 2a et 2b) par la turbine basse pression, soit par l’intermédiaire d’un mécanisme de réduction pouvant comprendre un réducteur épicycloïdal du type planétaire ou en étoile (voir figure 1 ).
Dans le cas d’une turbomachine triple corps, la soufflante 2 est entraînée par un troisième arbre raccordé à une turbine intermédiaire s’étendant entre la turbine haute pression 7 et la turbine basse pression 8. La turbine basse pression 8 n’entraine alors que le compresseur basse pression 4, directement ou via un mécanisme de réduction.
Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du gaz dans la turbomachine 1. Ainsi, l’axe X de la turbomachine 1 correspond à l’axe de rotation de ses parties rotor.
La turbomachine 1 comprend également :
- un premier convertisseur de puissance 21 , ou convertisseur HP 21 , configuré pour être entraîné par l’arbre haute pression 12 ;
- un système de circulation d’air comprenant deux ports de prélèvement amont 3 et aval 9 ; et
- des moyens de détermination d’une condition de fonctionnement 50 de la turbomachine 1 et un contrôleur 40 configuré pour envoyer des instructions de transfert au premier convertisseur 21 de puissance d’une puissance de l’arbre haute pression 12 vers l’arbre basse pression 11 ou d’une puissance de l’arbre basse pression 11 vers l’arbre haute pression 12 en fonction de la condition de fonctionnement.
Le port aval 9 est positionné dans le compresseur haute pression 5. Le port amont 3 est placé en amont du port aval 9. Dans une forme de réalisation, le port amont 3 est également positionné dans le compresseur haute pression 5.
La pression de l’air prélevé par chaque port 3, 9 dépend de la position du port dans le compresseur haute pression 5. Plus le port est en amont, plus la pression prélevée est faible.
L’air prélevé par chaque port 3, 9 traverse un organe de détente permettant d’adapter la pression et la température pour différentes applications comme le conditionnement de l’air pour une cabine d’aéronef ou bien le dégivrage des ailes d’un aéronef. La turbomachine 1 comprend un premier convertisseur électromécanique 21 relié mécaniquement à l’arbre haute pression 12 par l'intermédiaire d'un boitier d’accessoires 20 et un deuxième convertisseur électromécanique 31 relié mécaniquement à l’arbre basse pression 11 par l'intermédiaire d'un dispositif d’accouplement 30 et électriquement au premier convertisseur 21 par l’intermédiaire d’un réseau électrique interne 14. Selon la condition de fonctionnement de la turbomachine 1 , le premier convertisseur 21 est configuré pour prélever une puissance sur l’arbre haute pression 12 et transférer cette puissance à une pièce de la turbomachine 1 , par exemple à l’arbre basse pression 11 et le deuxième convertisseur électromécanique 31 configuré pour être entraîné par l’arbre basse pression 11 et recevoir la puissance du premier convertisseur 21 . Le premier convertisseur 21 fonctionne alors en mode générateur et le deuxième convertisseur 31 fonctionne alors en mode moteur. En variante, le deuxième convertisseur 31 peut être configuré pour prélever une puissance sur l’arbre basse pression 11 et transférer cette puissance à une pièce de la turbomachine 1 , par exemple à l’arbre haute pression 12 et le premier convertisseur électromécanique 21 peut être configuré pour être entraîné par l’arbre haute pression 12 et recevoir la puissance du deuxième convertisseur 31. Le deuxième convertisseur 31 fonctionne alors en mode générateur et le premier convertisseur 21 fonctionne alors en mode moteur. On notera que le fonctionnement (moteur/générateur) des premier et deuxième convertisseurs 21 , 31 dépend de la condition de fonctionnement de la turbomachine 1 (qui est définie plus loin dans la description).
Les premier et deuxième convertisseurs 21 et 31 sont donc de préférence des machines électriques tournantes de type réversible aptes à fonctionner dans un mode moteur et dans un mode générateur. Dans le mode moteur, une machine électrique tournante transforme de l’énergie électrique prélevée sur le réseau électrique interne 14 en une énergie mécanique injectée sur l’arbre basse pression 11 ou l’arbre haute pression 12. A cet effet, le module électrique de puissance 22, 32 fonctionne dans un mode onduleur pour transformer une tension continue du réseau électrique interne 14 en une tension alternative polyphasée appliquée sur les phases de la machine électrique tournante correspondante.
Dans le mode générateur, une machine électrique tournante transforme de l’énergie mécanique prélevée sur l’arbre basse pression 11 ou l’arbre haute pression 12 en une énergie électrique injectée sur le réseau électrique interne 14 de la turbomachine 1. A cet effet, le module électrique de puissance 22, 32 fonctionne dans un mode redresseur pour transformer une tension alternative polyphasée générée par la machine électrique tournante en une tension continue appliquée sur le réseau électrique interne 14.
Les premier et deuxième convertisseurs 21 et 31 sont de préférence des machines de type synchrone à aimants permanents. Alternativement, les premier et deuxième convertisseurs 21 et 31 peuvent comprendre des machines électriques de type asynchrone ou tout autre type de machine électrique adapté à l'application.
Dans ce qui suit, l’invention sera principalement décrite dans le cas de fonctionnement où le premier convertisseur 21 , ou convertisseur HP 21 , fonctionne en mode générateur et le deuxième convertisseur, ou convertisseur BP 31 , fonctionne en mode moteur pour simplifier la description. Comme indiqué plus haut, le premier convertisseur 21 peut toutefois fonctionner en mode moteur et le deuxième convertisseur 31 peut fonctionner en mode générateur, en fonction de la condition de fonctionnement de la turbomachine 1.
Le cas échéant, le dispositif d'accouplement 30 peut intégrer une fonction mécanique de désaccouplement du convertisseur BP 31 notamment en cas de dysfonctionnement de cette dernière.
Le réseau électrique interne 14 de la turbomachine 1 est de préférence un réseau électrique continu.
Des modules électriques de puissance 22, 32 peuvent être reliés électriquement aux convertisseurs BP 31 et HP 21 . En l’espèce les modules électriques de puissance 22, 32 sont connectés électriquement au réseau électrique interne 14 de la turbomachine 1.
Dans l’exemple de réalisation illustré sur les figures, le flux de puissance est orienté de l’arbre haute pression 12 vers l’arbre basse pression 11 . Ainsi, une puissance mécanique de rotation de l’arbre haute pression 12 est convertie par le convertisseur HP 21 en puissance électrique alternative puis modulée par le module électrique de puissance 22 en tant que redresseur afin d’être transportée sous forme de puissance électrique continue jusqu’à l’onduleur 32 permettant d’obtenir en sortie une puissance électrique alternative convertie par le convertisseur BP 31 en une puissance mécanique de rotation transmise à l’arbre basse pression 11 .
Les moyens de détermination de la condition de fonctionnement 50 de la turbomachine 1 peuvent comprendre l’un au moins des moyens suivants, configurés pour mesurer et/ou estimer des paramètres donnés :
- un capteur de pression positionné au niveau du port amont 3 ;
- un calculateur configuré pour estimer une pression au niveau du deuxième port de prélèvement d’air 3, le calculateur pouvant mettre en oeuvre par exemple un algorithme ou une cartographie modélisant la turbomachine 1 obtenue par essais au sol ou par calculs.
Tout ou partie des paramètres mesurés et/ou estimés permettent ainsi de définir la condition de fonctionnement de l’aéronef. Le contrôleur 40 est configuré pour recevoir en entrée les paramètres mesurés et/ou estimés et envoyer des instructions de transfert au convertisseur HP 21 d’une puissance de l’arbre haute pression 12 vers l’arbre basse pression 11 en fonction de ces paramètres. Le niveau de puissance à prélever sur l’arbre haute pression 12 est estimé par le contrôleur 40 à partir de la valeur cible de pression à atteindre au niveau du port amont 3. Le contrôleur transmet alors, en sortie, une consigne de couple pour commander le convertisseur électromécanique 21 par l’intermédiaire du module électrique de puissance 22. Le module de puissance peut être dans un mode MLI ou pleine onde.
Procédé de contrôle E0 selon un mode de mise en oeuyre de l’invention
L’architecture hybridée avec un convertisseur HP 21 et un convertisseur BP 31 , permet des transferts de puissance pouvant être exploités afin d’augmenter, selon les phases de vol, la pression de l’air prélevé au niveau du port amont 3. Ainsi, le port amont 3 est « déplacé » virtuellement en fonction de la puissance transférée à l’arbre basse pression 11. Il est donc possible d’adapter au plus juste la pression au niveau du port amont 3 selon le besoin de pression de l’aéronef et/ou de placer le port amont 3 dans un étage du compresseur haute pression 5 plus en amont que dans les turbomachines conventionnelles.
Ainsi, lorsque le compresseur haute pression 5 comprend entre 6 et 12 étages, le port amont 3 peut être positionné entre le deuxième étage et le quatrième étage du compresseur haute pression 5, de préférence, au niveau du deuxième étage ou du troisième étage du compresseur haute pression 5. En effet, lorsque la pression au niveau du port amont 3 est trop faible pour assurer une pressurisation suffisante de la cabine, l’augmentation de la vitesse de rotation de l’arbre basse pression 11 grâce au contrôleur 40 et au convertisseur HP 21 permet d’augmenter la pression au niveau du port amont 3.
On notera que chaque condition de fonctionnement implique des conditions de pression au niveau de l’ensemble de compression différentes. Ainsi, pour un même étage d’un compresseur 4, 5, la pression peut changer à cet étage entre deux phases de vol. Donc, la pression au niveau des ports de prélèvement 3, 9 est modifiée, ce qui implique une augmentation de la consommation des équipements de régulation de l’air.
Par exemple, dans la configuration de la turbomachine 1 illustrée en figure 2a, le port amont 3 est placé de façon à ce que la pression d’admission soit à une valeur au voisinage d’une pression cible correspondant au besoin de l’aéronef pendant la phase de vol la plus contraignante, par exemple la phase d’attente ou de fin de croisière. Sur la figure 3a, Ce point correspond à une valeur de pression P1 se trouvant à la limite des besoins en pression représentée par une ligne horizontale à la valeur de pression P3.
Pendant la phase de vol de croisière, les conditions de fonctionnement de la turbomachine changent, notamment la pression au niveau de la section de compression. La pression requise par l’aéronef, représentée par la ligne horizontale à la valeur de pression P4, est alors inférieure à la pression effective P2 au niveau du port amont 3, qui est fixe dans le compresseur haute pression 5. Il existe alors un écart de pression AP entre le point de pression P2 et le besoin de pression P4, puisque la pression prélevée est trop importante par rapport à la pression requise P4. Cet écart de pression AP réduit cependant l’efficacité du compresseur haute pression 5 et provoque une surconsommation de carburant.
L’utilisation du convertisseur HP 21 permet de déplacer vers l’amont le port amont 3, de sorte que le point de pression P2 correspond à la valeur cible P4 en phase de croisière (qui correspond généralement à la phase de vol la plus longue au cours d’une mission), tout en compensant la pression manquante durant la phase de vol la plus contraignante en assurant une pression égale à la valeur cible P3 grâce au prélèvement de puissance sur l’arbre haute pression 12. La pression P2 au niveau du port amont 3 est donc égale à la pression P4 requise en phase de croisière, il n’est donc normalement pas nécessaire de prélever de la puissance sur l’arbre haute pression 12. En revanche, lors de la phase de vol la plus contraignante, le flux de puissance 13 transféré de l’arbre haute pression 12 vers l’arbre basse pression 11 permet de maintenir le point de fonctionnement à la pression P3. En effet, l’évolution de la pression dans le cas de l’architecture de la figure 2b est identique en figure 3a et en figure 3b.
Le procédé permettant de contrôler le convertisseur HP 21 et le convertisseur BP 31 de la turbomachine 1 , illustré en figure 4, présente les étapes suivantes.
Au cours d’une étape E1 , une condition de fonctionnement de la turbomachine est déterminée à partir des données issues des capteurs 50.
Au cours d’une étape E2, le contrôleur 40 compare la condition de fonctionnement ainsi déterminée (par exemple, la pression au niveau du port amont 3) à une condition de fonctionnement prédéfinie (par exemple la pression P3 ou P4) et pilote le cas échéant le convertisseur HP 21 et, optionnellement le convertisseur BP 31 , de façon à transférer une puissance de l’arbre haute pression 12 vers l’arbre basse pression 11 ou une puissance de l’arbre basse pression 11 vers l’arbre haute pression 12 en fonction de la condition de fonctionnement ainsi déterminée. La pression au niveau du port amont 3 est alors modifiée.
Les étapes E1 et E2 sont réitérées jusqu’à ce que la condition de fonctionnement déterminée corresponde à la condition de fonctionnement prédéfinie. Le procédé présente l’avantage d’économiser théoriquement jusqu’à 1 % du carburant transporté par l’aéronef. En avançant le port amont 3 d’un étage (par exemple un passage du quatrième au troisième étage d’un compresseur haute pression 5 de dix étages), l’économie de carburant peut atteindre 0.5%.
Procédé de dimensionnement E10 selon un mode de réalisation de l’invention
Il existe une position du port amont 3 pour laquelle, en phase de croisière, la pression au niveau du port amont 3 correspond à la pression correspondant au besoin de l’aéronef P4. Ce point implique de sous-dimensionner le port amont 3 lors des autres phases de vol et d’utiliser le transfert de puissance entre l’arbre haute pression 12 et l’arbre basse pression 11 pour maintenir la pression d’admission à la valeur cible de pression P3.
Le procédé de dimensionnement d’un ensemble de turbomachine 1 permettant de trouver cette position est illustré par l’organigramme en figure 5 dont chacune des étapes est détaillée ci-dessous.
Au cours d’une étape E10, une pression cible P4 est déterminée en phase de croisière. La pression cible P4 peut par exemple correspondre au besoin de pression de l’aéronef en phase de croisière.
Au cours d’une étape E11 , le port amont 3 est positionné dans la section de compression, par exemple dans le compresseur haute pression 5, de sorte que la pression au niveau du port amont 3 soit égale à la pression cible P4 en phase de croisière. Les niveaux de pressions au niveau de chaque étage du compresseur haute pression 5 sont cartographiés de manière précise, par essais au sol ou par des calculs, afin d’évaluer les niveaux de pression pour toutes les conditions de fonctionnement de la turbomachine 1 .
Un exemple de positionnement du port amont issu du procédé de dimensionnement est illustré en figure 3b.
En outre, le procédé ci-dessus permet de dimensionner le port amont mais également les convertisseurs HP 21 et BP 31 et les modules électriques de puissance 22, 32, connaissant la vitesse de rotation aux régimes de décollage et de montée de l’arbre haute pression 12 et de l’arbre basse pression 11 .

Claims

REVENDICATIONS
1 . Ensemble d’une turbomachine (1 ) comprenant :
- un compresseur haute pression (5) configuré pour être entraîné par un arbre haute pression (12) ;
- un compresseur basse pression (4) configuré pour être entraîné par un arbre basse pression (11 ), l’arbre basse pression (11 ) étant configuré pour être entraîné à une vitesse inférieure à l’arbre haute pression (12) ;
- un premier convertisseur de puissance (21 ) configuré pour être entraîné par l’arbre haute pression (12) ;
- un système de circulation d’air comprenant un premier port de prélèvement d’air (9) positionné dans le compresseur haute pression (5) et un deuxième port de prélèvement d’air (3) placé en amont du premier port de prélèvement d’air (9) ;
- des moyens de détermination d’une condition de fonctionnement (50) de l’ensemble de turbomachine (1 ) ; et
- un contrôleur (40) configuré pour envoyer des instructions de transfert au premier convertisseur de puissance (21 ) d’une puissance de l’arbre haute pression (12) vers l’arbre basse pression (11 ) ou d’une puissance de l’arbre basse pression (11 ) vers l’arbre haute pression (12) en fonction de la condition de fonctionnement.
2. Ensemble selon la revendication 1 , dans lequel les moyens de détermination de la condition de fonctionnement (50) comprennent l’un au moins des éléments suivants :
- un capteur de pression positionné au niveau du deuxième port de prélèvement d’air (3) ;
- un calculateur configuré pour estimer une pression au niveau du deuxième port de prélèvement d’air (3).
3. Ensemble selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le premier convertisseur de puissance (21 ) est un convertisseur électromécanique fonctionnant en mode générateur, le premier convertisseur de puissance (21 ) pouvant prélever la puissance sur l’arbre haute pression (12) ou transférer la puissance à l’arbre haute pression (12).
4. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant en outre un deuxième convertisseur de puissance (31 ) recevant la puissance du premier convertisseur de puissance (21 ), le deuxième convertisseur de puissance (31 ) pouvant prélever la puissance sur l’arbre basse pression (11 ) ou transférer la puissance à l’arbre basse pression (11 ).
5. Ensemble selon la revendication 4, dans lequel le deuxième convertisseur de puissance (31 ) est un convertisseur électromécanique fonctionnant en mode moteur.
6. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le deuxième port de prélèvement d’air (3) est positionné dans le compresseur haute pression (5).
7. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le compresseur haute pression (5) comprend un nombre donné d’étages de compression, le deuxième port (3) étant positionné entre le deuxième étage et le quatrième étage, de préférence entre le deuxième étage et le troisième étage.
8. Turbomachine (1 ) comprenant un ensemble selon l’une des revendications 1 à 7.
9. Procédé de contrôle (EO) d’un ensemble de turbomachine (1 ) selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes :
- déterminer (E1 ) une condition de fonctionnement de l’ensemble de turbomachine (1 ) ; et
- transférer (E2) une puissance de l’arbre haute pression (12) vers l’arbre basse pression (11 ) ou une puissance de l’arbre basse pression (11 ) vers l’arbre haute pression (12) en fonction de la condition de fonctionnement de sorte à augmenter une pression au niveau du deuxième port de prélèvement (3).
10. Procédé de dimensionnement (E10) d’un ensemble de turbomachine (1 ) selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes :
- déterminer (E11 ) une pression cible (P4) en phase de croisière de la turbomachine (1 ) ; et
- positionner (E12) le deuxième port de prélèvement (3) de sorte que la pression au niveau du deuxième port de prélèvement (3) soit égale à la pression cible (P4).
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